CN106169885B - 一种级联式六开关多电平逆变器 - Google Patents

一种级联式六开关多电平逆变器 Download PDF

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Abstract

一种级联式六开关多电平逆变器，包括由主开关组和开关电容组构成的功率单元，其中主开关组为传统全桥结构，开关电容组由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点为功率单元输出；逆变器由多个功率单元依次顺序级联构成。本发明的逆变器，由于每个功率单元可以产生五电平输出电压，当实现相同电平数输出电压时，大幅减小了功率开关器件的数量，减小了装置复杂性，具有逆变效率高、可靠性强的特点。

Description

一种级联式六开关多电平逆变器
技术领域
本发明涉及一种级联式六开关多电平逆变器，属逆变技术领域。
背景技术
在中高压大容量变频调速器和电力有源滤波器广泛应用的前景下，多电平逆变器已经成为当前电力电子功率变换领域备受关注的重要研究热点。它具有以下优点：输出电压的总谐波失真随着电平数的增加显著减小；输出相同质量电压波形的条件下，开关损耗小、开关频率较低；与两电平变流器相比，在相的电压等级下，du/dt明显减小，在高压大容量电机驱动中，可有效防止电机转子绕阻绝缘击穿，同时改善装置的电磁干扰特性。因此，多电平逆变器在中高压交流调速领域、分布式发电和柔***流输电等领域有良好的应用前景。
目前主要的多电平逆变器包括二极管嵌位式多电平逆变器、飞跨电容嵌位式多电平逆变器和级联H桥式多电平逆变器。当需要实现较高的电压等级和电平数目时，二极管嵌位式多电平逆变器和飞跨电容嵌位式多电平逆变器所需的嵌位二极管器件或者嵌位电容器件数目将急剧增加，并且存在电容电压平衡控制困难的问题。而级联H桥式多电平逆变器比较容易实现较大的电平数目和电压等级，但是随着电压等级的增加，级联H桥式多电平逆变器级联的单元数目也会增加，开关器件数量随之增加。
随着风能发电、光伏发电等新能源发电技术的不断发展和统一潮流控制器（UPFC）、电力有源滤波器等电力设备在电力***中的不断需求，高效率和高质量输出波形的逆变器越来越被重视，因此运用开关电容电路的新型多电平逆变器便应运而生。
发明内容
本发明的目的是，针对传统的级联H桥多电平逆变器的缺点，本发明提出一种级联式六开关多电平逆变器，采用使用开关电容的六开关五电平逆变器构成功率单元以简化级联逆变器结构，从而实现在相同输出电压等级下减少开关器件数目、提高逆变器效率、节省***成本。
实现本发明的技术方案如下：一种级联式六开关多电平逆变器，由多个功率单元依次顺序级联构成，所述功率单元包括主开关组、开关电容组和直流电源；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为逆变器输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为逆变器输出的负端。
所述主开关组为传统全桥结构，由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成主开关组第一桥臂；由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成主开关组第二桥臂；所述的第一开关管的集电极同时与第一二极管的阴极和第一节点相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极同时与第三二极管的阳极和第二节点相连；所述的第一二极管的阴极与第二开关管的集电极相连，第一二极管的阳极与第三二极管的阴极相连；所述的第三二极管的阳极与第四开关管的发射极相连；所述的第二开关管的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第四开关管的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关管的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第二二极管的阳极与第四二极管的阴极相连；所述的主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
所述开关电容组由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，即由第一电容、第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管和第七二极管构成；所述第七二极管的阳极同时与第五开关管的集电极和第五节点相连，第七二极管的阴极同时与第一电容的正极和第三节点相连；所述第一电容的负极同时与第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连；所述第五开关管的集电极与第五二极管的阴极相连，第五开关管发射极与第五二极管的阳极相连；所述第六开关管的发射极与第六二极管的阳极相连，第六开关管集电极同时与第六二极管的阴极和第四节点相连。
所述开关电容组的开关电容即第一电容充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。
所述开关电容组的第七二极管的作用为限制开关电容即第一电容上的电流反向流向直流电源。
所述主开关组的第一节点与开关电容组的第三节点相连；主开关组的第二节点与开关电容组的第四节点相连。
所述功率单元的直流电源正极与开关电容组的第五节点相连，直流电源的负极与开关电容组的第四节点相连。
所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一种。
所述的第一反并联二极管、第二反并联二极管、第三反并联二极管、第四反并联二极管、第五反并联二极管和第六反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。
本发明的有益效果是，本发明提供了一种级联式六开关多电平逆变器，采用使用开关电容的六开关五电平逆变器构成功率单元，相对传统的级联H桥逆变器功率单元，每个功率单元可以产生六种输出电压状态、五种输出电压电平，输出电压等级也可以提高一倍。相对于采用传统全桥结构的多电平逆变器，所述级联式六开关多电平逆变器减少了***中开关元件数目、提高了输出波形质量、有效降低了谐波含量、减轻了电磁干扰等问题，在功率大小场合均能达到优化***效率的目的。
附图说明
图1是本发明提出的级联式六开关多电平逆变器的结构示意图；
图2是级联式六开关多电平逆变器中的功率单元的结构示意图；
图3是图2所示功率单元的第一种电压状态示意图；
图4是图2所示功率单元的第二种电压状态示意图；
图5是图2所示功率单元的第三种电压状态示意图；
图6是图2所示功率单元的第四种电压状态示意图；
图7是图2所示功率单元的第五种电压状态示意图；
图8是图2所示功率单元的第六种电压状态示意图；
图中，S1为第一开关管；S2为第二开关管；S3为第三开关管；S4为第四开关管；S5为第五开关管；S6为第六开关管；D1为第一二极管；D2为第二二极管；D3为第三二极管；D4为第四二极管；D5为第五二极管；D6为第六二极管；D7为第七二极管；C1为第一电容；E为直流电压；SC为开关电容组；SW为主开关组。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如附图所示。
