CN101753053A

CN101753053A - 混合级联多电平变换器

Info

Publication number: CN101753053A
Application number: CN200810204472A
Authority: CN
Inventors: 韩金刚; 汤天浩; 王天真
Original assignee: Shanghai Maritime University
Current assignee: Shanghai Maritime University
Priority date: 2008-12-12
Filing date: 2008-12-12
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明公开了一种混合级联多电平变换器，属于变换器技术领域。它包括逆变器、H桥电路，所述逆变器为四电平逆变器，所述逆变器至少包括两个，分别称为第一逆变器和第二逆变器；所述第一逆变器的第一桥臂的中点与所述第二逆变器的第一桥臂的中点串联；所述H桥电路至少包括一个，所述H桥电路第一桥臂的中点与所述第一逆变器的第二桥臂的中点相串联。有益效果：本发明混合级联多电平变换器，通过把不对称的多电平变换器和H桥式变换器级联构成混合级联多电平变换器，再通过脉宽调制技术(PWM)，使该变换器可以输出多个电平，从而提高输出的电能质量，降低输出谐波，提高系统的可靠性。

Description

混合级联多电平变换器

技术领域：

本发明涉及变换器技术领域，且特别涉及一种多电平变换器。通过把不对称的多电平变换器和H桥式变换器级联构成混合级联多电平变换器，再通过脉宽调制技术(PWM)，使该变换器可以输出多个电平，从而提高输出的电能质量，降低输出谐波，提高系统的可靠性。

背景技术：

多电平变换器，由于其输出波形畸变小、dv/dt小和系统的EMI小等特点成为当前研究的热点，而且越来越广泛的应用于大功率电机驱动和交直流电力传输等方面。但是目前的多电平变换器都存在种种缺点，尤其是当输出电平数增加时，系统拓扑结构和控制复杂性显著增加，而对于飞跨电容式多电平变换器还存在电容电压不平衡的问题，这些问题都会大大降低系统的可靠性。

相对于二极管箱位型和飞跨电容型多电平变换器来说，级联型拓扑变换器具有需要最少数量的器件、不需要大量的箝位二极管和飞跨电容、易于模块化和易于采用软开关技术等优点，较适合于电网接口。但是，级联型拓扑变换器需要多个直流电压源。当采用不可控整流得到这些直流源，为减小对电网的谐波干扰，通常采用多绕组曲折变压器的多重化来实现。这种变压器体积庞大，成本高，设计困难。另一方面，由于其结构的限制，难以实现四象限运行。

申请号为：ZL200810105139.7的中国专利公开了一种箝位式多电平变换器用的单相电路拓扑结构，该结构的特征在于：直流侧有三个电容，直流侧电压为4V_dc，处于中间的电容实现2V_dc电压，在输入侧用四个二极管箝位，输出侧用一个箝位电容箝位，通过开关组合，使每个开关器件承受1V_dc以得到五种电平的输出组合。虽然，本专利的电路结构大大简化、器件耐压水平低，可以做到不含器件的直接串联，没有开通和关断的同步问题。但是本专利只能得到五种电平的输出组合，电平输出的范围低。

明内容：

本发明的目的在于提供一种混合级联多电平变换器，以解决现有变换器技术中存在的电平输出范围低，输出电能质量低，输出谐波多等缺陷。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

混合级联多电平变换器，包括逆变器、H桥电路，所述逆变器为四电平逆变器，其特征在于，所述逆变器至少包括两个，分别称为第一逆变器和第二逆变器；所述逆变器的输入端包括两个相串联的电源，分别称为第一电源和第二电源，所述两个电源分别并联一电容器，所述逆变器还包括四个分别并联了一二极管的三极管，所述三极管中的两个相串联后与所述第一电源并联，所述另两个三极管相串联后与所述第二电源并联；所述第一逆变器的第一桥臂的中点与所述第二逆变器的第一桥臂的中点串联；所述H桥电路至少包括一个，所述H桥电路的输入端包括一并联了一电容器的电源、四个分别并联了一二极管的三极管，所述三极管中的两个相串联后与所述电源并联，所述另两个三极管相串联后也与所述电源并联；所述H桥电路第一桥臂的中点与所述第一逆变器的第二桥臂的中点相串联。

所述多电平变换器由一个所述H桥电路、一个第一逆变器和一个第二逆变器，构成了一个单相输出的级联单元，且所述H桥电路第一桥臂的中点与所述第一逆变器的第二桥臂的中点相串联，所述第一逆变器的第一桥臂的中点与所述第二逆变器的第一桥臂的中点串联。

由复数个单相输出的级联单元构成了一个两相以上输出的多电平变换器，该多电平变换器包括两个以上的H桥电路，且所有H桥电路的第二桥臂的中点依次相串联。

本发明与现有变换器相比具有如下优点：

(1)单相混合级联逆变电路由两个不对称四电平电路和一个H桥电路级联构成。逆变电路的输出是三个级联单元的输出叠加之和，通过不同的调制方法可以实现多电平输出。改变输入直流的电压比可以改变输出电平数，最多可以输出27种电平；

(2)可以把该单相逆变电路通过组合构成多相逆变电路。对于n相对称的负载(三相或以上)可以通过n相直接供电；对于非对称的负载，可以分别控制每相电路通过n相n+1(三相四线)线供电；

