CN103683876A - 一种七电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种七电平逆变器,包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感,并且本发明实施例提供的七电平逆变器在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出,因此相比于五电平逆变器,效率更高,从而减少了输出电压和电流的谐波含量。此外,本发明逆变器还具有体积较小、开关管的电压应力小、适合输入更高电压的场合等优点。 

Description

一种七电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域,尤其是涉及一种七电平逆变器。
背景技术
近年来,多电平技术越来越受关注,相比传统的两电平技术,多电平技术具有器件开关应力低,开关损耗小,输出滤波器小以及谐波含量小的特点。例如图1为一种常见的二极管钳位型的五电平逆变器。
然而,相对于图1所示的五电平逆变器,如何进一步提高逆变器的效率,从而减少输出电压和电流的谐波含量,是目前人们比较关心的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种七电平逆变器,相对于五电平逆变器,进一步提高逆变器的效率,从而进一步减少输出电压和电流的谐波含量。
为此,本发明解决技术问题的技术方案是:
本发明提供了一种七电平逆变器,所述逆变器包括:第一直流升压电路、第二直流升压电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、第四电容单元、第一电感和第二电感;
所述第一直流升压电路的第一输入端连接直流电源的正极、所述第二电容单元的第一端、所述第九开关管的第一端、第一支路的第一端和第三支路的第一端;
所述第一支路包括串联的所述第一开关管和所述第一二极管;其中,所述第一二极管使得电流从所述第一支路的第一端流向第二端;所述第一开关管的第一端连接所述第一支路的第一端,或者所述第一开关管的第二端连接所述第一支路的第二端;
所述第三支路包括串联的所述第七开关管和所述第五二极管;其中,所述第五二极管使得电流从所述第三支路的第二端流向第一端;所述第七开关管的第一端连接所述第三支路的第一端,或者所述第七开关管的第二端连接所述第三支路的第二端;
所述第一直流升压电路的第二输入端连接所述第一直流升压电路的第一输出端、所述第二直流升压电路的第二输入端、所述第二直流升压电路的第一输出端、所述第一电容单元的第二端、所述第二电容单元的第二端、所述第三电容单元的第一端、所述第四电容单元的第一端、所述第二二极管的正极和所述第三二极管的负极;
所述第一直流升压电路的第二输出端连接所述第一电容单元的第一端、所述第五开关管的第一端和所述第七二极管的负极;
所述第二直流升压电路的第一输入端连接所述直流电源的负极、所述第三电容单元的第二端、所述第十开关管的第二端、第二支路的第一端和第四支路的第一端;
所述第二支路包括串联的所述第四开关管和所述第四二极管;其中,所述第四二极管使得电流从所述第二支路的第二端流向第一端;所述第四开关管的第一端连接所述第二支路的第二端,或者所述第四开关管的第二端连接所述第二支路的第一端;
所述第四支路包括串联的所述第八开关管和所述第六二极管;其中,所述第六二极管使得电流从所述第四支路的第一端流向第二端;所述第八开关管的第一端连接所述第四支路的第一端,或者所述第八开关管的第二端连接所述第四支路的第二端;
所述第二直流升压电路的第二输出端连接所述第四电容单元的第二端、所述第六开关管的第二端和所述第八二极管的正极;
所述第一支路的第二端连接所述第二二极管的负极和所述第二开关管的第一端;
所述第二开关管的第二端连接所述第五开关管的第二端、所述第四支路的第二端、所述第八二极管的负极和所述第一电感的第一端;
所述第三开关管的第一端连接所述第六开关管的第一端、所述第三支路的第二端、所述第七二极管的正极和所述第二电感的第一端;
所述第三开关管的第二端连接所述第三二极管的正极和所述第二支路的第二端;
所述第一电感的第二端连接所述第二电感的第二端,作为所述逆变器的第一交流输出端;所述第九开关管的第二端连接所述第十开关管的第一端,作为所述逆变器的第二交流输出端。
优选地,所述第一开关管导通时,电流从所述第一开关管的第一端流向第二端;所述第二开关管导通时,电流从所述第二开关管的第一端流向第二端;所述第三开关管导通时,电流从所述第三开关管的第一端流向第二端;所述第四开关管导通时,电流从所述第四开关管的第一端流向第二端;所述第五开关管导通时,电流从所述第五开关管的第一端流向第二端;所述第六开关管导通时,电流从所述第六开关管的第一端流向第二端;所述第七开关管导通时,电流从所述第七开关管的第二端流向第一端;所述第八开关管导通时,电流从所述第八开关管的第一端流向第二端;所述第九开关管导通时,电流从所述第九开关管的第一端流向第二端;所述第十开关管导通时,电流从所述第十开关管的第一端流向第二端。
