CN102946205A - 三电平逆变器和供电设备 - Google Patents

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章陶
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Abstract

本发明提供了一种三电平逆变器和供电设备，包括：第一IGBT，其集电极连接到正的直流母线，其发射极连接到第一连接点，其集电极和发射极跨接有第一续流二极管；第二IGBT，其集电极连接到第一连接点，其发射极连接到第二连接点，其集电极和发射极跨接有第二续流二极管；第三IGBT，其集电极连接到第二连接点，其发射极连接到第三连接点，其集电极和发射极跨接有第三续流二极管；第四IGBT，其集电极连接到第三连接点，其发射极连接到负的直流母线，其集电极和发射极跨接有第四续流二极管；第一箝位二极管；和第二箝位二极管，第一IGBT和第四IGBT的开关速度高于第二IGBT和第三IGBT的开关速度，提高了逆变器的转换效率。

Description

三电平逆变器和供电设备
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是涉及一种三电平逆变器和供电设备。
背景技术
逆变器是指通过控制开关管的导通和关断将直流电压源的直流电能转换为交流电能的一种变换装置，是不间断电源（Uninterruptible PowerSystem）、太阳能技术和风力发电技术中的一个重要部件。目前，开关管通常采用金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET）和绝缘栅双极型晶体管（Insulated GateBipolar Transistor，IGBT）等功率半导体器件。
逆变器有多种拓扑结构，其中二极管中点箝位型三电平逆变器（以下简称三电平逆变器）因其电路拓扑结构简单、容易控制且成本较低而得到广泛应用。在三电平逆变器中，每个桥臂有四个开关管、四个续流二极管和两个箝位二极管。通常将与直流电压源相连接的两个开关管称为外管，而将串联连接在两个外管之间的两个开关管称为内管。在三电平逆变器中，每相的开关状态有三种：N、O和P，对应的输出电压分别为-Udc/2、0和Udc/2，因此，被称为三电平逆变器，其中Udc/2为直流电源的电压。
在一种现有技术方案中，三电平逆变器的四个开关管均采用相同性能的IGBT。然而，这种三电平逆变器的IGBT总损耗较大，逆变器的转换效率较低。
发明内容
本发明的实施例提供了一种三电平逆变器和供电设备，能够提高逆变器的转换效率。
第一方面，提供了一种三电平逆变器，包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一IGBT的集电极连接到正的直流母线，第一IGBT的发射极连接到第一连接点（或节点），第一IGBT的集电极和发射极跨接有第一续流二极管；第二IGBT，第二IGBT的集电极连接到第一连接点，第二IGBT的发射极连接到第二连接点，第二IGBT的集电极和发射极跨接有第二续流二极管；第三IGBT，第三IGBT的集电极连接到第二连接点，第三IGBT的发射极连接到第三连接点，第三IGBT的集电极和发射极跨接有第三续流二极管；第四IGBT，第四IGBT的集电极连接到第三连接点，第四IGBT的发射极连接到负的直流母线，第四IGBT的集电极和发射极跨接有第四续流二极管；第一箝位二极管，分别连接第四连接点与第一连接点；第二箝位二极管，分别连接第四连接点与第三连接点，其中第四连接点为中性电位点，第二连接点为交流输出连接点，第一IGBT和第四IGBT的开关速度高于第二IGBT和第三IGBT的开关速度，或者第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降。
在第一种可能的实现方式中，第一IGBT和第四IGBT的关断损耗小于第二IGBT和第三IGBT的关断损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的开通损耗小于第二IGBT和第三IGBT的开通损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的关断时间小于第二IGBT和第三IGBT的关断时间；或者第一IGBT和第四IGBT的开通时间小于第二IGBT和第三IGBT的开通时间；或者第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降。
结合上述任一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，三电平逆变器还包括：低通滤波器，连接在第二连接点与负载之间，用于对所述第二连接点输出的交流信号进行滤波。
结合上述任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，三电平逆变器还包括：控制器，其输出端连接到所述第一IGBT的栅极、第二IGBT的栅极、第三IGBT的栅极和第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT的开通和关断，以便在第二连接点输出交流信号。
