CN203466745U - 多电平逆变器电路 - Google Patents

Abstract

一种多电平逆变器电路，包括一个正发电机端子（21）和一个负发电机端子（22），用于将发电机（1）与发电机电压连接，并且还包括一个逆变桥（10），用于在电桥输出端（19）将该发电机电压转换成AC电压，该电桥输出端可以连接到供电电网（9），其中，该逆变桥（10）通过五个端子（11-15）连接到所述正发电机端子（21）和所述负发电机端子（22），其中，一个第一端子（11）通过一个升压转换器（2）连接到这些发电机端子（21，22），用于生成升压后的正发电机电压，一个第二端子（12）直接连接到该正发电机端子（21），以及一个第四端子（14）直接连接到该负发电机端子（22），一个第五端子（15）通过一个升压转换器（3）连接到这些发电机端子（21，22），用于生成升压后的负发电机电压，以及一个第三端子（13）通过一个电容分压器（C1/C2，C3/C4）连接到这些发电机端子（21，22）,其中该电桥输出端（19）通过包括至少两个半导体开关（S11，S12）的一个第一串联电路连接到该第一端子（11），通过包括一个二极管（D2）和至少两个半导体开关（S21，S22）的一个第二串联电路连接到该第二端子（12），通过两个并联的串联电路连接到该第三端子（13），每个串联电路由一个半导体开关（S31，S32）和一个二极管（D31，D32）组成，通过包括一个二极管（D4）和至少两个半导体开关（S41，S42）的一个第四串联电路连接到该第四端子（14），以及通过包括至少两个半导体开关（S51，S52）的一个第五串联电路连接到该第五端子（15）。

Description

多电平逆变器电路

技术领域

本实用新型涉及一种用于将由发电机生成的电能馈送到供电电网中的多电平逆变器电路。 

背景技术

术语“多电平逆变器电路”是指升压DC-DC致动器（也被称为升压转换器）在其中生成一个额外电压电平的***。 

所述额外电压电平在为该逆变器供应DC电压的电压源（例如光伏发电机、燃料电池或风力发电机）的电压小于供电电网（例如公共供电网）的供电电网电压的瞬时电压值时使用，该逆变器电路向该供电电网馈送其电压。 

此种类型的多电平逆变器电路从文档DE10020537Al中已知。 

文档DE102006010694B4同样披露了一种多电平逆变器电路，体现在BS-NPC（双极切换中性点钳位）拓扑结构中。由此实现了具有五个电压电平的电路拓扑结构，而且其可以体现在单相还有三相样式中。所使用的这些半导体的相对高的电压应力似乎对于此电路拓扑结构有问题。 

实用新型内容

在此背景下，本实用新型的目标是通过降低这些半导体的电压应力来 改善已知电路拓扑结构。 

根据本实用新型，一个多电平逆变器电路包括一个正发电机端子和一个负发电机端子，用于将发电机与发电机电压连接。该逆变器电路进一步包括一个逆变桥，用于在电桥输出端将该发电机电压转换成AC电压，该逆变桥可以连接到一个供电电网。该逆变桥通过五个端子连接到这些正发电机端子和负发电机端子。一个第一端子通过一个升压转换器连接到这些发电机端子，用于生成升压后的正发电机电压，一个第二端子直接连接到该正发电机端子，以及一个第四端子直接连接到该负发电机端子，一个第五端子通过一个升压转换器连接到这些发电机端子，用于生成升压后的负发电机电压，以及一个第三端子通过一个电容分压器连接到这些发电机端子。该逆变器的特征在于该电桥输出端通过包括至少两个半导体开关的一个第一串联电路连接到该第一端子，通过包括一个二极管和至少两个半导体开关的一个第二串联电路连接到该第二端子，通过两个并联的串联电路连接到该第三端子，每个串联电路包括一个半导体开关和一个二极管，通过包括一个二极管和至少两个半导体开关的一个第四串联电路连接到该第四端子，并且通过包括至少两个半导体开关的一个第五串联电路连接到该第五端子。 

