CN103401453A - 三相电流型多电平逆变器拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三相电流型多电平逆变器拓扑结构，包括第一桥臂（1）、第二桥臂（2）、第三桥臂（3）、第一电流源（I1）和第二电流源（I2）；第一电流源的输出端与第一桥臂（1）的a3脚相连接；第一桥臂的a1脚与第二桥臂（2）的b1脚并联连接在负载（4）上；第一桥臂的a2脚和第三桥臂的c2脚并联连接在负载上；第三桥臂的c1脚和第二桥臂（2）的b2脚并联连接在负载上；第二桥臂（2）的b3脚连接在第一电流源（I1）的输入端；第三桥臂（3）的c3脚连接在第二电流源（I2）的输入端；第三桥臂（3）的c1脚连接在第二电流源（I2）的输出端。该三相电流型多电平逆变器拓扑结构无需中性线就可直接带三相负载，又能灵活采用各种PWM调制策略。
Description
技术领域
本发明涉及一种三相电流型多电平逆变器拓扑结构。
背景技术
多电平逆变器具有输出功率大、器件开关频率低、等效开关频率高、输出谐波小、动态响应快、传输频带宽、电磁兼容性好等特点。按照直流侧供电电源方式不同，多电平逆变器可分为电压型和电流型两种基本拓扑。目前，多电平电压型逆变器（VSI）经过多年的研究和发展，在拓扑结构、调制方式、谐波特性、控制性能、直流电压平衡等方面都已取得了丰硕的研究成果，并继续成为研究的热点。然而，相对于多电平VSI，多电平电流型逆变器（CSI）也具有自身的特点，例如，CSI用于电机驱动具有动态响应快、回馈制动方便等特点，CSI用来作为感应加热电源时工作更稳定、应用更加普遍等。但是，回顾近几年有关多电平CSI的研究工作，将其与多电平VSI的研究成果相比，两者还存在不少差距，尤其是在三相电路拓扑构造、脉冲宽度(PWM)调制策略的灵活运用等方面。
构造结构合理的多电平CSI拓扑，特别是三相拓扑，是多电平CSI研究工作的前提与基础。对于三相多电平CSI拓扑，由于三相电流之间存在相互耦合，因此不能再单相多电平CSI拓扑基础上直接通过桥臂扩展的方法进行构造。另外，由于三相逆变器对应的拓扑图是非平面的，根据图论的观点，也不能再三相多电平VSI拓扑基础上直接运用对偶变换来构造三相多电平CSI拓扑。因此，目前的研究成果还基本局限于利用多个逆变器单元的组合来构造三相多电平CSI拓扑。
在现有技术中，有些提出了一种三相分相式5电平CSI拓扑，但其需要引入中性线并且中性线上要流过负载电流，它的实用性受到限制。有些提出了三相直接式多电平CSI拓扑，实质上还是两组逆变单元的并联结构，采用的是特定开关组合方式下的阶梯波调制方法，虽然控制比较简单，但并没有真正实现PWM调制。还有些提出了一类通用型三相多电平CSI拓扑，将多组逆变单元通过分流电感进行并联连接，调制策略基本局限于载波相移SPWM技术，随着组合单元数的增加均流控制也将变得越复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种无需中性线就可直接带三相负载，又能灵活采用各种PWM调制策略的三相电流型多电平逆变器拓扑结构。
本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下结构的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一电流源和第二电流源；
所述的第一电流源的输出端与所述的第一桥臂的a3脚相连接；所述的第一桥臂的a1脚与所述的第二桥臂的b1脚并联连接在负载上；所述的第一桥臂的a2脚和第三桥臂的c2脚并联连接在负载上；所述的第三桥臂的c1脚和第二桥臂的b2脚并联连接在负载上；所述的第二桥臂的b3脚连接在所述的第一电流源的输入端；所述的第三桥臂的c3脚连接在所述的第二电流源的输入端；所述的第三桥臂的c1脚连接在所述的第二电流源的输出端。
采用以上结构后，本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，与现有技术相比，具有以下优点：
本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构是以三相飞跨电容箝位多电平电压型逆变器作为原始拓扑，通过对偶变换推导出来的，即三相飞跨电容箝位多电平电压型逆变器包括三个桥臂，将该逆变器的第三个桥臂独立出来，并连接到新增加的一个等值独立电压源上，适当调整桥臂的位置，并将三相负载连接成三角形方式，整理后得到一种带双电压源的三相飞跨电容箝位电压型多电平逆变器拓扑。该拓扑所对应的图是平面的，因此可以直接运用打点法来推导其对偶拓扑，从而得到三相电流型多电平逆变器拓扑。由于本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构是从三相电压型多电平逆变器通过对偶变换而得到的，因此所有适用于三相电压型多电平逆变器的PWM调制策略都可以在该类拓扑中应用。
三相电流型多电平逆变器拓扑结构有（2n+1）电平，n为大于等于1的正整数；所述的第一桥臂包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅰ；
所述的第一桥臂包括a个不同电平的第一桥臂分流单元，该a个不同电平的第一桥臂分流单元从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，a为大于等于2的正整数；
所述的第一桥臂的从右往左第一列的第一桥臂分流单元包括一个最小分流单元Ⅰ；所述的第一桥臂的从右往左第二列的第一桥臂分流单元包括两个最小分流单元Ⅰ，两个最小分流单元Ⅰ的其中一个输出端相连接且连接点与从右往左第一列的第一桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅰ的输入端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅰ的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅰ的下边的输出端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅰ的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅰ的上边的输出端连接；所述的第一桥臂的从右往左第三列到第a-1列的第一桥臂分流单元分别包括数量与该第一桥臂分流单元的列数相对应的最小分流单元Ⅰ，每列的最小分流单元Ⅰ均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅰ的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅰ的输入端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅰ的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的下边的输出端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅰ的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的上边的输出端连接；所述的第一桥臂的从右往左第a列的第一桥臂分流单元包括a个最小分流单元Ⅰ，a个最小分流单元Ⅰ排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅰ的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边的最小分流单元Ⅰ的输入端连接，最下边的最小分流单元Ⅰ的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的下边的输出端连接，最上边的最小分流单元Ⅰ的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的上边的输出端连接，a个最小分流单元Ⅰ的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的上边的输出端为所述的第一桥臂的a2脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ的下边的输出端为所述的第一桥臂的a1脚；所述的第一桥臂的从右往左第a列的a个最小分流单元Ⅰ的输入端的连接点为所述的第一桥臂的a3脚。
所述的第二桥臂包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅱ；所述的第二桥臂包括b个不同电平的第二桥臂分流单元，该b个不同电平的第二桥臂分流单元从右到左呈横卧金字塔形状依次排列，b为大于等于2的正整数；
所述的第二桥臂的从右往左第一列的第二桥臂分流单元包括一个最小分流单元Ⅱ；所述的第二桥臂的从右往左第二列的第二桥臂分流单元包括两个最小分流单元Ⅱ，两个最小分流单元Ⅱ的其中一个输入端相连接且连接点与从右往左第一列的第二桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅱ的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅱ的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅱ的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅱ的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅱ的上边的输入端连接；所述的第二桥臂的从右往左第三列到第b-1列的第二桥臂分流单元分别包括数量与该第二桥臂分流单元的列数相对应的最小分流单元Ⅱ，每列的最小分流单元Ⅱ均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅱ的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅱ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅱ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的上边的输入端连接；所述的第二桥臂的从右往左第b列的第二桥臂分流单元包括b个最小分流单元Ⅱ，b个最小分流单元Ⅱ排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅱ的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅱ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅱ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的上边的输入端连接，b个最小分流单元Ⅱ的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的上边的输入端为所述的第二桥臂的b1脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ的下边的输入端为所述的第二桥臂的b2脚；所述的第二桥臂的从右往左第b列的b个最小分流单元Ⅱ的输出端的连接点为所述的第二桥臂的b3脚。
所述的第三桥臂包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅲ；所述的第三桥臂包括c个不同电平的第三桥臂分流单元，该c个不同电平的第三桥臂分流单元从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，c为大于等于2的正整数；所述的第三桥臂的从左往右第一列的第三桥臂分流单元包括一个最小分流单元Ⅲ；所述的第三桥臂的从左往右第二列的第三桥臂分流单元包括两个最小分流单元Ⅲ，两个最小分流单元Ⅲ的其中一个输入端相连接且连接点与从左往右第一列的第三桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅲ的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅲ的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅲ的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅲ的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元中的最小分流单元Ⅲ的上边的输入端连接；所述的第三桥臂的从左往右第三列到第c-1列的第三桥臂分流单元分别包括数量与该第三桥臂分流单元的列数相对应的最小分流单元Ⅲ，每列的最小分流单元Ⅲ均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅲ的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅲ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅲ的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ的上边的输入端连接；所述的第三桥臂的从左往右第c列的第三桥臂分流单元包括c个最小分流单元Ⅲ，c个最小分流单元Ⅲ排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅲ的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅲ的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅲ的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ的上边的输入端连接，c个最小分流单元Ⅲ的输入端相互连接；
