CN102857120A - 一种igbt钳位的三电平变频器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT钳位的三电平变频器，属于变频器领域。本发明的IGBT钳位的三电平变频器主电路为三相六桥臂变频电路，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括3个开关元件，其中，第一桥臂、第二桥臂连接输出电路W相，第三桥臂、第四桥臂连接输出电路V相，第五桥臂、第六桥臂连接输出电路U相，所述W相、V相、U相桥臂均设置有6个续流二极管和两个串联连接的储能电容。本发明通过钳位IGBT的开通和关断，消除了三相输出电压中某相输出电压为零时有电流流入或流出直流侧电容中点，当流入与流出电流不相等时造成上下电容电压不等，中点电位漂移，影响输出电压波形质量的问题。

Description

一种IGBT钳位的三电平变频器

技术领域

本发明涉及一种变频器，尤其是涉及一种IGBT钳位的三电平变频器。

背景技术

在我国工业系统中广泛应用的交-直-交型变频器，其逆变系统的核心是IGBT。由于电力电子器件技术的限制，器件耐压水平有限，比较成熟的高压IGBT耐压只能达到3300V，耐压6500V的IGBT尚未正式商品化。高压大电流器件普遍价格昂贵，往往耐压上一个等级，价格翻了数倍，大大增加了装置成本。在中高压大功率的应用场合。考虑到器件的耐压，电流和成本，为了获得高电压等级的功率变换，传统变频器只能靠器件的串并联来实现，而串并联会带来开关器件的静、动态均压、均流以及驱动信号同步等一系列问题，大大增加了系统的复杂程度，降低了系统的可靠性。

两电平变频器的大功率化还有很多新的问题，如较大的du/dt和di/dt对器件及电机的冲击非常大的提高了负载的绝缘要求。电磁干扰、电磁兼容、轴电压、轴电流和长线传输问题的研究都处于起步阶段，这对系统的稳定性可靠性有极大的影响。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种新的技术方案，该技术方案通过将多个功率器件按一定的拓扑结构组成可提供多电平输出的逆变电路，其主要目的是以三电平输出来逼近理想的正弦波形，从而减弱输出波形中的谐波影响。在获得高压输入输出特性的同时，多电平变频器也减轻了器件上的高压应力，可以使用较低电压等级的器件构造高压变流器，解决了器件串并联带来的问题，降低了系统的综合成本。

本发明的技术方案通过以下技术措施得以实现。本发明的IGBT钳位的三电平变频器，其特征在于：该变频器的主电路为三相六桥臂变频电路，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括3个开关元件，其中，第一桥臂、第二桥臂连接输出电路W相，第三桥臂、第四桥臂连接输出电路V相，第五桥臂、第六桥臂连接输出电路U相，所述W相、V相、U相桥臂均设置有6个续流二极管和两个串联连接的储能电容。

本发明IGBT钳位的三电平变频器的特别之处还在于：所述变频器为1140V变频器，变频器中性点采用IGBT钳位。

本发明的有益效果通过上述技术措施得以实现。本发明IGBT钳位的三电平变频器，该电路的每一相桥臂有六个开关元件、6个续流二极管，两个串联器件的中点通过钳位IGBT和直流侧电容的中点相连接。钳位IGBT的作用是在开关管导通时提供电流通道防止电容短路。平均每个主管承受正向阻断电压为直流侧母线电压的一半，与传统的两电平拓扑结构相比较，中点钳位式三电平逆变器主要优点是器件具有2倍的正向阻断电压能力；能减少谐波和有效地降低开关频率，从而使系统损耗小，如从开关频率达到同样输出性能指标来衡量，三电平的开关频率将是两电平的1／5；且其电压上升率（du/dt）比两电平通用逆变器降低一半，污染电气性能的电流上升率（di                                                

dt）也随之减少，能明显降低损害电机的绝缘性能而延长其工作寿命；随着电平数增加，每个电平幅值相对降低，电压变化减少，主电路电流含有的脉动成分小，转矩脉动和电磁噪声降低；若三电平逆变器接上中点悬空的三相对称的星形负载，则负载中将不会有3的倍数次谐波电流流过。

