CN102684532A - 一种三电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种三电平逆变器，包括：第一、二、三、四开关管、第一、二电容、第一、二二极管、电感和第三电容；第一电容和第二电容串联，第一电容和第二电容连接于第四节点；第一、二、三、四开关管依次串联在第一、二电容之间；第一、二开关管连接于第一节点；第二、三开关管连接于第二节点，第三、四开关管连接于第三节点；第一二极管的正极连接于第四节点，第一二极管的负极连接于第一节点；第二二极管的负极连接于第四节点，第二二极管的正极连接于第三节点；电感和第三电容串联于第二、四节点之间，电感和第三电容连接于第五节点；第三电容两端并联有钳位电路。本发明提供实施例用于实现在进入限流时只关闭外管，并控制开关管的电流应力。

Description

一种三电平逆变器
技术领域
本发明涉及电源***技术领域，特别是涉及一种三电平逆变器。
背景技术
现有三电平逆变器包括依次串联在直流母线正、负端的四个开关管——第一、二、三、四开关管Q1、Q2、Q3、Q4。第一、四开关管Q1、Q4为外管，第二、三开关管Q2、Q3为内管。每个开关管有一路驱动控制信号。
在逆变器的输出电压的正半周时，控制第二开关管Q2常通、第四开关管Q4常闭，第一开关管Q1和第三开关管Q3按SPWM互补导通并保证其死区。
在输出电压的负半周时，控制第三开关管Q3常通、第一开关管Q1常闭，第四开关管Q4和第二开关管Q2按SPWM互补导通并保证其死区。
当突加负载，且检测到开关管电流大于设定电流阈值时，需要采用限流处理。目前常见的限流方式是按照一定时序强制关闭第一、二、三、四开关管Q1、Q2、Q3、Q4。以输出电压正半周为例：进入限流强制关闭第一、二、三、四开关管Q1、Q2、Q3、Q4。当电流衰减至低于设定电流阈值，即退出限流，此时Q2先开通。这会造成第三、四开关管的体二极管D3、D4的反向恢复，引起桥臂上开关管电压应力问题。
如果进入限流时只强制关闭外管(Q1、Q4)、内管(Q2、Q3)导通，则当退出限流时桥臂上虽然不存在二极管反向恢复的问题，但此限流方案要求电感有足够大的感量，否则突加非线性负载时，逆变电感L将流过很大的浪涌电流，导致功率开关管电流应力过大而损坏。
突加非线性负载时，输出电容C会与负载产生谐振使输出电压由正变负或由负变正，此时进入限流如果只关闭外管(Q1、Q4)，则电感L续流时仍承受正电压，IL继续上升，如果逆变器的电感L没有足够大的感量来减缓IL上升的速度，将会导致开关管电流应力超规。将逆变器的电感L加到足够大，就会使成本提高，且体积增大，一般不允许这种现象发生。
因此，在进入限流时只需关闭外管，控制开关管的电流应力，是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三电平逆变器，用于实现在进入限流时只关闭外管，并控制开关管的电流应力。
本发明提供一种三电平逆变器，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、电感和第三电容；
所述第一电容和所述第二电容串联，所述第一电容和所述第二电容连接于第四节点；
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管依次串联在所述第一电容和所述第二电容之间；
所述第一开关管和所述第二开关管连接于第一节点；所述第二开关管和所述第三开关管连接于第二节点，所述第三开关管和所述第四开关管连接于第三节点；
所述第一二极管的正极连接于第四节点，所述第一二极管的负极连接于第一节点；所述第二二极管的负极连接于第四节点，所述第二二极管的正极连接于第三节点；
所述电感和所述第三电容串联于第二节点和第四节点之间，所述电感和所述第三电容连接于第五节点；
所述第三电容两端并联有钳位电路。
优选地，所述钳位电路包括第一钳位二极管和第二钳位二极管；所述第一钳位二极管的阳极与所述第二第五节点相连；所述第一钳位二极管的阴极连接第四节点；
所述第二钳位二极管的阴极与所述第五节点相连；所述第二钳位二极管的阳极连接第四节点；
所述第一钳位二极管、所述第二钳位二极管的可控极分别用于接收驱动信号。
优选地，在逆变器的输出电压的正半周，所述第二钳位二极管的可控极接收驱动信号为使能；所述第一钳位二极管的可控极接收驱动信号为不使能；
在输出电压的负半周，所述第一钳位二极管的可控极接收驱动信号为使能；所述第二钳位二极管的可控极接收驱动信号为不使能。
优选地，当所述电感的电流达到设定的保护阈值点时，进入限流仅强制关闭所述第一开关管、所述第四开关管。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为IGBT管。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例所述三电平逆变器，由于在所述第三电容(输出电容)两端并联有钳位电路，可以实现在逆变器的输出电压正半周时，使得输出电压被钳位到第四节点电压和直流母线的正端电压之间；在逆变器的输出电压负半周时，使得输出电压被钳位到直流母线的负端电压和第四节点电压之间。当突加非线性负载时，输出电压不会谐振过0点，使得进入限流后的电感续流时，不再承受正向电压，阻止电感电流进一步上升，解决了开关管电流应力问题。