从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ的上边的输入端为所述的第三桥臂的c2脚；从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ的下边的输入端为所述的第三桥臂的c1脚；所述的第三桥臂的从左往右第c列的c个最小分流单元Ⅲ的输出端的连接点为所述的第三桥臂的c3脚。
所述的最小分流单元Ⅰ包括一个等值分流电感Ⅰ和两个开关管Ⅰ；所述的两个开关管Ⅰ均包括一个有源开关Ⅰ和一个快恢复二极管Ⅰ，两个有源开关Ⅰ的漏极相连接且连接点与等值分流电感Ⅰ的一端连接，两个有源开关Ⅰ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅰ的阳极连接；所述的等值分流电感Ⅰ的自由端为最小分流单元Ⅰ的输入端，所述的两个快恢复二极管Ⅰ的阴极为最小分流单元Ⅰ的两个输出端。
所述的最小分流单元Ⅱ包括一个等值分流电感Ⅱ和两个开关管Ⅱ；所述的两个开关管Ⅱ均包括一个有源开关Ⅱ和一个快恢复二极管Ⅱ，两个有源开关Ⅱ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅱ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅱ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅱ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅱ的漏极为最小分流单元Ⅱ的输入端，所述的等值分流电感Ⅱ的自由端为最小分流单元Ⅱ的输出端。
所述的最小分流单元Ⅲ包括一个等值分流电感Ⅲ和两个开关管Ⅲ；所述的两个开关管Ⅲ均包括一个有源开关Ⅲ和一个快恢复二极管Ⅲ，两个有源开关Ⅲ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅲ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅲ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅲ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅲ的漏极为最小分流单元Ⅲ的输入端，所述的等值分流电感Ⅲ的自由端为最小分流单元Ⅲ的输出端。
附图说明
图1是本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构的结构示意图。
图2是本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构的第一桥臂的结构示意图。
图3是本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构的第二桥臂的结构示意图。
图4是本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构的第三桥臂的结构示意图。
图5是本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构的具体实施例。
图6是三电平PD-PWM原理示意图。
图7是三电平电流波形。
图8是五电平电流波形。
图9是电流i a谐波频谱图。
图中所示：1、第一桥臂，1.1、第一桥臂分流单元，1.1.1、最小分流单元Ⅰ，2、第二桥臂，2.1、第二桥臂分流单元，2.1.1、最小分流单元Ⅱ，3、第三桥臂，3.1、第三桥臂分流单元，3.1.1、最小分流单元Ⅲ ，4、负载，I1、第一电流源，I2、第二电流源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
请参阅图1 所示，本发明的三相电流型多电平逆变器拓扑结构包括包括第一桥臂1、第二桥臂2、第三桥臂3、第一电流源I1和第二电流源I2。
所述的第一电流源I1的输出端与所述的第一桥臂1的a3脚相连接。所述的第一桥臂1的a1脚与所述的第二桥臂2的b1脚并联连接在负载4上。所述的第一桥臂1的a2脚和第三桥臂3的c2脚并联连接在负载4上。所述的第三桥臂3的c1脚和第二桥臂2的b2脚并联连接在负载4上。所述的第二桥臂2的b3脚连接在所述的第一电流源I1的输入端。所述的第三桥臂3的c3脚连接在所述的第二电流源I2的输入端。所述的第三桥臂3的c1脚连接在所述的第二电流源I2的输出端。
请一并参阅图2所示，三相电流型多电平逆变器拓扑结构有（2n+1）电平，n为大于等于1的正整数；所述的第一桥臂1包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅰ1.1.1；
所述的第一桥臂1包括a个不同电平的第一桥臂分流单元1.1，该a个不同电平的第一桥臂分流单元1.1从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，a为大于等于2的正整数；
