CN101917133A - 一种五电平逆变器 - Google Patents

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    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
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Abstract

本发明提供一种五电平逆变器，属变换器技术领域，其结构包括输入直流源、输入分压电容、三电平桥臂、两电平桥臂、输出滤波电路及负载。三电平桥臂由四个开关管构成，且同一时刻仅有两个开关管高频开关；两电平桥臂由两个开关管构成，且两个开关管的开关频率与输出电压的频率相等；变换器同一时刻只有两个开关管高频开关，开关损耗小、变换效率高；该变换器所有开关管最大电压应力均等于输入电压，开关管电压应力低，相对于传统五电平逆变器所用开关管数量少、拓扑结构简洁、控制简单；由于能够输出多个电平，大大减小了输出滤波器的体积。本发明适用于中高压、大功率应用场合，此外，在新能源并网发电等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种五电平逆变器
技术领域：
本发明涉及一种五电平逆变器，属电力电子变换器技术领域。
背景技术：
逆变器是将直流电变换成交流电以供交流负载使用的功率变换装置。
多电平功率变换技术自1981年由Nabae等人提出以来一直是高压大功率应用领域的研究热点。相对于传统的两电平变换器，多电平变换器由于输出电平数的增加，其输出波形具有更好的谐波频谱特性和较小的电压电流变化率，因此电磁兼容性好，且每个开关器件承受的电压应力较小，特别适合高压大功率应用场合，如高压交流调速、电力系统静止无功发生器、有源电力滤波器等多种场合。多电平逆变器的一般思想是利用独立的直流电源或多个电容来产生较小的阶梯电压，从而最终输出高压交流波形。
多电平逆变器主要有三种类型：二极管箝位型、飞跨电容箝位型和级联型。传统的多电平逆变器随着输出电平数量的增多，其所用的开关管数量急剧增加，导致变换器结构及控制复杂，因此目前为止应用最多的是三电平变换器，其它多电平变换器如五电平变换器、七电平变换器等也有研究和应用，但由于结构及控制复杂，远不及三电平变换器的应用广泛。因此，研究多电平逆变器的目的之一便是为了简化拓扑结构，提高装置性能。
针对多电平变换器随输出电平数量的增多而导致的开关管数量增多、控制复杂等问题，研究工作者提出了多种技术方案，如文献“丁凯，邹云屏，蔡政英，吴智超，刘飞，许湘莲.一种新型单相不对称五电平逆变器，中国电机工程学报，2004，vol.24(11)：116-120”和文献“张云，孙立，吴凤江，孙奎.电容箝位型非对称H桥五电平逆变器正弦脉宽调制控制，中国电机工程学报，2009，vol.29(21)：40-45”分别对二极管箝位型和电容箝位型两种简化电路结构的五电平逆变器进行了研究。
发明内容
发明目的：
本发明针对现有技术的不足，提供一种所用开关管数量少、电路结构简单、控制简单、变换效率高的新型五电平逆变器。
技术方案：
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种五电平逆变器，包括输入直流源、输入分压电容、三电平桥臂、两电平桥臂、输出滤波电路及负载，其中输入分压电容由第一分压电容和第二分压电容构成，三电平桥臂由第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管及第四功率开关管构成，两电平桥臂由第五功率开关管和第六功率开关管构成；
其中，输入电源的正极分别连接第一分压电容的一端、第二功率开关管的漏极及第五功率开关管的漏极；输入电源的负极分别连接第二分压电容的一端、第四功率开关管的源极及第六功率开关管的源极；第一分压电容的另一端分别与第二分压电容的另一端、第三功率开关管的源极相连接；第三功率开关管的漏极与第一功率开关管的漏极相连；第一功率开关管的源极分别连接第二功率开关管的源极、第四功率开关管的漏极及输出滤波电路的输入端；输出滤波电路的输出端分别与负载、两电平桥臂的中点相连接。
进一步地，前述的五电平逆变器中的第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管及第四功率开关管分别为高频功率开关管，且在同一时刻其中仅有两个开关管高频开关。
