CN101860248A - 五级逆变器 - Google Patents

Abstract

提供了一种能减少所产生的损耗、大小和成本的五级逆变器。该逆变器具有：第一、第二以及第三臂对，这些臂对通过相对于设置有五个端子且具有包括零的五个互不相同的电压电平的输入直流电源以串联的方式组合由半导体器件形成的两个臂来配置；以及通过以反串联的方式组合由半导体器件形成的臂来配置的交流开关。在该配置中，让电流通过的元件的数量相对于常规电路而言减少，从而使提高器件效率和减小其大小成为可能。

Description

五级逆变器

技术领域

本发明涉及功率变换器，具体涉及能直接输出五个电压电平的五级逆变器。

背景技术

图5示出例如日本专利申请公开No.2006-271042中公开的五级逆变器的一相。

参照图5，半导体开关Q1到Q8的串联电路连接在以串联方式连接至直流单位电源b1到b4的直流电池BA1的正极与负极之间，而半导体开关Q4和Q5的连接点用作交流输出点U。由二极管D1和D4形成的二极管臂对DA1的外部端子连接在半导体开关Q1和Q2的连接点与Q5和Q6的连接点之间，而且该二极管臂对的中点端子连接至直流单位电源b1和b2的连接点。此处提到的该臂对的外部端子是用于区分该端子与中点端子的通用名称，而且在某些情况下，该外部端子被省略。

同样，由二极管D2和D5形成的二极管臂对DA2的外部端子连接在半导体开关Q2和Q3的连接点与Q6和Q7的连接点之间，而且该二极管臂对的中点端子连接至直流单位电源b2和b3的连接点。由二极管D3和D6形成的二极管臂对DA3的外部端子连接在半导体开关Q3和Q4的连接点与Q7和Q8的连接点之间，而且该二极管臂对的中点端子连接至直流单位电源b3和b4的连接点。

在这样的配置中，当半导体开关Q1到Q4接通而Q5到Q8切断时，+2E电平的电压输出至交流输出端子U，当半导体开关Q2到Q5接通而Q1、Q6到Q8切断时，1E电平的电压输出至交流输出端子U，且当半导体开关Q3到Q6接通而Q1、Q2、Q7以及Q8切断时，零电平的电压输出至交流输出端子U。

同样，当半导体开关Q4到Q7接通而Q1到Q3以及Q8切断时，-1E电平的电压输出至交流输出端子U，而当半导体开关Q5到Q8接通而Q1到Q4切断时，-2E电平的电压输出至交流输出端子U。

如上所述，通过以接通-切断的方式调节半导体开关Q1到Q8，有可能向交流输出端子U输出五个不同电平(2E、1E、0、-1E、-2E)的电压。

然而，在图5中所示的配置中，让输出电流(或简称为“电流”)在直流电池BA1与交流输出端子U之间通过的半导体开关的最大数量为四个。导致的问题在于半导体开关中的静态导通损耗变大，整个器件的效率降低，以及该器件的大小和成本难以减小。

因此，本发明的目的是相对于常规配置而言减少使电流通过的半导体开关的数量、降低所产生的损耗、以及实现器件大小和成本的减小。

发明内容

为解决上述问题，如权利要求1所述的本发明提供了一种设置有四等分的五个端子的五级逆变器，其能选择并输出来自具有包括零的五个互不相同的电压电平的输入直流电源的任何电压电平，该逆变器包括：

第一、第二以及第三臂对，这些臂对各自通过以串联的方式组合由半导体器件形成的两个臂来配置；以及第一和第二交流开关，这些交流开关通过以反串联的方式组合由半导体器件形成的臂来配置，其中

第一臂对连接在直流电源的具有最高电位的第一直流端子与具有中间电位的第三直流端子之间，第二臂对连接在第三直流端子与具有最低电位的第五直流端子之间，以及第三臂对连接在第一臂对的中点端子与第二臂对的中点端子之间；