一个相应的多电平逆变器电路具有可以使用低额定电压的半导体的优势，这导致成本的节约。 

在该多电平逆变器电路的有利实施例中，第一半导体开关是该第一串联电路、该第二串联电路及该两个并联的串联电路的其中之一的共同部分，和/或第二半导体开关是该第四串联电路、该第五串联电路和该两个并联的串联电路的其中之一的共同部分。在该多电平逆变器电路的一个进一步的有利实施例中，该第二串联电路的这些开关与该第一串联电路形成一个共同部分，并且该第四串联电路的这些开关与该第五串联电路形成一个 共同部分。在这些方法中，半导体开关是在一个以上的串联电路中使用的。相应地，半导体开关的总数量可被尽量保持在最小。 

在该多电平逆变器电路的一个进一步的有利实施例中，这两个并联的串联电路的这些二极管被分别分配了进一步的半导体开关，这些半导体开关被以此种方式布置以在导通状态下它们在其相反方向上桥接对应的二极管。在又一个进一步的有利实施例中，该第二串联电路及该第四串联电路的这些二极管被分别分配了进一步的半导体开关，这些半导体开关被以此种方式布置以在导通状态下它们在其相反方向上桥接对应的二极管。这些额外的桥接开关使该逆变器能够进行无功功率操作，并同时具有保护功能，因为它们允许将这些开关上的最大电压限制在该中间电路电压的一半。 

在该多电平逆变器电路的进一步的有利实施例中，该电容分压器具有由这些发电机端子之间的两个电容器组成的一个串联电路，和/或该电容分压器具有由该第一端子与该第五端子之间的两个电容器形成的一个串联电路。在这两种情况下，由对应电容器形成的这些串联电路在该串联连接的一个中点提供了一个参考电位。该参考电位可被直接提供给该第三端子。 

在该多电平逆变器电路的一个进一步的有利实施例中，该第三端子连接到该供电电网的一个中性导线。通过这种方式，可以馈送到一个单相供电电网中或馈送到一个多相供电电网的单相中。 

在该多电平逆变器电路的一个进一步的有利实施例中，该供电电网是一个三相供电电网，并且该电桥输出端连接到该供电电网的这些相位的其中之一。 

在该多电平逆变器电路的一个进一步的有利实施例中，用于操作该逆变桥的一个控制装置被配置成在所述五个端子的其中两个之间交替地切换该电桥输出端，这两个端子是取决于一个当前供电电网电压选择的。通过这种方式，可以使用调制方法进行对该逆变器电路的高效操作。 

附图说明

下面参考附图对本实用新型进行更详细地描述，其中： 

图1通过示例的方式示出了用于说明多电平逆变器原理的框图， 

图2通过示例的方式示出了用于说明多电平逆变器原理的电压分布图， 

图3a通过示例的方式示出了说明一个功能的根据本实用新型的电路的实施例的框图， 

图3b通过示例的方式示出了说明进一步功能的图3a的框图， 

图4a通过示例的方式示出了说明在另一个操作相位下的一个进一步功能的图3a的框图， 

图4b通过示例的方式示出了说明在其他操作相位下的一个进一步功能的图3a的框图， 

图5通过示例的方式示出了根据本实用新型的一个电路的进一步实施例的示意图，以及 

图6通过示例的方式示出了根据本实用新型的一个电路的进一步实施例的示意图。 

图7通过示例的方式示出了根据本实用新型的一个电路的进一步实施例的示意图。 

具体实施方式

图1通过示例的方式示出了用于说明多电平逆变器电路的框图。该电路包括一个发电机1，特别是光伏发电机或燃料电池，具有一个正发电机输出端21和一个负发电机输出端22，该发电机电压出现于此。该正发电机输出端21直接连接到一个第二端子12，并且该负发电机输出端22直接连接到一个第四个端子14。此外，该正发电机输出端21通过一个第一升压转换器2连接到一个第一端子11，并且该负发电机输出端22通过一个第二升压转换器3连接到一个第五端子15。 

在该正发电机输出端21与该负发电机输出端22之间，图1示出了一个电容分压器，由包括一个第一电容器C1及一个第二电容器C2的一个串联电路组成。该电容分压器的中点23定义了一个参考电位7，并直接连接到该第三端子13。 

该升压转换器2具有将出现在该正发电机输出端21的正发电机电位转换成升压正发电机电压（即高于该正发电机电位的电压）的任务。该升压转换器3具有将出现在该负发电机输出端22的负发电机电位转换成升压负发电机电压（即低于该负发电机电位的电压）的任务。为清楚起见，图1没有示出这两个升压转换器2、3同样连接到该对应另一发电机电位，或者可替代地连接到该参考电位7，以从其生成相应的升压发电机电压。文献中已知的用于此目的任何电路布置和升压/降压转换器（例如Cuk、Sepic、Zeta或其他转换器电路）适合作为升压转换器2、3。 

