CN101789708A - 均压解耦控制双降压式多电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均压解耦控制双降压式多电平逆变器，包括第一多电平降压电路、第二多电平降压路、直流电源输入电路、负载电路、第一均压电路和第二均压电路，每个均压电路包括一个电感和一个功率开关管，利用双降压电路电流半周期工作模式及两个降压电路拓扑结构完全对称的特点实现了均压与逆变的解耦。本发明的优点是：保留了双降压式逆变器的无桥臂直通和电流半周期工作的优点；拓扑结构扩展性较好，给出了多电平双降压式逆变器拓扑结构的一种通用构建形式；均压电路结构简单，所增加的元器件较少，解耦控制简单，易于实现。

Description

均压解耦控制双降压式多电平逆变器

一、技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种均压解耦控制双降压式多电平逆变器。

二、背景技术

双降压式逆变器是近年来出现的一种新型的逆变器拓扑，相对传统的桥式逆变器，双降压式逆变器具有无桥臂直通和电流半周期工作模式的优点。多电平技术通过串联功率器件的方式降低了每个功率器件上所承受的电压应力，从而使得高电压、大功率变换成为了可能。然而，多电平逆变器大多采用半桥输入方式，这种方式需要在直流侧串联许多分压电容，且电平数越多所需分压电容数也越多，而为了消除分压电容上电压的偏差，需要在电路中额外的增加许多功率器件，或对分压电容上电压进行复杂的闭环控制，这些都大大的降低了整个系统的可靠性。