所述的第一桥臂1的从右往左第一列的第一桥臂分流单元1.1包括一个最小分流单元Ⅰ1.1.1；所述的第一桥臂1的从右往左第二列的第一桥臂分流单元1.1包括两个最小分流单元Ⅰ1.1.1，两个最小分流单元Ⅰ1.1.1的其中一个输出端相连接且连接点与从右往左第一列的第一桥臂分流单元1.1中的最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元1.1中的最小分流单元Ⅰ1.1.1的下边的输出端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元1.1中的最小分流单元Ⅰ1.1.1的上边的输出端连接；所述的第一桥臂1的从右往左第三列到第a-1列的第一桥臂分流单元1.1分别包括数量与该第一桥臂分流单元1.1的列数相对应的最小分流单元Ⅰ1.1.1，每列的最小分流单元Ⅰ1.1.1均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅰ1.1.1的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的下边的输出端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的上边的输出端连接；所述的第一桥臂1的从右往左第a列的第一桥臂分流单元1.1包括a个最小分流单元Ⅰ1.1.1，a个最小分流单元Ⅰ1.1.1排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅰ1.1.1的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端连接，最下边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的下边的输出端连接，最上边的最小分流单元Ⅰ1.1.1的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的上边的输出端连接，a个最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的上边的输出端为所述的第一桥臂1的a2脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ1.1.1的下边的输出端为所述的第一桥臂1的a1脚；所述的第一桥臂1的从右往左第a列的a个最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端的连接点为所述的第一桥臂1的a3脚。
请一并参阅图3所示，所述的第二桥臂2包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅱ2.1.1；所述的第二桥臂2包括b个不同电平的第二桥臂分流单元2.1，该b个不同电平的第二桥臂分流单元2.1从右到左呈横卧金字塔形状依次排列，b为大于等于2的正整数；
所述的第二桥臂2的从右往左第一列的第二桥臂分流单元2.1包括一个最小分流单元Ⅱ2.1.1；所述的第二桥臂2的从右往左第二列的第二桥臂分流单元2.1包括两个最小分流单元Ⅱ2.1.1，两个最小分流单元Ⅱ2.1.1的其中一个输入端相连接且连接点与从右往左第一列的第二桥臂分流单元2.1中的最小分流单元Ⅱ2.1.1的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元2.1中的最小分流单元Ⅱ2.1.1的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元2.1中的最小分流单元Ⅱ2.1.1的上边的输入端连接；所述的第二桥臂2的从右往左第三列到第b-1列的第二桥臂分流单元2.1分别包括数量与该第二桥臂分流单元2.1的列数相对应的最小分流单元Ⅱ2.1.1，每列的最小分流单元Ⅱ2.1.1均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅱ2.1.1的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的上边的输入端连接；所述的第二桥臂2的从右往左第b列的第二桥臂分流单元2.1包括b个最小分流单元Ⅱ2.1.1，b个最小分流单元Ⅱ2.1.1排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅱ2.1.1的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅱ2.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的上边的输入端连接，b个最小分流单元Ⅱ2.1.1的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的上边的输入端为所述的第二桥臂2的b1脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ2.1.1的下边的输入端为所述的第二桥臂2的b2脚；所述的第二桥臂2的从右往左第b列的b个最小分流单元Ⅱ2.1.1的输出端的连接点为所述的第二桥臂2的b3脚。
请一并参阅图4所示，所述的第三桥臂3包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅲ3.1.1；所述的第三桥臂3包括c个不同电平的第三桥臂分流单元3.1，该c个不同电平的第三桥臂分流单元3.1从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，c为大于等于2的正整数；所述的第三桥臂3的从左往右第一列的第三桥臂分流单元3.1包括一个最小分流单元Ⅲ3.1.1；所述的第三桥臂3的从左往右第二列的第三桥臂分流单元3.1包括两个最小分流单元Ⅲ3.1.1，两个最小分流单元Ⅲ3.1.1的其中一个输入端相连接且连接点与从左往右第一列的第三桥臂分流单元3.1中的最小分流单元Ⅲ3.1.1的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元3.1中的最小分流单元Ⅲ3.1.1的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元3.1中的最小分流单元Ⅲ3.1.1的上边的输入端连接；所述的第三桥臂3的从左往右第三列到第c-1列的第三桥臂分流单元3.1分别包括数量与该第三桥臂分流单元3.1的列数相对应的最小分流单元Ⅲ3.1.1，每列的最小分流单元Ⅲ3.1.1均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅲ3.1.1的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的上边的输入端连接；所述的第三桥臂3的从左往右第c列的第三桥臂分流单元3.1包括c个最小分流单元Ⅲ3.1.1，c个最小分流单元Ⅲ3.1.1排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅲ3.1.1的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅲ3.1.1的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的上边的输入端连接，c个最小分流单元Ⅲ3.1.1的输入端相互连接；
