CN103475249A

CN103475249A - 一种多电平逆变器

Info

Publication number: CN103475249A
Application number: CN2013104125035A
Authority: CN
Inventors: 胡炎申
Original assignee: Huawei Technologies Co Ltd
Current assignee: Huawei Digital Power Technologies Co Ltd
Priority date: 2013-09-11
Filing date: 2013-09-11
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2033-09-11
Also published as: CN103475249B

Abstract

本发明实施例公开了一种多电平逆变器。本发明实施例方法包括：双向升压变换器、低直流母线模块和I型逆变器，I型逆变器根据三电平拓扑得到；双向升压变换器用于向I型逆变器输出高直流母线电压；低直流母线模块用于接收直流电源输入的直流电压，并向I型逆变器输出低直流母线电压；I型逆变器用于接收双向升压变换器输出的高直流母线电压，和/或低直流母线模块输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。本实施例是在I型三电平拓扑的基础上，通过增加低直流母线模块支路的形式，实现变换器在不同模态下的多电平工作，结构简单，工作可靠。

Description

一种多电平逆变器

技术领域

本发明涉及电子领域，尤其涉及一种多电平逆变器。

背景技术

常规逆变器主要由整流器、逆变器和充电器组成，其中，整流器用于在市电工作模式下实现输入PFC功能，在电池放电模式下提升电池电压至BUS电压；充电器用于实现市电模式下向电池充电的功能；而逆变器用于把直流BUS电压转换为交流电压，然后提供给负载。

现有技术中的逆变系统通过如下方式来实现逆变器的功能：采用基于T型三电平改进的五电平逆变器，采用双向开关续流桥臂，还使用双母线来实现输出正弦波电压叠加，从而得到输出中点电压的五电平。但需要大量使用功率器件，并且在控制和驱动上比较复杂，成本昂贵，并且这种五电平逆变器从基础T字型三电平演变而来，桥臂功率管电压应力较高。

发明内容

本发明实施例提供了一种多电平逆变器，结构简单，工作可靠。

本发明第一方面提供了一种多电平逆变器，包括：

双向升压变换器、低直流母线模块和I型逆变器，I型逆变器根据三电平拓扑得到；

双向升压变换器用于向I型逆变器输出高直流母线电压；

低直流母线模块用于接收直流电源输入的直流电压，并向I型逆变器输出低直流母线电压；

I型逆变器用于接收双向升压变换器输出的高直流母线电压，和/或低直流母线模块输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。

在第一种可能的实现方式中，I型逆变器包括4个开关管，4个开关管构成竖桥臂结构。

根据第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，开关管为场效应管或绝缘栅双极晶体管。

根据第一方面、第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，I型逆变器还包括：用于续流的I型拓扑钳位二极管。

根据第一方面、第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第四种可能的实现方式中，双向升压变换器包括正向升压变换器和负向升压变换器。

根据第一方面、第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第五种可能的实现方式中，当输入电压大于输出电压时，双向升压变换器的旁路二极管导通，双向升压变换器直接向I型逆变器输出高直流母线电压，I型逆变器为三电平工作。

根据第一方面、第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第六种可能的实现方式中，当输入电压小于输出电压时，I型逆变器接收高直流母线电压，以及低直流母线电压，I型逆变器为五电平工作。

根据第一方面、第一种可能的实现方式，或第二种可能的实现方式，在第七种可能的实现方式中，低直流母线模包括两个三极管，两个三极管为T型结构，两个三极管通过二极管连接正输入电压和负输入电压。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例包括采用双向升压变换器10、低直流母线模块20和I型逆变器30，其中，I型逆变器30根据三电平拓扑得到；双向升压变换器10用于向I型逆变器30输出高直流母线电压；低直流母线模块20用于接收直流电源输入的直流电压，并向I型逆变器30输出低直流母线电压；I型逆变器30用于接收双向升压变换器10输出的高直流母线电压，和/或低直流母线模块20输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。本实施例是在I型三电平拓扑的基础上，通过增加低直流母线模块20支路的形式，实现变换器在不同模态下的多电平工作，结构简单，工作可靠，并且可以减小输出滤波电感的感量、体积和尺寸，从而降低器件成本，还可以降低输出电压、电流谐波，提高了交流侧电能质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例中多电平逆变器的电路图；

