ПЯТИУРОВНЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
FIVE-LEVEL RECTIFIER

Область техники
Настоящее изобретение относится к многоуровневым выпрямителям. В частности, настоящее изобретение относится к пятиуровневым выпрямителям.
Уровень техники
В связи с непрерывным развитием силовой электроники и технологии управления, во многих областях возрастает спрос на устойчивые электронные преобразователи мощности, например, для регулирования частоты вращения двигателя, для новых интеллектуальных энергосистем и т.д. Развитие силовых электронных преобразователей проявляет тенденцию к повышению напряжения, повышению мощности, повышению плотности мощности, повышению надежности, снижению себестоимости и т.д. По сравнению с двухуровневой, многоуровневая технология преобразования имеет более низкие гармонические и электромагнитные помехи, улучшенное качество электрической энергии и т.д. и обеспечивает возможность эффективного уменьшения размеров и себестоимости фильтра. Однако многоуровневый преобразователь мощности имеет большое количество переключателей, при этом логическая схема управления такого преобразователя является более сложной. Это отрицательным образом влияет на дальнейшее продвижение и применение многоуровневой технологии преобразования.
Для повышения уровня преобразователей напряжения были исследованы разнообразные многоуровневые технологии, которые нашли широкое применение. Среди таких технологий можно выделить, например, многоуровневую технологию с фиксированной нулевой точкой ФНТ (neutral point clamped, NPC), многоуровневую технологию с фиксированным навесным конденсатором, многоуровневую технологию с активной фиксированной нулевой точкой АФНТ (active neutral point clamped, ANPC), многоуровневую технологию с каскадной мостовой схемой управления КМСУ (cascaded H-bridge, СНВ), а также технологию модульного многоуровневого преобразователя ММП (modular multi-level converter, ММС) и т.д. Хотя упомянутые выше технологии можно применить в пятиуровневой топологии, потребуется по меньшей мере восемь или более силовых полупроводниковых переключателей. Такое увеличенное количество силовых полупроводниковых переключателей затруднит управление силовыми полупроводниковыми переключателями. Кроме того, при применении упомянутой технологии КМСУ (СНВ) или ММП (ММС) в пятиуровневой топологии необходимо наличие двух отдельных источников питания постоянного напряжения, что приведет к повышению себестоимости и снижению надежности.
В связи с вышесказанным следует отметить, что в рассматриваемой области техники имеются проблемы и недостатки, требующие дальнейшего усовершенствования. Однако специалисты в данной области техники безрезультатно пытаются найти приемлемое техническое решение. Для того чтобы решить или устранить упомянутые выше проблемы и недостатки, в рассматриваемой области техники существует острая необходимость в уменьшении количества силовых полупроводниковых переключателей, что позволит упростить логическую схему управления.
Раскрытие изобретения
Далее представлено упрощенное изложение настоящего изобретения, которое обеспечивает для читателя базовое понимание. Данное изложение не является широким обзором настоящего изобретения, не определяет ключевые/существенные компоненты настоящего изобретения и не ограничивает объем правовой защиты настоящего изобретения. Единственная цель упомянутого изложения состоит в том, чтобы предоставить, в упрощенной форме, некоторые понятия, раскрытые в данном документе, в качестве вводной части к более подробному описанию, представленному далее.
В первом аспекте настоящего изобретения предложен пятиуровневый выпрямитель простой конструкции, имеющий уменьшенное количество силовых полупроводниковых переключателей, что позволяет упростить логическую схему управления, а также уменьшить гармонические и электромагнитные помехи и повысить качество мощности.