结合上述任一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，三电平逆变器还包括：第一电容器，连接在该正的直流母线与第四连接点之间；第二电容器，连接在该负的直流母线与第四连接点之间。
另一方面，提供了一种供电设备，其特征在于，包括：三电平逆变器和直流电压源，其中该直流电压源的正极连接到正的直流母线，该直流电压源的负极连接到负的直流母线，其中该三电平逆变器包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一IGBT的集电极连接到该正的直流母线，第一IGBT的发射极连接到第一连接点，第一IGBT的集电极和发射极跨接有第一续流二极管；第二IGBT，第二IGBT的集电极连接到第一连接点，第二IGBT的发射极连接到第二连接点，第二IGBT的集电极和发射极跨接有第二续流二极管；第三IGBT，第三IGBT的集电极连接到第二连接点，第三IGBT的发射极连接到第三连接点，第三IGBT的集电极和发射极跨接有第三续流二极管；第四IGBT，第四IGBT的集电极连接到第三连接点，第四IGBT的发射极连接到负的直流母线，第四IGBT的集电极和发射极跨接有第四续流二极管；第一箝位二极管，分别连接第四连接点与第一连接点；第二箝位二极管，分别连接第四连接点与第三连接点，其中第四连接点为中性电位点，第二连接点为交流输出连接点，第一IGBT和第四IGBT的开关速度高于第二IGBT和第三IGBT的开关速度，或者第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降。
在第一种可能的实现方式中，第一IGBT和第四IGBT的关断损耗小于第二IGBT和第三IGBT的关断损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的开通损耗小于第二IGBT和第三IGBT的开通损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的关断时间小于第二IGBT和第三IGBT的关断时间；或者第一IGBT和第四IGBT的开通时间小于第二IGBT和第三IGBT的开通时间。
结合上述任一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，该三电平逆变器还包括：低通滤波器，连接在第二连接点与负载之间，用于对第二连接点输出的交流信号进行滤波。
结合上述任一种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，该三电平逆变器还包括：控制器，该控制器的输出端连接到第一IGBT的栅极、第二IGBT的栅极、第三IGBT的栅极和第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT的开通和关断，以便在第二连接点输出交流信号。
结合上述任一种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，该三电平逆变器还包括：第一电容器，连接在该正的直流母线与第四连接点之间；第二电容器，连接在该负的直流母线与第四连接点之间。
在本技术方案中，第一IGBT和第四IGBT采用高速IGBT，由于高速IGBT具有极短的拖尾电流和低关断损耗的特点，可显著降低第一IGBT和第四IGBT的关断损耗，从而降低了IGBT的总损耗，提高了逆变器的转换效率。或者，第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降，可降低第二IGBT和第三IGBT的导通损耗，从而降低了IGBT的总损耗，提高了逆变器的转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述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是根据本发明的一个实施例的不间断电源的示意性电路结构图。
图2是根据本发明的一个实施例的三电平逆变器的示意性电路结构图。
图3是根据本发明的另一实施例的三电平逆变器的示意性电路结构图。
图4是根据本发明的又一实施例的三电平逆变器的示意性电路结构图。
图5是根据本发明的一个实施例的三电平逆变器的控制信号的时序图。
图6是根据本发明的一个实施例的供电设备600的示意性结构图。
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。
功率半导体器件的开关速度对逆变器的电气性能主要有以下两方面的影响：一方面，开关速度越快，开关损耗越低，逆变器的转换效率越高；另一方面，开关速度越快，开关管关断时的电压应力越大，开关管越不可靠。因此，提高开关速度对于降低开关管的开关损耗和降低其电压应力是矛盾的，在实际应用中往往需要对开关速度进行合理的权衡。