由一个第三电容器C3和一个第四电容器C4组成的一个第二电容分压器被布置在该第一端子11与该第五端子15之间，其连接到所分配的升压转换器2、3的对应输出端。所述分压器的该中点同样连接到该参考电位7。该第二电容分压器可被与该第一电容分压器一起提供，并且也可以作为其替换物。优选地，该电容分压器将该发电机电压分路成相等的部分，以便该参考电位7被对称地放置于该正和该负发电机电位之间。此种互连还被 称为NPC逆变器（中性点钳位）。 

在图1所示的该电路布置的帮助下，可以在五个端子11至15处设置五个不同的电压电平，所述电压电平从该发电机1的该正发电机电位和该负发电机电位生成。这五个电压电平可以借助多个开关以一个受控切换操作序列通过逆变桥10连接到逆变器输出端19，其方式为使得由该发电机1生成的DC电压功率被转换并作为AC电压功率被馈送到一个连接的供电电网9中。用于将该电流平滑到该供电电网9中的电感器L被布置在该逆变桥10与该逆变器输出端19之间。该供电电网9可以同样如所示连接到该参考电位7。 

在这种情况下，该第一端子11通过由至少两个开关S11、S12和该电感器L形成的一个串联电路连接到该逆变器输出端19。该第二端子12通过包括一个二极管D1和至少两个开关S21、S22和该电感器L的一个串联电路连接到该逆变器输出端19。同样，该第四端子14通过包括一个二极管D2和至少两个开关S41、S42和该电感器L的一个串联电路连接到该逆变器输出端19。该第五端子15由包括至少两个开关S51、S52和该电感器L的一个串联电路连接到该逆变器输出端19。最后，该第三端子13通过两个平行的连接路径连接到该逆变器输出端19，其中这两个连接路径中的每一个都具有包括分别一个二极管D3和D4以及分别至少一个开关S31和S32的一个串联电路。以这种方式，这两个平行的连接路径在该第三端子13与该逆变器输出端19之间共同形成一个双向开关。 

这些开关S11至S52可以是任何类型的半导体开关，例如JFET、MOSFET、IGBT或半导体闸流管，其中还考虑到在该逆变桥10内互相并排使用不同类型的开关。因此，通过举例的方式，这些开关S21和S41可以是MOSFET，而其余的开关是IGBT。 

通过包括至少两个开关的该串联电路（这些开关是在一方面这些载压端子11、12、14和15与另一方面该逆变器输出端19之间的这些连接路径上），所使用的这些开关的电压应力得到了有利地降低，以便如果适当的话，可以使用额定电压为1200V的开关，虽然传统的多电平逆变器中连接的供电电网9的峰值电压已经使使用额定电压为约1700V的更昂贵、更大损耗的开关成为必要。例如，如果该多电平逆变器连接到一个具有超过600V的均方根电压的AC供电电网的话，情况就会是这样。 

图2通过示例的方式示出了一个定时计划，在其协助下，该逆变桥10以该供电电网频率将该发电机DC电压转换成AC电压。示出了一个半周期的供电电网电压100。取决于该供电电网电压100的当前值，该逆变桥10在这些端子11-15的两个相邻电压电平之间交替切换。因此，通过示例的方式，在相位A（其中该供电电网电压100具有出现在该逆变桥10的该第三端子13的一个第三电压值130与出现在该逆变桥10的一个第二端子12的一个第二电压值120之间的一个值），该逆变桥在这些电压值之间交替切换。该第三电压值130被输出到该逆变器输出端19的这些时间段的长度相对于该第二电压值120被输出到该逆变器输出端19的这些时间段的长度是取决于该供电电网电压100的当前值选择的。类似地，在相位B，在该第二电压值120与一个第一电压值110之间交替地实现了切换，该第一电压值出现在该逆变桥10的该第一端子11。在相位C，该逆变桥10再次在该第二电压值120与该第三电压值130之间交替地切换。类似地，在负半周期的供电电网电压100，实现了该第三电压值130、一个第四电压值（其出现在该第四端子14）与一个第五电压值（其出现在该第五端子15）之间的定时。 