本发明实施例所述三电平逆变器，在进入限流时可以只强制关闭外管——第一开关管和第四开关管，避免了在输出电压正半周退出限流时第三、四开关管的体二极管反向恢复引起的电压应力问题，以及在输出电压负半周退出限流时第一、二开关管的体二极管反向恢复引起的电压应力问题。
附图说明
图1为本发明第一实施例的三电平逆变器拓扑结构图；
图2为本发明第二实施例的三电平逆变器拓扑结构图；
图3为本发明第二实施例的三电平逆变器的第一、二钳位二极管控制逻辑图；
图4为本发明第二实施例的三电平逆变器第一模态图；
图5为本发明第二实施例的三电平逆变器第二模态图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三电平逆变器，用于实现在进入限流时只关闭外管，并控制开关管的电流应力。
参见图1，该图为本发明第一实施例的三电平逆变器拓扑结构图。
本发明第一实施例所述三电平逆变器，包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一电容C1、第二电容C2、第一二极管D5、第二二极管D6、以及电感L和第三电容C(即输出电容)。
直流母线的正端+BUS和直流母线的负端-BUS之间串联有第一电容C1和第二电容C2，第一电容C1和第二电容C2之间的连接于第四节点N。
第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4依次串联在所述第一电容C1和所述第二电容C2之间。
所述第一开关管Q1和第二开关管Q2连接于第一节点m1；所述第二开关管Q2和所述第三开关管Q3连接于第二节点m2，所述第三开关管Q3和所述第四开关管Q4连接于第三节点m3。
所述第一二极管D5的正极连接于第四节点N，所述第一二极管D5的负极连接于第一节点m1；所述第二二极管的负极连接于第四节点N，所述第二二极管的正极连接于第三节点m3。
所述第一二极管D5的正极连接于第四节点N，所述第一二极管D5的负极连接于第一节点m1；所述第二二极管D6的负极连接于第四节点N，所述第二二极管D6的正极连接于第三节点m3。
所述电感L和所述第三电容C串联于第二节点m2和第四节点N之间，所述电感L和所述第三电容C连接于第五节点m5。
所述第三电容C两端并联有钳位电路1。
本发明第一实施例所述三电平逆变器，由于在所述第三电容C(输出电容)两端并联有钳位电路1，可以实现在输出电压正半周时，使得输出电压被钳位到第四节点N电压和直流母线的正端+BUS电压之间；在输出电压负半周时，使得输出电压被钳位到直流母线的负端电压-BUS和第四节点N电压之间。当突加非线性负载时，输出电压不会谐振过0点，使得进入限流后的电感L续流时，不再承受正向电压，阻止电感L电流进一步上升，解决了开关管电流应力问题。
本发明第一实施例所述三电平逆变器，在进入限流时可以只强制关闭外管——第一开关管Q1和第四开关管Q4，避免了在输出电压正半周退出限流时第三、四开关管Q3、Q4的体二极管D3、D4反向恢复引起的电压应力问题，以及在输出电压负半周退出限流时第一、二开关管Q1、Q2的体二极管D1、D2反向恢复引起的电压应力问题。
为了便于本领域技术人员的理解，下面举例说明钳位电路1的具体结构。
参见图2为本发明第二实施例的三电平逆变器拓扑结构图。
本发明第二实施例的三电平逆变器与第一实施例的区别在于，所述钳位电路1包括两个钳位二极管。
本发明第二实施例的三电平逆变器的钳位电路1具体包括第一钳位二极管D7和第二钳位二极管D8。
所述第一钳位二极管D7的阳极与所述第五节点m5相连；所述第一钳位二极D7管的阴极连接第四节点N。
所述第二钳位二极管D8的阴极与所述第五节点m5相连；所述第二钳位二极D8管的阳极连接第四节点N。
所述第一、二钳位二极管D7、D8的可控极分别用于接收驱动信号。
所述第一、二钳位二极管D7、D8的驱动信号具体可以参见图3所示。
参见图3，该图为本发明第二实施例的三电平逆变器的第一、二钳位二极管控制逻辑图。
在逆变器的输出电压(即输出滤波电容-第三电容C上的电压)的正半周，所述第二钳位二极管D8的可控极接收驱动信号为使能；所述第一钳位二极管D7的可控极接收驱动信号为不使能。
在逆变器的输出电压(即输出滤波电容-第三电容C上的电压)的负半周，所述第一钳位二极管D7的可控极接收驱动信号为使能；所述第二钳位二极管D8的可控极接收驱动信号为不使能。
为了防止死区出现，上述的驱动信号均需要保证死区时间。
由于第一、二钳位二极管D7、D8采用上述控制逻辑，可以实现在输出电压正半周时，输出电压被箝位在第四节点N电压到直流母线的正端+BUS电压之间，在输出电压负半周时，输出电压被箝位在直流母线的负端-BUS电压到第四节点N电压之间。当突加非线性负载时输出电压不会谐振过0，使进入限流后电感L续流时，不再承受正向电压，阻止电感L电流进一步上升，解决了开关管电流应力问题，节省电感成本。
