CN102969924A

CN102969924A - 一种新型电压型多电平逆变器

Info

Publication number: CN102969924A
Application number: CN2012104422662A
Authority: CN
Inventors: 郭小强; 彭勇钢; 王立乔
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: HUAXIA TIANXIN INTELLIGENT INTERNET OF THINGS Co.,Ltd.
Priority date: 2012-11-07
Filing date: 2012-11-07
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2032-11-07
Also published as: CN102969924B

Abstract

本发明公开的一种新型电压型多电平逆变器，输入电源个数n到n+1扩展时，功率开关管个数从2n+2到2n+4规律递增，当输入电源电压相同时实现输出电平数从2n+1到2n+3变化，即增加一个电源则增加两个功率开关管及两个电平数，与现有经典多电平逆变器相比，新型电压型多电平逆变器使用的功率开关管和隔离驱动均少，无需箝位二极管、飞跨电容等，部分功率开关管处于低频工作状态，开关次数少，降低了开关损耗；新型电压型多电平逆变器采用一维空间矢量调制，调制方法简单，运算速度快，合理利用冗余矢量，提高了逆变器输出电能质量，符合可再生能源和新能源发电技术需要的，适用于多输入电源场合的新型逆变器，（其中n≧1的整数）。

Description

一种新型电压型多电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术直流-交流变换器领域的一种逆变器，尤其涉及一种多输入电源电压型多电平逆变器。

背景技术

逆变器是指通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能变换成交流电能的一种电力电子变换器，其作用是把从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量较差的直流原始电能，变换为电能质量较高、能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。多电平逆变器通过输出多个电平拟合输出波型，减小输出波形的失真，降低了功率开关管的电压应力，因此中大容量场合，多电平逆变器得到广泛应用。传统的中点箝位式<NPC>多电平逆变器，如图7所示，中点箝位式<NPC>七电平逆变器，包括1个输入电源U，6个输入直流电容C₁、C₂······C₆，30个箝位二极管D₁、D₂······D₃₀，12个功率开关管S₁、S₂······S₁；飞跨电容式<FCs>多电平逆变器，如图8所示，飞跨电容式<FCs>七电平逆变器，包括1个输入电源U，6个输入直流电容C₁、C₂······C₆，15个飞跨电容C₁、C₂······C₁₅，12个功率开关管S₁、S₂······S₁₂；级联H桥式<CHB>多电平逆变器，如图9所示，级联H桥式<CHB>七电平逆变器，包括3个输入电源U₁、U₂、U₃，3个输入直流电容C₁、C₂、C₃，12个功率开关管S₁、S₂······S₁₂。增加输出电平数时需要增加的功率器件较多。随着世界能源的短缺和环境污染的日益严重，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注，大量的可再生能源都是直流电，必须使用逆变器把它变换成工频交流电才能大量应用。因此，逆变技术的研究和使用有着至关重要的作用。

发明内容

为了解决传统电压型多电平逆变器功率开关管数多和电平数少的问题，本发明提供了一种新型电压型多电平逆变器，与现有经典多电平逆变器相比，在输出电平数相同的情况下，新型电压型多电平逆变器使用功率开关管和隔离驱动均少，无需箝位二极管、飞跨电容等，部分功率开关管处于低频工作状态，开关次数少，降低了开关损耗。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种新型电压型多电平逆变器，包括n个输入电源，2n+2个功率开关管，电源自上向下顺序排列，第一电源正极在左侧，负极在右侧；第二电源正极在右侧，负极在左侧；第三电源正极在左侧，负极在右侧；依此类推，电源极性方向交替变化；功率开关管分列电源两侧，左侧功率开关管自上向下编号分别为“一、三、五、…”等奇数编号，右侧功率开关管自上向下编号分别为“二、四、六、…”等偶数编号；两个滤波电感，第一滤波电感的一端与第一功率开关管的发射极和第二功率开关管的集电极相连，第一电源的正极与第一功率开关管的集电极和第三功率开关管的集电极相连，第一电源的负极与第二功率开关管的发射极和第四功率开关管的发射极相连，第二电源的正极与第四功率开关管的集电极和第六功率开关管的集电极相连，第二电源的负极与第三功率开关管的发射极和第五功率开关管的发射极相连，第三电源的正极与第五功率开关管的集电极和第七功率开关管的集电极相连，第三电源的负极与第六功率开关管的发射极和第八功率开关管的发射极相连，当n为大于3的偶数时，依次顺序连接后续电源与功率开关管的组合结构，第n个电源的正极与第2n功率开关管的集电极和第2n+2功率开关管的集电极相连，第n电源的负极与第2n-1功率开关管的发射极和第2n+1功率开关管的发射极相连，第n+1个电源的正极与第2n+1功率开关管的集电极和第2n+3功率开关管的集电极相连，第n+1电源的负极与第2n+2功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的发射极相连，第二滤波电感的一端与第2n+3功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的集电极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关的开关动作；采用电源与功率开关管的组合扩展，构成新型电压型多电平逆变电路，输入电源个数从n到n+1扩展时，功率开关管个数从2n+2到2n+4，规律递增，（其中n≧1的整数）。