为了提高逆变器的转换效率并且降低开关管的电压应力，外管可以采用Mosfet，而内管可以采用IGBT。然而，Mosfet的体二极管反向恢复特性很差，当需要Mosfet的体二极管续流时，体二极管反向恢复产生的电压尖峰一方面增加了Mosfet本身的电压应力，另一方面也增加了损耗，因此，需要对逆变器的开关管的开通和关断进行复杂的控制，例如，需要检测电流的方向，以避免电流通过Mosfet体二极管进行续流。
根据本发明的实施例提供一种控制简单的三电平逆变器，能够提高逆变器的转换效率，并且降低开关管的电压应力，以使三电平逆变器的四个开关管的开关速度达到合理的权衡。
本发明的实施例的三电平逆变器可以用于各种供电设备中，例如，不间断电源、变频器、风力发电设备和太阳能发电设备。下面以不间断电源为例说明三电平逆变器的应用场景。
图1是根据本发明的一个实施例的不间断电源100的示意性电路结构图。不间断电源100包括：充电器110、电池120、三电平逆变器130、切换开关140和控制器150。
充电器110接收第一交流电，并且利用第一交流电为电池120充电；三电平逆变器130从该电池120接收直流电，并且将该直流电转换为第二交流电。切换开关140接收第一交流电和第二交流电，并且根据控制信号向负载输出第一交流电或第二交流电。控制器150检测第一交流电，并且根据检测结果输出该控制信号。
例如，充电器110接收从交流电AC（例如，220V的交流电）输入的交流电，并且对电池120进行充电。三电平逆变器130接收电池120输入的直流电，用于在控制器150的控制下将从电池120输入的直流电变换为交流电。切换开关140接收交流电AC和三电平逆变器130输入的交流电，并且根据控制器150的控制，从交流电AC和三电平逆变器130输入的交流电中选择一个交流电输出给负载。控制器150检测交流电AC的电压，并且根据对交流电AC的检测结果控制切换开关140的切换操作，例如，在交流电AC缺失或不稳定的情况下将从三电平逆变器130输入的交流电输出给负载，而在交流电AC正常的情况下将从交流电AC输入的交流电输出给负载，从而不间断地为负载提供稳定、可靠的交流电。
应理解，上述不间断电源的电路结构只是为了说明三电平逆变器与不间断电源的连接关系，根据本发明的实施例并不限于具有上述电路结构的不间断电源。例如，控制器150中用于控制三电平逆变器130的部分也可以集成在三电平逆变器130中。
下面详细介绍根据本发明的实施例的三电平逆变器。
图2是根据本发明的一个实施例的三电平逆变器200的示意性电路结构图。三电平逆变器200是图1的三电平逆变器130的例子。三电平逆变器200包括：第一IGBT231、第二IGBT232、第三IGBT233、第四IGBT234、第一箝位二极管D215和第二箝位二极管D216。
第一IGBT231的集电极连接到正的直流母线+BUS，例如，直流电压源的正极V+，第一IGBT231的发射极连接到第一连接点N221。第一IGBT231的集电极和发射极跨接有第一续流二极管D211。例如，第一续流二极管D211的阳极连接到第一IGBT231的发射极，第一续流二极管D211的阴极连接到第一IGBT231的集电极。
第二IGBT232的集电极连接到第一连接点N221，第二IGBT232的发射极连接到第二连接点N222。第二IGBT232的集电极和发射极跨接有第二续流二极管D212。例如，第二续流二极管D212的阳极连接到第二IGBT232的发射极，第二续流二极管D212的阴极连接到第二IGBT232的集电极。
第三IGBT233的集电极连接到第二连接点N222，第三IGBT233的发射极连接到第三连接点N223，第三IGBT233的集电极和发射极跨接有第三续流二极管D213。例如，第三续流二极管D213的阳极连接到第三IGBT233的发射极，第三续流二极管D213的阴极连接到第三IGBT233的集电极。
第四IGBT234的集电极连接到第三连接点N223，第四IGBT234的发射极连接到负的直流母线-BUS，例如，直流电压源的负极V-。第四IGBT234的集电极和发射极跨接有第四续流二极管D214。例如，第四续流二极管D214的阳极连接到第四IGBT234的发射极，第四续流二极管D214的阴极连接到第四IGBT234的集电极。
第一箝位二极管D215分别连接第四连接点N224与第一连接点N221，例如第一箝位二极管D215的阳极连接到第四连接点N224，第一箝位二极管D215的阴极连接到第一连接点N221。第二箝位二极管D216分别连接第四连接点N224与第三连接点N223，例如，第二箝位二极管D216的阴极连接到第四连接点N224，第二箝位二极管D216的阳极连接到第三连接点N224。第四连接点N224为中性电位点，第二连接点N222为交流输出连接点，第一IGBT231和第四IGBT234的开关速度高于第二IGBT232和第三IGBT233的开关速度，或者第二IGBT232和第三IGBT233的饱和导通压降低于第一IGBT231和第四IGBT234的饱和导通压降。
