CN103219907A

CN103219907A - 五电平逆变器

Info

Publication number: CN103219907A
Application number: CN2013100909838A
Authority: CN
Inventors: 王勇; 王菲
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai strong pine Aeronautical Technology Co., Ltd.
Priority date: 2013-03-20
Filing date: 2013-03-20
Publication date: 2013-07-24
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: CN103219907B

Abstract

本发明提供了一种五电平逆变器，其中：第一、二电容串联，第一和第二电容连接点即电容中点；第一与第二开关管、第七与第八开关管分别依次串联在第一、二电容之间；第一、二开关管连接于第三节点，第七、八开关管连接于第四节点；第三、四开关管串联，第五、六开关管串联后再并联，该并联支路连接在第三节点和电容中点之间，其中第三、五开关管连接于第一节点，第四、六开关管连接于第二节点；第一节点连接到电容中点，第二节点连接到第三节点；第三节点另一端连接滤波器一端,滤波器另一端连接第四节点，第一到第八二极管分别对应于对应并联在第一到第八开关管的两端。本发明能够明显改善常用的五电平电路的损耗，提高逆变器的效率。

Description

五电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种逆变器，尤其是一种五电平逆变器。

背景技术

随着风能发电、光伏发电、UPS(不间断电源)技术的不断发展，逆变器效率的要求也越来越被重视，因此五电平逆变器便应运而生。

比如，图1所示的传统五电平逆变器，它能够输出五个电平，与两电平、三电平电路相比具有较低的损耗，同时可以减少输出电流的谐波，减少输出滤波器尺寸。但是当电路输出Vdc、Vdc/2，0，-Vdc/2、-Vdc时，不管电流正负，如图2-4中实线和虚线箭头所示，电流都需要经过三个功率器件，具有较高的导通损耗。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种五电平逆变器，减少导通损耗，提高逆变器的效率。

为实现上述目的，本发明提供一种五电平逆变器，包括：第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管和电感，其中：

所述第一电容和所述第二电容串联，且两者的连接点即电容中点；

所述第一开关管、所述第二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一电容连接于第五节点，所述第二开关管和所述第二电容连接于第六节点；所述第一开关管和所述第二开关管连接于第三节点；

所述第七开关管与所述第八开关管串联连接；所述第七开关管连接于所述第五节点，所述第八开关管连接于所述第六节点；所述第七开关管和所述第八开关管连接于第四节点；

所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第五开关管和所述第六开关管串联，这两个串联支路再并联，该并联支路连接在第三节点和电容中点之间，其中所述第三开关管和所述第五开关管连接于第一节点，所述第四开关管和所述第六开关管连接于第二节点；所述第一节点连接到电容中点，所述第二节点连接到所述第三节点；所述第三节点另一端连接电感一端；

所述电感另一端与负载串联后连接所述第四节点；

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管分别对应于所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管第六开关管、第七开关管以及第八开关管，并对应并联在各开关管的两端。

优选地，所述第一二极管的阳极连接于第三节点，所述第一二极管的阴极连接于第一电容；所述第二二极管的阴极连接于第三节点，所述第二二极管的阳极连接于第二电容；所述第三二极管的阳极连接于所述第一节点，所述第三二极管的阴极连接于所述第四开关管和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极连接到第二节点；所述第五二极管的阳极连接于所述第六开关管和第六二极管阳极，所述第五二极管的阴极连接于所述第一节点，所述第六二极管的阴极连接于所述第二节点；所述第七二极管的阳极连接于第四节点，所述第七二极管的阴极连接于第五节点；所述第八二极管的阴极连接于第四节点，所述第八二极管的阳极连接于第六节点。

本发明上述的第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管均为IGBT管（绝缘栅双极型晶体管）。

本发明上述的第四开关管，第六开关管采用相同种类的开关管；上述的第三开关管，第五开关管采用相同种类的开关管；第四开关管、第六开关管的种类和第三开关管、第五开关管的种类可以相同或者不同。

本发明所述第三～第六开关管具体可以采用如MOSFET管，PowerMosfet管（功率场效应管），Coolmosfet管，IGBT管等开关管中的任意一种。

优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管第五开关管、第七开关管以及第八开关管均为IGBT管（绝缘栅双极型晶体管），其中：所述第一开关管的发射极连接于第三节点，集电极连接于第一电容；所述第二开关管的集电极连接于第三节点，发射极连接于第二电容；所述第三开关管的发射极连接于第一节点，集电极连接于第四开关管；所述第五开关管的发射极连接于第六开关管，集电极连接于第一节点；所述第七开关管的发射极连接于第四节点，集电极连接于第五节点；所述第八开关管的集电极连接于第四节点，发射极连接于第六节点。这六个IGBT管的基极均连接控制信号。