优选地,所述逆变器具有八种有功工作模态,分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态、第六工作模态、第七工作模态和第八工作模态;
所述逆变器处于所述第一工作模态时,所述第五开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第二工作模态时,所述第一开关管、所述第二开关管和所述第十开关管导通,所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第三工作模态时,所述第二开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第四工作模态时,所述第八开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第五工作模态时,所述第六开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第六工作模态时,所述第三开关管、所述第四开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第七工作模态时,所述第三开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第八工作模态时,所述第七开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。
优选地,所述逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段、第二时段、第三时段、第四时段、第五时段、第六时段、第七时段、第八时段、第九时段和第十时段;
在所述第一时段和所述第五时段,所述逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态;
在所述第二时段和所述第四时段,所述逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态;
在所述第三时段,所述逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态;
在所述第六时段和所述第十时段,所述逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态;
在所述第七时段和所述第九时段,所述逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态;
在所述第八时段,所述逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。
优选地,所述逆变器具有八种无功工作模态,分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态;
所述逆变器处于所述第九工作模态时,所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十工作模态时,所述第七开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十一工作模态时,所述第三开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十二工作模态时,所述第三开关管、所述第四开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十三工作模态时,所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十四工作模态时,所述第八开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十五工作模态时,所述第二开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十六工作模态时,所述第一开关管、所述第二开关管和所述第九开关管导通,所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。
优选地,所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在交流电网的两端,所述交流电网的两端还并联滤波电容。
优选地,所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在变压器的原边,所述变压器的副边并联交流电网。
优选地,所述第一直流升压电路包括第三电感、第九二极管和第十一开关管;
所述第三电感的第一端为所述第一直流升压电路的第一输入端;所述第三电感的第二端连接所述第十一开关管的第一端和所述第九二极管的正极;
所述第十一开关管的第二端为所述第一直流升压电路的第一输出端和第二输入端;
所述第九二极管的负极为所述第一直流升压电路的第二输出端。
优选地,所述第二直流升压电路包括第四电感、第十二极管和第十二开关管;