根据本发明的实施例，第一IGBT和第四IGBT采用高速IGBT，由于高速IGBT具有极短的拖尾电流和低关断损耗的特点，可显著降低第一IGBT和第四IGBT的关断损耗，而第二IGBT和第三IGBT采用低速IGBT，由于低速IGBT饱和导通压降较低和关断速度较慢的特点，可降低第二IGBT和第三IGBT的导通损耗，从而降低了IGBT的总损耗，提高了逆变器的转换效率。或者，所述第二IGBT和所述第三IGBT的饱和导通压降低于所述第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降，可降低第二IGBT和第三IGBT的导通损耗，从而降低了IGBT的总损耗，提高了逆变器的转换效率。
同时，由于跨接在第一IGBT和第四IGBT的续流二极管比Mosfet的体二极管的反向恢复特性好，因此，无需像外管采用Mosfet的方案那样对开关管进行复杂的控制，从而能够采用简单的控制方式实现对开关管的控制。
另外，由于IGBT的价格比Mosfet低，与采用Mosfet的方案相比，本发明的实施例的三电平逆变器的成本较低。
根据本发明的实施例，第一IGBT和第四IGBT为高速IGBT，第二IGBT和第三IGBT为低速IGBT。
IGBT的开关速度的高低可以在相同测试条件下，例如，栅极驱动电路、测试电路和器件结温等条件下，通过比较IGBT的开关特性参数（例如，开关时间和开关损耗等）来区分。例如，高速IGBT的关断损耗小于低速IGBT的关断损耗，或者高速IGBT的开通损耗小于低速IGBT的开通损耗，或者高速IGBT的关断时间小于低速IGBT的关断时间，或者高速IGBT的开通时间小于低速IGBT的开通时间。这里，开通损耗、关断损耗、关断时间、开通时间以及饱和导通压降指IGBT的开关特性参数，即IGBT厂商将IGBT分别接入相同的测试电路进行测试得到的参数，而非IGBT用于本发明的实施例的三电平逆变器之后实测的参数。这些开关特性参数通常可以从IGBT厂商的器件规格书上获得。应理解，在比较IGBT的开关特性参数时，如果两个IGBT开关的规格书上的测试条件不同，则可以在实验室搭建相同的测试电路，以便在同等测试条件下，对IGBT的开关特性参数进行比较。
根据本发明的实施例，第一IGBT和第四IGBT的关断损耗小于第二IGBT和第三IGBT的关断损耗。
可选地，作为另一实施例，第一IGBT和第四IGBT的开通损耗小于第二IGBT和第三IGBT的开通损耗。
例如，开关损耗可以包括开通损耗和关断损耗。
可选地，作为另一实施例，第一IGBT和第四IGBT的关断时间小于第二IGBT和第三IGBT的关断时间。
可选地，作为另一实施例，第一IGBT和第四IGBT的开通时间小于第二IGBT和第三IGBT的开通时间。
例如，开关时间可以包括开通时间Ton和关断时间Toff。开通时间Ton包括上升时间tr（Rise time）和开通延迟时间Td(on)（Turn-on delay time），即Ton＝tr+Td(on)。关断时间Toff包括下降时间tf（Fall time）和关断延迟时间Td(off)（Turn-off delay time），即Td(off)＝tf+Td(off)。
应理解，根据本发明的实施例对采用上述哪个开关特性参数来限定高速IGBT和低速IGBT不作限定，可以采用开通损耗、关断损耗、关断时间和开通时间中的任何一个或多个的结合来限定高速IGBT和低速IGBT，例如，本发明的实施例可以将关断损耗较小且开通损耗较小的IGBT作为高速IGBT，而将关断损耗较大且开通损耗较大的IGBT作为低速IGBT，当然，也可以将将关断损耗较小且开通损耗较大的IGBT作为高速IGBT，而将关断损耗较大且开通损耗较小的IGBT作为低速IGBT。
可选地，作为另一实施例，第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降。
例如，IGBT的饱和导通压降对应于导通损耗，即饱和导通压降越小，导通损耗越小。
可选地，作为另一实施例，三电平逆变器200还包括：控制器（未示出），控制器的输出端连接到第一IGBT的栅极、第二IGBT的栅极、第三IGBT的栅极和第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制第一IGBT231、第二IGBT232、第三IGBT233和第四IGBT234的开通和关断，以便在第二连接点N222输出交流信号。
例如，可以将脉宽调制器输出的脉宽调制脉冲输出到第一IGBT231、第二IGBT232、第三IGBT233和第四IGBT234的栅极，以驱动这些IGBT。
可选地，作为另一实施例，三电平逆变器200还可以包括低通滤波器，连接在第二连接点与负载之间，用于对第二连接点输出的交流信号进行滤波。
例如，该低通滤波器可以包括由电容器和/或电感构成的电路。
图3是根据本发明的另一实施例的三电平逆变器300的示意性电路结构图。三电平逆变器300包括：第一IGBT331、第二IGBT332、第三IGBT333、第四IGBT334、第一箝位二极管D315和第二箝位二极管316。图3的三电平逆变器300是图2的三电平逆变器200的例子，在此适当省略详细的描述。