图1所示为本发明一种级联式六开关多电平逆变器结构示意图。所述逆变器由N个功率单元依次顺序级联构成；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为逆变器输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为逆变器输出的负端。
图2所示为一种级联式六开关多电平逆变器功率单元的拓扑结构的一种实施方式。如图2所示，所述的功率单元由主开关组SW、开关电容组SC和直流电源构成。
本实施例的功率单元的主开关组SW为传统全桥结构，由第一开关管S1、第三开关管S3、第一二极管D1和第三二极管D3组成主开关组SW的第一桥臂，由第二开关管S2、第四开关管S4、第二二极管D2和第四二极管D4组成主开关组SW的第二桥臂。所述的第一开关管S1的集电极同时与第一二极管D1的阴极和第一节点Q1相连，第一开关管S1的发射极与第一二极管D1的阳极相连；所述的第三开关管S3的集电极与第三二极管D3的阴极相连，第三开关管S3的发射极同时与第三二极管D3的阳极和第二节点Q2相连；所述的第一二极管D1的阴极与第二开关管S2的集电极相连，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极相连；所述的第三二极管D3的阳极与第四开关管S4的发射极相连；所述的第二开关管S2的集电极与第二二极管D2的阴极相连，第二开关管S2的发射极与第二二极管D2的阳极相连；所述的第四开关管S4的集电极与第四二极管D4的阴极相连，第四开关管的发射极S4与第四二极管D4的阳极相连；所述的第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极相连；所述的主开关组SW的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
本实施例功率单元的开关电容组SC由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，即由第一电容C1、第五开关管S5、第六开关管S6、第五二极管D5、第六二极管D6和第七二极管D7构成。所述第七二极管D7的阳极同时与第五开关管S5的集电极和第五节点Q5相连，第七二极管D7的阴极同时与第一电容C1的正极和第三节点Q3相连；所述第一电容C1的负极同时与第五开关管S5的发射极和第六开关管S6的发射极相连；所述第五开关管S5的集电极与第五二极管D5的阴极相连，第五开关管S5的发射极与第五二极管D5的阳极相连；所述的第六开关管S6的发射极与第六二极管D6的阳极相连，第六开关管S6集电极同时与第六二极管D6的阴极和第四节点Q4相连。
本实施例功率单元的开关电容组SC的开关电容，即第一电容C1充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。
本实施例功率单元的开关电容组SC的第七二极管D7的作用为限制开关电容即第一电容C1上的电流反向流向直流电源。
本实施例功率单元的主开关组SW的第一节点Q1与开关电容组SC的第三节点Q3相连，主开关组SW的第二节点Q2与开关电容组SC的第四节点Q4相连。
本实施例功率单元的直流电源的正极与开关电容组SC的第五节点Q5相连，直流电源的负极与开关电容组SC的第四节点Q4相连。
图3至图8所示为图2中功率单元的六种电压状态示意图。设功率单元内直流电源上的直流电压为E，开关电容即第一电容C1上的直流电压为E，功率单元的控制方式和六种电压输出状态如下：
第一种电压输出状态：
当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5导通、开关管S6关断，如图3所示，直流电源与开关电容即第一电容C1串联，等效直流侧电压为2E，功率单元端口的输出电压为2E。此时，如果电流方向为正，如图3中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到直流电源的负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到开关电容即第一电容C1的正极。
第二种电压输出状态：
当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5关断，开关管S6导通，如图4所示，直流电源与开关电容即第一电容C1并联，等效直流侧电压为E，功率单元端口的输出电压为E。此时，如果电流方向为正，如图4中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到第四节点Q4；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到第三节点Q3。
第三种电压输出状态：
当开关管S1导通、开关管S2导通、开关管S3关断、开关管S4关断、开关管S5关断、开关管S6关断，如图5所示，功率单元端口的输出电压为0+。
第四种电压输出状态：
当开关管S1关断、开关管S2关断、开关管S3导通、开关管S4导通、开关管S5关断，开关管S6关断，如图6所示，功率单元端口的输出电压为0-。
第五种电压输出状态：
当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4关断、开关管S5关断、开关管S6导通，如图7所示，直流电源与开关电容即第一电容C1并联，等效直流侧电压为E，功率单元端口的输出电压为-E。此时，如果电流方向为正，如图7中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到第四节点Q4；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到第三节点Q3。
第六种电压输出状态：
当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4关断、开关管S5导通、开关管S6关断，如图8所示，直流电源与开关电容即第一电容C1串联，等效直流侧电压为2E，功率单元端口的输出电压为-2E。此时，如果电流方向为正，如图8中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到直流电源的负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到开关电容即第一电容C1的正极。
如上所述，功率单元的端口可以输出2E、E、0+、0-、-E和-2E六种电压状态，2E、E、0、-E和-2E五种电压电平。以此类推，通过控制各功率单元端口的输出电压状态，由N个功率单元组成的级联式六开关多电平逆变器可以输出4N+1种电压电平。
上述实施例结构中的各个开关管有多种选择，可采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管和IGBT管中的任意一种。
上述实施例结构中的各个反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。
由于本实施例的逆变器采用了使用开关电容的六开关五电平功率单元，相对传统的级联H桥逆变器功率单元，每个功率单元可以产生六种输出电压状态、五种输出电压电平，输出电压等级也可以提高一倍。相对于采用传统全桥结构的多电平逆变器，所述级联式六开关多电平逆变器减少了***中开关元件数目、提高了输出波形质量、有效降低了谐波含量、减轻了电磁干扰等问题，在功率大小场合均能达到优化***效率的目的。