В одном из вариантов осуществления настоящего изобретения пятиуровневый преобразователь содержит первый силовой полупроводниковый переключатель, второй силовой полупроводниковый переключатель, третий силовой полупроводниковый переключатель, четвертый силовой полупроводниковый переключатель, пятый силовой полупроводниковый переключатель, шестой силовой полупроводниковый переключатель, первый конденсатор шины постоянного тока, второй конденсатор шины постоянного тока, фазовый конденсатор, первый диодный модуль и второй диодный модуль. Упомянутый первый силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый второй силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, причем второй конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя соединен с первым концом упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя, причем упомянутый четвертый силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый пятый силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый шестой силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый первый диодный модуль имеет анод и катод, причем анод упомянутого первого диодного модуля, первый конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя и первый конец упомянутого пятого силового полупроводникового переключателя соединены друг с другом, причем первый конденсатор шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем положительный зажим упомянутого первого конденсатора шины постоянного тока соединен с катодом упомянутого первого диодного модуля, причем второй конденсатор шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем отрицательный зажим упомянутого первого конденсатора шины постоянного тока, положительный зажим упомянутого второго конденсатора шины постоянного тока, второй конец упомянутого пятого силового полупроводникового переключателя и первый конец упомянутого шестого силового полупроводникового переключателя соединены друг с другом, причем упомянутый фазовый конденсатор имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем второй конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя, первый конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя и положительный зажим упомянутого фазового конденсатора соединены друг с другом, причем второй конец упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя, первый конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя и отрицательный зажим упомянутого фазового конденсатора соединены друг с другом, причем упомянутый второй диодный модуль имеет анод и катод, причем второй конец упомянутого шестого силового полупроводникового переключателя, второй конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя и катод упомянутого второго диодного модуля соединены друг с другом, причем анод упомянутого второго диодного модуля соединен с отрицательным зажимом упомянутого второго конденсатора шины постоянного тока.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения трехфазный пятиуровневый выпрямитель содержит плечи трехфазной мостовой схемы, причем каждое из упомянутых плеч трехфазной мостовой схемы представляет собой упомянутый пятиуровневый выпрямитель, причем упомянутые плечи трехфазной мостовой схемы соединены параллельно.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения пятиуровневый преобразователь содержит первый силовой полупроводниковый переключатель, второй силовой полупроводниковый переключатель, третий силовой полупроводниковый переключатель, четвертый силовой полупроводниковый переключатель, первый конденсатор шины постоянного тока, второй конденсатор шины постоянного тока, фазовый конденсатор, первый диодный модуль, второй диодный модуль, третий диодный модуль и четвертый диодный модуль. При этом упомянутый первый силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый второй силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, причем второй конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя соединен с первым концом упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя, причем упомянутый четвертый силовой полупроводниковый переключатель имеет первый конец и второй конец, упомянутый первый конденсатор шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, упомянутый второй конденсатор шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, упомянутый первый диодный модуль имеет анод и катод, причем положительный зажим упомянутого первого конденсатора шины постоянного тока соединен с катодом упомянутого первого диодного модуля, причем упомянутый второй диодный модуль имеет анод и катод, причем анод упомянутого первого диодного модуля, катод упомянутого второго диодного модуля и первый конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя соединены друг с другом, причем упомянутый третий диодный модуль имеет анод и катод, причем отрицательный зажим упомянутого первого конденсатора шины постоянного тока, положительный зажим упомянутого второго конденсатора шины постоянного тока, анод упомянутого второго диодного модуля и катод упомянутого третьего диодного модуля соединены друг с другом, причем упомянутый фазовый конденсатор имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем второй конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя, первый конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя и положительный зажим упомянутого фазового конденсатора соединены друг с другом, причем второй конец упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя, первый конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя и отрицательный зажим упомянутого фазового конденсатора соединены друг с другом, причем упомянутый четвертый диодный модуль имеет анод и катод, причем второй конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя, анод упомянутого третьего диодного модуля и катод упомянутого четвертого диодного модуля соединены друг с другом, причем анод упомянутого четвертого диодного модуля соединен с отрицательным зажимом упомянутого второго конденсатора шины постоянного тока.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения трехфазный пятиуровневый выпрямитель содержит плечи трехфазной мостовой схемы, причем каждое из упомянутых плеч трехфазной мостовой схемы представляет собой упомянутый пятиуровневый выпрямитель, причем упомянутые плечи трехфазной мостовой схемы соединены параллельно.
С учетом вышесказанного, технические решения, раскрытые в настоящем изобретении, обеспечивают значительные преимущества и положительные технические результаты по сравнению с существующими техническими решениями. Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы предложить пятиуровневый выпрямитель простой конструкции без обратной связи по энергии, причем каждый предлагаемый пятиуровневый выпрямитель имеет уменьшенное количество силовых полупроводниковых переключателей, что упрощает логическую схему управления, а также уменьшает гармонические и электромагнитные помехи и повышает качество мощности, причем каждое плечо фазной мостовой схемы требует наличия только одного источника питания постоянного напряжения. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения по существу позволяют решить или устранить проблемы и недостатки, присущие традиционной технологии пятиуровневого выпрямителя с импульсной модуляцией.