滤波电感构成的滤波器是L型滤波器结构、LC型滤波器结构或LCL型滤波器结构。

由于采用上述技术方案，本发明的新型电压型多电平逆变器，与现有经典多电平逆变器（中点箝位式<NPC>多电平逆变器、飞跨电容式<FCs>多电平逆变器、级联H桥式<CHB>多电平逆变器）相比，使用功率开关管和隔离驱动均少（共发射极的功率开关管共用一个隔离驱动），无需箝位二极管、飞跨电容等，部分功率开关管处于低频工作状态，开关次数少，降低了开关损耗，电源与功率开关管组合成的基本扩展电路方便提高输出电平数；表1为电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器与经典七电平逆变器使用器件对比；新型电压型多电平逆变器采用一维空间矢量调制，调制方法简单，运算速度快，合理利用冗余矢量，提高了逆变器输出电能质量，符合可再生能源和新能源发电技术需要的，适用于多输入电源场合的新型逆变器。

表1 新型电压型七电平逆变器与经典七电平逆变器使用器件对比

从表1可以看出，新型电压型七电平逆变器与现有经典七电平逆变器（参见附图7到9）相比，使用的输入直流电容、功率开关管、隔离驱动均少，无需箝位二极管、飞跨电容。

附图说明

图1是电源级数为n+1时的新型电压型多电平逆变器电路图

图2是电源级数n=3时的新型电压型七电平逆变器电路图

图3是电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器一维控制矢量图

图4是电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器一维空间矢量控制框图

图5是电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器输出波形图

图6是电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器驱动波形图

图7是中点箝位式<NPC>七电平逆变器电路图

图8是飞跨电容式<FCs>七电平逆变器电路图

图9是级联H桥式<CHB>七电平逆变器电路图

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种新型电压型多电平逆变器，包括n个输入电源，2n+2个功率开关管，电源自上向下顺序排列，第一电源正极在左侧，负极在右侧；第二电源正极在右侧，负极在左侧；第三电源正极在左侧，负极在右侧；依此类推，电源极性方向交替变化；功率开关管分列电源两侧，左侧功率开关管自上向下编号分别为“一、三、五、…”等奇数编号，右侧功率开关管自上向下编号分别为“二、四、六、…”等偶数编号；两个滤波电感，第一滤波电感的一端与第一功率开关管的发射极和第二功率开关管的集电极相连，第一电源的正极与第一功率开关管的集电极和第三功率开关管的集电极相连，第一电源的负极与第二功率开关管的发射极和第四功率开关管的发射极相连，第二电源的正极与第四功率开关管的集电极和第六功率开关管的集电极相连，第二电源的负极与第三功率开关管的发射极和第五功率开关管的发射极相连，第三电源的正极与第五功率开关管的集电极和第七功率开关管的集电极相连，第三电源的负极与第六功率开关管的发射极和第八功率开关管的发射极相连，当n为大于3的偶数时，依次顺序连接后续电源与功率开关管的组合结构，第n个电源的正极与第2n功率开关管的集电极和第2n+2功率开关管的集电极相连，第n电源的负极与第2n-1功率开关管的发射极和第2n+1功率开关管的发射极相连，第n+1个电源的正极与第2n+1功率开关管的集电极和第2n+3功率开关管的集电极相连，第n+1电源的负极与第2n+2功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的发射极相连，第二滤波电感的一端与第2n+3功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的集电极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关的开关动作；采用电源与功率开关管的组合扩展，构成新型电压型多电平逆变电路，输入电源个数从n到n+1扩展时，功率开关管个数从2n+2到2n+4，规律递增，（其中n≧1的整数）。