所述第四电感的第一端为所述第二直流升压电路的第一输入端;所述第四电感的第二端连接所述第十二开关管的第二端和所述第十二极管的负极;
所述第十二开关管的第一端为所述第二直流升压电路的第一输出端和第二输入端;
所述第十二极管的正极为所述第二直流升压电路的第二输出端。
通过上述技术方案可知,本发明实施例提供的七电平逆变器包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感,在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出,因此相比于五电平逆变器,效率更高,从而减少了输出电压和电流的谐波含量。
附图说明
图1为现有的一种五电平逆变器的电路图;
图2为本发明提供的七电平逆变器的具体实施例的电路图;
图3为图2所示的实施例连接变压器的电路图;
图4为图2所示的实施例一种可选的电路图;
图5为图2所示的实施例一种可选的电路图;
图6为图2所示的实施例一种可选的电路图;
图7a为图2所示的逆变器的第一工作模态的电路导通图;
图7b为图2所示的逆变器的第二工作模态的电路导通图;
图7c为图2所示的逆变器的第三工作模态的电路导通图;
图7d为图2所示的逆变器的第四工作模态的电路导通图;
图7e为图2所示的逆变器的第五工作模态的电路导通图;
图7f为图2所示的逆变器的第六工作模态的电路导通图;
图7g为图2所示的逆变器的第七工作模态的电路导通图;
图7h为图2所示的逆变器的第八工作模态的电路导通图;
图8为图2所示的逆变器输出的周期信号;
图9a为图2所示的逆变器的第九工作模态的电路导通图;
图9b为图2所示的逆变器的第十工作模态的电路导通图;
图9c为图2所示的逆变器的第十一工作模态的电路导通图;
图9d为图2所示的逆变器的第十二工作模态的电路导通图;
图9e为图2所示的逆变器的第十三工作模态的电路导通图;
图9f为图2所示的逆变器的第十四工作模态的电路导通图;
图9g为图2所示的逆变器的第十五工作模态的电路导通图;
图9h为图2所示的逆变器的第十六工作模态的电路导通图。
具体实施方式
图l为现有技术中提供的二极管嵌位型的五电平逆变器拓扑。然而,相对于图1所示的五电平逆变器,如何进一步提高逆变器的效率,从而减少输出电压和电流的谐波含量,是目前人们比较关心的问题。
本发明实施例提供了一种七电平逆变器,相对于五电平逆变器,进一步提高逆变器的效率,从而进一步减少输出电压和电流的谐波含量。
此外,在图1中,二极管DB1、DB2、DB3、DB4、DB5和DB6均为嵌位式二极管,其作用是为电流提供通路和保护电容不被短路。例如,二极管DB1用于将开关管Tl下端的电位嵌位于电容Cl的下端;二极管DB2用于将开关管T5下端的电位嵌位于电容Cl的下端;其他二极管DB3、DB4、DB5和DB6类似,在此不再赘述。
然而,要达到为电流提供通路和保护电容不被短路的目的,嵌位式二极管则需要阻断多倍电平电压,通常需要多个相同标称值的嵌位式二极管串联,但是基于嵌位式二极管的分散性以及杂散参数的影响,标称值相同的嵌位式二极管所能承受的压力也有所差别,这样串联起来可能引起有的嵌位式二极管两端过电压。因此,需要均压措施和很大的RC(相移电路)吸收电路,但是这样将导致逆变器中的电感和滤波电容的体积庞大,成本增加。
因此,在本发明实施例提供的七电平逆变器中,还进一步解决了逆变器中电感和滤波电容体积庞大的问题,从而节约了成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂,下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
请参阅图2,本发明提供了七电平逆变器的具体实施例,在本实施例中,七电平逆变器包括:第一直流升压电路201、第二直流升压电路202和逆变电路203,逆变电路203包括:第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8、第九开关管QL1、第十开关管QL2、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、第七二极管D7、第八二极管D8、第一电容单元C1、第二电容单元C2、第三电容单元C3、第四电容单元C4、第一电感L1和第二电感L2
第一直流升压电路201的第一输入端连接直流电源DC的正极、第二电容单元C2的第一端、第九开关管QL1的第一端、第一支路的第一端和第三支路的第一端。
第一支路包括串联的第一开关管QH1和第一二极管D1;其中,第一二极管D1使得电流从第一支路的第一端流向第二端;第一开关管QH1的第一端连接第一支路的第一端,或者第一开关管QH1的第二端连接第一支路的第二端。
第三支路包括串联的第七开关管QH7和第五二极管D5;其中,第五二极管D5使得电流从第三支路的第二端流向第一端;第七开关管QH7的第一端连接第三支路的第一端,或者第七开关管QH7的第二端连接第三支路的第二端。