第一交流开关连接在直流电源的具有第二高电位的第二直流端子与第一臂对的中点端子之间，第二交流开关连接在直流电源的具有第四高电位的第四直流端子与第二臂对的中点端子之间，且第三臂对的中点端子用作输出端子。

在如权利要求1所述的本发明的逆变器中，其中由半导体器件形成的臂以反串联的方式组合这一配置被具有反耐压的半导体器件以反并联的方式连接这一配置所代替，以作为所述第一和第二交流开关(如权利要求2所述的发明)。

如权利要求3所述的本发明提供一种设置有四等分的五个端子的五级逆变器，其能选择并输出来自具有包括零的五个互不相同的电压电平的输入直流电源的任何电压电平，该逆变器包括：

第一、第二、第三以及第四臂对，这些臂对各自通过以串联的方式组合由半导体器件形成的两个臂来配置；以及交流开关，该交流开关通过以反串联的方式组合由半导体器件形成的臂来配置，其中

第一臂对连接在直流电源的具有最高电位的第一直流端子与具有中间电位的第三直流端子之间，第二臂对连接在第三直流端子与具有最低电位的第五直流端子之间，第三臂对连接在第一臂对的中点端子与第二臂对的中点端子之间，以及第四臂对连接在直流电源的具有第二高电位的第二直流端子与直流电源的具有第四高电位的第四直流端子之间；

该交流开关连接在第四臂对的中点端子与第三臂对的中点端子之间，且第三臂对的中点端子用作输出端子。

在如权利要求3所述的本发明的逆变器中，其中由半导体器件形成的臂以反串联的方式组合这一配置被具有反耐压的半导体器件以反并联的方式连接这一配置所代替，以作为交流开关(如权利要求4所述的发明)。在如权利要求1到4中的任一项所述的本发明的逆变器中，构成第一到第三臂对的臂中的每一个以接通-切断运动的方式被选择性地切换和驱动，从而在所述臂的工作期间仅施加来自所述四等分的直流电源电压的两等分或更少等分的电压(权利要求5)。

根据本发明，在用作输入的直流电源与交流输出之间电流流过的半导体开关的最大数量为三个。因此损耗降低。因此，该器件效率提高且成本和大小减小。

附图说明

图1是示出本发明的一个实施例的电路图；

图2是示出图1中所示配置的修改示例的电路图；

图3是示出本发明的另一实施例的电路图；

图4是示出图3中所示配置的修改示例的电路图；以及

图5是示出五级逆变器的常规示例的框图。

具体实施方式

图1是示出本发明的一个实施例的电路图。

由半导体开关Q1、Q2组成的臂对QA1的外部端子连接在直流电池BA1的正极与中间(零电位)端子之间，而由Q3、Q4组成的臂对QA2的外部端子连接在BA1的中间端子与负极之间，在直流电池BA1中分别具有1E电压的直流单位电源b 1到b4以串联的方式连接。

此外，由半导体开关Q5、Q6组成的臂对QA3的外部端子连接在臂对QA1与QA2的中点端子之间，而且QA3的中点端子用作交流输出端子U。此外，由半导体开关Q11、Q12组成的交流开关SW1连接在直流单位电源b1和b2的连接点与QA1的中点端子之间，而由半导体开关Q13、Q14组成的交流开关SW2连接在直流单位电源b3和b4的连接点与QA2的中点端子之间。

在上述配置中，当半导体开关Q1、Q5接通而Q2、Q6以及交流开关SW1切断时，+2E电压输出至交流输出端子U。在这种情况下，电流通过两个半导体开关Q1、Q5。当Q4和SW2进一步切断时，施加给QA1到QA3中已经切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E。同样，施加给交流开关SW1和SW2中已经切断的半导体开关的电压被箝位至1E。

