多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路

摘要

本发明属于多电平有源中点钳位逆变器技术，具体涉及一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S4、开关管S3、开关管S3、开关管S4、开关管S2、开关管S1；开关管S4的集电极和开关管S4的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管S6、开关管S5。对于有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂，采用单输入、双输出隔离电源生成串联IGBT的钳位电压，变换器输入输出变比为4:1:1，增加钳位电压之后，串联运行的IGBT可以实现动静态均压。

权利要求

1.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管 开关管 开关管S3、开关管S4、开关管 开关管 开关管 的集电极和开关管S4的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管 开关管 电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管 的发射极和开关管S3的集电极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管 的发射极和开关管S6的集电极之间并联有电容Cf；电源端和变换器输入为直流母线电压4E，变换器的两个输出端口为Vs1和Vs2，端口输出电压均为E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S1的发射极和开关管S2的集电极之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管的集电极和开关管 的发射极之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管S3发射极和开关管S4集电极之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管 的集电极和开关管 的发射极之间。

2.根据权利要求1所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述变换器为单输入、双输出的直流变换器或两个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。

3.根据权利要求1所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：变换器输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系。

4.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管 开关管 开关管 开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管 开关管 开关管 开关管 的集电极和开关管S6的发射极之间并联有依次串联的开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管 开关管 开关管 电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管 的发射极和开关管S4的集电极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管 的发射极和开关管S9的集电极之间连接有电容Cf1；开关管 的发射极和开关管S8的集电极之间连接有电容Cf2；电源端和变换器输入均为直流母线电压6E，变换器的4个输出端口为Vs1、Vs2、Vs3和Vs4，输出端口Vs1和Vs2的电压均为E，输出端口Vs3和Vs4的电压均为2E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S2发射极和开关管S3集电极之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管 发射极和开关管 集电极之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管S5发射极和开关管S6集电极之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管 发射极和开关管 集电极之间；输出端口Vs3的正极连接在开关管S1发射极和开关管S2集电极之间，输出端口Vs3的负极连接在开关管发射极和开关管 集电极之间；输出端口Vs4的正极连接在开关管S4发射极和开关管S5集电极之间，输出端口Vs4的负极连接在开关管 发射极和开关管 集电极之间。

5.根据权利要求4所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述变换器为单输入、四输出的直流变换器或4个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。

6.根据权利要求4所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：变换器输入端口和4个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。

7.一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：对于九电平及以上电平数的有源中点钳位逆变器的单个桥臂，有源中点钳位逆变器的电平数为N，其中N为奇数，直流母线电压为(N‑1)*E，用于生成钳位电压的直流变换器需要N‑3路独立的输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类推，2个最高输出的电压为((N‑1)/2‑1)*E；将这N‑3个电压端口跨接到串联运行的IGBT上用于电压钳位；实现(N‑1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。

8.根据权利要求1或4或7中任一项所述的一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：所述的串联IGBT均压方法构成的桥臂，进一步组合成多相有源中点钳位逆变器且相数大于等于2。

说明书

多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路

技术领域

[0001] 本发明属于多电平有源中点钳位逆变器技术领域，具体涉及一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路。

背景技术

[0002] 在高压变频驱动和高压变配电领域，逆变器直流母线电压不断提高，尤其是在高铁电力牵引和舰船电力推进领域，高压逆变器有着强烈的应用需求。受限于功率器件电压
等级的限制，采用传统两电平逆变电路已经无法满足需求；而二极管钳位型或电容钳位型
多电平逆变器更适合在三电平工况下应用，在更多电平工况下，电路拓扑结构会异常复杂；
对于H桥级联型多电平变频器，每个H桥都需要独立的直流电源供电，需要配置笨重的移相
变压器和整流桥；对于MMC型逆变器，在低速变频驱动工况下存在子模块电压波动较大的问
题。

[0003] 有源中点钳位型(ANPC)拓扑结构弥补了二极管钳位型和电容钳位型多电平拓扑结构的不足，ANPC的三电平、五电平和七电平拓扑均只有一个母线中点，而且其中的多数开
关器件的开关频率和输出基频保持一致，只有少部分器件工作在高频开关状态。既有利于
简化控制算法，也有利于降低整个装置的总体损耗，提高装置变换效率。由此可见，多电平
有源中点钳位逆变器在未来高压电力电子变换器领域具有广阔的应用前景。在有源中点钳
位五电平、七电平和更高电平拓扑结构中，存在多个IGBT串联使用的问题。串联使用的多个
IGBT需要同时导通和关断，对驱动脉冲的一致性要求非常高。串联使用的 IGBT器件本身也
需要具有非常高的一致性，器件本身特性的微小差异，会引起串联使用的IGBT电压应力不
均衡，进而会影响IGBT的使用寿命，严重情况下会直接造成IGBT过压击穿。由此可见，串联
使用的IGBT是多电平有源中点钳位逆变器的一个薄弱点。