第一直流升压电路201的第二输入端连接第一直流升压电路201的第一输出端、第二直流升压电路202的第二输入端、第二直流升压电路202的第一输出端、第一电容单元C1的第二端、第二电容单元C2的第二端、第三电容单元C3的第一端、第四电容单元C4的第一端、第二二极管D2的正极和第三二极管D3的负极。
第一直流升压电路201的第二输出端连接第一电容单元C1的第一端、第五开关管QH5的第一端和第七二极管D7的负极。
第二直流升压电路202的第一输入端连接直流电源DC的负极、第三电容单元C3的第二端、第十开关管QL2的第二端、第二支路的第一端和第四支路的第一端。
第二支路包括串联的第四开关管QH4和第四二极管D4;其中,第四二极管D4使得电流从第二支路的第二端流向第一端;第四开关管QH4的第一端连接第二支路的第二端,或者第四开关管QH4的第二端连接第二支路的第一端。
第四支路包括串联的第八开关管QH8和第六二极管QH6;其中,第六二极管QH6使得电流从第四支路的第一端流向第二端;第八开关管QH8的第一端连接第四支路的第一端,或者第八开关管QH8的第二端连接第四支路的第二端。
第二直流升压电路202的第二输出端连接第四电容单元C4的第二端、第六开关管QH6的第二端和第八二极管D8的正极。
第一支路的第二端连接第二二极管D2的负极和第二开关管QH2的第一端。
第二开关管QH2的第二端连接第五开关管QH5的第二端、第四支路的第二端、第八二极管D8的负极和第一电感L1的第一端。
第三开关管QH3的第一端连接第六开关管QH6的第一端、第三支路的第二端、第七二极管D7的正极和第二电感L2的第一端。
第三开关管QH3的第二端连接第三二极管D3的正极和第二支路的第二端。
第一电感L1的第二端连接第二电感L2的第二端,作为逆变器的第一交流输出端;第九开关管QL1的第二端连接第十开关管QL2的第一端,作为逆变器的第二交流输出端。
通过上述技术方案可知,本实施例提供的七电平逆变器包括两个直流升压电路、十个开关管、八个二极管、四个电容单元和两个电感,在有功模式和无功模式时均能实现七电平输出,因此相比于五电平逆变器,效率更高,从而减少了输出电压和电流的谐波含量。
此外,本实施例提供的七电平逆变器还具有以下优点:
1、由于存在工频桥臂(即第九开关管QL1、第十开关管QL2构成的桥臂),因此本实施例的母线电压利用率更高,即同样的输出电压,所需的母线电压比图1所示的“1”型多电平方案低很多。
2、由于本实施例是七电平的逆变器,因此相比于图1所示的五电平逆变器,开关管的电压应力更小。例如,第一开关管QH1的电压被嵌位在第二电容单元C2两端的电压,第四开关管QH4的电压被嵌位在第三电容单元C3两端的电压,第二开关管QH2的电压被嵌位在第四电容单元C4两端的电压,第九开关管QL1和第十开关管QL2的电压均被嵌位在第二电容单元C2与第三电容单元C3的两端的电压。
3、本实施例的七电平逆变器中,当第九开关管QL1导通时,第二交流输出端(即图2中的N点)连接第三电容单元C3的第二端,当第十开关管QL2导通时,第二交流输出端(即图2中的N点)连接第二电容单元C2的第一端,而第二交流输出端通常连接电网N线,而电网N线与大地电势相近,因此本实施例中的直流电源DC正极(或负极)相对于大地之间不会出现高频跳变电压,从而提高了逆变器的工作效率和可靠性。
4、本实施例的逆变器由于前级增加了直流升压电路,使得电压输入范围变宽。并且结构简单,器件较少,调制策略简单,无复杂的逻辑电路。
在本实施例中,第一支路包括串联的第一开关管QH1和第一二极管D1;其中,第一二极管D1使得电流从第一支路的第一端流向第二端。此时,可以如图2所示,即第一二极管D1的正极连接第一支路的第一端,第一二极管D1的负极连接第一开关管QH1的第一端,第一开关管QH1的第二端连接第一支路的第二端。或者也可以将图2中的第一开关管QH1和第一二极管D1的位置互换,此时第一开关管QH1的第一端连接第一支路的第一端,第一开关管QH1的第二端连接第一二极管D1的正极,第一二极管D1的负极连接第一支路的第二端。
第二支路包括串联的第四开关管QH4和第四二极管D4;其中,第四二极管D4使得电流从第二支路的第二端流向第一端。此时,可以如图2所示,第四二极管D4的负极连接第二支路的第一端,第四二极管D4的正极连接第四开关管QH4的第二端,第四开关管QH4的第一端连接第二支路的第二端。或者也可以将图2中的第四开关管QH4和第四二极管D4的位置互换,此时第四开关管QH4的第二端连接第二支路的第一端,第四开关管QH4的第一端连接第四二极管D4的负极,第四二极管D4的正极连接第二支路的第二端。
在本实施例中,第三支路包括串联的第七开关管QH7和第五二极管D5;其中,第五二极管D5使得电流从第三支路的第二端流向第一端。此时,可以如图2所示,即第七开关管QH7的第一端连接第三支路的第一端,第七开关管QH7的第二端连接第五二极管D5的负极,第五二极管D5的正极连接第三支路的第二端。或者也可以将图2中的第七开关管QH7和第五二极管D5的位置互换,此时第五二极管D5的负极连接第三支路的第一端,第五二极管D5的正极连接第七开关管QH7的第一端,第七开关管QH7的第二端连接第三支路的第二端。