当交流开关SW1和Q5接通而Q1、Q2以及Q6切断时，+1E电压施加给交流输出端子U。在这种情况下，电流通过三个半导体开关Q11、Q12以及Q5。当Q4进一步也切断时，施加给QA1到QA3中已经切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E。同样，施加给交流开关SW2中已经切断的半导体开关的电压被箝位至1E。

当Q2、Q5或Q3、Q6接通而Q1、Q4以及SW1、SW2切断时，零电压输出至交流输出端子U，而且在这种情况下，电流通过两个半导体开关Q2、Q5或Q3、Q6。施加给QA1到QA3中已切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E。同样，施加给交流开关SW1和SW2中已切断的半导体开关的电压被箝位至1E。由于电路的对称性，向交流输出点U输出-1E和-2E的操作类似于输出+1E、+2E的操作，而且省略其说明。

图2示出图1中所示配置的修改示例。该配置与图1中所示配置之间的差别是构成交流开关SW1、SW2的半导体开关Q11和Q12、Q13和Q14的各个反串联连接电路被相应的反向阻断IGBT Q21和Q22、Q23和Q24的对应的反并联电路所代替。在具有改成反向阻断IGBT的该配置的情况下，功能和动作与具有开关SW1、SW2的配置的功能和动作并无特别不同，而且其操作与图1中所示配置的操作相同。

然而，当电流在开关SW1、SW2中流动时，该电流流过图1中所示电路中的开关Q11、Q12或Q13、Q14，而在图2中所示电路中，该电流仅流过一个开关，即Q21或Q22、Q23或Q24。因此，电流流过的半导体开关(包括反向阻断IGBT)的最大数量从3减少为2，从而能获得甚至更高的效率。

图3是示出本发明的另一实施例的电路图。

由半导体开关Q1、Q2组成的臂对QA1的外部端子连接在直流电池BA1的正极与中间端子之间，而由Q3、Q4组成的臂对QA2的外部端子连接在BA1的中间端子与负极之间，在直流电池BA1中分别具有1E电压的直流单位电源b1到b4以串联的方式连接。

此外，由半导体开关Q5、Q6组成的臂对QA3的外部端子连接在臂对QA1与QA2的中点端子之间，而且QA3的中点端子用作交流输出端子U。由半导体开关Q7、Q8组成的臂对QA4的外部端子连接在直流单位电源b1和b2的连接点与b3和b4的连接点之间，而由半导体开关Q15、Q16组成的交流开关SW3连接在QA4与QA3的中点之间。

在这样的配置中，当半导体开关Q1、Q5接通而Q2、Q6以及交流开关SW3切断时，+2E电压输出至交流输出端子U，而且在这种情况下，电流在两个半导体开关Q1、Q5中流动。此外，当Q4和Q8也切断时，施加给QA1到QA4中已切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E，而施加给交流开关SW3中已切断的半导体开关的电压同样被箝位至1E。

当交流开关SW3和Q7接通而Q8、Q6、Q5以及Q2切断时，+1E电压输出至交流输出端子U，而在这种情况下，电流在三个半导体开关Q7、Q15以及Q16中流动。当Q4进一步也切断时，施加给QA1到QA4中已切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E。

当Q2、Q5或Q3、Q6接通而Q1、Q4以及Q7、Q8切断时，零电压输出至交流输出端子U，而且在这种情况下，电流在两个半导体开关Q2、Q5或Q3、Q6中流动。施加给QA1到QA4中已切断的半导体开关的电压被箝位至最大2E。

由于电路的对称性，向交流输出点U输出-1E和-2E的操作类似于输出+1E、+2E的操作，从而省略其说明。

图4示出图3中所示配置的修改示例。该配置与图3中所示配置之间的差别在于，构成交流开关SW3的半导体开关Q15和Q16的反串联连接电路被反向阻断IGBT的Q25和Q26的反并联电路所代替。在具有改成反向阻断IGBT的该配置的情况下，功能和动作与具有开关SW3的配置的功能和动作并无特别不同，而且其操作与图3中所示配置的操作相同。