第一IGBT331的集电极连接到直流电压源的正极，即连接到直流电压源的正母线+BUS，第一IGBT331的发射极连接到第一连接点N321。第一IGBT331的集电极和发射极跨接有第一续流二极管D311。例如，第一续流二极管D311的阳极连接到第一IGBT331的发射极，第一续流二极管D311的阴极连接到第一IGBT331的集电极。
第二IGBT332的集电极连接到第一连接点N321，第二IGBT332的发射极连接到第二连接点N322。第二IGBT332的集电极和发射极跨接有第二续流二极管D312。例如，第二续流二极管D312的阳极连接到第二IGBT332的发射极，第二续流二极管D312的阴极连接到第二IGBT332的集电极。
第三IGBT333的集电极连接到第二连接点N322，第三IGBT333的发射极连接到第三连接点N323。第三IGBT333的集电极和发射极跨接有第三续流二极管D313。例如，第三续流二极管D313的阳极连接到第三IGBT333的发射极，第三续流二极管D313的阴极连接到第三IGBT333的集电极。
第四IGBT234的集电极连接到第三连接点N323，第四IGBT334的发射极连接到直流电压源的负极，即连接到直流电压源的负母线-BUS。第四IGBT334的集电极和发射极跨接有第四续流二极管D314。例如，第四续流二极管D314的阳极连接到第四IGBT334的发射极，第四续流二极管D314的阴极连接到第四IGBT334的集电极。
第一箝位二极管D315分别连接第四连接点N324与第一连接点N321，例如第一箝位二极管D315的阳极连接到第四连接点N324，第一箝位二极管D315的阴极连接到第一连接点N321。第二箝位二极管D316分别连接第四连接点N324与第三连接点N323，例如，第二箝位二极管D316的阴极连接到第四连接点N324，第二箝位二极管D316的阳极连接到第三连接点N323，其中第四连接点N324为中性电位点，第二连接点N322为交流输出连接点，第一IGBT331和第四IGBT334的开关速度高于第二IGBT332和第三IGBT333的开关速度，或者第二IGBT332和第三IGBT333的饱和导通压降低于第一IGBT331和第四IGBT334的饱和导通压降。
可选地，作为另一实施例，三电平逆变器300还可以包括：低通滤波器350，连接在第二连接点N322与负载340之间。低通滤波器可以包括电容器和/或电感器，例如，低通滤波器350可以包括电感器L351和电容器C352，其中电感器L351与负载340串联，电容器352与负载340并联，电容器352和负载340的一端与电感器351相连接，另一端与中性点相连接。
可选地，作为另一实施例，三电平逆变器300还可以包括：第一电容器361和第二电容器362。第一电容器361连接在直流电压源的正母线+BUS与第四连接点N324之间。第二电容器362连接在直流电压源的负母线-BUS与第四连接点N324之间，其中第四连接点N324与中性点相连接。
图4是根据本发明的又一实施例的三电平逆变器400的示意性电路结构图。三电平逆变器400包括：第一IGBT431、第二IGBT432、第三IGBT433、第四IGBT434、第一箝位二极管D415和第二箝位二极管D416。图4的三电平逆变器400是图2的三电平逆变器200的例子，在此适当省略详细的描述。
第一IGBT431的集电极连接到直流电压源V461的正极，即正的直流母线+BUS，第一IGBT431的发射极连接到第一连接点N421，第一IGBT431的集电极和发射极跨接有第一续流二极管D411。例如，第一续流二极管D411的阳极连接到第一IGBT431的发射极，第一续流二极管D411的阴极连接到第一IGBT431的集电极。
第二IGBT432的集电极连接到第一连接点N421，第二IGBT432的发射极连接到第二连接点N422，第二IGBT432的集电极和发射极跨接有第二续流二极管D412。例如，第二续流二极管D412的阳极连接到第二IGBT432的发射极，第二续流二极管D412的阴极连接到第二IGBT432的集电极。
第三IGBT433的集电极连接到第二连接点N422，第三IGBT233的发射极连接到第三连接点N223，第三IGBT233的集电极和发射极跨接有第三续流二极管D413。例如，第三续流二极管D413的阳极连接到第三IGBT433的发射极，第三续流二极管D413的阴极连接到第三IGBT433的集电极。
第四IGBT434的集电极连接到第三连接点N423，第四IGBT434的发射极连接到直流电压源V462的负极，即负的直流母线-BUS，第四IGBT434的集电极和发射极跨接有第四续流二极管D414。例如，第四续流二极管D414的阳极连接到第四IGBT434的发射极，第四续流二极管D414的阴极连接到第四IGBT434的集电极。
第一箝位二极管D415分别连接第四连接点N424与第一连接点N421，例如第一箝位二极管D415的阳极连接到第四连接点N424，第一箝位二极管D415的阴极连接到第一连接点N421。第二箝位二极管D416分别连接第四连接点N424与第三连接点N423，例如，第二箝位二极管D416的阴极连接到第四连接点N424，第二箝位二极管D416的阳极连接到第三连接点N423，其中第四连接点N424为中性电位点，第二连接点N422为交流输出连接点，第一IGBT431和第四IGBT434的开关速度高于第二IGBT432和第三IGBT433的开关速度，或者第二IGBT432和第三IGBT433的饱和导通压降低于第一IGBT431和第四IGBT434的饱和导通压降。