在本实施例中,第四支路包括串联的第八开关管QH8和第六二极管QH6;其中,第六二极管QH6使得电流从第四支路的第一端流向第二端。此时,可以如图2所示,第八开关管QH8的第一端连接第四支路的第一端,第八开关管QH8的第二端连接第六二极管QH6的正极,第六二极管QH6的负极连接第四支路的第二端。或者也可以将图2中的第八开关管QH8和第六二极管QH6的位置互换,此时第六二极管QH6的正极连接第四支路的第一端,第六二极管QH6的负极连接第八开关管QH8的第一端,第八开关管QH8的第二端连接第四支路的第二端。
如图2所示,在本实施例中,逆变器的两个输出端(即第一交流输出端和第二交流输出端)之间可以连接有交流电网ug。也就是说,第一交流输出端和第二交流输出端并联在交流电网ug的两端,此时交流电网ug的两端还并联滤波电容C0
而为了解决工频跳变而产生的漏电流问题,本发明实施例中的逆变器可以如图3所示,第一交流输出端和第二交流输出端并联在变压器T0的原边,而变压器T0的副边并联交流电网ug,此时交流电网ug还可以并联滤波电容C0
本实施例中的逆变器可以用于光伏发电等领域,因此直流电源DC可以为PV(Photo  Voltaics,光伏)电源等。需要说明的是,图2中以一个直流电源DC为例,实际上,本发明实施例的逆变器可以连接有多个直流电源,例如图4所示,直流电源包括两个串联的直流电源DC1和直流电源DC2,此时,直流电源DC1和直流电源DC2的公共端连接第二电容单元C2和第三电容单元C3的公共端。
在本实施例中,第一电容单元C1、第二电容单元C2、第三电容单元C3和第四电容单元C4均可以为电容组成的单元。每个电容单元所包括的电容的数量不受限定。需要说明的是,本实施例中的第一电容单元C1可以由第二电容单元C2和第五电容单元组成,其中第五电容单元连接在第二电容单元C2的第一端和第一开关管QH1的第一端之间。而第四电容单元C4也可以由第三电容单元C3和第六电容单元组成,其中第六电容单元连接在第三电容单元C3的第二端和第六开关管QH6的第二端之间。例如图5所示,第一电容单元包括第二电容单元C2和第五电容单元C5,第四电容单元包括第三电容单元C3和第六电容单元C6
本实施例的第一直流升压电路201和第二直流升压电路202的可以为任何形式的直流升压电路,例如BOOST电路等,本发明实施例对此不做限定。例如图6所示,第一直流升压电路201可以包括第三电感Lb1、第九二极管Db1和第十一开关管Qb1;其中,第三电感Lb1的第一端为第一直流升压电路201的第一输入端,第三电感Lb1的第二端连接第十一开关管Qb1的第一端和第九二极管Db1的正极,第十一开关管Qb1的第二端为第一直流升压电路201的第一输出端和第二输入端,第九二极管Db1的负极为第一直流升压电路201的第二输出端。第二直流升压电路202可以包括第四电感Lb2、第十二极管Db2和第十二开关管Qb2。其中,第四电感Lb2的第一端为第二直流升压电路202的第一输入端;第四电感Lb2的第二端连接第十二开关管Qb2的第二端和第十二极管Db2的负极;第十二开关管Qb2的第一端为第二直流升压电路202的第一输出端和第二输入端;第十二极管Db2的正极为第二直流升压电路202的第二输出端。
本实施例的第一二极管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、第七二极管D7和第八二极管D8可以为碳化硅二极管、快恢复二极管等。
在本实施例中,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8、第九开关管QL1和第十开关管QL2均可以为任何形式的开关管,例如IGBT、JFET、MOS管等。并且每个开关管的器件本身可以并联反向二极管。若每个开关管都并联反向二极管,则第一开关管QH1导通时,电流从第一开关管QH1的第一端流向第二端,也就是说,第一开关管QH1并联的反向二极管的正极连接第一开关管QH1的第二端,负极连接第一开关管QH1的第一端。第二开关管QH2导通时,电流从第二开关管QH2的第一端流向第二端,第三开关管QH3导通时,电流从第三开关管QH3的第一端流向第二端,第四开关管QH4导通时,电流从第四开关管QH4的第一端流向第二端,第五开关管QH5导通时,电流从第五开关管QH5的第一端流向第二端,第六开关管QH6导通时,电流从第六开关管QH6的第一端流向第二端,第七开关管QH7导通时,电流从第七开关管QH7的第二端流向第一端,第八开关管QH8导通时,电流从第八开关管QH8的第一端流向第二端,第九开关管QL1导通时,电流从第九开关管QL1的第一端流向第二端,第十开关管QL2导通时,电流从第十开关管QL2的第一端流向第二端。
在本实施例中,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7和第八开关管QH8可以为高频开关管,因此在逆变器工作时,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7和第八开关管QH8高频开关动作,第九开关管QL1和第十开关管QL2可以为低频开关管,即工频开关管,因此在逆变器工作时,第九开关管QL1和第十开关管QL2低频开关动作。本发明中所说的高频一般指大于1KHz的频率,而低频一般指的是低于1KHz的频率(一般为工频,例如50hz)。