[0004] 为了解决多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT的均压问题，通常做法是采用RC(电阻和电容的组合)均压缓冲电路或者RCD(电阻、电容和二极管的组合)均压缓冲电路。如
果采用RCD缓冲电路，需要在每个IGBT上均并联RCD缓冲电路。以有源中点钳位五电平拓扑
为例，在每个桥臂上需要8个RCD缓冲电路。如果是有源中点钳位七电平拓扑，则每个桥臂需
要12个RCD缓冲电路。这不但带来较大的成本压力，而且结构布局设置也会面临一定的困
难。RCD缓冲电路还会带来一定的额外损耗，影响IGBT的开关动态过程。RCD缓冲电路在动态
均压方面的效果也不够理想。

[0005] 综上所述，在高压变频驱动和高压变配电领域，逆变器直流母线电压不断提高，尤其是在高铁电力牵引和舰船电力推进领域，高压逆变器有着强烈的应用需求。多电平有源
中点钳位逆变器在未来高压电力电子变换器领域具有广阔的应用前景。串联使用的IGBT是
多电平有源中点钳位逆变器的一个薄弱点。用于IGBT均压的传统RCD缓冲电路一方面会带
来较大的成本压力和结构布局设置的困难，另一方面还会带来一定的额外损耗，影响IGBT
的开关动态过程。RCD缓冲电路在动态均压方面的效果也不够理想。

发明内容

[0006] 本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，简单可靠，而且具有优良的动静态均压效果。

[0007] 本发明采用的技术方案是：一种多电平有源中点钳位逆变器串联 IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位五电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位五
电平逆变器的单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关
管 开关管 开关管S3、开关管S4、开关管 开关管 开关管 S4的集电极和开关管
的发射极之间并联有依次串联的开关管S5、开关管S6、开关管 开关管 电源正极端
和电源负极端之间并联有两个相串联的电容Cup和Cdn；开关管 的发射极电连接于电容 
Cup和Cdn之间之间；开关管 的发射极和开关管S6的集电极极之间并联有电容Cf；电源端和
变换器输入均为直流母线电压4E，变换器的两个输出端口为Vs1和Vs2，两个输出端口的电
压均为E；输出端口Vs1的正极连接在开关管S1的发射极和开关管S2的集电极之间，输出端口
Vs1的负极连接在开关管 的发射极和开关管 的集电极之间；输出端口Vs2的正极连接
在开关管S3的发射极和开关管S4的集电极之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管 集电
极开关管 发射极之间。

[0008] 上述技术方案中，所述变换器为单输入、双输出的直流变换器或两个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。

[0009] 上述技术方案中，变换器输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系

[0010] 本发明提供了一种多电平有源中点钳位逆变器串联IGBT均压电路，其特征在于：包括有源中点钳位七电平逆变器的单个桥臂和变换器；所述有源中点钳位七电平逆变器的
单个桥臂包括电源正极端和电源负极端之间串联有开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管
开关管 开关管 开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管 开关管 开关管
开关管 的集电极和开关管S6的发射极之间并联有依次串联的开关管S7、开关管S8、开
关管S9、开关管 开关管 开关管 电源正极端和电源负极端之间并联有两个相串联
的电容Cup和Cdn；开关管 的发射极电连接于电容Cup和Cdn之间；开关管 的发射极和开关
管S9的集电极之间连接有电容Cf1；开关管 的发射极和开关管S8的集电极之间连接有电容
Cf2；电源端和变换器输入为直流母线电压6E，变换器的4个输出端口为Vs1、 Vs2、Vs3和Vs4，
输出端口Vs1和Vs2的电压均为E，输出端口Vs3 和Vs4的电压均为2E；输出端口Vs1的正极连
接在开关管S2发射极和开关管S3集电极的之间，输出端口Vs1的负极连接在开关管 发射
极和开关管 集电极的之间；输出端口Vs2的正极连接在开关管 S5发射极和开关管S6集电
极的之间，输出端口Vs2的负极连接在开关管 发射极和开关管 集电极的之间；输出端
口Vs3的正极连接在开关管S1发射极和开关管S2集电极的之间，输出端口Vs3的负极连接在
开关管 发射极和开关管 集电极的之间；输出端口Vs4 的正极连接在开关管S4发射极
和开关管S5集电极的之间，输出端口 Vs4的负极连接在开关管 发射极和开关管 集电
极的之间。

[0011] 上述技术方案中，所述变换器为单输入、四输出的直流变换器或 4个独立的变换器；各个端口之间都是电气隔离的。

[0012] 上述技术方案中，变换器输入端口和4个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。

[0013] 上述技术方案中，对于九电平及以上电平数的有源中点钳位逆变器的单个桥臂，有源中点钳位逆变器的电平数为N，其中N为奇数，直流母线电压为(N‑1)*E，用于生成钳位
电压的直流变换器需要N‑3 路独立的输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类
推， 2个最高输出的电压为((N‑1)/2‑1)*E；将这N‑3个电压端口跨接到串联运行的IGBT上
用于电压钳位；实现(N‑1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。