可选地，作为另一实施例，三电平逆变器400还可以包括：低通滤波器450，连接在第二连接点N422与负载440之间。低通滤波器可以包括电容器和/或电感器，例如，低通滤波器450可以包括电感器L451和电容器C452，其中电感器L451与负载440串联，电容器452与负载440并联，电容器和负载440的一端与电感器451相连接，另一端与中性点连接。
根据本发明的实施例，直流电压源V461的负极与第四连接点N424相连接，直流电压源V462的正极与第四连接点N424相连接。
图5是根据本发明的一个实施例的三电平逆变器的控制信号的时序图。下面结合图2和图5的实施例来说明三电平逆变器的控制原理。
本实施例以控制器产生的脉宽调制（Pulse width modulation，PWM）为例进行说明。参见图5，PWM1~PWM4为开关管IGBT231、IGBT232、IGBT233、IGBT234的驱动信号。在正半周时，IGBT232常通、IGBT234常闭，IGBT231和IGBT233按正弦脉宽调制（Sinusoidal PWM，SPWM）互补导通并保证其死区。在负半周时，IGBT233常通、IGBT231常闭，IGBT234和IGBT232按SPWM互补导通并保证其死区。
为了描述方便，首先定义电感电流的方向：当电感电流从连接点N222流向负载端时，定义电感电流为正；当电感电流从负载端流向连接点N222时，定义电感电流为负。
当电压为正半周、电感电流为正，或者电压为负半周、电感电流为负时，外管IGBT231和IGBT234的损耗包括开关损耗和导通损耗两部分，内管IGBT232和IGBT233的损耗只有导通损耗。以电压为正半周、电感电流为正为例，此时IGBT232常开，IGBT231和IGBT233互补导通。当IGBT231开通时，电感电流IL流经IGBT231和IGBT232；当IGBT231关断时，电感电流IL换流到D215和IGBT232，因此，外管IGBT231的损耗包括开关损耗和导通损耗，内管IGBT232只有导通损耗，而IGBT233没有电流，不存在开关损耗和导通损耗。在连接阻性负载时，由于外管的关断损耗所占比重较大，因此，使用开关速度较高的IGBT231和IGBT234可以降低开关损耗；由于内管的开关损耗所占比重极小而导通损耗所占比重较大，因此，内管使用开关速度较低、饱和导通压降较小的IGBT232和IGBT233可以降低导通损耗。因此，当外管采用高速IGBT，而内管采用低速IGBT时，可以降低外管的开关损耗和内管的导通损耗，从整体上降低了内管和外管的总的损耗，从而提高了逆变器的转换效率。
另外，在外管IGBT231和IGBT234关断时，电感电流的换流路径较短，因此，外管关断时的电压应力相对较小；在内管IGBT232和IGBT233关断时，电感电流的换流路径较长，因此，内管关断时的电压应力较大。具体而言，外管以IGBT231为例，电感电流IL流经IGBT231和IGBT232，并且当IGBT231关断时，电感电流IL换流到D215和IGBT232；在换流过程中，原先流过IGBT231的电流在减小，而流过D215的电流在增大，线路上寄生电感产生的感应电压叠加到IGBT231两端，导致IGBT231产生电压尖峰。内管以IGBT232为例，电感电流IL流经D215和IGBT232，并且当IGBT232关断时，电感电流IL换流到D213和D214。在换流过程中，原先流过IGBT232的电流在减小，而流过D213和D214的电流在增大，线路上寄生电感产生的感应电压叠加到IGBT232两端，导致IGBT232产生电压尖峰。由以上分析可知，外管IGBT231和IGBT234的换流路径比内管IGBT232和IGBT233的换流路径短，电压应力较小。通过以上分析可知，外管的开关速度可以高于内管的开关速度。
因此，根据本发明的实施例通过使三电平逆变器的外管的开关速度高于内管的开关速度，或者使内管的饱和导通压降低于外管的饱和导通压降，能够在提高三电平逆变器的转换效率和降低开关管的电压应力上得到合适的权衡，即在提高三电平逆变器的转换效率的同时，降低了开关管的电压应力。
图6是根据本发明的一个实施例的供电设备600的示意性结构图。供电设备600包括：三电平逆变器610和直流电压源620。三电平逆变器610可以由图2至图4的实施例中的三电平逆变器200、三电平逆变器300和三电平逆变器400中的任一个来实现。
直流电压源620的正极连接到正的直流母线+BUS，直流电压源610的负极连接到负的直流母线-BUS。