本发明的均压解耦双降压式多电平逆变器，以双降压电路为基本单元来构建多电平逆变器，并增加了两个均压解耦电路。该拓扑结构保留了双降压式逆变器的优点，并实现了多电平。另外，两个解耦电路结构简单，并巧妙的利用了双降压电路本身的对称性和电流半周期工作模式的特点，实现了均压与逆变过程的解耦。与传统的桥式多电平逆变器相比，该拓扑结构所需的功率器件少，可靠性更高，易于实现均压。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是直流输入侧分压电容的均压解耦，提供一种采用均压解耦控制技术的双降压式多电平逆变器。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的均压解耦控制双降压式多电平逆变器拓扑结构包括第一多电平降压电路1、第二多电平降压电路2、直流电源输入电路3、负载电路4、第一均压电路5、第二均压电路6，其中，第一多电平降压电路1包括第一功率开关管S₁，第二功率开关管S₂，……，第2N功率开关管S_2N，第一功率二极管D₁，第二功率二极管D₂，……，第2N-1功率二极管D_2N-1，具体连接方式为，第一功率开关管S₁的源极与第一功率二极管D₁阴极连接，第二功率开关管S₂源极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第三功率开关管S₃源极与第二功率开关管S₂的漏极连接，……，第N+1功率开关管S_N+1的源极与第N功率开关管S_N的漏极连接，第N+1功率开关管S_N+1的漏极与第N电容C_N的正极连接，第二功率二极管D₂的阴极与第一功率二极管D₁的阳极连接，……，第N功率二极管D_N的阴极与第N-1功率二极管D_N-1的阳极连接，第N功率二极管D_N的阳极与第2N电容C_2N的负极连接，第N+2功率开关管S_N+2的源极与第一功率二极管D₁的阳极连接，第N+2功率开关管S_N+2的漏极与第N+2电容C_N+2的正极连接，第N+3功率开关管S_N+3的源极与第二功率二极管D₂的阳极连接，第N+3功率开关管S_N+3的漏极与第N+3电容C_N+3的正极连接，……，第2N功率开关管S_2N的源极与第N-1功率二极管D_N-1的阳极连接，第2N功率开关管S_2N的漏极与第2N电容C_2N的正极连接，第N+1功率二极管D_N+1的阳极与第一电容C₁的正极连接，第N+1功率二极管D_N+1的阴极与第三功率开关管S₃的源极连接，第N+2功率二极管D_N+2的阳极与第二电容C₂的正极连接，第N+2功率二极管D_N+2的阴极与第四功率开关管S₄的源极连接，……，第2N-1功率二极管D_2N-1的阳极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第2N-1功率二极管D_2N-1的阴极与第N+1功率开关管S_N+1的源极连接；第二多电平降压电路2包括第2N+1功率开关管S_2N+1，第2N+2功率开关管S_2N+2，……，第4N功率开关管S_4N，第2N功率二极管D_2N，第2N+1功率二极管D_2N+1，……，第4N-2功率二极管D_4N-2，具体连接方式为，第2N+1功率开关管S_2N+1的漏极与第2N功率二极管D_2N的阳极连接，第2N+2功率开关管S_2N+2的漏极与第2N+1功率开关管S_2N+1的源极连接，第2N+3功率开关管S_2N+3的漏极与第2N+2功率开关管S_2N+2的源极连接，……，第3N+1功率开关管S_3N+1的漏极与第3N功率开关管S_3N的源极连接，第3N+1功率开关管S_3N+1的源极与第2N电容C_2N的负极连接，第2N+1功率二极管D_2N+1的阳极与第2N功率二极管D_2N的阴极连接，第2N+2功率二极管D_2N+2的阳极与第2N+1功率二极管D_2N+1的阴极连接，……，第3N-1功率二极管D_3N-1的阳极与第3N-2功率二极管D_3N-2的阴极连接，第3N-1功率二极管D_3N-1的阴极与第N电容C_N的正极连接，第3N+2功率开关管S_3N+2的源极与第一电容C₁的正极连接，第3N+2功率开关管S_3N+2的漏极与第2N功率二极管D_2N的阴极连接，第3N+3功率开关管S_3N+3的源极与第二电容C₂的正极连接，第3N+3功率开关管S_3N+3的漏极与第2N+1功率二极管D_2N+1的阴极连接，……，第4N功率开关管S_4N的源极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第4N功率开关管S_4N的漏极与第3N-2功率二极管D_3N-2的阴极连接，第3N功率二极管D_3N的阴极与第N+2电容C_N+2的正极连接，第3N功率二极管D_3N的阳极与第2N+3功率开关管S_2N+3的漏极连接，第3N+1功率二极管D_3N+1的阴极与第N+3电容C_N+3的正极连接，第3N+1功率二极管D_3N+1的阳极与第2N+4功率开关管S_2N+4的漏极连接，……，第4N-2功率二极管D_4N-2的阴极与第2N电容C_2N的正极连接，第4N-2功率二极管D_4N-2的阳极与第3N+1功率开关管S_3N+1的漏极连接；直流电源输入电路3的连接方式为，第一电容C₁负极接地，第二电容C₂的负极与第一电容C₁的正极连接，……，第N电容C_N的负极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第N电容C_N的正极与电源U_d的正极连接，第N+1电容C_N+1的正极接地，第N+2电容C_N+2的正极与第N+1电容C_N+1的负极连接，……，第2N电容C_2N的正极与第2N-1电容C_2N-1的负极连接，第2N电容C_2N的负极与电源U_d的负极连接；输出电路4连接方式为，第一电感L₁的一端与第二电感L₂的一端及滤波电容C_f的一端相连接，第一电感L₁的另一端接第一功率二极管D₁的阴极，第二电感L₂的另一端接第2N功率二极管D_2N的阳极，滤波电容C_f的另一端接地，负载R并联在滤波电容C_f的两端；第一均压电路5中，均压开关管S_a的漏极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第三电感L₃一端与均压开关管S_a的源极连接，另一端接地；第二均压电路6中，均压开关管S_b的源极与第2N+1功率开关管S_2N+1的漏极连接，第四电感L₄一端与均压开关管S_b的漏极连接，另一端接地。

本发明的均压解耦控制双降压式多电平逆变器中，两个多电平降压电路完全对称且工作于电流半周期模式，均压电路巧妙的利用这一特点，在一个多电平降压电路作为逆变使用时，控制另一多电平降压电路作为升压电路使用，从而补偿了逆变过程中引起的分压电容上电压的偏差，实现了均压和逆变的解耦。

3、有益效果：本发明具有如下优点：(1)保留了双降压式逆变器的无桥臂直通和电流半周期工作的优点；(2)该拓扑结构扩展性较好，给出了多电平双降压式逆变器拓扑结构的一种通用构建形式；(3)均压电路结构简单，所增加的元器件较少，解耦控制简单，易于实现。