从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的上边的输入端为所述的第三桥臂3的c2脚；从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ3.1.1的下边的输入端为所述的第三桥臂3的c1脚；所述的第三桥臂3的从左往右第c列的c个最小分流单元Ⅲ3.1.1的输出端的连接点为所述的第三桥臂3的c3脚。
所述的最小分流单元Ⅰ1.1.1包括一个等值分流电感Ⅰ和两个开关管Ⅰ；所述的两个开关管Ⅰ均包括一个有源开关Ⅰ和一个快恢复二极管Ⅰ，两个有源开关Ⅰ的漏极相连接且连接点与等值分流电感Ⅰ的一端连接，两个有源开关Ⅰ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅰ的阳极连接；所述的等值分流电感Ⅰ的自由端为最小分流单元Ⅰ1.1.1的输入端，所述的两个快恢复二极管Ⅰ的阴极为最小分流单元Ⅰ1.1.1的两个输出端。所述的最小分流单元Ⅱ2.1.1包括一个等值分流电感Ⅱ和两个开关管Ⅱ；所述的两个开关管Ⅱ均包括一个有源开关Ⅱ和一个快恢复二极管Ⅱ，两个有源开关Ⅱ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅱ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅱ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅱ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅱ的漏极为最小分流单元Ⅱ2.1.1的输入端，所述的等值分流电感Ⅱ的自由端为最小分流单元Ⅱ2.1.1的输出端。所述的最小分流单元Ⅲ3.1.1包括一个等值分流电感Ⅲ和两个开关管Ⅲ；所述的两个开关管Ⅲ均包括一个有源开关Ⅲ和一个快恢复二极管Ⅲ，两个有源开关Ⅲ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅲ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅲ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅲ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅲ的漏极为最小分流单元Ⅲ3.1.1的输入端，所述的等值分流电感Ⅲ的自由端为最小分流单元Ⅲ3.1.1的输出端。
请一并参阅图5所示，图5所示的为三相电流型五电平逆变器拓扑，三相电流型五电平逆变器拓扑的工作原理为：
1. 5电平电流产生机理
在第一桥臂中，假设总直流输入电流为2I dc，则分流电感L 1、L 2、L 3上流过的电流均为I dc，由于与分流电感连接在同一端点的两个开关分别工作在互补状态，可以得到i a1输出三电平电流的工作方式：
（1）S p1、S p2、S c2导通时：i a1 = +2I dc；
（2）S p1、S n2、S c1或S p2、S n1、S c2导通：i a1 = + I dc ；
（3）S n1、S n2、S c1导通：i a1 = 0；
同理，在第二桥臂中，可以得到i b1的三电平电流产生方式：
（1）S p1 ’、S p2 ’、S c2 ’导通时：i b1 = +2I dc；
（2）S p1 ’、S n2 ’、S c1 ’或S p2 ’、S n1 ’、S c2 ’导通：i b1 = +I dc；
（3）S n1 ’、S n2 ’、S c1 ’导通：i b1= 0。
由图5可知，a相的输出总电流i a= i a1-i b1，由于i a1和i b1都为三电平电流，两者相减后就可获得五电平的输出电流，即a相输出总电流i a为五电平电流。同理，可以推导出b、c两相输出电流i b、i c的五电平产生方式。其实，五电平电流的产生机理与三相电压型多电平逆变器中五电平电压的产生方式完全一致，即输出的相电压为三电平，而相电压之差就产生了五电平的线电压。
2.多载波 PWM调制策略的实现
由于该类三相电流型多电平拓扑是从三相电压型多电平逆变器通过对偶变换而得到的，因此所有适用于三相电压型多电平逆变器的PWM调制策略都可以在该类拓扑中应用。
以采用最常用的多载波SPWM技术为例，由于只需控制3电平电流的产生方式，则一共需要两组三角载波，此时APOD-PWM和POD-PWM的载波排列方式完全相同。因此只需研究PD-PWM和POD-PWM这两种调制方案即可，为节省篇幅本文仅以PD-PWM为例进行分析，其原理示意图如图6所示。图中，W a、W b、W c为三相调制波，W C1、W C2为三角载波。根据五电平电流产生机理，表1列出了当i a1输出三电平电流时，PD-PWM技术所对应的开关状态译码关系。同理，可以列出其它两相的开关状态译码关系。
表1 PD-PWM技术的开关状态译码表
3. 五电平电流的输出波形
在图7中，分别示出了电流i a1、i b1的波形，都为三电平的PWM波形。
在图8中，示出了输出总电流i a的波形，是由电流i a1波形减去i b1波形而得到，且为五电平的PWM波形。
图9给出了输出总电流i a的谐波频谱，不含载波谐波分量，谐波主要以边带谐波为主，获得了与电压型五电平PD-PWM 相同的谐波性能。
Claims (7)
1.一种三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：包括第一桥臂（1）、第二桥臂（2）、第三桥臂（3）、第一电流源（I1）和第二电流源（I2）；
所述的第一电流源（I1）的输出端与所述的第一桥臂（1）的a3脚相连接；所述的第一桥臂（1）的a1脚与所述的第二桥臂（2）的b1脚并联连接在负载（4）上；所述的第一桥臂（1）的a2脚和第三桥臂（3）的c2脚并联连接在负载（4）上；所述的第三桥臂（3）的c1脚和第二桥臂（2）的b2脚并联连接在负载（4）上；所述的第二桥臂（2）的b3脚连接在所述的第一电流源（I1）的输入端；所述的第三桥臂（3）的c3脚连接在所述的第二电流源（I2）的输入端；所述的第三桥臂（3）的c1脚连接在所述的第二电流源（I2）的输出端。
2.根据权利要求1所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：三相电流型多电平逆变器拓扑结构有（2n+1）电平，n为大于等于1的正整数；所述的第一桥臂（1）包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）；