Многие сопутствующие признаки станут более понятны при прочтении нижеследующего подробного описания, рассматриваемого совместно с прилагаемыми чертежами.
Краткое описание чертежей
Суть настоящего изобретения станет более понятной из представленного ниже подробного описания, приведенного со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая плечо однофазной мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 проиллюстрировано соотношение между током в вышеупомянутом плече мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя и напряжением между узлом (О) и средней точкой (N), как показано на фиг. 1.
На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая трехфазный пятиуровневый выпрямитель, основанный на топологии схемы вышеупомянутого плеча мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя с фиг. 1.
На фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая плечо однофазной мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 5 проиллюстрировано соотношение между током в вышеупомянутом плече мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя и напряжением между узлом (О) и средней точкой (N), как показано на фиг. 4.
На фиг. 6 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая трехфазный пятиуровневый выпрямитель, основанный на топологии схемы вышеупомянутого плеча мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя с фиг. 4.
На фиг. 7А, 7В и 7C соответственно проиллюстрирована структура электрической схемы силового полупроводникового переключателя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 8А, 8В и 8С соответственно проиллюстрирована структура электрической схемы конденсатора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 9А, 9В и 9С соответственно проиллюстрирована структура электрической схемы диодного модуля согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
В приведенном ниже подробном описании изложены, в целях пояснения, многочисленные отдельные подробности, которые обеспечивают полное понимание раскрытых вариантов осуществления настоящего изобретения. В соответствии с общепринятой практикой различные описанные признаки/элементы выполнены не в масштабе, а так, чтобы наилучшим образом проиллюстрировать упомянутые отдельные признаки/элементы, относящиеся к настоящему изобретению. Кроме того, на различных чертежах для обозначения одинаковых элементов/частей использованы одни и те же номера позиций и обозначения. Также, общеизвестные конструкции и устройства показаны схематично для упрощения чертежей и во избежание нецелесообразного ограничения настоящего изобретения.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая плечо однофазной мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя 100 согласно одному из вариантов осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 1, упомянутый пятиуровневый преобразователь 100 содержит первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), второй силовой полупроводниковый переключатель (S2), третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4), пятый силовой полупроводниковый переключатель (S5), шестой силовой полупроводниковый переключатель (S6), первый конденсатор (С1) шины постоянного тока, второй конденсатор (С2) шины постоянного тока, фазовый конденсатор (С3), первый диодный модуль (D1) и второй диодный модуль (D2).
Как видно на фиг. 1, упомянутый первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) имеет первый конец (например, коллектор биполярного транзистора с изолированным затвором) и второй конец (например, эмиттер биполярного транзистора с изолированным затвором). Упомянутый второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) имеет первый конец и второй конец, причем второй конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя (S2) соединен с первым концом упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя (S3). Упомянутый четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый пятый силовой полупроводниковый переключатель (S5) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый шестой силовой полупроводниковый переключатель (S6) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый первый диодный модуль (D1) имеет анод и катод, причем анод упомянутого первого диодного модуля (D1), первый конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя (S1) и первый конец упомянутого пятого силового полупроводникового переключателя (S5) соединены друг с другом. Упомянутый первый конденсатор (С1) шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем положительный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока соединен с катодом упомянутого первого диодного модуля (D1). Второй конденсатор (С2) шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем отрицательный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока, положительный зажим упомянутого второго конденсатора (С2) шины постоянного тока, второй конец упомянутого пятого силового полупроводникового переключателя (S5) и первый конец упомянутого шестого силового полупроводникового переключателя (S6) соединены друг с другом. Упомянутый фазовый конденсатор (С3) имеет положительный зажим и отрицательный зажим. При этом второй конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя (S1), первый конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя (S2) и положительный зажим упомянутого фазового конденсатора (С3) соединены друг с другом, причем второй конец упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя (S3), первый конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) и отрицательный зажим упомянутого фазового конденсатора (С3) соединены друг с другом. Упомянутый второй диодный модуль (D2) имеет анод и катод. При этом второй конец упомянутого шестого силового полупроводникового переключателя (S6), второй конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) и катод упомянутого второго диодного модуля (D2) соединены друг с другом, причем анод упомянутого второго диодного модуля (D2) соединен с отрицательным зажимом упомянутого второго конденсатора (С2) шины постоянного тока.