需要说明的是,本发明实施例提供的逆变器,不但可以应用于需求有功功率的场合,也可以应用于同时需求无功功率和有功功率的场合。并且,当第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7和第八开关管QH8为高频开关管,并且第九开关管QL1和第十开关管QL2为低频开关管时,本实施例中的逆变器,无功工作状态和有功工作状态的电路分开,并且在无功模式时,电流不经过高频开关管的反并联二极管,实现了高频管的无功分离,使得本实施例的拓扑具有较强的无功能力。
如图7a所示,本实施例的逆变器处于第一工作模态时,所述逆变器输出正3电平。此时,第五开关管QH5和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第五开关管QH5→第一电感L1→交流电网ug→第十开关管QL2→第三电容单元C3→第一电容单元。
如图7b所示,本实施例的逆变器处于第二工作模态时,所述逆变器输出正2电平。此时,第一开关管QH1、第二开关管QH2和第十开关管QL2导通,第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第一支路→第二开关管QH2→第一电感L1→交流电网ug→第十开关管QL2→第三电容单元C3→第二电容单元C2
如图7c所示,本实施例的逆变器处于第三工作模态时,所述逆变器输出正1电平。此时,第二开关管QH2和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第二二极管D2→第二开关管QH2→第一电感L1→交流电网ug→第十开关管QL2→第三电容单元C3
如图7d所示,本实施例的逆变器处于第四工作模态时,所述逆变器输出正0电平。此时,第八开关管QH8和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第四支路→第一电感L1→交流电网ug→第十开关管QL2
如图7e所示,本实施例的逆变器处于第五工作模态时,所述逆变器输出负3电平。此时,第六开关管QH6和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第九开关管QL1→交流电网ug→第二电感L2→第六开关管QH6→第四电容单元→第二电容单元C2
如图7f所示,本实施例的逆变器处于第六工作模态时,所述逆变器输出负2电平。此时,第三开关管QH3、第四开关管QH4和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第九开关管QL1→交流电网ug→第二电感L2→第三开关管QH3→第二支路→第三电容单元C3→第二电容单元C2
如图7g所示,本实施例的逆变器处于第七工作模态时,所述逆变器输出负1电平。此时,第三开关管QH3和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第九开关管QL1→交流电网ug→第二电感L2→第三开关管QH3→第三二极管D3→第二电容单元C2
如图7h所示,本实施例的逆变器处于第八工作模态时,所述逆变器输出负0电平。此时,第七开关管QH7和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第九开关管QL1→交流电网ug→第二电感L2→第三支路。
需要说明的是,在逆变器处于上述八个有功工作模态时,第一直流升压电路201和第二直流升压电路202可以是一直处于工作状态,或者第一直流升压电路201至少在第一工作模态时处于工作状态, 第二直流升压电路202至少在第五工作模态时处于工作状态。
在上述八种有功工作模态下,逆变器可以输出周期性的信号。例如图8所示,逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段T1、第二时段T2、第三时段T3、第四时段T4、第五时段T5、第六时段T6、第七时段T7、第八时段T8、第九时段T9和第十时段T10;其中,在第一时段T1、第二时段T2、第三时段T3、第四时段T4和第五时段T5,逆变器输出正电压,在第六时段T6、第七时段T7、第八时段T8、第九时段T9和第十时段T10,逆变器输出负电压。
在第一时段T1和第五时段T5,逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态。此时逆变器交替输出正1和正0电平。
在第二时段T2和第四时段T4,逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态。此时逆变器交替输出正1和正2电平。
在第三时段T3,逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态。此时逆变器交替输出正2和正3电平。