(3)可以对逆变电路采用脉宽调制技术；

(4)在混合级联逆变电路中，有些器件承受较高的电压，但是开关的频率低；有些器件承受较低的电压，但是开关频率高，所以可以选择不同的器件。

有益效果：本发明混合级联多电平变换器，通过把不对称的多电平变换器和H桥式变换器级联构成混合级联多电平变换器，再通过脉宽调制技术(PWM)，使该变换器可以输出多个电平，从而提高输出的电能质量，降低输出谐波，提高系统的可靠性。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为本发明中单相输出的电路结构示意图；

图2为本发明中N相输出的电路结构示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

实施1

参考图1，图中包括三个单元，分别为：单元A0、单元A1和单元A2，图中电路是由这三个单元级联构成。其中单元A0是一个传统的H桥电路，而单元A1和单元A2则是一个不对称的四电平逆变电路。图中V_a01、V_a11、V_a12、V_a21和V_a22是对立的直流电源，可以是太阳能、风能、燃料电池、蓄电池和隔离的变压器整流获得。

单相混合级联逆变电路的输出由三个独立级联单元的输出叠加所得，可以由式1表示：

v_ag＝v_ag0+v_ag1+v_ag2 (1)

其中，v_ag为逆变器的输出，v_ag0、v_ag1和v_ag2分别是单元A0、A1和A2的输出。

对于单元A0，设v_a01＝E，则v_ag0可以为-E、0和E三个电平；

对于单元A1，设v_a11＝E，v_a12＝E，则v_ag1可以为-2E、-E、0和E四个电平；

同样，对于单元A2，设v_a21＝E，v_a22＝E，则v_ag2也可以为2E、E、0和-E四个电平。

把三个级联单元的输出经过组合和叠加，v_ag最多可以输出-4E、-3E、-2E、-E、0、E、2E、3E和4E九个电平，其详细0、E、2E、3E和4E的组合如表1所示，同样可以给出-4E、-3E、-2E和-E的组合。从表中可以看出，该逆变电路存在冗余组合，在实际电路中，可以通过选择不同的组合来减少开关器件开关的次数，从而减少损耗提高效率。

实施例2

参考图1，当直流电源的电压比值发生变化时可以得到不同的输出电平数。

设V_a01＝7E，则v_ag0可以为-7E、0和7E三个电平；

设V_a11＝4E，V_a12＝E，则v_ag1可以为-5E、-E、0和4E四个电平；

设V_a21＝E，V_a22＝E则v_ag2也可以为2E、E、0和-E四个电平。

此时逆变电路最多可以输出13E、12E、11E、10E、9E、8E、7E、6E、5E、4E、3E、2E、E、0、-13E、-12E、-11E、-10E、-9E、-8E、-7E、-6E、-5E、-4E、-3E、-2E和-E共27个电平。其详细13E、12E、11E、10E、9E、8E、7E、6E、5E、4E、3E、2E、E和0的组合如表2所示，同样可以给出-13E、-12E、-11E、-10E、-9E、-8E、-7E、-6E、-5E、-4E、-3E、-2E和-E的组合。

实施3

参看图2，本发明可以通过组合实现多相输出，图2给出了N相输出的结构图。从图中可以看出该多相电路可以给对称的负载供电。当每相逆变电路单独控制时，可通过中线给非对称的负载供电。图中负载为电机2。

表1为单相输出为0、E、2E、3E和4E的电平组合

表2为单相输出为0、E、2E、3E、4E、5E、6E、7E、8E、9E、10E、11E、12E和13E电平组合

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.混合级联多电平变换器，包括逆变器、H桥电路，所述逆变器为四电平逆变器，其特征在于，所述逆变器至少包括两个，分别称为第一逆变器和第二逆变器；所述逆变器的输入端包括两个相串联的电源，分别称为第一电源和第二电源，所述两个电源分别并联一电容器，所述逆变器还包括四个分别并联了一二极管的三极管，所述三极管中的两个相串联后与所述第一电源并联，所述另两个三极管相串联后与所述第二电源并联；所述第一逆变器的第一桥臂的中点与所述第二逆变器的第一桥臂的中点串联；所述H桥电路至少包括一个，所述H桥电路的输入端包括一并联了一电容器的电源、四个分别并联了一二极管的三极管，所述三极管中的两个相串联后与所述电源并联，所述另两个三极管相串联后也与所述电源并联；所述H桥电路第一桥臂的中点与所述第一逆变器的第二桥臂的中点相串联。

2.根据权利要求1所述的混合级联多电平变换器，其特征在于，所述多电平变换器由一个所述H桥电路、一个第一逆变器和一个第二逆变器，构成了一个单相输出的级联单元，且所述H桥电路第一桥臂的中点与所述第一逆变器的第二桥臂的中点相串联，所述第一逆变器的第一桥臂的中点与所述第二逆变器的第一桥臂的中点串联。

3.根据权利要求1所述的混合级联多电平变换器，其特征在于，由复数个单相输出的级联单元构成了一个两相以上输出的多电平变换器，该多电平变换器包括两个以上的H桥电路，且所有H桥电路的第二桥臂的中点依次相串联。