优选地，所述第四开关管和第六开关管均采用Coolmosfet管，其中：所述第四开关管的漏极连接于第三开关管的集电极，所述第四开关管的源极连接于第二节点；所述第六开关管的漏极连接于第二节点，所述第六开关管的源极连接于第五开关管的发射极。这两个Coolmosfet管的栅极均连接控制信号。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明所述的五电平逆变器具有传统五电平的所有优点，但与传统五电平逆变器电路不同，它在输出Vdc，Vdc/2，-Vdc/2，-Vdc时，不管电流正负，电流都只经过两个功率器件，具有较低的导通损耗。在输出0时虽然电流也需要通过三个功率器件，但是新的拓扑通过构造两个并联回路来减少导通损耗；同时通过IGBT和Coolmosfet的混合结构适应风电、光伏等具有功率波动性的***。在功率大小的场合均能达到优化***效率的目的。总的来说，它能够明显改善常用的五电平电路的损耗，提高逆变器的效率，尤其是风能发电、光伏发电等新能源发电***。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为传统五电平逆变器电路图；

图2-图4为传统五电平逆变器的电流路径图；

图5为本发明一实施例五电平逆变器电路图；

图6-图8为本发明一实施例五电平逆变器的正半周等效电路图；

图9-图11为本发明一实施例五电平逆变器的负半周等效电路图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图5所示，本发明实施例提供一种五电平逆变器，包括：第一电容C1、第二电容C2、第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、、第七开关管T7、第八开关管T8、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、电感L和电网Grid（或者其它负载），其中：

所述第一电容C1和所述第二电容C2串联，所述第一电容C1和所述第二电容C2连接点即电容中点O；

所述第一开关管T1、所述第二开关管T2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T1和所述第一电容C1连接于第五节点O5，所述第二开关管T2和所述第二电容C2连接于第六节点O6；所述第一开关管T1和所述第二开关管T2连接于第三节点O3；

所述第七开关管T7和所述第八开关管T8串联连接，所述第七开关管T7连接于所述第五节点O5，所述第八开关管T8连接于所述第六节点O6；所述第七开关管T7和所述第八开关管T8连接于第四节点O4；

所述第三开关管T3和所述第四开关管T4串联，所述第五开关管T5和所述第六开关管T6串联，这两个串联支路再并联，该并联支路连接在第三节点O3和电容中点O之间，其中所述第三开关管T3和所述第五开关管T5连接于第一节点O1，所述第四开关管T4和所述第六开关管T6连接于第二节点O2；所述第一节点O1连接到电容中点O，所述第二节点O2连接到所述第三节点O3；所述第三节点O3另一端连接所述电感L的一端；

所述电感L的另一端与所述电网Grid串联后连接所述第四节点O4；

所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7以及第八二极管D8分别对应于所述第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第四开关管T4、第五开关管T5、第六开关管T6、第七开关管T7以及第八开关管T8，并对应并联在各开关管的两端；

所述第一二极管D1的阳极连接于第三节点O3，所述第一二极管D1的阴极连接于第一电容C1；所述第二二极管D2的阴极连接于第三节点O3，所述第二二极管D2的阳极连接于第二电容C2；所述第三二极管D3的阳极连接于所述第一节点O1，所述第三二极管D3的阴极连接于所述第四开关管T4和所述第四二极管D4的阴极，所述第四二极管D4的阳极连接到第二节点O2；所述第五二极管D5的阳极连接于所述第六开关管T6和第六二极管D6阳极，所述第五二极管D5的阴极连接于所述第一节点O1，所述第六二极管D6的阴极连接于所述第二节点O2；所述第七二极管D7的阳极连接于第四节点O4，所述第七二极管D7的阴极连接于第五节点O5；所述第八二极管D8的阴极连接于第四节点O4，所述第八二极管D8的阳极连接于第六节点O6。

所述第一开关管T1、第二开关管T2、第三开关管T3、第五开关管T5、第七开关管T7以及第八开关管T8均为IGBT管（绝缘栅双极型晶体管），其中：所述第一开关管T1的发射极连接于第三节点O3，集电极连接于第一电容C1；所述第二开关管T2的集电极连接于第三节点O3，发射极连接于第二电容C2；所述第三开关管T3的发射极连接于第一节点O1，集电极连接于第四开关管T4；所述第五开关管T5的发射极连接于第六开关管T6，集电极连接于第一节点O1；所述第七开关管T7的发射极连接于第四节点O4，集电极连接于第五节点O5；所述第八开关管T8的集电极连接于第四节点O4，发射极连接于第六节点O6。这六个IGBT管的基极均连接控制信号。

所述第四开关管T4和第六开关管T6均采用Coolmosfet管，其中：所述第四开关管T4的漏极连接于第三开关管T3的集电极，所述第四开关管T4的源极连接于第二节点O2；所述第六开关管T6的漏极连接于第二节点O2，所述第六开关管T6的源极连接于第五开关管T5的发射极。这两个Coolmosfet管的栅极均连接控制信号。

如图6-8所示，在正半周时，电路可以输出0、Vdc/2和Vdc，当打开第一和第八开关管T1，T8而关闭其它开关管时，电路输出Vdc。此时，如果电流方向为正，则如图6中的实线箭头所示，电流经过第一开关管T1、第八开关管T8流向负载。当电流方向为负如另一箭头所示时，电流则经过第八二极管D8和第一二极管D1回到正母线。