Во время эксплуатации упомянутый первый конденсатор (С1) шины постоянного тока и упомянутый второй конденсатор (С2) шины постоянного тока могут быть соединены в общую шину постоянного тока для выдачи напряжения постоянного тока, причем упомянутый фазовый конденсатор (С3) предназначен для стабилизации упомянутого напряжения, при этом узел (О) выполняет функцию однофазного входного зажима. Управляющий модуль (не показан) выдает пусковой сигнал для управления состояниями «включено/выключено» упомянутых силовых полупроводниковых переключателей (S1-S6) соответственно, тем самым, обеспечивая возможность функционирования пятиуровневого выпрямителя 100 для выпрямления.
По сравнению с традиционным пятиуровневым преобразователем, имеющим восемь переключателей, управляемых различными пусковыми сигналами в каждой фазе, пятиуровневый выпрямитель 100, показанный на фиг. 1, требует наличия только шести переключателей, управляемых меньшим количеством пусковых сигналов в каждой фазе, что позволяет упростить логическую схему управления.
На практике каждый из упомянутых переключателей, т.е. упомянутый первый силовой переключатель (S1), упомянутый второй силовой переключатель (S2), упомянутый третий силовой переключатель (S3), упомянутый четвертый силовой переключатель (S4), упомянутый пятый силовой переключатель (S5) и упомянутый шестой силовой переключатель (S6), представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором, запираемый тиристор по обратному переходу, коммутируемый по затвору запираемый тиристор или другой подобный компонент, причем средний специалист в данной области техники может выбрать необходимый компонент. Кроме того, каждый из упомянутых переключателей, т.е. упомянутый первый силовой переключатель (S1), упомянутый второй силовой переключатель (S2), упомянутый третий силовой переключатель (S3), упомянутый четвертый силовой переключатель (S4), упомянутый пятый силовой переключатель (S5) и упомянутый шестой силовой переключатель (S6), имеет паразитный диод, в результате чего, когда силовой полупроводниковый переключатель выключен, обратный ток может протекать через упомянутый паразитный диод.
шины
шины
ВКЛ
Для более полного понимания конструкции и функционирования пятиуровневого выпрямителя 100, со ссылкой на фиг. 2, параметры упомянутого выпрямителя определены следующим образом. Если ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель в положительном направлении, то из упомянутого выпрямителя ток (i) вытекает в отрицательном направлении. Каждое из напряжений, в частности напряжение на упомянутом первом конденсаторе (С1) шины постоянного тока и напряжение на упомянутом втором конденсаторе (С2) шины постоянного тока, составляет V/2, причем напряжение на упомянутом фазовом конденсаторе (С3) составляет V/4, а выходное фазное напряжение V представляет собой разность потенциалов между узлом (О) и средней точкой (N).
Далее, со ссылкой на фиг. 2, представлена таблица состояний «включено/выключено» переключающих компонентов (например, силовых полупроводниковых переключателей и диодных модулей) и уровень выходного напряжения.
ВКЛ
ШИНЫ
В Состоянии 1 выходное фазное напряжение V составляет V/2, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, причем первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) включены, в результате чего ток (i) втекает в положительный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока через встречный диод первого силового полупроводникового переключателя (S1), встречный диод второго силового полупроводникового переключателя (S2) и первый диодный модуль (D1).
вкл
шины
В Состояниях 2 и 3 выходное фазное напряжение V составляет V/4, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, в котором задействован фазовый конденсатор (С3), причем упомянутый фазовый конденсатор (С3) способен производить колебания напряжения благодаря фазному току. Для поддержания стабильности по напряжению упомянутого фазового конденсатора (С3) необходимо обеспечить пути заряда и разряда для фазового конденсатора (С3).
В Состоянии 2 первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) включены, в результате чего ток (i) втекает в положительный зажим первого конденсатора (С1) шины постоянного тока через упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), фазовый конденсатор (С3), встречный диод первого силового полупроводникового переключателя (S1) и первый диодный модуль (D1). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) разряжен.