四、附图说明

图1是本发明的均压解耦控制多电平逆变器拓扑结构示意图；图1中的标号名称：1.第一多电平降压电路；2.第二多电平降压电路；3.直流电源输入电路；4.负载电路；5.第一均压电路；6.第二均压电路；

图2是本发明的均压解耦控制多电平逆变器均压解耦过程各开关模态示意图；

图3是本发明的均压解耦控制多电平逆变器均压解耦过程采用的控制框图。

上述附图中的主要符号名称：C_f——输出滤波电容；D₁～D_4N-2——功率二极管；S₁～S_4N——功率开关管；C₁～C_2N——直流输入侧分压电容；U_d——直流输入电源；L₁～L₂——滤波电感；L₃～L₄——均压电感；S_a～S_b——均压开关管；R——输出负载；i_L1——滤波电感L₁上的电流；i_L2——滤波电感L₂上的电流。

五、具体实施方式

如图1所示，本发明的均压解耦控制双降压式多电平逆变器的特征在于：第一多电平降压电路1包括第一功率开关管S₁，第二功率开关管S₂，……，第2N功率开关管S_2N，第一功率二极管D₁，第二功率二极管D₂，……，第2N-1功率二极管D_2N-1，具体连接方式为，第一功率开关管S₁的源极与第一功率二极管D₁阴极连接，第二功率开关管S₂源极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第三功率开关管S₃源极与第二功率开关管S₂的漏极连接，……，第N+1功率开关管S_N+1的源极与第N功率开关管S_N的漏极连接，第N+1功率开关管S_N+1的漏极与第N电容C_N的正极连接，第二功率二极管D₂的阴极与第一功率二极管D₁的阳极连接，……，第N功率二极管D_N的阴极与第N-1功率二极管D_N-1的阳极连接，第N功率二极管D_N的阳极与第2N电容C_2N的负极连接，第N+2功率开关管S_N+2的源极与第一功率二极管D₁的阳极连接，第N+2功率开关管S_N+2的漏极与第N+2电容C_N+2的正极连接，第N+3功率开关管S_N+3的源极与第二功率二极管D₂的阳极连接，第N+3功率开关管S_N+3的漏极与第N+3电容C_N+3的正极连接，……，第2N功率开关管S_2N的源极与第N-1功率二极管D_N-1的阳极连接，第2N功率开关管S_2N的漏极与第2N电容C_2N的正极连接，第N+1功率二极管D_N+1的阳极与第一电容C₁的正极连接，第N+1功率二极管D_N+1的阴极与第三功率开关管S₃的源极连接，第N+2功率二极管D_N+2的阳极与第二电容C₂的正极连接，第N+2功率二极管D_N+2的阴极与第四功率开关管S₄的源极连接，……，第2N-1功率二极管D_2N-1的阳极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第2N-1功率二极管D_2N-1的阴极与第N+1功率开关管S_N+1的源极连接；第二多电平降压电路2包括第2N+1功率开关管S_2N+1，第2N+2功率开关管S_2N+2，……，第4N功率开关管S_4N，第2N功率二极管D_2N，第2N+1功率二极管D_2N+1，……，第4N-2功率二极管D_4N-2，具体连接方式为，第2N+1功率开关管S_2N+1的漏极与第2N功率二极管D_2N的阳极连接，第2N+2功率开关管S_2N+2的漏极与第2N+1功率开关管S_2N+1的源极连接，第2N+3功率开关管S_2N+3的漏极与第2N+2功率开关管S_2N+2的源极连接，……，第3N+1功率开关管S_3N+1的漏极与第3N功率开关管S_3N的源极连接，第3N+1功率开关管S_3N+1的源极与第2N电容C_2N的负极连接，第2N+1功率二极管D_2N+1的阳极与第2N功率二极管D_2N的阴极连接，第2N+2功率二极管D_2N+2的阳极与第2N+1功率二极管D_2N+1的阴极连接，……，第3N-1功率二极管D_3N-1的阳极与第3N-2功率二极管D_3N-2的阴极连接，第3N-1功率二极管D_3N-1的阴极与第N电容C_N的正极连接，第3N+2功率开关管S_3N+2的源极与第一电容C₁的正极连接，第3N+2功率开关管S_3N+2的漏极与第2N功率二极管D_2N的阴极连接，第3N+3功率开关管S_3N+3的源极与第二电容C₂的正极连接，第3N+3功率开关管S_3N+3的漏极与第2N+1功率二极管D_2N+1的阴极连接，……，第4N功率开关管S_4N的源极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第4N功率开关管S_4N的漏极与第3N-2功率二极管D_3N-2的阴极连接，第3N功率二极管D_3N的阴极与第N+2电容C_N+2的正极连接，第3N功率二极管D_3N的阳极与第2N+3功率开关管S_2N+3的漏极连接，第3N+1功率二极管D_3N+1的阴极与第N+3电容C_N+3的正极连接，第3N+1功率二极管D_3N+1的阳极与第2N+4功率开关管S_2N+4的漏极连接，……，第4N-2功率二极管D_4N-2的阴极与第2N电容C_2N的正极连接，第4N-2功率二极管D_4N-2的阳极与第3N+1功率开关管S_3N+1的漏极连接；直流电源输入电路3的连接方式为，第一电容C₁负极接地，第二电容C₂的负极与第一电容C₁的正极连接，……，第N电容C_N的负极与第N-1电容C_N-1的正极连接，第N电容C_N的正极与电源U_d的正极连接，第N+1电容C_N+1的正极接地，第N+2电容C_N+2的正极与第N+1电容C_N+1的负极连接，……，第2N电容C_2N的正极与第2N-1电容C_2N-1的负极连接，第2N电容C_2N的负极与电源U_d的负极连接；输出电路4连接方式为，第一电感L₁的一端与第二电感L₂的一端及滤波电容C_f的一端相连接，第一电感L₁的另一端接第一功率二极管D₁的阴极，第二电感L₂的另一端接第2N功率二极管D_2N的阳极，滤波电容C_f的另一端接地，负载R并联在滤波电容C_f的两端；第一均压电路5中，均压开关管S_a的漏极与第一功率开关管S₁的漏极连接，第三电感L₃一端与均压开关管S_a的源极连接，另一端接地；第二均压电路6中，均压开关管S_b的源极与第2N+1功率开关管S_2N+1的漏极连接，第四电感L₄一端与均压开关管S_b的漏极连接，另一端接地。