图2是本发明实施例中多电平逆变器的主要工作波形图。

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，本领域技术人员在没有做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。

本发明实施例提供了一种多电平逆变器，结构简单，工作可靠。以下分别详细说明，具体可参阅图1至图2。

实施例一

本发明实施例提供了一种多电平逆变器，本实施例中的多电平逆变器适用于单相逆变电路、还可以是三相逆变电路、有中性线或无中性线的逆变系统。为了描述方便，本实施例以单相逆变电路为例进行详细说明，三相电路与此相似。

一种多电平逆变器，具体可以包括：双向升压变换器10、低直流母线模块20和I型逆变器30，I型逆变器30根据三电平拓扑得到；双向升压变换器10用于向I型逆变器30输出高直流母线电压；低直流母线模块20用于接收直流电源输入的直流电压，并向I型逆变器30输出低直流母线电压；I型逆变器30用于接收双向升压变换器10输出的高直流母线电压，和/或低直流母线模块20输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。请参阅图1，图1是本实施例中多电平逆变器的电路图，其中，图1是以单相电路为例进行详细说明。

优选的，I型逆变器30包括4个开关管，4个开关管构成竖桥臂结构。可选的，本实施例中的开关管可以为场效应管（MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）或绝缘栅双极晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）。本实施将以该开关管为MOSFET为例进行详细说明。

例如，如图1中的Q61、Q79、Q62和Q80这四个功率开关管构成I型结构的竖桥臂。

优选的，该I型逆变器30还可以包括:用于续流的I型拓扑钳位二极管。例如，如图1中所示的D116和D117，这两个I型拓扑钳位二极管用于续流。

优选的，低直流母线模块包括两个三极管，两个三极管为T型结构，两个三极管通过二极管连接正输入电压和负输入电压。例如，如图1所示的Q58和Q59。该低直流母线模块可以为I型逆变器30输入低直流母线电压。

优选的，双向升压变换器10（即双Boost变换器，以下简称为双Boost变换器）包括正Boost变换器和负Boost变换器，即正向升压变换器和负向升压变换器。该双Boost变换器10可以为I型逆变器30输入高直流母线电压。

具体情况可以如下：

1、当输入电压大于输出电压时：

此时为高直流电压模式，双Boost变换器10的旁路二极管导通，双Boost变换器10直接向I型逆变器30输出高直流母线电压，I型逆变器30为三电平工作。

2、当输入电压小于输出电压时：

此时为低直流电压模式，I型逆变器30接收高直流母线电压，以及低直流母线电压，I型逆变器30为五电平工作。

需说明的是，由图1可知，本实施例中的功率开关管集中放置，有利于提高器件利用率，便于集成在单个功率模块内进一步降低模块的寄生参数、电压应力、及功率损耗等。

应当理解的是，本实施例中的功率开关管可以是MOSFET、IGBT、或其他开关器件；在数量上也不做限制，可以是一个，还可以是多个串联、或直接并联构成，或电路上实现交错并联。

由上可知，本发明实施例包括采用双Boost变换器10、低直流母线模块20和I型逆变器30，其中，I型逆变器30根据三电平拓扑得到；双Boost变换器10用于向I型逆变器30输出高直流母线电压；低直流母线模块20用于接收直流电源输入的直流电压，并向I型逆变器30输出低直流母线电压；I型逆变器30用于接收双Boost变换器10输出的高直流母线电压，和/或低直流母线模块20输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。本实施例是在I型三电平拓扑的基础上，通过增加低直流母线模块20支路的形式，实现变换器在不同模态下的多电平工作，结构简单，工作可靠，并且可以减小输出滤波电感的感量、体积和尺寸，从而降低器件成本，还可以降低输出电压、电流谐波，提高了交流侧电能质量。