В Состоянии 3 второй силовой полупроводниковый переключатель (S2), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и шестой силовой полупроводниковый переключатель (S6) включены, в результате чего ток (i) втекает в среднюю точку (N) конденсаторов шины через встречный диод второго силового полупроводникового переключателя (S2), фазовый конденсатор (С3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и встречный диод шестого силового полупроводникового переключателя (S6). В рассматриваемый период времени фазовый конденсатор (С3) заряжен.
ВКЛ
В Состоянии 4 выходное фазное напряжение V равно нулю, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, в котором включены третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и шестой силовой полупроводниковый переключатель (S6), в результате чего ток (i) втекает в среднюю точку (N) конденсаторов шины через третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и встречный диод шестого силового полупроводникового переключателя (S6).
ВКЛ
В Состоянии 5 выходное фазное напряжение V равно нулю, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, в котором включены первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) и пятый силовой полупроводниковый переключатель (S5), в результате чего ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, причем ток (i) протекает из средней точки (N) конденсаторов шины в узел (О) последовательно через встречный диод пятого силового полупроводникового переключателя (S5), первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2).
ВКЛ
ШИНЫ
В Состояниях 6 и 7 выходное фазное напряжение V составляет -V/4, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, в котором задействован фазовый конденсатор (С3). Для поддержания стабильности по напряжению упомянутого фазового конденсатора (С3) необходимо обеспечить пути заряда и разряда для фазового конденсатора (С3).
В Состоянии 6 первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) и пятый силовой полупроводниковый переключатель (S5) включены, в результате чего ток (i) протекает из средней точки (N) конденсаторов шины в узел (О) последовательно через встречный диод пятого силового полупроводникового переключателя (S5), первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), фазовый конденсатор (С3) и встречный диод третьего силового полупроводникового переключателя (S3). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) заряжен.
В состоянии 7 второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) и четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) включены, в результате чего ток (i) перетекает последовательно из отрицательного зажима второго конденсатора (С2) шины постоянного тока во второй диодный модуль (D2), встречный диод четвертого силового полупроводникового переключателя (S4), фазовый конденсатор (С3) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) разряжен.
ВКЛ
ШИНЫ
В Состоянии 8 выходное фазное напряжение V составляет -V/2, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, причем третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) и четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) включены, в результате чего ток (i) последовательно протекает из отрицательного зажима второго конденсатора (С2) шины постоянного тока во второй диодный модуль (D2), встречный диод четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) и встречный диод третьего силового полупроводникового переключателя (S3).
На фиг. 3 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая трехфазный пятиуровневый выпрямитель, основанный на топологии схемы вышеупомянутого плеча мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя с фиг. 1. Как показано на фиг. 3, узлы (А), (В) и (С) представляют собой трехфазный входной зажим. Средняя точка N каждого плеча мостовой схемы (т.е. соединительная точка соединяет второй конец пятого силового полупроводникового переключателя (S5) и первый конец шестого силового полупроводникового переключателя (S6)) соединена со средней точкой N конденсаторов шины (т.е. соединительная точка соединяет отрицательный зажим первого конденсатора (С1) шины постоянного тока и положительный зажим второго конденсатора (С2) шины постоянного тока). Таким образом, каждое плечо фазной мостовой схемы требует наличия только одного источник питания постоянного напряжения, что позволяет решить или устранить проблемы и недостатки, присущие упомянутой выше традиционной технологии КМСУ (СНВ) или ММП (ММС), применяемой в пятиуровневой топологии.
На фиг. 4 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая плечо однофазной мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя 300 согласно другому варианту осуществления настоящего изобретения. Как показано на фиг. 4, упомянутый пятиуровневый преобразователь 300 содержит первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), второй силовой полупроводниковый переключатель (S2), третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4), первый конденсатор (С1) шины постоянного тока, второй конденсатор (С2) шины постоянного тока, фазовый конденсатор (С3), первый диодный модуль (D1), второй диодный модуль (D2), третий диодный модуль (D3) и четвертый диодный модуль (D4).