本发明实施例所述三电平逆变器在应用于中等功率，电流较大且电感的体积与感量有限的条件下，可以使用电感量很小的逆变电感，同时保障开关管电流应力不超规。
参见图4，该图为本发明第二实施例的三电平逆变器第一模态图。
本发明第二实施例的三电平逆变器第一模态为在电压正半周，电感L续流及输出电压被箝位的工作状态。
当突加非线性负载，由于输出电容——第三电容C与负载谐振，使第三电容C的电压UC跌落到负时，第二钳位二极管D8将导通，使第三电容C的电压UC被箝位至第四节点N的电压。
如果检测到电感电流达到设定保护阈值点时，则进入限流。
进入限流时，不管是逆变器的输出电压正半周或负半周，可以强制关外管——第一、四开关管Q1、Q4。
在逆变器的输出电压正半周，由于第四开关管Q4为关闭状态，只需强制第一开关管Q1(当然提供强制关闭第一、四开关管Q1、Q4的控制信号也可)，电感L的续流路径第四节点N→第一二极管D5→第二开关管Q2→电感L→第三电容C。
此时第三电容C的电压UC已被第二钳位二极管D7箝位至第四节点N的电压，则电感L两端电压UL＝UN-UC即为0。电感L两端不承受正向电压，阻止了电流的进一步上升。因此开关管电流得到有效控制，电流应力不会超规。
当检测到电感电流低于设定保护阈值后，则退出限流模式，恢复开关管正常PWM发波。
电压负半周同理可实现，如图5所示。
参见图5，该图为本发明第二实施例的三电平逆变器第二模态图。
本发明第二实施例的三电平逆变器第二模态为在电压负半周，电感L续流及输出电压箝位的工作状态。
在逆变器的输出电压负半周，由于第一开关管Q1为关闭状态，只需强制第四开关管Q4(当然提供强制关闭第一、四开关管Q1、Q4的控制信号也可)，电感L续流路径第三电容C→电感L→第三开关管Q3→第二二极管D6→第四节点N。
这样就避免了在电压正半周退出限流时第三、四开关管Q3、Q4的体二极管D3、D4反向恢复引起的电压应力问题；以及在电压负半周退出限流时，第一、二开关管Q1、Q2的体二极管D1、D2反向恢复引起的电压应力问题。
由于本发明实施例所述三电平逆变器，在退出限流时桥臂上不存在开关管体二极管反向恢复的问题，因此内管即第二、三开关管Q2、Q3可以选用体二极管特性要求不高的管子，降低了开关器件成本。
本文所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4可以均为IGBT管。
以上对本发明所提供的三电平逆变器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (5)

1.一种三电平逆变器，其特征在于，包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管、电感和第三电容；
所述第一电容和所述第二电容串联，所述第一电容和所述第二电容连接于第四节点；
所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管依次串联在所述第一电容和所述第二电容之间；
所述第一开关管和所述第二开关管连接于第一节点；所述第二开关管和所述第三开关管连接于第二节点，所述第三开关管和所述第四开关管连接于第三节点；
所述第一二极管的正极连接于第四节点，所述第一二极管的负极连接于第一节点；所述第二二极管的负极连接于第四节点，所述第二二极管的正极连接于第三节点；
所述电感和所述第三电容串联于第二节点和第四节点之间，所述电感和所述第三电容连接于第五节点；
所述第三电容两端并联有钳位电路。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，所述钳位电路包括第一钳位二极管和第二钳位二极管；所述第一钳位二极管的阳极与所述第二第五节点相连；所述第一钳位二极管的阴极连接第四节点；
所述第二钳位二极管的阴极与所述第五节点相连；所述第二钳位二极管的阳极连接第四节点；
所述第一钳位二极管、所述第二钳位二极管的可控极分别用于接收驱动信号。
3.根据权利要求2所述的三电平逆变器，其特征在于，
在逆变器的输出电压的正半周，所述第二钳位二极管的可控极接收驱动信号为使能；所述第一钳位二极管的可控极接收驱动信号为不使能；
在输出电压的负半周，所述第一钳位二极管的可控极接收驱动信号为使能；所述第二钳位二极管的可控极接收驱动信号为不使能。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变器，其特征在于，
当所述电感的电流达到设定的保护阈值点时，进入限流仅强制关闭所述第一开关管、所述第四开关管。
5.根据权利要求1至4任一项所述的三电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管均为IGBT管。
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