根据本发明的实施例，三电平逆变器610包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT，第一IGBT的集电极连接到该正的直流母线，第一IGBT的发射极连接到第一连接点，第一IGBT的集电极和发射极跨接有第一续流二极管；第二IGBT，第二IGBT的集电极连接到第一连接点，第二IGBT的发射极连接到第二连接点，第二IGBT的集电极和发射极跨接有第二续流二极管；第三IGBT，第三IGBT的集电极连接到第二连接点，第三IGBT的发射极连接到第三连接点，第三IGBT的集电极和发射极跨接有第三续流二极管；第四IGBT，第四IGBT的集电极连接到第三连接点，第四IGBT的发射极连接到负的直流母线，第四IGBT的集电极和发射极跨接有第四续流二极管；第一箝位二极管，分别连接第四连接点与第一连接点；第二箝位二极管，分别连接第四连接点与第三连接点，其中第四连接点为中性电位点，第二连接点为交流输出连接点，第一IGBT和第四IGBT的开关速度高于第二IGBT和第三IGBT的开关速度，或者第二IGBT和第三IGBT的饱和导通压降低于第一IGBT和第四IGBT的饱和导通压降。
根据本发明的实施例，第一IGBT和第四IGBT的关断损耗小于第二IGBT和第三IGBT的关断损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的开通损耗小于第二IGBT和第三IGBT的开通损耗；或者第一IGBT和第四IGBT的关断时间小于第二IGBT和第三IGBT的关断时间；或者第一IGBT和第四IGBT的开通时间小于第二IGBT和第三IGBT的开通时间。
可选地，作为另一实施例，上述三电平逆变器还包括：低通滤波器，连接在第二连接点与负载之间，用于对第二连接点输出的交流信号进行滤波。
可选地，作为另一实施例，上述三电平逆变器还包括：控制器，该控制器的输出端连接到第一IGBT的栅极、第二IGBT的栅极、第三IGBT的栅极和第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制第一IGBT、第二IGBT、第三IGBT和第四IGBT的开通和关断，以便在第二连接点输出交流信号。
可选地，作为另一实施例，上述三电平逆变器还包括：第一电容器，连接在该正的直流母线与第四连接点之间；第二电容器，连接在该负的直流母线与第四连接点之间。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的***、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。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或者该技术方案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一个存储介质中，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方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器（ROM，Read-Only Memory）、随机存取存储器（RAM，Random Access Memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
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权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种三电平逆变器，其特征在于，包括：
第一绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述第一IGBT的集电极连接到正的直流母线，所述第一IGBT的发射极连接到第一连接点，所述第一IGBT的集电极和发射极跨接有第一续流二极管；
第二IGBT，所述第二IGBT的集电极连接到第一连接点，所述第二IGBT的发射极连接到第二连接点，所述第二IGBT的集电极和发射极跨接有第二续流二极管；
第三IGBT，所述第三IGBT的集电极连接到第二连接点，所述第三IGBT的发射极连接到第三连接点，所述第三IGBT的集电极和发射极跨接有第三续流二极管；
第四IGBT，所述第四IGBT的集电极连接到第三连接点，所述第四IGBT的发射极连接到负的直流母线，所述第四IGBT的集电极和发射极跨接有第四续流二极管；
第一箝位二极管，分别连接到第四连接点与所述第一连接点；
第二箝位二极管，分别连接所述第四连接点与所述第三连接点，其中所述第四连接点为中性电位点，所述第二连接点为交流输出连接点，所述第一IGBT和所述第四IGBT的开关速度高于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开关速度，或者所述第二IGBT和所述第三IGBT的饱和导通压降低于所述第一IGBT和所述第四IGBT的饱和导通压降。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述第一IGBT和所述第四IGBT的关断损耗小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的关断损耗；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的开通损耗小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开通损耗；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的关断时间小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的关断时间；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的开通时间小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开通时间。