本发明的均压解耦控制双降压式多电平逆变器的工作原理是：在输出电流大于零的正半周期，第一多电平降压电路1作为逆变过程使用，均压开关管S_a断开，第一均压电路5不工作，均压开关管S_b闭合，第二均压电路6工作，第2N+2功率开关管S_2N+2、……、第3N+1功率开关管S_3N+1导通时，第N+1电容C_N+1、……、第2N电容C_2N给第四电感L₄蓄能，第2N+2功率开关管S_2N+2、……、第3N+1功率开关管S_3N+1断开时，第四电感L₄上所蓄的能量通过第二多电平降压电路反馈给第一电容C₁、……、第N电容C_N，从而补偿了因逆变过程而引起的分压电容上电压的偏差；在输出电流小于零的负半周期，第二多电平降压电路2作为逆变过程使用，第一均压电路5工作，第二均压电路6不工作，由第一多电平降压电路来补偿电容上的电压偏差。本方案充分利用了双降压式电路的半周期工作特性和两个多电平降压电路拓扑结构的对称性，使得均压与逆变过程得到解耦，且均压过程不影响逆变过程。

下面以图1所示为主电路结构，结合图2来叙述本发明的双降压式多电平逆变器均压解耦控制的工作原理和工作模态：

1、在输出电流i_o大于零的正半周：

第一多电平降压电路作为逆变过程使用，S_a断开，S_b闭合，第一均压电路5不工作，第二均压电路6工作，S_2N+2～S_3N+1高频调制，第二多电平降压电路作为补偿电路使用，此阶段电路在以下两个工作模态间切换：

工作模态I：如图2(a)所示，S_2N+2～S_3N+1闭合时，电容C_N+1、C_N+2、……、C_2N通过S_b、S_2N+2～S_3N+1给电感L₄蓄能。

工作模态II：如图2(b)所示，S_2N+2～S_3N+1断开时，电感L₄通过S_2N+1的体二极管、D_2N～D_3N-1、S_3N+2～S_4N续流，电感L₄上的能量补偿电容C₁、C₂、……、C_N上因第一多电平电路逆变过程损失的能量。