进一步地，前述的五电平逆变器中的第五功率开关管及第六功率开关管为低频功率开关管，且第五功率开关管及第六功率开关管的开关频率与逆变器输出电压的频率相等。
进一步地，前述的五电平逆变器中的输出滤波电路包括滤波电感和滤波电容；其中输出滤波电感的一端分别连接第一功率开关管的源极、第二功率开关管的源极以及第四功率开关管的漏极；输出滤波电感的另一端分别连接输出滤波电容的一端及负载的一端；负载的另一端分别与输出滤波电容的另一端、第五功率开关管的源极及第六功率开关管的漏极相连接。
进一步地，前述的五电平逆变器中的输出滤波电路还包括隔离变压器，其中隔离变压器原边绕组的一端与所述输出滤波电感的另一端连接，隔离变压器原边绕组的另一端分别与第五功率开关管的源极及第六功率开关管的漏极连接；隔离变压器副边绕组的一端分别连接输出滤波电容的一端及负载的一端；隔离变压器副边绕组的另一端分别连接输出滤波电容的另一端及负载的另一端。
进一步地，前述的五电平逆变器中的输出滤波电路中，隔离变压器原边绕组的一端分别与第一功率开关管的源极、第二功率开关管的源极以及第四功率开关管的漏极连接；隔离变压器原边绕组的另一端分别与第五功率开关管的源极及第六功率开关管的漏极连接；隔离变压器副边绕组的一端与输出滤波电感的一端连接；输出滤波电感的另一端分别与输出滤波电容的一端及负载的一端连接；隔离变压器副边绕组的另一端分别与负载的另一端、输出滤波电容的另一端连接。
进一步地，前述的五电平逆变器中的输出滤波电感可以由隔离变压器的漏感代替。
有益效果：
(1)所用开关管数量少，拓扑结构简洁、控制简单；
(2)开关管电压应力低、同一时刻仅有两个开关管高频开关，开关损耗小，变换效率高；
(3)输出电压及电流谐波含量少，所需滤波器体积小；
附图说明：
图1是本发明一种五电平逆变器主电路原理图；
图2为本发明一种五电平逆变器采用电压瞬时值反馈控制时的控制框图；
图3为本发明一种五电平逆变器采用电压瞬时值反馈控制时的原理波形；
图4为本发明一种五电平逆变器输出电压正半周期的各开关模态等效电路；
图5为本发明一种五电平逆变器输出电压负半周期的各开关模态等效电路；
图6为本发明一种五电平逆变器实施例二的电路原理图；
图7为本发明一种五电平逆变器实施例三的电路原理图。
图中符号说明：
Vin-输入直流源；101、输入分压电容；102、三电平桥臂；103、两电平桥臂；104、输出滤波电路；Ro、负载；vo、输出电压；C1、第一分压电容；C2、第二分压电容；S1～S6-第一～第六功率开关管；Lo、输出滤波电感；Co、输出滤波电容；ve、误差放大器输出电压；vt1～vt4-三角载波1～三角载波4；vGS1～vGS6-第一～第六功率开关管的驱动电压；t、时间。
具体实施方案：
下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：
实施例一：
如图1所示，其结构包括输入直流源Vin、输入分压电容101、三电平桥臂102、两电平桥臂103、输出滤波电路104及负载Ro，其中，输入分压电容由第一分压电容C1和第二分压电容C2构成，三电平桥臂102由第一、第二、第三及第四功率开关管S1～S4构成，两电平桥臂103由第五功率开关管S5和第六功率开关管S6构成，输出滤波电路104由滤波电感Lo和滤波电容Co构成；其电路连接关系为：输入电源Vin的正极分别连于第一分压电容C1的一端、第二功率开关管S2的漏极及第五功率开关管S5的漏极；输入电源Vin的负极分别连于第二分压电容C2的一端、第四功率开关管S4的源极及第六功率开关管S6的源极；第一分压电容C1的另一端与第二分压电容C2的另一端相连，并连于第三功率开关管S3的源极；第三功率开关管S3的漏极与第一功率开关管S1的漏极相连；第一功率开关管S1的源极分别连于第二功率开关管S2的源极、第四功率开关管S4的漏极及输出滤波电感Lo的一端；输出滤波电感Lo的另一端分别连于输出滤波电容Co的一端及负载Ro的一端；负载Ro的另一端分别与输出滤波电容Co的另一端、第五功率开关管S5的源极及第六功率开关管S6的漏极相连。
本发明一种五电平逆变器中，第一、第二、第三及第四功率开关管S1～S4为高频功率开关管，且在同一时刻仅有两个开关管高频开关，在具体实施时，第一、第二、第三和第四功率开关管S1～S4可以根据具体电压及功率等级选用高频功率开关管如MOSFET和IGBT；第五功率开关管S5及第六功率开关管S6为低频功率开关管，其开关频率与逆变器输出电压vo的频率相等，且在输出电压vo的正半周期，第五功率开关管S5一直关断，第六功率开关管S6一直导通，在输出电压vo的负半周期，第五功率开关管S5一直导通，第六功率开关管S6一直关断，在具体实施时，第五开关管S5、第六功率开关管S6可选用可控硅等低频功率开关管，也可以选用MOSFET、IGBT等高频开关管。