3.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器，还包括：
低通滤波器，连接在所述第二连接点与负载之间，用于对所述第二连接点输出的交流信号进行滤波。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的三电平逆变器，其特征在于还包括：
控制器，所述控制器的输出端连接到所述第一IGBT的栅极、所述第二IGBT的栅极、所述第三IGBT的栅极和所述第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制所述第一IGBT、所述第二IGBT、所述第三IGBT和所述第四IGBT的开通和关断，以便在所述第二连接点输出交流信号。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的三电平逆变器，还包括：
第一电容器，连接在所述正的直流母线与所述第四连接点之间；
第二电容器，连接在所述负的直流母线与所述第四连接点之间。
6.一种供电设备，其特征在于，包括：三电平逆变器和直流电压源，其中所述直流电压源的正极连接到正的直流母线，所述直流电压源的负极连接到负的直流母线，
其中所述三电平逆变器包括：第一绝缘栅双极型晶体管IGBT，所述第一IGBT的集电极连接到所述正的直流母线，所述第一IGBT的发射极连接到第一连接点，所述第一IGBT的集电极和发射极跨接有第一续流二极管；
第二IGBT，所述第二IGBT的集电极连接到第一连接点，所述第二IGBT的发射极连接到第二连接点，所述第二IGBT的集电极和发射极跨接有第二续流二极管；
第三IGBT，所述第三IGBT的集电极连接到第二连接点，所述第三IGBT的发射极连接到第三连接点，所述第三IGBT的集电极和发射极跨接有第三续流二极管；
第四IGBT，所述第四IGBT的集电极连接到第三连接点，所述第四IGBT的发射极连接到负的直流母线，所述第四IGBT的集电极和发射极跨接有第四续流二极管；
第一箝位二极管，分别连接到第四连接点与所述第一连接点；
第二箝位二极管，分别连接所述第四连接点与所述第三连接点，其中所述第四连接点为中性电位点，所述第二连接点为交流输出连接点，所述第一IGBT和所述第四IGBT的开关速度高于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开关速度，或者所述第二IGBT和所述第三IGBT的饱和导通压降低于所述第一IGBT和所述第四IGBT的饱和导通压降。
7.根据权利要求6所述的供电设备，其特征在于，
所述第一IGBT和所述第四IGBT的关断损耗小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的关断损耗；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的开通损耗小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开通损耗；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的关断时间小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的关断时间；或者
所述第一IGBT和所述第四IGBT的开通时间小于所述第二IGBT和所述第三IGBT的开通时间。
8.根据权利要求6或7所述的供电设备，所述三电平逆变器还包括：
低通滤波器，连接在所述第二连接点与负载之间，用于对所述第二连接点输出的交流信号进行滤波。
9.根据权利要求6至8中的任一项所述的供电设备，其特征在于，所述三电平逆变器还包括：
控制器，所述控制器的输出端连接到所述第一IGBT的栅极、所述第二IGBT的栅极、所述第三IGBT的栅极和所述第四IGBT的栅极，用于根据预设的脉宽调制规则控制所述第一IGBT、所述第二IGBT、所述第三IGBT和所述第四IGBT的开通和关断，以便在所述第二连接点输出交流信号。
10.根据权利要求6至9中的任一项所述的供电设备，所述三电平逆变器还包括：
第一电容器，连接在所述正的直流母线与所述第四连接点之间；
第二电容器，连接在所述负的直流母线与所述第四连接点之间。
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