在来自图1的逆变桥10的一个有利变型中，这些端子11-15与该逆变器输出端19之间的不同连接路径的多个开关可以结合起来，以形成一个共同开关。通过示例的方式，可以结合该开关S22和该开关S31以形成一个共同开关S3，或结合开关S32和S42以形成一个共同开关S3'。这导致 如图6中所示的一个多电平逆变器电路，并在后面详细讨论。同样可以结合开关S12、S22和S31以形成一个共同开关S2，或开关S32、S42和S52以形成一个共同开关S2'。这导致根据图3a至图4b的一个多电平逆变器电路，其功能在下面更详细地讨论。 

图3a中说明的该电流流动（虚线）与在时间轴t（参见图2）的区域A中的该电路的状态对应。该半导体阀S21和S2被开启。其余开关被关闭。开关S21被以高频率定时以用于纯有功功率操作。结果，该电流流动在图3a中所示的路径与图3b中所示的路径之间改变。此定时通常是被保持的，只要当前的供电电网电压在该参考电位7与该正发电机电位之间。 

图4a中说明的该电流流动（虚线）与时间轴t（参见图2）的区域B中的该电路的状态对应。这些半导体开关S11和S2被开启。S11被以高频率定时以用于纯有功功率操作。由该升压转换器2升压的该电压实现了馈送。由于该开关S11的定时，该电流流动在该开关S11打开的相位中变成图4b中所示的路径。此定时通常是被保持的，只要当前的供电电压在该正发电机电位之上。 

相应地，用于负半周期的电路的功能得到了实现。 

图5示出了根据本实用新型的一个多电平逆变器电路的一个进一步的实施例。在这种情况下，一个附加的第三开关S21被集成到从该第一端子11到该供电电网9的该连接路径中，所述第三开关同时还是从该第二端子12到该供电电网9的该连接路径的一部分。类似地，从该第五端子15到该供电电网9的该连接路径包括一个附加的第三开关S41，其同时还是从该第四端子14到该供电电网9的该连接路径的一部分。正如已经在图3a至图4b中的电路所示，共同开关S2和S2'中的每一个都形成该供电电网9与多个该端子11至15之间的这些连接路径的一部分。 

由于此实施例，这些半导体阀S11、S21、S2、及S41、S51和S2'的电压应力可以有利地降低，因为现在升压后的电压值可以在三个开关之间分路。这使得可以使用更具有成本效益的半导体开关。 

此外，作为一个替代实施例示出的是，可以通过在该二极管D2的相反方向上的一个额外的桥接开关30来桥接在该第二端子12与该供电电网9之间的该连接路径中的该二极管D2。同样，可以在该二极管D4的相反方向上由一个桥接开关31来桥接在该第四端子14与该供电电网9之间的该连接路径中的该二极管D4。这些额外的桥接开关30和31使该逆变器能够进行无功功率操作，并同时具有保护功能，因为它们允许将这些开关S2和S2'上的最大电压限制在该中间电路电压的一半。在该逆变器电路的一个有利的形式操作中，如果这些开关S11和S21打开该开关30关闭，并且类似地，如果开关S41和开关S51打开该开关31关闭。 

图6示出了根据本实用新型的该多电平逆变器电路的一个进一步的实施例。该电路基本上与来自图3a至图4b的电路相对应，不同之处在于这些二极管D31、D32可以由桥接开关32和桥接开关33在该相应二极管的相反方向上被分别桥接，这同样适用于上述目的。此处，该开关32可***作来如果这些开关S11和S2打开则关闭，并且相应地，如果开关S41和开关S2'打开则该开关33关闭。 

这些桥接开关30至33可单独使用或与上述电路布置中的每一个结合使用。 

如图7所示，根据本实用新型的概念还可被用于三相逆变器。在这种情况下，通过这些逆变器输出端19a、19b、19c，三个隔离的逆变桥10a、 10b、10c被分别用于馈送到分配给它们的该三相供电电网9的一个相位中。在这种情况下，没有必要将作为参考电位7的该电容分压器的该中点连接到该供电电网9的中性导线。结果，特别是在文献中描述的这些调制方法（如空间矢量调制、平顶调制等）成为可能。 