由此可见，与现有技术相比，本发明IGBT钳位的三电平变频器具有以下优点：

（1）每个开关器件承受的直流侧电压值降低为直流侧电压值的一半；波形质量得到改善的同时降低了开关频率；

（2）电压上升率du／dt降低为两电平变流器的一半；

（3）输出电压电平数的增多，每个电平相对幅值降低，电压变化减小，电流脉动降低，降低了电磁干扰；

（4）通过钳位IGBT的开通和关断，消除了三相输出电压中某相输出电压为零时有电流流入或流出直流侧电容中点，当流入与流出电流不相等时造成上下电容电压不等，中点电位漂移，影响输出电压波形质量的问题；

（5）同一桥臂上同一只IGBT内两只管子通断频率相同。

因此，本发明具有突出的实质性特点和显著的技术进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

下面结合附图，对本发明具体实施方式作进一步说明。

图1为本发明IGBT钳位的三电平变频器电路示意图。

图2为图1的W相P状态示意图。

图3为图1的W相0状态示意图。

图4为图1的W相N状态示意图。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

通过附图1可以看出，本发明的IGBT钳位的三电平变频器主电路为三相六桥臂变频电路，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括3个开关元件，其中，第一桥臂、第二桥臂连接输出电路W相，第三桥臂、第四桥臂连接输出电路V相，第五桥臂、第六桥臂连接输出电路U相，所述W相、V相、U相桥臂均设置有6个续流二极管和两个串联连接的储能电容。

本发明IGBT钳位的三电平变频器，工作状态分析如下：IGBT中点钳位三电平变频器的每一个桥臂有6个开关元件，以W相为例，为U1~U6。有三正常的开关模式，当U1、U5导通时，W相输出为正电平；当U2、U5或U3、U6导通时，W相输出为零电平；当U4、U6导通时，W相输出为负电平。以W相为例，其余V相、U相工作情况与W相完全相同，可以分以下三种工作状态：

开关状态

U1

U2

U3

U4

U5

U6

1

ON

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

0

OFF

ON/OFF

OFF/ON

OFF

ON/OFF

OFF/ON

-1

OFF

OFF

OFF

ON

OFF

ON

（1）P状态，即U1、U5导通，而其余IGBT关断。数学运算时以“l”表示。即P极与W相接通，如图2所示。

（2）O状态，即U2、U5导通（或者U3、U6导通），而其余IGBT关断。数学运算时以“0”表示。将O极与W相连接，如图3所示。

（3）N状态，U4/U6导通，而其余IGBT关断。数学运算时以“-1”表示。将N极与W相相连，如图4所示。

相邻状态之间转换时有一定的时间间隔，称之为死区时间（Dead Time），即从P状态到O状态的过程是：先关断Ul，当一段死区时间后Ul截止，然后再开通U2；从O状态到N状态的过程是：先关断U3，当一段死区时间后U3截止，再开通U4。N状态到O状态、O状态与P状态的转换与上述类似。如果在Ul没有完全被关断时就开通U2，则U1、U2串联直通，P极与O极通过U1、U2直接短路，造成IGBT损坏。所以在开关器件的触发控制上，一定的死区时间间隔是必要的。

同时需要注意的是，这三种状态间的转换只能在P状态与O状态、O状态与N状态之间进行。决不允许在P状态与N状态之间直接转换，否则在死区时间里，一相四个开关容易同时连通，从而将直流母线短接，其后果将不堪设想。同时，这样操作也会增加开关次数，导致开关损耗的增加。所以，P状态和N状态之间的转换必须以O为过渡。

Claims (2)

1.一种IGBT钳位的三电平变频器，其特征在于：该变频器的主电路为三相六桥臂变频电路，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂均包括3个开关元件（IGBT），其中，第一桥臂、第二桥臂连接输出电路W相，第三桥臂、第四桥臂连接输出电路V相，第五桥臂、第六桥臂连接输出电路U相，所述W相、V相、U相桥臂均设置有6个续流二极管和两个串联连接的储能电容。

2.根据权利要求1所述的一种IGBT钳位的三电平变频器，其特征在于：所述变频器为1140V三电平变频器，变频器中性点采用IGBT钳位。

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