然而，当电流流过开关SW3时，该电流流过图3中所示电路中的两个开关Q15、Q16，而在图4中所示电路中，该电流仅流过一个开关，即Q25或Q26。因此，电流流过的半导体开关(包括反向阻断IGBT)的最大数量从3减少为2，从而能获得甚至更高的效率。

在图1到4中所示电路中，例如，当各个直流单位电源b1到b4的电压为400V从而直流电池BA1的电压为1600V时，具有1200V的标准击穿电压的IGBT可施加至所有半导体开关Q1到Q8，而具有600V的标准击穿电压的IGBT或反向阻断IGBT可施加至半导体开关Q11到Q16或反向阻断IGBT Q21到Q26。在这种情况下，交流输出点U的输出电压可作为约交流560V的相电压。此外，上述五级逆变器可组合为三相，而且当使用具有三重谐波叠加的梯形波调制系统时，可获得等于或高于交流1000V的电压输出。

Claims (5)

1.一种设置有四等分的五个端子的五级逆变器，其能选择并输出来自具有包括零的五个互不相同的电压电平的输入直流电源的任何电压电平，

所述逆变器包括：

第一、第二以及第三臂对，所述臂对各自通过以串联的方式组合由半导体器件形成的两个臂来配置；以及第一和第二交流开关，所述交流开关通过以反串联的方式组合由半导体器件形成的臂来配置，其中

所述第一臂对连接在所述直流电源的具有最高电位的第一直流端子与具有中间电位的第三直流端子之间，所述第二臂对连接在所述第三直流端子与具有最低电位的第五直流端子之间，以及所述第三臂对连接在所述第一臂对的中点端子与所述第二臂对的中点端子之间；

所述第一交流开关连接在所述直流电源的具有第二高电位的第二直流端子与所述第一臂对的所述中点端子之间，所述第二交流开关连接在所述直流电源的具有第四高电位的第四直流端子与所述第二臂对的所述中点端子之间，且所述第三臂对的中点端子用作输出端子。

2.如权利要求1所述的五级逆变器，其特征在于，其中由半导体器件形成的臂以反串联的方式组合这一配置被具有反耐压的半导体器件以反并联的方式连接这一配置所代替，以作为所述第一和第二交流开关。

3.一种设置有四等分的五个端子的五级逆变器，其能选择并输出来自具有包括零的五个互不相同的电压电平的输入直流电源的任何电压电平，

所述逆变器包括：

第一、第二、第三以及第四臂对，所述臂对各自通过以串联的方式组合由半导体器件形成的两个臂来配置；以及交流开关，所述交流开关通过以反串联的方式组合由半导体器件形成的臂来配置，其中

所述第一臂对连接在所述直流电源的具有最高电位的第一直流端子与具有中间电位的第三直流端子之间，所述第二臂对连接在所述第三直流端子与具有最低电位的第五直流端子之间，所述第三臂对连接在所述第一臂对的中点端子与所述第二臂对的中点端子之间，以及所述第四臂对连接在所述直流电源的具有所述第二高电位的第二直流端子与所述直流电源的具有所述第四高电位的第四直流端子之间；

所述交流开关连接在所述第四臂对的中点端子与所述第三臂对的中点端子之间，且所述第三臂对的所述中点端子用作输出端子。

4.如权利要求3所述的五级逆变器，其特征在于，其中由半导体器件形成的臂以反串联的方式组合这一配置被具有反耐压的半导体器件以反并联的方式连接这一配置所代替，以作为所述交流开关。

5.如权利要求1到4中的任一项所述的五级逆变器，其特征在于，构成所述第一到第三臂对的所述臂中的每一个以接通-切断运动的方式被选择性地切换和驱动，从而在所述臂的工作期间仅施加来自所述四等分的直流电源电压的两等分或更少等分的电压。

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