CN102611342A - 三电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种三电平逆变器，涉及电力电子技术领域，实现了开关速度快、损耗小，且避免了MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。该三电平逆变器，包括：相互串联的第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，其中，第一开关管和第四开关管为场效应晶体管，第二开关管和第三开关管为双极性晶体管，第一二极管，其阴极连接于第一开关管的漏极，其阳极连接于第一开关管的源极；第二二极管，其阴极连接于第四开关管的漏极，其阳极连接于第四开关管的源极；第五二极管，其阳极连接于第四节点，其阴极连接于第二节点；第六二极管，其阳极连接于第六节点，其阴极连接于第四节点。

Description

三电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种三电平逆变器。
背景技术
三电平逆变器是基于三个固定电平的脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)电路，在电力电子领域被广泛的应用。目前，如图1所示，应用最广泛的三电平逆变器中采用绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)作为四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，但IGBT的缺点是开关速度慢、损耗大，因此PWM开关频率的提高受到限制。如图2所示，另外也有一些厂商的三电平逆变器采用金属氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，MOSFET)作为四个开关管Q1、Q2、Q3、Q4，但由于MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性非常差，在电流通过寄生二极管续流时，会导致相关的电气问题，进而影响产品的可靠性。
发明内容
本发明的实施例提供一种三电平逆变器，实现了开关速度快、损耗小，且避免了MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。
为解决上述技术问题，本发明的实施例采用如下技术方案：
一种三电平逆变器，包括：
第一直流源；
第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；
第一开关管，所述第一开关管为场效应晶体管，其漏极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；
第二开关管，所述第二开关管为双极性晶体管，其集电极与所述第一开关管的源极连接作为第三节点；
第三开关管，所述第三开关管为双极性晶体管，其集电极与所述第二开关管的发射极连接作为第四节点；
第四开关管，所述第四开关管为场效应晶体管，其漏极与所述第三开关管的发射极连接作为第五节点，其源极与所述第二直流源的负极连接作为第六节点；
第一二极管，其阴极连接于所述第一开关管的漏极，其阳极连接于所述第一开关管的源极；
第二二极管，其阴极连接于所述第四开关管的漏极，其阳极连接于所述第四开关管的源极；
第三二极管，其阳极连接于所述第一节点，其阴极连接于所述第三节点；
第四二极管，其阳极连接于所述第五节点，其阴极连接于所述第一节点；
第五二极管，其阳极连接于所述第四节点，其阴极连接于所述第二节点；
第六二极管，其阳极连接于所述第六节点，其阴极连接于所述第四节点；
滤波单元，所述滤波单元的两端分别连接于所述第一节点和第四节点。
本发明实施例提供的三电平逆变器，由于第一开关管和第四开关管为场效应晶体管，即使用场效应晶体管承受主要的开关损耗，从而提高了开关速度，降低了开关损耗，同时由于第二开关管和第三开关管使用双极性晶体管且增加了第五二极管和第六二极管，使得电流不通过场效应晶体管内部的寄生二极管续流，从而避免了由于场效应晶体管内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中一种三电平逆变器的示意图；
图2为现有技术中另一种三电平逆变器的示意图；
图3为本发明实施例中一种三电平逆变器的示意图；
图4为本发明实施例中三电平逆变器的工作过程中4个阶段的输出电压与电流的波形示意图；
图5为本发明实施例中第三状态电流流向的示意图；
图6为本发明实施例中第四状态电流流向的示意图；
图7为本发明实施例中另一种三电平逆变器的示意图；
图8为本发明实施例中又一种三电平逆变器的示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图3所示，本发明实施例提供了一种三电平逆变器，包括：第一直流源BUS1、第二直流源BUS2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6和滤波单元1。