Как видно из фиг. 4, упомянутый первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) имеет первый конец и второй конец, причем второй конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя (S2) соединен с первым концом упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя (S3). Упомянутый четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) имеет первый конец и второй конец. Упомянутый первый конденсатор (С1) шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим. Упомянутый второй конденсатор (С2) шины постоянного тока имеет положительный зажим и отрицательный зажим. Упомянутый первый диодный модуль (D1) имеет анод и катод, причем положительный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока соединен с катодом упомянутого первого диодного модуля (D1). Упомянутый второй диодный модуль (D2) имеет анод и катод, причем анод упомянутого первого диодного модуля (D1), катод упомянутого второго диодного модуля (D2) и первый конец упомянутого первого силового полупроводника (S1) соединены друг с другом. Упомянутый третий диодный модуль (D3) имеет анод и катод, причем отрицательный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока, положительный зажим упомянутого второго конденсатора (С2) шины постоянного тока, анод упомянутого второго диодного модуля (D2) и катод упомянутого третьего диодного модуля (D3) соединены друг с другом. Упомянутый фазовый конденсатор (С3) имеет положительный зажим и отрицательный зажим, причем второй конец упомянутого первого силового полупроводникового переключателя (S1), первый конец упомянутого второго силового полупроводникового переключателя (S2) и положительный зажим упомянутого фазового конденсатора (С3) соединены друг с другом, причем второй конец упомянутого третьего силового полупроводникового переключателя (S3), первый конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) и отрицательный зажим упомянутого фазового конденсатора (С3) соединены друг с другом. Упомянутый четвертый диодный модуль (D4) имеет анод и катод, причем второй конец упомянутого четвертого силового полупроводникового переключателя (S4), анод упомянутого третьего диодного модуля (D3) и катод упомянутого четвертого диодного модуля (D4) соединены друг с другом, причем анод упомянутого четвертого диодного модуля (D4) соединен с отрицательным зажимом упомянутого второго конденсатора (С2) шины постоянного тока.
Во время эксплуатации упомянутый первый конденсатор (С1) шины постоянного тока и второй конденсатор (С2) шины постоянного тока могут быть соединены в общую шину постоянного тока для выдачи напряжения постоянного тока, причем упомянутый фазовый конденсатор (С3) предназначен для стабилизации упомянутого напряжения, при этом узел (О) выполняет функцию однофазного входного зажима. Управляющий модуль (не показан) выдает пусковой сигнал для управления состояниями «включено/выключено» упомянутых силовых полупроводниковых переключателей (S1-S4) соответственно, тем самым, обеспечивая возможность функционирования пятиуровневого выпрямителя 300 для выпрямления. В другом варианте осуществления настоящего изобретения состояниями «включено/выключено» силовых полупроводниковых переключателей (S1-S4) можно управлять посредством широтно-импульсной модуляции ШИМ (pulse width modulation, PWM), частотно-импульсной модуляции ЧИМ (pulse frequency modulation, PFM), амплитудно-импульсной модуляции АИМ (pulse amplitude modulation, РАМ) и т.д., что обеспечивает возможность функционирования упомянутого пятиуровневого выпрямителя 300 для выпрямления.
По сравнению с традиционным пятиуровневым преобразователем, имеющим восемь переключателей, управляемых различными пусковыми сигналами в каждой фазе, пятиуровневый выпрямитель 100, показанный на фиг. 4, требует наличия только четырех переключателей, управляемых меньшим количеством пусковых сигналов в каждой фазе, что позволяет упростить логическую схему управления.
На практике, как проиллюстрировано на фиг. 4, каждый из переключателей, т.е. упомянутый первый силовой переключатель (S1), упомянутый второй силовой переключатель (S2), упомянутый третий силовой переключатель (S3) и упомянутый четвертый силовой переключатель (S4), представляет собой биполярный транзистор с изолированным затвором, запираемый тиристор по обратному переходу, коммутируемый по затвору запираемый тиристор или другой подобный компонент, причем средний специалист в данной области техники может выбрать необходимый компонент. Кроме того, каждый из упомянутых переключателей, т.е. упомянутый первый силовой переключатель (S1), упомянутый второй силовой переключатель (S2), упомянутый третий силовой переключатель (S3) и упомянутый четвертый силовой переключатель (S4), имеет паразитный диод, в результате чего, когда силовой полупроводниковый переключатель выключен, обратный ток может протекать через упомянутый паразитный диод.
шины
шины
ВКЛ
Для более полного понимания конструкции и функционирования пятиуровневого выпрямителя 300, со ссылкой на фиг. 5, параметры упомянутого выпрямителя определены следующим образом. Если ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель в положительном направлении, то из упомянутого выпрямителя ток (i) вытекает в отрицательном направлении. Каждое напряжение, в частности, напряжение на упомянутом первом конденсаторе (С1) шины постоянного тока и напряжение на упомянутом втором конденсаторе (С2) шины постоянного тока, составляет V/2, причем напряжение на упомянутом фазовом конденсаторе (С3) составляет V/4, а выходное фазное напряжение V представляет собой разность потенциалов между узлом (О) и средней точкой (N).