2、在输出电流i_o小于零的负半周期：

第二多电平降压电路作为逆变过程使用，S_b断开，S_a闭合，第二均压电路6不工作，第一均压电路5工作，S₂～S_N+1高频调制，第一多电平降压电路作为补偿电路使用，此阶段电路在以下两个工作模态间切换：

工作模态III：如图2(c)所示，S₂～S_N+1闭合时，电容C₁、C₂、……、C_N通过S_a、S₂～S_N+1给电感L₃蓄能。

工作模态IV：如图2(d)所示，S₂～S_N+1断开时，电感L₃通过S₁的体二极管、D₁～D_N、S_N+2～S_2N续流，电感L₃上的能量补偿电容C_N+1、C_N+2、……、C_2N上因第二多电平降压电路逆变过程损失的能量。

为实现以上的工作原理，采用的控制方案如图3：图中，i_r为电流基准，i_p是反映输出电流周期的方波，i_np是i_p的取反。i_p、i_np经驱动电路后得到S_b和S_a的驱动信号，由S_a和S_b来控制两个均压电路的工作；pwm₁～pwm_4N表示未加均压电路前第一、第二多电平降压电路上功率开关管的驱动信号，PWM₁～PWM_4N表示均压解耦控制后第一、第二多电平降压电路上功率开关管的驱动信号，先将直流输入侧分压电容上电压采样，求出它们的差值，对差值进行PI调节，PI的结果与三角载波交截，交截结果再和i_p、i_np求与运算，再将运算的结果和pwm₁～pwm_4N逻辑组合得到功率开关管的驱动信号PWM₁～PWM_4N。

Claims (1)