其中，第二直流源BUS2的正极与第一直流源BUS1的负极连接作为第一节点N；第一开关管Q1为场效应晶体管，其漏极与第一直流源BUS1的正极连接作为第二节点A；第二开关管Q2为双极性晶体管，其集电极与第一开关管Q1的源极连接作为第三节点B；第三开关管Q3为双极性晶体管，其集电极与第二开关管Q2的发射极连接作为第四节点O；第四开关管Q4为场效应晶体管，其漏极与第三开关管Q3的发射极连接作为第五节点D，其源极与第二直流源BUS2的负极连接作为第六节点E；第一二极管D1，其阴极连接于第一开关管Q1的漏极，其阳极连接于第一开关管Q1的源极；第二二极管D2，其阴极连接于第四开关管Q4的漏极，其阳极连接于第四开关管Q4的源极；第三二极管D3，其阳极连接于第一节点N，其阴极连接于第三节点B；第四二极管D4，其阳极连接于所述第五节点D，其阴极连接于第一节点N；第五二极管D5，其阳极连接于第四节点O，其阴极连接于第二节点A；第六二极管D6，其阳极连接于第六节点E，其阴极连接于第四节点O；滤波单元1的两端分别连接于第一节点N和第四节点O；第二开关管Q2和第三开关管Q3无内置二极管，第一二极管D1和第二二极管D2分别为第一开关管Q1与第四开关管Q4的寄生二极管。
以下以三电平逆变器的工作过程来进一步说明本发明实施例，三电平逆变器的工作过程包括如图4所示的4个阶段，以及8个状态，这4个阶段根据输出电压U和输出电流I的正负情况确定，这8个状态根据开关管的导通、关断情况确定，每个阶段为其中2个状态之间的转换过程，其中，第一阶段101为输出电压U为正值且输出电流I也为正值，第一状态为第一开关管Q1和第二开关管Q2导通且第三开关管Q3和第四开关管Q4关断，电流I从第一直流源BUS1的正极依次通过第一开关管Q1、第二开关管Q2达到第四节点O处，第二状态为第二开关管Q2和第三开关管Q3导通且第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，电流从第一节点N处依次通过第三二极管D3和第二开关管Q2到达第四节点O处，在第一阶段101中，三电平逆变器在第一状态和第二状态之间转换，即第二开关管Q2保持导通状态，第四开关管Q4保持关断状态，第一开关管Q1和第三开关管Q3互补导通，只有第一开关管Q1承受开关损耗；第二阶段102为输出电压U为负值且输出电流I为正值，第三状态为第二开关管Q2和第三开关管Q3导通且第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，如图5所示，电流I从第一节点N处，依次通过第三二极管D3和第二开关管Q2到达第四节点O处进行续流，第四状态为第三开关管Q3和第四开关管Q4导通且第一开关管Q1和第二开关管Q2关断，如图6所示，电流I从第二直流源BUS2的负极通过第六二极管D6到达第四节点O处进行续流，由于第三开关管Q3无内置二极管，且双极性晶体管为单向导通器件，因此电流I不会通过第二二极管D2，避免了现有技术使用场效应晶体管作为第三开关管Q3时需要场效应晶体管内部的寄生二极管进行续流导致的相关电气问题，在第二阶段102中，三电平逆变器在第三状态和第四状态之间转换，即第三开关管Q3保持导通状态，第一开关管Q1保持关断状态，第二开关管Q2和第四开关管Q4互补导通；第三阶段103为输出电压U为负值且输出电流I也为负值，第五状态为第二开关管Q2和第三开关管Q3导通且第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，电流I从第四节点O处依次通过第三开关管Q3和第四二极管D4到达第一节点N处，第六状态为第三开关管Q3和第四开关管Q4导通且第一开关管Q1和第二开关管Q2关断，电流I从第四节点O处依次通过第三开关管Q3和第四开关管Q4到达第二直流源BUS2的负极，在第三阶段103中，三电平逆变器在第五状态和第六状态之间转换，即第三开关管Q3保持导通状态，第一开关管Q1保持关断状态，第二开关管Q2和第四开关管Q4互补导通，只有第四开关管Q4承受开关损耗；第四阶段104为输出电压U为正值且输出电流I为负值，第七状态为第二开关管Q2和第三开关管Q3导通且第一开关管Q1和第四开关管Q4关断，电流I从第四节点O处一次通过第三开关管Q3和第四二极管D4到达第一节点N处，第八状态为第一开关管Q1和第二开关管Q2导通且第三开关管Q3和第四开关管Q4关断，电流I从第四节点O处通过第五二极管D5到达第一直流源BUS1的正极，第八状态中电流的续流过程与第四状态类似，避免了现有技术使用场效应晶体管作为第二开关管Q2时需要场效应晶体管内部的寄生二极管进行续流导致的相关电气问题，在第四阶段104中，三电平逆变器在第七状态和第八状态之间转换，即第二开关管Q2保持导通状态，第四开关管Q4保持关断状态，第一开关管Q1和第三开关管Q3互补导通。需要说明的是图5和图6中箭头为电流I的方向，第四节点O为输出端。
由于三电平逆变器的大部分时间工作在第一阶段101和第三阶段103，因此，由以上的描述可知，第一开关管Q1和第四开关管Q4承受主要的开关损耗，本发明实施例提供的三电平逆变器，由于第一开关管Q1和第四开关管Q4为场效应晶体管，即使用场效应晶体管承受主要的开关损耗，从而提高了开关速度，降低了开关损耗，同时由于第二开关管Q2和第三开关管Q3使用双极性晶体管且增加了第五二极管D5和第六二极管D6，使得电流不通过场效应晶体管内部的寄生二极管续流，从而避免了由于场效应晶体管内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。
具体地，上述场效应晶体管可以为MOSFET；双极性晶体管可以为IGBT。滤波单元1包括电感L和电容C，电感L的一端连接于第四节点O，电容C的一端连接于电感L的另一端，电容C的另一端连接于第一节点N。
进一步地，如图7所示，上述三电平逆变器还包括：第七二极管D7，其阳极连接于第二开关管Q2的发射极，其阴极连接于第二开关管Q2的集电极；第八二极管D8，其阳极连接于第三开关管Q3的发射极，其阴极连接于第三开关管Q3的集电极。第五二极管D5的导通压降小于第一二极管D1与第七二极管D7的导通压降之和；第六二极管D6的导通压降小于第八二极管D8与第二二极管D2的导通压降之和。第七二极管D7和第八二极管D8作为第二开关管Q2与第三开关管Q3的反并二极管能够保护IGBT不被反压击穿。