Далее, со ссылкой на фиг. 5, представлена таблица состояний «включено/выключено» переключающих компонентов (например, силовых полупроводниковых переключателей и диодных модулей) и уровень выходного напряжения.
ВКЛ
ШИНЫ
В Состоянии 1 выходное фазное напряжение V составляет V/2, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, причем первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) включены, в результате чего ток (i) втекает в положительный зажим упомянутого первого конденсатора (С1) шины постоянного тока через встречный диод второго силового полупроводникового переключателя (S2), встречный диод первого силового полупроводникового переключателя (S1) и первый диодный модуль (D1).
ВКЛ
ШИНЫ
В Состояниях 2 и 3 выходное фазное напряжение V составляет V/4, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, в котором задействован фазовый конденсатор (С3). Для поддержания стабильности по напряжению упомянутого фазового конденсатора (С3) необходимо обеспечить пути заряда и разряда для фазового конденсатора (С3).
В Состоянии 2 первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) включены, в результате чего ток (i) втекает в положительный зажим первого конденсатора (С1) шины постоянного тока через упомянутый третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), фазовый конденсатор (С3), встречный диод первого силового полупроводникового переключателя (S1) и первый диодный модуль (D1). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) разряжен.
В Состоянии 3 второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) и четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) включены, в результате чего ток (i) втекает в среднюю точку (N) конденсаторов шины через встречный диод второго силового полупроводникового переключателя (S2), фазовый конденсатор (С3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и третий диодный модуль (D3). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) заряжен.
ВКЛ
В Состоянии 4 выходное фазное напряжение V равно нулю, а ток (i) втекает в упомянутый выпрямитель, в котором включены третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и третий диодный модуль (D3), в результате чего ток (i) втекает в среднюю точку (N) конденсаторов шины через третий силовой полупроводниковый переключатель (S3), четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) и третий диодный модуль (D3).
ВКЛ
В Состоянии 5 выходное фазное напряжение V равно нулю, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, в котором включены первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2), в результате чего ток (i) протекает последовательно из средней точки (N) конденсаторов шины во второй диодный модуль (D2), первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2).
ВКЛ
ШИНЫ
В Состояниях 6 и 7 выходное фазное напряжение V составляет -V/4, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, в котором задействован фазовый конденсатор (С3). Для поддержания стабильности по напряжению упомянутого фазового конденсатора (С3) необходимо обеспечить пути заряда и разряда для фазового конденсатора (С3).
В Состоянии 6 первый силовой полупроводниковый переключатель (S1) и третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) включены, в результате чего ток (i) протекает из средней точки (N) конденсаторов последовательно во второй диодный модуль (D2), первый силовой полупроводниковый переключатель (S1), фазовый конденсатор (С3) и встречный диод третьего силового полупроводникового переключателя (S3). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) заряжается.
В состоянии 7 второй силовой полупроводниковый переключатель (S2) и четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) включены, в результате чего ток (i) перетекает последовательно из отрицательного зажима второго конденсатора (С2) шины постоянного тока в четвертый диодный модуль (D4), встречный диод четвертого силового полупроводникового переключателя (S4), фазовый конденсатор (С3) и второй силовой полупроводниковый переключатель (S2). В рассматриваемый период времени упомянутый фазовый конденсатор (С3) разряжается.
ВКЛ
ШИНЫ
В Состоянии 8 выходное фазное напряжение V составляет -V/2, а ток (i) вытекает из упомянутого выпрямителя, причем третий силовой полупроводниковый переключатель (S3) и четвертый силовой полупроводниковый переключатель (S4) включены, в результате чего ток (i) последовательно протекает из отрицательного зажима второго конденсатора (С2) шины постоянного тока в четвертый диодный модуль (D4), встречный диод четвертого силового полупроводникового переключателя (S4) и встречный диод третьего силового полупроводникового переключателя (S3).