控制原理和工作过程：
下面结合附图2～附图5说明本发明一种五电平逆变器在具体实施时的控制原理和工作过程。
本发明一种五电平逆变器的一个具体实施例中，逆变器采用电压瞬时值反馈控制策略，其控制框图和原理波形分别如图2和图3所示。
第一～第四功率开关管S1～S4的驱动信号由误差放大器输出电压ve分别与四路三角载波比较并经过相应的逻辑比较电路得到，其中各三角载波的峰峰值相等，且三角载波1最小值和三角载波3的最大值为0，三角载波2的最小值等于三角载波1的最大值，三角载波4的最大值等于三角载波3的最小值；经过比较及相应的逻辑电路期望达到的控制效果为：第一、第四功率开关管S1、S4互补导通，第二、第三功率开关管S2、S3互补导通；ve大于零时，当ve大于三角载波1时，第一功率开关管S1导通，反之则第一功率开关管S1关断，当ve大于三角载波2时，第二功率开关管S2导通，反之则第二功率开关管S2关断；ve小于零时，当ve小于于三角载波3时，第三功率开关管S3导通，反之则第三功率开关管S3关断，当ve小于三角载波4时，第四功率开关管S4导通，反之则第四功率开关管S4关断。
第五、第六功率开关管S5、S6的驱动信号由误差放大器输出电压ve与零电平信号比较得到，当ve大于0时，S6导通，S5关断，当ve小于0时，S6关断，S5导通。
在输出电压vo的正半周，逆变器共有三种工作模态，各模态等效电路如图4所示。
模态1：等效电路如图4(a)所示，第一、第三及第六功率开关管S1、S3及S6导通，其它功率开关管关断；
模态2：等效电路如图4(b)所示，第三、第四及第六功率开关管S3、S4及S6导通，其它功率开关管关断，第三功率开关管S3虽然导通，但没有电流流过，因此第三功率开关管S3等效于关断状态；
模态3：等效电路如图4(c)所示，第二、第三及第六功率开关管S2、S3及S6导通，其它功率开关管关断，第三功率开关管S3虽然导通，但没有电流流过，因此第三功率开关管S3等效于关断状态。
当误差放大器输出电压ve大于0而小于三角载波1vt1的峰值时，逆变器在开关管模态1和模态2之间切换；当误差放大器输出电压ve大于三角载波1vt1的峰值时，逆变器在开关模态1和模态3之间切换。
在输出电压vo的负半周，逆变器共有三种工作模态，各模态等效电路如图5所示。
模态1：等效电路如图5(a)所示，第一、第三及第五功率开关管S1、S3及S5导通，其它功率开关管关断；
模态2：等效电路如图5(b)所示，第一、第二及第五功率开关管S1、S2及S5导通，其它功率开关管关断，第一功率开关管S1虽然导通，但没有电流流过，因此第一功率开关管S1等效于关断状态；
模态3：等效电路如图5(c)所示，第一、第四及第五功率开关管S1、S4及S5导通，其它功率开关管关断，第一功率开关管S1虽然导通，但没有电流流过，因此第一功率开关管S1等效于关断状态。
当误差放大器输出电压ve小于0而大于三角载波3vt3的峰值时，逆变器在开关管模态1和模态2之间切换；当误差放大器输出电压ve小于三角载波3vt3的峰值时，逆变器在开关模态1和模态3之间切换。
本发明一种五电平逆变器的实施例二及实施例三的电路原理图分别如图6和图7所示，在实施例二和实施例三中，逆变器的控制电路以及各功率开关管的开通关断逻辑与实施例一完全相同，实施例二和是实例三是本发明一种五电平逆变器引入隔离变压器T后的电路形式，隔离变压器T的两种连接方式分别如图6和图7所示。
如图6所示，隔离变压器T原边绕组的一端与所述输出滤波电感Lo的另一端连接，隔离变压器T原边绕组的另一端分别与第五功率开关管S5的源极及第六功率开关管S6的漏极连接；隔离变压器T副边绕组的一端分别连接输出滤波电容Co的一端及负载Ro的一端；隔离变压器T副边绕组的另一端分别连接输出滤波电容Co的另一端及负载Ro的另一端。
如图7所示，其中隔离变压器T原边绕组的一端分别与第一功率开关管S1的源极、第二功率开关管S2的源极以及第四功率开关管S4的漏极连接；隔离变压器T原边绕组的另一端分别与第五功率开关管S5的源极及第六功率开关管S6的漏极连接；隔离变压器T副边绕组的一端与输出滤波电感Lo的一端连接；输出滤波电感Lo的另一端分别与输出滤波电容Co的一端及负载Ro的一端连接；隔离变压器T副边绕组的另一端分别与负载Ro的另一端、输出滤波电容Co的另一端连接。