如图2所示，电源级数n=3时的新型电压型七电平逆变器，包括3个输入电源U₁、U₂、U₃，8个功率开关管S₁、S₂······S₈，两个滤波电感L₁、L₂，第一滤波电感L₁的一端与第一功率开关管S₁的发射极和第二功率开关管S₂的集电极相连，第一电源U₁的正极与第一功率开关管S₁的集电极和第三功率开关管S₃的集电极相连，第一电源U1的负极与第二功率开关管S₂的发射极和第四功率开关管S₄的发射极相连，第二电源U₂的正极与第四功率开关管S₄的集电极和第六功率开关管S₆的集电极相连，第二电源U₂的负极与第三功率开关管S₃的发射极和第五功率开关管S₅的发射极相连，第三电源U₃的正极与第五功率开关管S₅的集电极和第七功率开关管S₇的集电极相连，第三电源U₃的负极与第六功率开关管S₆的发射极和第八功率开关管S₈的发射极相连，第二滤波电感L₂的一端与第七功率开关管S₇的发射极和第八功率开关管S₈的集电极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关的开关动作。

如图3所示，电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器一维控制矢量图，横线下方标注的是输出电平电压（-2E、-E、0、E、2E），横线上方标注的是输出电压对应的开关状态（数字对应功率开关管序号），表2为新型电压型七电平逆变器开关状态、输出电压及功率开关管所受电压应力。

表2七电平逆变器开关状态、输出电压及功率开关管所受电压应力

八开关最多有十六种开关状态，每组桥臂（S₁、S₂）、（S₃、S₄）、（S₅、S₆）、（S₇、S₈）同一时间只能有一个开通，另一个关断，三个电源电压均为E时，S₁、S₂、S₇、S₈功率开关承受一倍输入电压E，中间S₃、S₄、S₅、S₆功率开关承受两倍输入电压2E。

如图4所示，电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器一维空间矢量控制框图，首先计算电平作用时间，用基准正弦电压除以电源电压E减去基准正弦电压除以电源电压E向下取整值得到作用时间t₁，1减t₁得到t₂作用时间；其次选择作用电平及控制矢量，根据基准正弦电压除以电源电压E向下取整值选择作用电平；最后输出驱动进行调制。

如图5所示，电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器输出波形图，其中上中下波形图分别为：负载电流波形图、未经滤波器逆变电压、经过滤波器后输出正弦电压。

如图6所示，电源级数n=3、电源电压均为E时的新型电压型七电平逆变器驱动波形图，其中从上到下八个波形分别是S₁、S₂······S₈功率开关管的驱动波形，可以明显看出S₃、S₄、S₅、S₆功率开关管开关次数低，降低了开关损耗。

Claims

1.一种新型电压型多电平逆变器，包括n个输入电源，2n+2个功率开关管，电源自上向下顺序排列，第一电源正极在左侧，负极在右侧；第二电源正极在右侧，负极在左侧；第三电源正极在左侧，负极在右侧；依此类推，电源极性方向交替变化；功率开关管分列电源两侧，左侧功率开关管自上向下编号分别为“一、三、五、…”等奇数编号，右侧功率开关管自上向下编号分别为“二、四、六、…”等偶数编号；两个滤波电感，第一滤波电感的一端与第一功率开关管的发射极和第二功率开关管的集电极相连，第一电源的正极与第一功率开关管的集电极和第三功率开关管的集电极相连，第一电源的负极与第二功率开关管的发射极和第四功率开关管的发射极相连，第二电源的正极与第四功率开关管的集电极和第六功率开关管的集电极相连，第二电源的负极与第三功率开关管的发射极和第五功率开关管的发射极相连，第三电源的正极与第五功率开关管的集电极和第七功率开关管的集电极相连，第三电源的负极与第六功率开关管的发射极和第八功率开关管的发射极相连，当n为大于3的偶数时，依次顺序连接后续电源与功率开关管的组合结构，第n个电源的正极与第2n功率开关管的集电极和第2n+2功率开关管的集电极相连，第n电源的负极与第2n-1功率开关管的发射极和第2n+1功率开关管的发射极相连，第n+1个电源的正极与第2n+1功率开关管的集电极和第2n+3功率开关管的集电极相连，第n+1电源的负极与第2n+2功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的发射极相连，第二滤波电感的一端与第2n+3功率开关管的发射极和第2n+4功率开关管的集电极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关的开关动作；采用电源与功率开关管的组合扩展，构成新型电压型多电平逆变电路，输入电源个数从n到n+1扩展时，功率开关管个数从2n+2到2n+4，规律递增，（其中n≧1的整数）。

2.根据权利要求1所述的新型电压型多电平逆变器，其特征在于：所述滤波电感（L₁、L₂）构成的滤波器是L型滤波器结构、LC型滤波器结构或LCL型滤波器结构。