具体地工作过程与上述实施例相同，在此不再赘述。在上述的第四状态和第八状态中，虽然增加了第七二极管D7和第八二极管D8，但是由于选择导通压降较大的第七二极管D7和第八二极管D8，使得第五二极管D5的导通压降小于第一二极管D1与第七二极管D7的导通压降之和，第六二极管D6的导通压降小于第八二极管D8与第二二极管D2的导通压降之和，从而电流同样只通过第五二极管D5和第六二极管D6续流，不会流过第一二极管D1和第二二极管D2。
本发明实施例提供的三电平逆变器，由于第一开关管Q1和第四开关管Q4为MOSFET，即使用MOSFET承受主要的开关损耗，从而提高了开关速度，降低了开关损耗，同时由于第二开关管Q2和第三开关管Q3使用IGBT且增加了第五二极管D5和第六二极管D6，使得电流不通过MOSFET内部的寄生二极管续流，从而避免了由于MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。
进一步地，如图8所示，上述三电平逆变器还包括：第一电阻单元R1，第一电阻单元R1连接于第七二极管D7的阳极与第二开关管Q2的发射极之间，或第一电阻单元R1连接于第七二极管D7的阴极与第二开关管Q2的集电极之间；第二电阻单元R2，第二电阻单元R2连接于第八二极管D8的阳极与第三开关管Q3的发射极之间，或第二电阻单元R2连接于第八二极管D8的阴极与第三开关管Q3的集电极之间。第一电阻单元R1和第二电阻单元R2可以为电阻或稳压管。
具体地工作过程与上述实施例相同，在此不再赘述。在上述的第四状态和第八状态中，无需根据导通压降的大小对第七二极管D7和第八二极管D8进行选择，只需增加第一电阻单元R1和第二电阻单元R2即可使电流同样只通过第五二极管D5和第六二极管D6续流，不会流过第一二极管D1和第二二极管D2。
本发明实施例提供的三电平逆变器，由于第一开关管Q1和第四开关管Q4为MOSFET，即使用MOSFET承受主要的开关损耗，从而提高了开关速度，降低了开关损耗，同时由于第二开关管Q2和第三开关管Q3使用IGBT且增加了第五二极管D5和第六二极管D6，使得电流不通过MOSFET内部的寄生二极管续流，从而避免了由于MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性差导致的相关电气问题。
通过以上的实施方式的描述，所属领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在可读取的存储介质中，如计算机的软盘，硬盘或光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种三电平逆变器，其特征在于，包括：
第一直流源；
第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；
第一开关管，所述第一开关管为场效应晶体管，其漏极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；
第二开关管，所述第二开关管为双极性晶体管，其集电极与所述第一开关管的源极连接作为第三节点；
第三开关管，所述第三开关管为双极性晶体管，其集电极与所述第二开关管的发射极连接作为第四节点；
第四开关管，所述第四开关管为场效应晶体管，其漏极与所述第三开关管的发射极连接作为第五节点，其源极与所述第二直流源的负极连接作为第六节点；
第一二极管，其阴极连接于所述第一开关管的漏极，其阳极连接于所述第一开关管的源极；
第二二极管，其阴极连接于所述第四开关管的漏极，其阳极连接于所述第四开关管的源极；
第三二极管，其阳极连接于所述第一节点，其阴极连接于所述第三节点；
第四二极管，其阳极连接于所述第五节点，其阴极连接于所述第一节点；
第五二极管，其阳极连接于所述第四节点，其阴极连接于所述第二节点；
第六二极管，其阳极连接于所述第六节点，其阴极连接于所述第四节点；
滤波单元，所述滤波单元的两端分别连接于所述第一节点和第四节点。
2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述场效应晶体管为MOSFET；
所述双极性晶体管为IGBT。
3.根据权利要求1或2所述的三电平逆变器，其特征在于，
所述滤波单元包括电感和电容，所述电感的一端连接于所述第四节点，所述电容的一端连接于所述电感的另一端，所述电容的另一端连接于所述第一节点。
4.根据权利要求3所述的三电平逆变器，其特征在于，还包括：
第七二极管，其阳极连接于所述第二开关管的发射极，其阴极连接于所述第二开关管的集电极；
第八二极管，其阳极连接于所述第三开关管的发射极，其阴极连接于所述第三开关管的集电极。
5.根据权利要求4所述的三电平逆变器，其特征在于，还包括：
所述第五二极管的导通压降小于所述第一二极管与第七二极管的导通压降之和；
所述第六二极管的导通压降小于所述第八二极管与第二二极管的导通压降之和。
6.根据权利要求5所述的三电平逆变器，其特征在于，还包括：
第一电阻单元，所述第一电阻单元连接于所述第七二极管的阳极与所述第二开关管的发射极之间，或，所述第一电阻单元连接于所述第七二极管的阴极与所述第二开关管的集电极之间；
第二电阻单元，所述第二电阻单元连接于所述第八二极管的阳极与所述第三开关管的发射极之间，或，所述第二电阻单元连接于所述第八二极管的阴极与所述第三开关管的集电极之间。
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