当打开开关管T3，T4，T5，T6，T8而关闭其它开关管时，电路输出Vdc/2。此时，如果电流方向为正，则如图7中的实线箭头所示，电流经过第三二极管D3和第四开关管T4、第八开关管流向负载，同时电流经第五开关管T5和第六二极管D6并联回路、经过第八开关管T8流到负载侧。当电流方向为负如另一箭头所示时，电流则经过第八二极管、第四二极管D4和第三开关管T3、以及第八二极管、第六开关管T6和第五二极管D5并联回路回到电容中点O。

而当打开第二开关管T2、第八开关管T8时，电路输出0。电流为正时，电流流经D2、负载、T8构成回路；电流为负时，电流经过D8、负载、T2构成回路。如图8所示。

如图9-11所示，同理可以分析负半周情况，在负半周时，电路可以输出0、-Vdc/2和-Vdc，当打开第二和第七开关管T2，T7而关闭其它开关管时，电路输出-Vdc。此时，如果电流方向为正，则如图9中的实线箭头所示，电流则经过第七二极管D7和第二二极管D2回到正母线。如果电流方向为负，电流经过第七开关管T7、负载、第二开关管T2到负母线。

当打开第三开关管T3，第四开关管T4，第五开关管T5，第六开关管T6，第八开关管T8而关闭其它开关管时，电路输出Vdc/2。此时，如果电流方向为正，则如图10中的实线箭头所示，电流经过第三二极管D3和第四开关管T4、负载和第八开关管T8构成回路。同时电流经第五开关管T5和第六二极管D6、负载以及第八开关管T8构成并联回路。当电流方向为负如另一箭头所示时，电流则经过第八二极管D8、第四二极管D4和第三开关管T3、以及第八二极管D8、第六开关管T6和第五二极管D5并联回路回到电容中点O。

而当打开第一开关管T1、第七开关管T7时，电路输出0。电流为正时，电流流经第一开关管T1、负载、第七二极管D7构成回路；电流为负时，电流经过第七开关管T7、负载、第一二极管D1构成回路，如图11所示。

应当理解的是，上述实施例结构中的各个开关管有多种选择，列举如下3种：中间开关管T3，T4，T5，T6全部采用CoolMosfet，或全部采用IGBT，或全部采用MOSFET形式。同样的开关管T1，T2，T7，T8也可以采用MOSFET或者Coolmosfet等形式，此处不再一一列举，其实现原理与上述优选实施例相同或者类似。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims

1.一种五电平逆变器，其特征在于包括：第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管和电感，其中：

所述第三开关管和所述第四开关管串联，所述第五开关管和所述第六开关管串联，这两个串联支路再并联，该并联支路连接在第三节点和电容中点之间，其中所述第三开关管和所述第五开关管连接于第一节点，所述第四开关管和所述第六开关管连接于第二节点；所述第一节点连接到电容中点，所述第二节点连接到所述第三节点；所述第三节点另一端连接电感的一端；

所述电感另一端与负载串联后连接所述第四节点；

所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管以及第八二极管分别对应于所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管，并对应并联在各开关管的两端。

2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于：所述第一二极管的阳极连接于第三节点，所述第一二极管的阴极连接于第一电容；所述第二二极管的阴极连接于第三节点，所述第二二极管的阳极连接于第二电容；所述第三二极管的阳极连接于所述第一节点，所述第三二极管的阴极连接于所述第四开关管和所述第四二极管的阴极，所述第四二极管的阳极连接到第二节点；所述第五二极管的阳极连接于所述第六开关管和第六二极管阳极，所述第五二极管的阴极连接于所述第一节点，所述第六二极管的阴极连接于所述第二节点；所述第七二极管的阳极连接于第四节点，所述第七二极管的阴极连接于第五节点；所述第八二极管的阴极连接于第四节点，所述第八二极管的阳极连接于第六节点。

3.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管均为IGBT管。

4.根据权利要求1-3任一项所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第四开关管、第六开关管采用相同种类的开关管；所述第三开关管、第五开关管采用相同种类的开关管；第四开关管、第六开关管的种类和第三开关管、第五开关管的种类相同或者不同。

5.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第三～第六开关管采用MOSFET管，PowerMosfet管，Coolmosfet管，IGBT管中的任意一种。

6.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第五开关管、第七开关管以及第八开关管均为IGBT管，其中：所述第一开关管的发射极连接于第三节点，集电极连接于第一电容；所述第二开关管的集电极连接于第三节点，发射极连接于第二电容；所述第三开关管的发射极连接于第一节点，集电极连接于第四开关管；所述第五开关管的发射极连接于第六开关管，集电极连接于第一节点；所述第七开关管的发射极连接于第四节点，集电极连接于第五节点；所述第八开关管的集电极连接于第四节点，发射极连接于第六节点，这六个IGBT管的基极均连接控制信号。

7.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第四开关管和第六开关管均采用Coolmosfet管，其中：所述第四开关管的漏极连接于第三开关管的集电极，所述第四开关管的源极连接于第二节点；所述第六开关管的漏极连接于第二节点，所述第六开关管的源极连接于第五开关管的发射极；这两个Coolmosfet管的栅极均连接控制信号。