实施例二

下面以一个具体应用例对本发明技术方案进行详细描述。其中，该逆变器适用于单相逆变电路、还可以是三相逆变电路、有中性线或无中性线的逆变系统。为了描述方便，本实施例以单相逆变电路为例进行详细说明，三相电路与此相似。具体可参阅图1或图2：

图1中，Q61、Q79、Q62、Q80组成I型结构的竖桥臂、其输入为高直流母线，通过Q58、Q59、D114、D115实现低直流母线输入，D116、D117为I型拓扑的钳位二极管，实现续流功能。

根据直流输入电压的高低，逆变器可以工作在高直流电压模式或者是低直流电压模式，其中，高直流电压模式中，输入电压大于输出电压；低直流电压模式中，输入电压小于输出电压。下面将进行详细说明：

模态1：输入电压大于输出电压（也就是高直流电压模式）

此时双Boost变换器10无需工作，其旁路二极管D110导通，向I型逆变器30输出高直流母线电压。竖桥臂中Q79常通，Q61工作在高频开关状态，同时Q58也工作在高频开关状态。

其中，Q58、D114支路与D110、Q61构成并联关系，可以降低功率器件的通态损耗。

其中，D116、D114、及Q79构成续流通路，得到输出电压中点的零电平。

由上可知，在高直流电压模式下，I型逆变器30为并联三电平工作，能够降低功率器件的通态损耗。

模态2：输入电压小于输出电压（也就是低直流电压模式）

输出正弦波电压波形可分为两段：输出电压小于输入电压Vin；输出电压大于输入电压Vin，从而存在以下两种工作情况：

此时双Boost变换器10开始工作，其开关管Q57、及二极管D113高频开关工作，将输入直流能量存储在双Boost母线电容C44、C46中。此时，I型变换器工作于双直流母线模式：C44为其提供高直流电压、C46为其提供低直流电压，同时I型变换器为五电平工作。

输出电压正弦波峰值附近区域时，输出电压大于输入电压，Q79常通，Q61工作在高频开关状态，Q58、D114构成续流通路，得到输出电压中点电平为高母线电压、及输入电压。输出电压正弦波半腰以下区域时，输出电压小于输入电压，Q79常通，Q58工作在高频开关状态，D116、D114构成续流通路，得到输出电压中点电平为输入电压、及零。因此，正弦波正半周时输出电压中点可得到三种电平：母线电压、输入电压及零电平。

需说明的是，本实施例中的多电平逆变器的输出电压正弦波负半周与此相似，此处不再赘述。

具体可参阅图2，图2是本实施例中多电平逆变器的主要工作波形图。

需说明的是，具体实施可参见上述实施例，此处不再赘述。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上对本发明所提供的一种多电平逆变器进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种多电平逆变器，其特征在于，包括：

双向升压变换器、低直流母线模块和I型逆变器，所述I型逆变器根据三电平拓扑得到；

所述双向升压变换器用于向所述I型逆变器输出高直流母线电压；

所述低直流母线模块用于接收直流电源输入的直流电压，并向所述I型逆变器输出低直流母线电压；

所述I型逆变器用于接收所述双向升压变换器输出的高直流母线电压，和/或所述低直流母线模块输出的低直流母线电压，并转换为交流电输出到负载。

2.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，

所述I型逆变器包括4个开关管，所述4个开关管构成竖桥臂结构。

3.根据权利要求2所述的多电平逆变器，其特征在于，

所述开关管为场效应管或绝缘栅双极晶体管。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，

所述I型逆变器还包括：用于续流的I型拓扑钳位二极管。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，

所述双向升压变换器包括正向升压变换器和负向升压变换器。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，

当输入电压大于输出电压时，所述双向升压变换器的旁路二极管导通，所述双向升压变换器直接向所述I型逆变器输出高直流母线电压，所述I型逆变器为三电平工作。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，

当输入电压小于输出电压时，所述I型逆变器接收所述高直流母线电压，以及所述低直流母线电压，所述I型逆变器为五电平工作。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的多电平逆变器，其特征在于，

所述低直流母线模包括两个三极管，所述两个三极管为T型结构，所述两个三极管通过二极管连接正输入电压和负输入电压。