На фиг. 6 представлена принципиальная электрическая схема, иллюстрирующая трехфазный пятиуровневый выпрямитель 400, основанный на топологии схемы вышеупомянутого плеча мостовой схемы пятиуровневого выпрямителя с фиг. 4. Как показано на фиг. 6, узлы (А), (В) и (С) представляют собой трехфазный входной зажим. Средняя точка N каждого плеча мостовой схемы (т.е. соединительная точка соединяет анод второго диодного модуля (D2) и катод третьего диодного модуля (D3)) соединена со средней точкой N конденсаторов шины (т.е. соединительная точка соединяет отрицательный зажим первого конденсатора (С1) шины постоянного тока и положительный зажим второго конденсатора (С2) шины постоянного тока). Таким образом, каждое плечо фазной мостовой схемы требует наличия только одного источника питания постоянного напряжения, что позволяет решить или устранить проблемы и недостатки, присущие традиционной технологии КМСУ (СНВ) или ММП (ММС), применяемой в пятиуровневой топологии.
На фиг. 7А, 7В и 7С соответственно проиллюстрирована структура электрической схемы силового полупроводникового переключателя согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На практике любой из упомянутых силовых полупроводниковых переключателей (S1-S6), предусмотренных в упомянутых выше вариантах осуществления настоящего изобретения, может содержать один или несколько биполярных транзисторов 500 с изолированным затвором, соединенных последовательно (как показано на фиг. 7А), параллельно (как показано на фиг. 7В) или путем комбинирования последовательного и параллельного соединений (как показано на фиг. 7С). Следует отметить, что упомянутые биполярные транзисторы 500 с изолированным затвором показаны на фиг. 7А, 7В и 7С только для наглядности, при этом настоящее изобретение не ограничивается ими. Средний специалист в данной области техники при необходимости может корректировать количество и типы соединений упомянутых биполярных транзисторов 500 с изолированным затвором.
На фиг. 8А, 8В и 8С соответственно показана структура электрической схемы конденсатора согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На практике любой из конденсаторов, предусмотренных в упомянутых выше вариантах осуществления настоящего изобретения, т.е. упомянутый первый конденсатор (С1) шины постоянного тока, упомянутый второй конденсатор (С2) шины постоянного тока и упомянутый фазовый конденсатор (С3), может содержать один или несколько емкостных элементов 600, соединенных последовательно (как показано на фиг. 8А), параллельно (как показано на фиг. 8В) или путем комбинирования последовательного и параллельного соединений (как показано на фиг. 8С). Следует отметить, что емкостные элементы 600 показаны на фиг. 8А, 8В и 8С только для наглядности, при этом настоящее изобретение не ограничивается ими. Средний специалист в данной области техники может при необходимости корректировать количество и типы соединений упомянутых емкостных элементов 600.
На фиг. 9А, 9В и 9С соответственно проиллюстрирована структура электрической схемы диодного модуля согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. На практике любой из упомянутых диодных модулей (D1-D4), предусмотренных в упомянутых выше вариантах осуществления, настоящего изобретения, может содержать один или несколько диодов 700 (например, силовых диодов), соединенных последовательно (как показано на фиг. 9А), параллельно (как показано на фиг. 9В) или путем комбинирования последовательного и параллельного соединений (как показано на фиг. 9С). Следует отметить, что упомянутые диоды 700 показаны на фиг. 9А, 9В и 9С только для наглядности, при этом настоящее изобретение не ограничивается ими. Средний специалист в данной области техники может при необходимости корректировать количество и типы соединений упомянутых диодов 700.
С учетом вышесказанного, задача настоящего изобретение заключается в том, чтобы предложить пятиуровневые выпрямители простой конструкции, применяемые в электрической цепи без обратной связи по энергии, причем каждый предложенный пятиуровневый выпрямитель имеет уменьшенное количество силовых полупроводниковых переключателей, что упрощает логическую схему управления, а также уменьшает гармонические и электромагнитные помехи и повышает качество мощности, причем каждое плечо фазной мостовой схемы требует наличия только одного источника питания постоянного напряжения.
Выше описаны различные варианты осуществления настоящего изобретения с известной степенью детализации или со ссылкой на один или несколько отдельных вариантов осуществления. Однако данные варианты осуществления не ограничивают объем правовой защиты настоящего изобретения. Средний специалист в рассматриваемой области техники может вносить различные изменения в раскрытые варианты осуществления, не выходя за рамки объема правовой защиты или сущности настоящего изобретения. Таким образом, объем правовой защиты настоящего изобретения определен прилагаемой формулой изобретения.