CN102611343A - 三电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器，涉及电力电子技术领域，降低了电路损耗、提高了效率且利于散热。该三电平逆变器，包括：第一直流源和第二直流源，第一直流源负极和第二直流源正极连接作为为第一节点，依次串联在第一直流源正极与第二直流源负极之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管的连接处为第二节点，第二开关管和第三开关管的连接处为第三节点，第三开关管和第四开关管的连接处为第四节点，连接于第一节点和第二节点之间的第一二极管，连接于第一节点和第四节点之间的第二二极管，连接于第一节点和第三节点之间的滤波单元，还包括：第五开关管，所述第五开关管连接于第二节点与第四节点之间。

Description

三电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器。
背景技术
三电平逆变器是基于三个固定电平的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路，在电力电子领域被广泛的应用。目前，如图1所示的中点箝位(Natural Point Clamping，NPC)三电平逆变器最为常见，两个直流电源BUS1与BUS2之间的连接点为节点N，由于在将逆变器的输出电压箝位在节点N的电压时，需要输出电流Io通过二极管D1或二极管D2续流，但是，由于二极管的单向导电性，只能通过二极管D1或D2所对应的其中的一条回路进行续流，从而电路的损耗较大，效率较低且不利于散热。
发明内容
本发明的实施例提供一种三电平逆变器，降低了电路损耗、提高了效率且利于散热。
为解决上述技术问题，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种三电平逆变器，包括：第一直流源和第二直流源，所述第一直流源负极和所述第二直流源正极连接作为为第一节点，依次串联在所述第一直流源正极与第二直流源负极之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第二开关管的连接处为第二节点，所述第二开关管和第三开关管的连接处为第三节点，所述第三开关管和第四开关管的连接处为第四节点，第一二极管，其阳极连接于所述第一节点，其阴极连接于所述第二节点，第二二极管，其阴极连接于所述第一节点，其阳极连接于所述第四节点，滤波单元，所述滤波单元的两端分别连接于所述第一节点和第三节点，还包括：
第五开关管，所述第五开关管连接于所述第二节点与第四节点之间。
本发明实施例提供的三电平逆变器，将输出电压箝位在第一节点的电压的过程中，当第三节点输出电流为正电流时，实际电流与输出电流的方向相同，即实际电流从第一节点依次流过第一二极管、第五开关管和第三开关管到达第三节点进行续流，并且同时实际电流还可以从第一节点依次流过第一二极管和第二开关管到达第三节点进行续流，从而使第三节点输出第一节点的电压，由于有两条续流回路，即第二开关管与相互串联的第三开关管和第五开关管并联进行续流，与现有技术中仅有单条续流回路相比，提高了对开关管的利用率，使得有更多的开关管分摊电流和损耗，从而提高了电路的效率且更有利于散热；当第三节点输出电流为负电流时，实际电流与输出电流的方向相反，即实际电流从第三节点依次流过第二开关管、第五开关管和第二二极管到达第一节点进行续流，并且同时实际电流还可以从第三节点依次流过第三开关管和第二二极管到达第一节点进行续流，从而使第三节点输出第一节点的电压，由于有两条续流回路，即第三开关管与相互串联的第二开关管和第五开关管并联进行续流，与现有技术中仅有单条续流回路相比，提高了对开关管的利用率，使得有更多的开关管分摊电流和损耗，从而提高了电路的效率且更有利于散热。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种三电平逆变器的结构示意图；
图2为本发明实施例中一种三电平逆变器的结构示意图；
图3为图2中将输出电压箝位在第一节点的电压的过程中输出电流为正电流时时的示意图；
图4为图2中将输出电压箝位在第一节点的电压的过程中输出电流为负电流时时的示意图；
图5为图2中第五开关管为MOSFET的示意图；
图6为图2中第五开关管为IGBT的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示，本发明实施例提供了一种三电平逆变器，包括：第一直流源BUS1和第二直流源BUS2，第一直流源BUS1负极和第二直流源BUS2正极连接作为为第一节点N；依次串联在第一直流源BUS1的正极与第二直流源BUS2的负极之间的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4，其中，第一开关管Q1和第二开关管Q2的连接处为第二节点B，第二开关管Q2和第三开关管Q3的连接处为第三节点O，第三开关管Q3和第四开关管Q4的连接处为第四节点D；第一二极管D1，其阳极连接于第一节点N，其阴极连接于第二节点B；第二二极管D2，其阴极连接于第一节点N，其阳极连接于第四节点D；滤波单元1，滤波单元1的两端分别连接于第一节点N和第三节点O；第五开关管Q5，第五开关管Q5连接于第二节点B与第四节点D之间。
