CN102904472A - 三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明型涉及电力电子的功率变换设备技术领域，特指一种半桥级联型多电平逆变结构的新型电力电子逆变技术，具体涉及一种三相四线制输出的多电平逆变技术的拓扑结构，可用于三相不对称负载。本发明型是一种新型半桥级联型三相四线制逆变电路，其特征是：在常规三相全桥逆变输出端再分别级联半桥逆变电路，级联的半桥逆变输出端接三相不对称负载，负载中线接至输入直流电源端（可能需要隔直流电容），电路工作时自举电路能自动生成级联半桥的电源，通过适当的调制方法，以及合理分配上下半桥的调制度，能降低逆变电路的峰值电流和逆变纹波。因此输入直流电源可以只有一个，提高了逆变电压利用率，降低了逆变谐波，可直接实现三相四线制逆变输出，可省去输出的工频变压器。

Description

三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路

技术领域

本发明型涉及电力电子的功率变换设备技术领域，特指一种级联型多电平逆变结构的多电平级联逆变的电力电子技术，具体涉及一种三相四线制输出的多电平逆变技术的拓扑结构，可应用于三相不对称负载。 

背景技术

由于普通三相逆变电源应用于不对称负载时，可能会对负载造成严重的不良后果，目前应用于三相不对称负载的三相四线制输出逆变电源的电路，为克服常规三相逆变电源的缺陷，国内外学者作了许多的研究。方案一是采用两等量电容串联，负载中线与两电容串联接连点相连，这种方案缺点是电压利用低，SPWM调制下，相电压利用率最大只有0.5，还存在中点电位浮动问题；方案二是采用三相四桥臂，负载中线与第四桥臂中点相连，缺点是控制方案复杂；方案三是插入△/Y0三相变压器；方案四是采用三相六桥臂，每两个桥臂构成一相逆变，即组合式，但输出需一个变压器，方案三和方案四均因存在工频变压器，三相四线制输出逆变电源存在重量、体积较大等问题。 

发明内容

本发明型是一种半桥级联型三相四线制逆变电路，具有多电平逆变的一些特点，而输入直流电源可以只有一个，电路工作时能利用自举电路自动生成级联电源，提供半桥级联逆变电路的电源，从而大大提高了电压利用率，通过适当接线，可直接实现三相四线制逆变输出，可应用于三相不对称负载，省去了输出的工频变压器。 

为实现上述目的，本发明型采用如下技术方案，一种利用自举电路生成级联电源的多电平逆变电路，所述的每相逆变电路由N个半桥逆变电路级连而成（N=2、3、4、…。），其特征为：在每相半桥级联逆变电路中的第一级的半桥逆变由输入直流电源供电，其余半桥级联逆变电路的电源均由输入的直流电源通过自举得到供电。 

通过采用上述方案，这种自举生成级联电源的三相四线制多电平逆变电路，通过适当的控制方式，生成各级联半桥逆变的供电电源的直流成分电压值基本与第一级的输入直流电源电压值基本相等。那么通过适当的中线联接方式，即可省去输出的工频变压器，从而大大降低了整机重量，也减小了体积和成本及材料。 

本发明型的进一步设置是：第一种电路为每相半桥级联逆变的下一级半桥逆变电路的输出端，连接至上一个级联半桥逆变电路的电源滤波电容负极，上下相邻两半桥级联逆变电路的电源滤波电容正极均连接有级联功率开关器件，当N=2时，三相负载的中线将直接连至输入直流电源的正端，当N＞2时，三相负载的中线将通过串联隔直流电容再连接至输入直流的电源正端；第二种电路为每相半桥级联逆变的下一级半桥逆变电路的输出端，连接至上一个级联半桥逆变电路的电源滤波电容正极，上下相邻两半桥级联逆变电路的电源滤波电容负极均连接有级联功率开关器件，当N=2时，三相负载的中线将直接连至输入直流的电源负端，当N＞2时，三相负载的中线将通过串联隔直流电容再连接至输入直流的电源负端。 

通过进一步技术方案，达到的技术效果是。 

（1）各相逆变均为多级半桥级联逆变电路，各相负载的中线连接至输入直流电源端，从而达到三相四线制逆变输出。 

（2）各级联半桥电源，均可由自举电路得到，也可以各半桥电源实行独立供电。 

（3）当只用一个输入直流电源时，相电压逆变电压利用率最大可达0.5N，N为级联数，而线电压利用率最大可达0.866N，大幅提高了电压利用率，也降低了功率器件的耐压要求。 

（4）相电压逆变输出电平数为N+1个。 

（5）当各半桥级联逆变电路采用载波相移SPWM调制法时，由于这种方法能实现增频效果，则各半桥级联逆变电路的级联功率开关器件频率将大大降低，也就降低了功率器件的开关损耗。 