引入隔离变压器后，原来的滤波电感Lo也可以用隔离变压器T的漏感代替。

Claims (7)

1.一种五电平逆变器，包括输入直流源(Vin)、输入分压电容(101)、输出滤波电路(104)及负载(Ro)，其特征在于：所述五电平逆变器还包括三电平桥臂(102)、两电平桥臂(103)；其中，输入分压电容(101)由第一分压电容(C1)和第二分压电容(C2)构成，三电平桥臂(102)由第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)及第四功率开关管(S4)构成，两电平桥臂(103)由第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)构成；
其中，输入电源(Vin)的正极分别连接第一分压电容(C1)的一端、第二功率开关管(S2)的漏极及第五功率开关管(S5)的漏极；输入电源(Vin)的负极分别连接第二分压电容(C2)的一端、第四功率开关管(S4)的源极及第六功率开关管(S6)的源极；第一分压电容(C1)的另一端分别与第二分压电容(C2)的另一端、第三功率开关管(S3)的源极相连接；第三功率开关管(S3)的漏极与第一功率开关管(S1)的漏极相连；第一功率开关管(S1)的源极分别连接第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的漏极及输出滤波电路(104)的输入端；输出滤波电路(104)的输出端分别与负载(Ro)、两电平桥臂(103)的中点相连接。
2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于：所述第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)及第四功率开关管(S4)分别为高频功率开关管，且在同一时刻其中仅有两个开关管高频开关。
3.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于：所述第五功率开关管(S5)及第六功率开关管(S6)为低频功率开关管，且第五功率开关管(S5)及第六功率开关管(S6)的开关频率与逆变器输出电压(vo)的频率相等。
4.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于：所述输出滤波电路(104)包括滤波电感(Lo)和滤波电容(Co)；其中输出滤波电感(Lo)的一端分别连接第一功率开关管(S1)的源极、第二功率开关管(S2)的源极以及第四功率开关管(S4)的漏极；输出滤波电感(Lo)的另一端分别连接输出滤波电容(Co)的一端及负载(Ro)的一端；负载(Ro)的另一端分别与输出滤波电容(Co)的另一端、第五功率开关管(S5)的源极及第六功率开关管(S6)的漏极相连接。
5.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于：所述输出滤波电路(104)还包括隔离变压器(T)，其中隔离变压器(T)原边绕组的一端与所述输出滤波电感(Lo)的另一端连接，隔离变压器(T)原边绕组的另一端分别与第五功率开关管(S5)的源极及第六功率开关管(S6)的漏极连接；隔离变压器(T)副边绕组的一端分别连接输出滤波电容(Co)的一端及负载(Ro)的一端；隔离变压器(T)副边绕组的另一端分别连接输出滤波电容(Co)的另一端及负载(Ro)的另一端。
6.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于：所述输出滤波电路(104)还包括隔离变压器(T)，其中隔离变压器(T)原边绕组的一端分别与第一功率开关管(S1)的源极、第二功率开关管(S2)的源极以及第四功率开关管(S4)的漏极连接；隔离变压器(T)原边绕组的另一端分别与第五功率开关管(S5)的源极及第六功率开关管(S6)的漏极连接；隔离变压器(T)副边绕组的一端与输出滤波电感(Lo)的一端连接；输出滤波电感(Lo)的另一端分别与输出滤波电容(Co)的一端及负载(Ro)的一端连接；隔离变压器(T)副边绕组的另一端分别与负载(Ro)的另一端、输出滤波电容(Co)的另一端连接。
7.根据权利要求5或6所述的五电平逆变器，其特征在于：所述输出滤波电感(Lo)由隔离变压器(T)的漏感代替。
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