所述的第一桥臂（1）包括a个不同电平的第一桥臂分流单元（1.1），该a个不同电平的第一桥臂分流单元（1.1）从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，a为大于等于2的正整数；
所述的第一桥臂（1）的从右往左第一列的第一桥臂分流单元（1.1）包括一个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）；所述的第一桥臂（1）的从右往左第二列的第一桥臂分流单元（1.1）包括两个最小分流单元Ⅰ（1.1.1），两个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的其中一个输出端相连接且连接点与从右往左第一列的第一桥臂分流单元（1.1）中的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元（1.1）中的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的下边的输出端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另外一个输出端与从右往左第一列的第一桥臂分流单元（1.1）中的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的上边的输出端连接；所述的第一桥臂（1）的从右往左第三列到第a-1列的第一桥臂分流单元（1.1）分别包括数量与该第一桥臂分流单元（1.1）的列数相对应的最小分流单元Ⅰ（1.1.1），每列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的下边的输出端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的上边的输出端连接；所述的第一桥臂（1）的从右往左第a列的第一桥臂分流单元（1.1）包括a个最小分流单元Ⅰ（1.1.1），a个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的相邻的两个输出端相互连接且连接点一一对应的与右边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端连接，最下边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的下边的输出端连接，最上边的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的另一个输出端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的上边的输出端连接，a个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的上边的输出端为所述的第一桥臂（1）的a2脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的下边的输出端为所述的第一桥臂（1）的a1脚；所述的第一桥臂（1）的从右往左第a列的a个最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端的连接点为所述的第一桥臂（1）的a3脚。
3.根据权利要求2所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：所述的第二桥臂（2）包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）；所述的第二桥臂（2）包括b个不同电平的第二桥臂分流单元（2.1），该b个不同电平的第二桥臂分流单元（2.1）从右到左呈横卧金字塔形状依次排列，b为大于等于2的正整数；
所述的第二桥臂（2）的从右往左第一列的第二桥臂分流单元（2.1）包括一个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）；所述的第二桥臂（2）的从右往左第二列的第二桥臂分流单元（2.1）包括两个最小分流单元Ⅱ（2.1.1），两个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的其中一个输入端相连接且连接点与从右往左第一列的第二桥臂分流单元（2.1）中的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元（2.1）中的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另外一个输入端与从右往左第一列的第二桥臂分流单元（2.1）中的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的上边的输入端连接；所述的第二桥臂（2）的从右往左第三列到第b-1列的第二桥臂分流单元（2.1）分别包括数量与该第二桥臂分流单元（2.1）的列数相对应的最小分流单元Ⅱ（2.1.1），每列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的上边的输入端连接；所述的第二桥臂（2）的从右往左第b列的第二桥臂分流单元（2.1）包括b个最小分流单元Ⅱ（2.1.1），b个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与右边一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的上边的输入端连接，b个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输入端相互连接；
从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的上边的输入端为所述的第二桥臂（2）的b1脚；从右往左第一列的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的下边的输入端为所述的第二桥臂（2）的b2脚；所述的第二桥臂（2）的从右往左第b列的b个最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输出端的连接点为所述的第二桥臂（2）的b3脚。