同样可以简单地通过将这些逆变器输出端19a、19b连接到该供电电网的这两个端子通过这些逆变桥中的仅两个10a、10b作为一个全桥来实现馈送到一个单相供电电网中，而无需连接到一个中性导线。在这种情况下，该电容分压器的中点也可以保持从该供电电网的中性导线隔离。 

操作这些半导体开关的不同可能性对于本领域普通技术人员是已知的，并且不需要在本实用新型的上下文中做进一步解释。 

本实用新型并不限于所描述的实施例，这些实施例可以许多不同的方式进行修改。特别是，所提到的特征可以在所提到组合之外体现。 

Claims (11)

1.一种多电平逆变器电路，包括一个正发电机端子（21）和一个负发电机端子（22），用于将一个发电机（1）与一个发电机电压连接，并且还包括一个逆变桥（10），用于在一个电桥输出端（19）将该发电机电压转换成一个AC电压，该逆变桥可以连接到一个供电电网（9），其中该逆变桥（10）通过五个端子（11-15）连接到所述正发电机端子（21）和所述负发电机端子（22），其中 

-一个第一端子（11）通过一个升压转换器（2）连接到这些发电机端子（21，22），用于生成一个升压后的正发电机电压， 

-一个第二端子（12）直接连接到该正发电机端子（21），及一个第四端子（14）直接连接到该负发电机端子（22）， 

-一个第五端子（15）通过一个升压转换器（3）连接到这些发电机端子（21，22），用于生成一个升压后的负发电机电压，以及 

-一个第三端子（13）通过一个电容分压器（C1/C2，C3/C4）连接到这些发电机端子（21，22） 

其特征在于，该电桥输出端（19） 

-通过包括至少两个半导体开关（S11，S12）的一个第一串联电路连接到该第一端子（11）， 

-通过包括一个二极管（D2）及至少两个半导体开关（S21，S22）的一个第二串联电路连接到该第二端子（12）， 

-通过两个并联的串联电路连接到该第三端子（13），每个串联电路包括一个半导体开关（S31，S32）和一个二极管（D31，D32）， 

-通过包括一个二极管（D4）及至少两个半导体开关（S41，S42）的一个第四串联电路连接到该第四端子（14），以及 

-通过包括至少两个半导体开关（S51，S52）的一个第五串联电路连接到该第五端子（15）。 

2.如权利要求1所述的多电平逆变器电路，其特征在于，一个第一半导体开关（S2）是该第一串联电路、该第二串联电路及该两个并联的串联电路的其中之一的一个共同部分。 

3.如权利要求2所述的多电平逆变器电路，其特征在于，一个第二半导体开关（S2'）是该第四串联电路、该第五串联电路及该两个并联的串联电路的其中之一的一个共同部分。 

4.如权利要求1至3中的任一项所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该第二串联电路的这些开关（S21，S22）与该第一串联电路形成一个共同部分，并且在于，该第四串联电路的这些开关（S41，S42）与该第五串联电路形成一个共同部分。 

5.如权利要求1至3中的任一项所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该两个并联的串联电路的这些二极管（D31，D32）被分别分配了进一步的半导体开关（32，33），这些半导体开关被如此布置以便在导通状态下它们在其相反方向上桥接对应的二极管。 

6.如权利要求1至3中的任一项所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该第二串联电路及该第四串联电路的这些二极管（D2，D4）被分别分配了进一步的半导体开关（30，31），这些半导体开关被如此布置以便在导通状态下它们在其相反方向上桥接对应的二极管。 

7.如权利要求1至3中的任一项所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该电容分压器具有一个串联电路，该串联电路由所述正发电机端子（21）和所述负发电机端子（22）之间的两个电容器（C1，C2）形成。 

8.如权利要求1所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该电容分压器具有一个串联电路，该串联电路由该第一端子（11）与该第五端子（15）之间的两个电容器（C3，C4）形成。 

9.如权利要求1所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该第三端子（13）连接到该供电电网（9）的一个中性导线。 

10.如权利要求1所述的多电平逆变器电路，其特征在于，该供电电网（9）是一个三相供电电网，并且该电桥输出端（19）连接到该供电电网（9）的这些相位的其中之一。 

11.如权利要求1所述的多电平逆变器电路，其特征在于，用于操作该逆变桥的一个控制装置被配置成在所述五个端子（11-15）的其中两个之间交替地切换该电桥输出端（19），该两个端子是取决于一个当前供电电网电压选择的。 

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