1.一种均压解耦控制双降压式多电平逆变器，包括第一多电平降压电路(1)、第二多电平降压电路(2)、直流电源输入电路(3)、负载电路(4)、第一均压电路(5)、第二均压电路(6)，其中，第一多电平降压电路(1)包括第一功率开关管(S₁)，第二功率开关管(S₂)，……，第2N功率开关管(S_2N)，第一功率二极管(D₁)，第二功率二极管(D₂)，……，第2N-1功率二极管(D_2N-1)，具体连接方式为，第一功率开关管(S₁)的源极与第一功率二极管(D₁)阴极连接，第二功率开关管(S₂)源极与第一功率开关管(S₁)的漏极连接，第三功率开关管(S₃)源极与第二功率开关管(S₂)的漏极连接，……，第N+1功率开关管(S_N+1)的源极与第N功率开关管(S_N)的漏极连接，第N+1功率开关管(S_N+1)的漏极与第N电容(C_N)的正极连接，第二功率二极管(D₂)的阴极与第一功率二极管(D₁)的阳极连接，……，第N功率二极管(D_N)的阴极与第N-1功率二极管(D_N-1)的阳极连接，第N功率二极管(D_N)的阳极与第2N电容(C_2N)的负极连接，第N+2功率开关管(S_N+2)的源极与第一功率二极管(D₁)的阳极连接，第N+2功率开关管(S_N+2)的漏极与第N+2电容(C_N+2)的正极连接，第N+3功率开关管(S_N+3)的源极与第二功率二极管(D₂)的阳极连接，第N+3功率开关管(S_N+3)的漏极与第N+3电容(C_N+3)的正极连接，……，第2N功率开关管(S_2N)的源极与第N-1功率二极管(D_N-1)的阳极连接，第2N功率开关管(S_2N)的漏极与第2N电容(C_2N)的正极连接，第N+1功率二极管(D_N+1)的阳极与第一电容(C₁)的正极连接，第N+1功率二极管(D_N+1)的阴极与第三功率开关管(S₃)的源极连接，第N+2功率二极管(D_N+2)的阳极与第二电容(C₂)的正极连接，第N+2功率二极管(D_N+2)的阴极与第四功率开关管(S₄)的源极连接，……，第2N-1功率二极管(D_2N-1)的阳极与第N-1电容(C_N-1)的正极连接，第2N-1功率二极管(D_2N-1)的阴极与第N+1功率开关管(S_N+1)的源极连接；第二多电平降压电路(2)包括第2N+1功率开关管(S_2N+1)，第2N+2功率开关管(S_2N+2)，……，第4N功率开关管(S_4N)，第2N功率二极管(D_2N)，第2N+1功率二极管(D_2N+1)，……，第4N-2功率二极管(D_4N-2)，具体连接方式为，第2N+1功率开关管(S_2N+1)的漏极与第2N功率二极管(D_2N)的阳极连接，第2N+2功率开关管(S_2N+2)的漏极与第2N+1功率开关管(S_2N+1)的源极连接，第2N+3功率开关管(S_2N+3)的漏极与第2N+2功率开关管(S_2N+2)的源极连接，……，第3N+1功率开关管(S_3N+1)的漏极与第3N功率开关管(S_3N)的源极连接，第3N+1功率开关管(S_3N+1)的源极与第2N电容(C_2N)的负极连接，第2N+1功率二极管(D_2N+1)的阳极与第2N功率二极管(D_2N)的阴极连接，第2N+2功率二极管(D_2N+2)的阳极与第2N+1功率二极管(D_2N+1)的阴极连接，……，第3N-1功率二极管(D_3N-1)的阳极与第3N-2功率二极管(D_3N-2)的阴极连接，第3N-1功率二极管(D_3N-1)的阴极与第N电容(C_N)的正极连接，第3N+2功率开关管(S_3N+2)的源极与第一电容(C₁)的正极连接，第3N+2功率开关管(S_3N+2)的漏极与第2N功率二极管(D_2N)的阴极连接，第3N+3功率开关管(S_3N+3)的源极与第二电容(C₂)的正极连接，第3N+3功率开关管(S_3N+3)的漏极与第2N+1功率二极管(D_2N+1)的阴极连接，……，第4N功率开关管(S_4N)的源极与第N-1电容(C_N-1)的正极连接，第4N功率开关管(S_4N)的漏极与第3N-2功率二极管(D_3N-2)的阴极连接，第3N功率二极管(D_3N)的阴极与第N+2电容(C_N+2)的正极连接，第3N功率二极管(D_3N)的阳极与第2N+3功率开关管(S_2N+3)的漏极连接，第3N+1功率二极管(D_3N+1)的阴极与第N+3电容(C_N+3)的正极连接，第3N+1功率二极管(D_3N+1)的阳极与第2N+4功率开关管(S_2N+4)的漏极连接，……，第4N-2功率二极管(D_4N-2)的阴极与第2N电容(C_2N)的正极连接，第4N-2功率二极管(D_4N-2)的阳极与第3N+1功率开关管(S_3N+1)的漏极连接；直流电源输入电路(3)的连接方式为，第一电容(C₁)负极接地，第二电容(C₂)的负极与第一电容(C₁)的正极连接，……，第N电容(C_N)的负极与第N-1电容(C_N-1)的正极连接，第N电容(C_N)的正极与电源(U_d)的正极连接，第N+1电容(C_N+1)的正极接地，第N+2电容(C_N+2)的正极与第N+1电容(C_N+1)的负极连接，……，第2N电容(C_2N)的正极与第2N-1电容(C_2N-1)的负极连接，第2N电容(C_2N)的负极与电源(U_d)的负极连接；输出电路(4)连接方式为，第一电感(L₁)的一端与第二电感(L₂)的一端及滤波电容(C_f)的一端相连接，第一电感(L₁)的另一端接第一功率二极管(D₁)的阴极，第二电感(L₂)的另一端接第2N功率二极管(D_2N)的阳极，滤波电容(C_f)的另一端接地，负载(R)并联在滤波电容(C_f)的两端；第一均压电路(5)中，均压开关管(S_a)的漏极与第一功率开关管(S₁)的漏极连接，第三电感(L₃)一端与均压开关管(S_a)的源极连接，另一端接地；第二均压电路(6)中，均压开关管(S_b)的源极与第2N+1功率开关管(S_2N+1)的漏极连接，第四电感(L₄)一端与均压开关管(S_b)的漏极连接，另一端接地。

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