4.根据权利要求3所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：所述的第三桥臂（3）包括1/2n（n+1）个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）；所述的第三桥臂（3）包括c个不同电平的第三桥臂分流单元（3.1），该c个不同电平的第三桥臂分流单元（3.1）从左到右呈横卧金字塔形状依次排列，c为大于等于2的正整数；所述的第三桥臂（3）的从左往右第一列的第三桥臂分流单元（3.1）包括一个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）；所述的第三桥臂（3）的从左往右第二列的第三桥臂分流单元（3.1）包括两个最小分流单元Ⅲ（3.1.1），两个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的其中一个输入端相连接且连接点与从左往右第一列的第三桥臂分流单元（3.1）中的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输出端连接，该第二列的下边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元（3.1）中的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的下边的输入端连接，该第二列的上边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另外一个输入端与从左往右第一列的第三桥臂分流单元（3.1）中的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的上边的输入端连接；所述的第三桥臂（3）的从左往右第三列到第c-1列的第三桥臂分流单元（3.1）分别包括数量与该第三桥臂分流单元（3.1）的列数相对应的最小分流单元Ⅲ（3.1.1），每列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）均排成一列，每列的两个相邻的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输出端连接，每列的最下边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的下边的输入端连接，每列的最上边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的上边的输入端连接；所述的第三桥臂（3）的从左往右第c列的第三桥臂分流单元（3.1）包括c个最小分流单元Ⅲ（3.1.1），c个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）排成一列，两个相邻的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的相邻的两个输入端相互连接且连接点一一对应的与左边一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输出端连接，最下边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另一个输入端与从右往左第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的下边的输入端连接，最上边的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的另一个输入端与从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的上边的输入端连接，c个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输入端相互连接；
从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的上边的输入端为所述的第三桥臂（3）的c2脚；从左往右第一列的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的下边的输入端为所述的第三桥臂（3）的c1脚；所述的第三桥臂（3）的从左往右第c列的c个最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输出端的连接点为所述的第三桥臂（3）的c3脚。
5.根据权利要求2所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：所述的最小分流单元Ⅰ（1.1.1）包括一个等值分流电感Ⅰ和两个开关管Ⅰ；所述的两个开关管Ⅰ均包括一个有源开关Ⅰ和一个快恢复二极管Ⅰ，两个有源开关Ⅰ的漏极相连接且连接点与等值分流电感Ⅰ的一端连接，两个有源开关Ⅰ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅰ的阳极连接；所述的等值分流电感Ⅰ的自由端为最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的输入端，所述的两个快恢复二极管Ⅰ的阴极为最小分流单元Ⅰ（1.1.1）的两个输出端。
6.根据权利要求3所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：所述的最小分流单元Ⅱ（2.1.1）包括一个等值分流电感Ⅱ和两个开关管Ⅱ；所述的两个开关管Ⅱ均包括一个有源开关Ⅱ和一个快恢复二极管Ⅱ，两个有源开关Ⅱ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅱ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅱ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅱ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅱ的漏极为最小分流单元Ⅱ的输入端，所述的等值分流电感Ⅱ的自由端为最小分流单元Ⅱ（2.1.1）的输出端。
7. 根据权利要求4所述的三相电流型多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：所述的最小分流单元Ⅲ（3.1.1）包括一个等值分流电感Ⅲ和两个开关管Ⅲ；所述的两个开关管Ⅲ均包括一个有源开关Ⅲ和一个快恢复二极管Ⅲ，两个有源开关Ⅲ的发射极均与一个快恢复二极管Ⅲ的阳极连接，两个快恢复二极管Ⅲ的阴极相连接且连接点与等值分流电感Ⅲ的一端相连接；所述的两个有源开关Ⅲ的漏极为最小分流单元Ⅲ的输入端，所述的等值分流电感Ⅲ的自由端为最小分流单元Ⅲ（3.1.1）的输出端。
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