在上述三电平逆变器中，第一直流源BUS1和第二直流源BUS2可认为是恒定不变的电压源，输出节点为第三节点O，中点箝位续流二极管为第一二极管D1和第二二极管D2。三电平逆变器在将输出电压箝位在第一节点N的电压时，可以将第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，第二开关管Q2、第三开关管Q3和第五开关管Q5导通，此时第三节点O输出第一节点N的电压值。具体地，如图3所示，当第三节点O输出电流Io为正电流时，实际电流I1与输出电流Io的方向相同，即实际电流I1从第一节点N依次流过第一二极管D1、第五开关管Q5和第三开关管Q3到达第三节点O进行续流，并且同时实际电流I1还从第一节点N依次流过第一二极管D1和第二开关管D2到达第三节点O进行续流，从而使第三节点O输出第一节点N的电压，由于有两条续流回路，即第二开关管Q2与相互串联的第三开关管Q3和第五开关管Q5并联进行续流，与现有技术中仅有单条续流回路相比，提高了对开关管的利用率，使得有更多的开关管分摊电流和损耗，从而提高了电路的效率且更有利于散热；如图4所示，当第三节点O输出电流Io为负电流时，实际电流I2与输出电流Io的方向相反，即实际电流I2从第三节点O依次流过第二开关管Q2、第五开关管Q5和第二二极管D2到达第一节点N进行续流，并且同时实际电流I1还从第三节点O依次流过第三开关管Q3和第二二极管D2到达第一节点N进行续流，从而使第三节点O输出第一节点N的电压，由于有两条续流回路，即第三开关管Q3与相互串联的第二开关管Q2和第五开关管Q5并联进行续流，与现有技术中仅有单条续流回路相比，提高了对开关管的利用率，使得有更多的开关管分摊电流和损耗，从而提高了电路的效率且更有利于散热。需要说明的是，图3和图4中箭头为电流方向的示意。
如图5所示，进一步地，滤波单元1包括电感L和电容C，电感L的一端连接于第三节点O，电容C的一端连接于电感L的另一端，电容C的另一端连接于第一节点N。第五开关管Q5可以为场效应晶体管，例如金属氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)，其漏极连接于第二节点B，其源极连接于第四节点D，其栅极连接控制信号，用于控制第五开关管Q5的开通与关断。或者如图6所示，第五开关管Q5可以为双极性晶体管，例如绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，其集电极连接于第二节点B，其发射极连接于第四节点D，由于MOSFET内部集成有寄生二极管，但IGBT无寄生二极管，因此进一步地，上述三电平逆变器还可以包括：连接于第五开关管Q5的发射极和集电极之间的反并二极管D3，其阳极连接于第五开关管Q5的发射极，其阴极连接于第五开关管Q5的集电极，用于保护IGBT不被反压击穿。具体的工作原理与上述实施例相同，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例中的第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4可以为MOSFET，其中，第一开关管Q1，其漏极连接于第一直流源BUS1的正极；第二开关管Q2，其漏极连接于第一开关管Q1的源极作为第二节点B；第三开关管Q3，其漏极连接于第二开关管Q2的源极作为第三节点O；第四开关管Q4，其漏极连接于第三开关管Q3的源极作为第四节点D，其源极连接于第二直流源BUS2的负极；上述每个开关管分别具有一个反并二极管，反并二极管的阳极分别连接于每个开关管的源极，反并二极管的阴极分别连接于每个开关管的漏极。可选地，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4还可以为IGBT，其中，第一开关管Q1，其集电极连接于第一直流源BUS1的正极；第二开关管Q2，其集电极极连接于第一开关管Q1的发射极作为第二节点B；第三开关管Q3，其集电极连接于第二开关管Q2的发射极作为第三节点O；第四开关管Q4，其集电极连接于第三开关管Q3的发射极作为第四节点D，其发射极连接于第二直流源BUS2的负极；上述每个开关管分别具有一个反并二极管，反并二极管的阳极分别连接于每个开关管的发射极，反并二极管的阴极分别连接于每个开关管的集电极。可选地，第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4还可以为其他半导体开关器件，且四个开关管内部都分别集成或外部并联有反并二极管。
在本发明实施例中，仅增加了一个额外的第五开关管，即实现了在将上述三电平逆变器的输出电压箝位在第一节点的电压时，同时有两条续流回路，与现有技术中仅有单条续流回路相比，提高了对开关管的利用率，使得有更多的开关管分摊电流和损耗，从而提高了电路的效率且更有利于散热。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种三电平逆变器，包括：第一直流源和第二直流源，所述第一直流源负极和所述第二直流源正极连接作为为第一节点，依次串联在所述第一直流源正极与第二直流源负极之间的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述第一开关管和第二开关管的连接处为第二节点，所述第二开关管和第三开关管的连接处为第三节点，所述第三开关管和第四开关管的连接处为第四节点，第一二极管，其阳极连接于所述第一节点，其阴极连接于所述第二节点，第二二极管，其阴极连接于所述第一节点，其阳极连接于所述第四节点，滤波单元，所述滤波单元的两端分别连接于所述第一节点和第三节点，其特征在于，还包括：
第五开关管，所述第五开关管连接于所述第二节点与第四节点之间。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述滤波单元包括电感和电容，所述电感的一端连接于所述第三节点，所述电容的一端连接于所述电感的另一端，所述电容的另一端连接于所述第一节点。
3.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述第五开关管为场效应晶体管。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述场效应晶体管为MOSFET。
5.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述第五开关管为双极性晶体管。
6.根据权利要求5所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述双极性晶体管为IGBT。
7.根据权利要求6所述的三电平逆变器，其特征在于，还包括：
连接于所述第五开关管的发射极和集电极之间的反并二极管。
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