下面结合附图对本发明型作进一步描述。 

附图说明

图1   三相四线制级联多电平逆变基本电路之一（N=2）。 

图2   三相四线制级联多电平逆变基本电路之二（N=2）。 

图3   三相四线制级联多电平逆变基本电路之三（N＞2）。 

图4   三相四线制级联多电平逆变基本电路之四（N＞2）。 

具体实施方式

    图1和图2是本发明型的基本逆变电路的N=2的两个类型。以图1为例，E是输入直流电源，C21~C23是其自举储能电容，也即电源滤波电容，SA1~SA4、SB1~SB4、SC1~SC4、S21~S23等是电力开关器件，S21、S22和S23是级联电力开关器件。SA1和SA2是第一级半桥级联逆变电路的器件，SA3和SA4是第二级半桥级联逆变电路的器件，其它类推。在工作时，S21和SA1的工作是同步的，同理S22和SB1的工作也是同步的。具体工作原理：以N=2的A相逆变为例，当上下两半桥均在PWM调制下时，每半桥输出逆变基波，以及0.5E数值的直流电位，E为输入直流电源电压值，因此两半桥级联输出的直流电位刚好为E，那么三相负载中线可以接至输入直流电源的正端，可以省去输出的工频变压器以及中线的隔直流电容。 

图1为两个级联逆变电路，利用CPS-SPWM调制法时，为多载波双极性调制方法，载波为两个相差180°的三角波，调制波为一个相同的正弦波，逆变输出为两个SPWM波的叠加，等效于两个半桥级联逆变电路后的交流电相加。这种方法的特点是：功率器件工作频率较低，能实现逆变输出载波的增频，可以使开关频率还降低了一倍。

    由于图1的第二级联半桥电源须由第一级联电源通过自举电路得到电能，而自举电路生成的第二级联电能，与第一级联半桥PWM调制度相关较大，因此第一级联的PWM调制可适当小一些，而第二级联半桥PWM调制度可大一些。甚至第二级联可用基波频率的方波调制，而第一级仍为PWM调制。 

其它各图工作原理与上类似。 

Claims (5)

1.一种三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路，所述的多电平逆变电路由三相半桥级联逆变电路组成，其特征为：每相逆变由N个半桥级联组成，每相半桥级联逆变电路中的第一级半桥逆变电源均由输入直流电源共同供电，其余半桥级联逆变电路的电源均第一级的输入直流电源通过自举电路得到供电，每一相电路结构是相同的。

2.根据权利要求1所述的三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路，其中一种特征为：第一级为三个半桥并联，其中A相第一级半桥逆变输出端接第二级联半桥的供电电源负端（或第二级联半桥的供电电源滤波电容负端），同理第二级半桥逆变输出端接第三级联半桥的供电电源负端（或第三级联半桥的供电电源滤波电容负端），如此可有N个级联（N=2、3、4、…），并且各级联半桥的电源正端（或各级联半桥的供电电源滤波电容正端）间连接有自举电路用的级联电力开关器件，最后一级半桥逆变输出端为A相逆变输出；B相逆变电路和C相逆电路的级联方法与A相是相同的；当N=2时，三相负载的中线将直接连至输入直流的电源正端，当N＞2时，三相负载的中线将通过串联隔直流电容再连接至输入直流的电源正端。

3.根据权利要求1所述的三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路，另一种电路其特征为：第一级为三个半桥并联，其中A相第一级半桥逆变输出端接第二级联半桥的供电电源正端（或第二级联半桥的供电电源滤波电容正端），同理第二级半桥逆变输出端接第三级联半桥的供电电源正端（或第三级联半桥的供电电源滤波电容正端），如此可有N个级联（N=2、3、4、…），并且各级联半桥的电源负端（或各级联半桥的供电电源滤波电容负端）间连接有自举电路用的级联电力开关器件，最后一级半桥逆变输出端为A相逆变输出；B相逆变电路和C相逆电路的级联方法与A相是相同的；变当N=2时，三相负载的中线将直接连至输入直流的电源负端，当N＞2时，三相负载的中线将通过串联隔直流电容再连接至输入直流的电源负端。

4.根据权利要求1所述的三相四线制输出的半桥级联型多电平逆变电路，为使级联半桥获得更多电能和减小自举电路充电峰值电流，方法有二：方法之一是使第一级半桥逆变的PWM调制度要比其它各级联半桥PWM调制小；方法之二是使最后的级联半桥采用与逆变基波频率相同的方波调制，其它逆变半桥仍为PWM调制。

5. 所述的级联功率开关器件为电力电子开关器件或者只用二极管。

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