[0014] 上述技术方案中，所述的串联IGBT均压方法构成的桥臂，进一步组合成多相有源中点钳位逆变器且相数大于等于2。

[0015] 本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：

[0016] 对于有源中点钳位五电平逆变器，以S1、S2、S3、S4关断，电流换流到为例进行分析。当S1、S2关断后，电流换流到 和 所在的支路，由于换流后 是导通的，因
此开关管S1承受的电压应力为(2E‑Vs1＝E)；由于换流后 是导通的，因此开关管S2承受的
电压应力为Vs1＝E。当S3、S4关断后，电流换流到 和 所在的支路，由于换流后 是导通
的，因此开关管S3承受的电压应力为(2E‑Vs2＝E)；由于换流后 是导通的，因此开关管S4承
受的电压应力为Vs2＝E。

[0017] 对于有源中点钳位七电平逆变器，以S1、S2、S3、S4、S5、S6关断，电流换流到为例进行分析。当S1、S2、S3关断后，电流换流到 和 所在
的支路，由于换流后 是导通的，因此开关管S1承受的电压应力为(3E‑Vs3＝E)；由于换流
后 是导通的，因此开关管S2承受的电压应力为(Vs3‑Vs1＝E)；由于换流后 是导通的，因
此开关管S2承受的电压应力为Vs1＝E。当S4、S5、S6关断后，电流换流到 和 所在的支
路，由于换流后 是导通的，因此开关管S4承受的电压应力为(3E‑Vs4＝E)；由于换流后 是
导通的，因此开关管S5承受的电压应力为(Vs4‑Vs2＝E)；由于换流后 是导通的，因此开关
管S6承受的电压应力为Vs2＝E。

[0018] 本发明取消了RCD缓冲电路，减少额外损耗的同时降低成本，且合理优化了电路布局。本发明通过合理的电路设置有效实现各个开关管的均压。

附图说明

[0019] 图1有源中点钳位五电平逆变器单个桥臂串联IGBT均压电路

[0020] 图2有源中点钳位七电平逆变器单个桥臂串联IGBT均压电路

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

[0022] 对于有源中点钳位五电平逆变器，IGBT串联均压方法如图1所示，采用一个单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)，变换器输入为直流母线电压4E，变
换器的两个输出端口为 Vs1和Vs2，两个输出端口的电压均为E。如图1所示，将Vs1端口的正
极连接在S1开关管和S2开关管的中点位置，将Vs1端口的负极连接在 和 的中点位置。将
Vs2端口的正极连接在S3开关管和S4开关管的中点位置，将Vs2端口的负极连接在 和 的
中点位置。

[0023] 图1中的单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)各个端口之间都是电气隔离的，输入端口和两个输出端口之间的电压保持4:1:1的比例关系。即保持
Vs1端口电压和Vs2端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为4E)的四分之一。

[0024] 对于有源中点钳位七电平逆变器，IGBT串联均压方法如图2所示，采用一个单输入、四输出的直流变换器(也可以是四个独立的变换器)，变换器输入为直流母线电压6E，变
换器的四个输出端口为Vs1、Vs2、Vs3和Vs4，Vs1和Vs2两个输出端口的电压均为E，Vs3 和
Vs4两个输出端口的电压均为2E。如图2所示，将Vs1端口的正极连接在S2开关管和S3开关管
的中点位置，将Vs1端口的负极连接在 和 的中点位置。将Vs2端口的正极连接在S5开关管
和S6开关管的中点位置，将Vs2端口的负极连接在 和 的中点位置。将Vs3端口的正极连
接在S1开关管和S2开关管的中点位置，将Vs3端口的负极连接在 和 的中点位置。将Vs4端
口的正极连接在S4开关管和S5开关管的中点位置，将Vs4端口的负极连接在 和 的中点位
置。

[0025] 图2中的单输入、双输出的直流变换器(也可以是两个独立的变换器)各个端口之间都是电气隔离的，输入端口和两个输出端口之间的电压保持6:1:1:2:2的比例关系。即保
持Vs1端口电压和Vs2端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为6E)的六分之一，保持 
Vs3端口电压和Vs4端口电压始终等于直流母线电压(设其电压值为 6E)的三分之一。

[0026] 本发明还适用于有源中点钳位九电平逆变器和有源中点钳位十一电平逆变器，以及更多电平等级的有源中点钳位逆变器。假设有源中点钳位逆变器的电平数为N(N为奇
数)，则设直流母线电压为 (N‑1)*E，则用于生成钳位电压的直流变换器需要N‑3路独立的
输出端口，其中有2个输出是E，2个输出是2E，依次类推，2个最高输出的电压为((N‑1)/2‑
1)*E。将这N‑3个电压端口按照图1和图2所示的规则，连接到有源中点钳位N电平逆变器单
相桥臂中去。实现 (N‑1)/2个串联的IGBT电压均衡控制。

[0027] 本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。