Claims (4)

1.一种级联式六开关多电平逆变器，其特征在于，所述逆变器由多个功率单元依次顺序级联构成，所述功率单元包括主开关组、开关电容组和直流电源；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为逆变器输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为逆变器输出的负端；所述功率单元通过较少的开关数量可以输出六种电压状态、五种电压电平；所述的开关电容组由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，即由第一电容、第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管和第七二极管构成；所述第七二极管的阳极同时与第五开关管的集电极和第五节点相连，第七二极管的阴极同时与第一电容的正极和第三节点相连；所述第一电容的负极同时与第五开关管的发射极和第六开关管的发射极相连；所述第五开关管的集电极与第五二极管的阴极相连，第五开关管发射极与第五二极管的阳极相连；所述第六开关管的发射极与第六二极管的阳极相连，第六开关管集电极同时与第六二极管的阴极和第四节点相连；
所述主开关组的第一节点与开关电容组的第三节点相连；主开关组的第二节点与开关电容组的第四节点相连；
所述功率单元的直流电源正极与开关电容组的第五节点相连，直流电源的负极与开关电容组的第四节点相连。
2.根据权利要求1所述一种级联式六开关多电平逆变器，其特征在于，所述主开关组为传统全桥结构，由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成主开关组第一桥臂；由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成主开关组第二桥臂；所述的第一开关管的集电极同时与第一二极管的阴极和第一节点相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极同时与第三二极管的阳极和第二节点相连；所述的第一二极管的阴极与第二开关管的集电极相连，第一二极管的阳极与第三二极管的阴极相连；所述的第三二极管的阳极与第四开关管的发射极相连；所述的第二开关管的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第四开关管的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关管的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第二二极管的阳极与第四二极管的阴极相连；所述的主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
3.根据权利要求1所述一种级联式六开关多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容组的开关电容即第一电容充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。
4.根据权利要求1所述一种级联式六开关多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容组的第七二极管的作用为限制开关电容即第一电容上的电流反向流向直流电源。
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