在第六时段T6和第十时段T10,逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态。此时逆变器交替输出负1和负0电平。
在第七时段T7和第九时段T9,逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态。此时逆变器交替输出负1和负2电平。
在第八时段T8,逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。此时逆变器交替输出负2和负3电平。
如图9a-9h所示,本实施例中的逆变器具有八种无功工作模态,分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态。
如图9a所示,本实施例的逆变器处于第九工作模态时,所述逆变器输出正3电平。此时,第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第七二极管D7→第一电容单元→第三电容单元C3→第十开关管QL2→交流电网ug→第二电感L2
如图9b所示,本实施例的逆变器处于第十工作模态时,所述逆变器输出正2电平。此时,第七开关管QH7和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第三支路→第二电容单元C2→第三电容单元C3→第十开关管QL2→交流电网ug→第二电感L2
如图9c所示,本实施例的逆变器处于第十一工作模态时,所述逆变器输出正1电平。此时,第三开关管QH3和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第三开关管QH3→第三二极管D3→第三电容单元C3→第十开关管QL2→交流电网ug→第二电感L2
如图9d所示,本实施例的逆变器处于第十二工作模态时,所述逆变器输出正0电平。此时,第三开关管QH3、第四开关管QH4和第十开关管QL2导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第九开关管QL1关断。电流依次流经:第三开关管QH3→第二支路→第十开关管QL2→交流电网ug→第二电感L2
如图9e所示,本实施例的逆变器处于第十三工作模态时,所述逆变器输出负3电平。此时,第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第八二极管D8→第一电感L1→交流电网ug→第九开关管QL1→第二电容单元C2→第四电容单元。
如图9f所示,本实施例的逆变器处于第十四工作模态时,所述逆变器输出负2电平。此时,第八开关管QH8和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第二开关管QH2、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第四支路→第一电感L1→交流电网ug→第九开关管QL1→第二电容单元C2→第三电容单元C3
如图9g所示,本实施例的逆变器处于第十五工作模态时,所述逆变器输出负1电平。此时,第二开关管QH2和第九开关管QL1导通,第一开关管QH1、第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第二二极管D2→第二开关管QH2→第一电感L1→交流电网ug→第九开关管QL1→第二电容单元C2
如图9h所示,本实施例的逆变器处于第十六工作模态时,所述逆变器输出负0电平。此时,第一开关管QH1、第二开关管QH2和第九开关管QL1导通,第三开关管QH3、第四开关管QH4、第五开关管QH5、第六开关管QH6、第七开关管QH7、第八开关管QH8和第十开关管QL2关断。电流依次流经:第一支路→第二开关管QH2→第一电感L1→交流电网ug→第九开关管QL1
需要说明的是,在逆变器处于上述八个无功工作模态时,第一直流升压电路201和第二直流升压电路202可以是一直处于工作状态,或者第一直流升压电路201至少在第九工作模态时处于工作状态, 第二直流升压电路202至少在第十三工作模态时处于工作状态。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以作出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种七电平逆变器,其特征在于,所述逆变器包括:第一直流升压电路、第二直流升压电路、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第一电容单元、第二电容单元、第三电容单元、第四电容单元、第一电感和第二电感;
所述第一直流升压电路的第一输入端连接直流电源的正极、所述第二电容单元的第一端、所述第九开关管的第一端、第一支路的第一端和第三支路的第一端;
所述第一支路包括串联的所述第一开关管和所述第一二极管;其中,所述第一二极管使得电流从所述第一支路的第一端流向第二端;所述第一开关管的第一端连接所述第一支路的第一端,或者所述第一开关管的第二端连接所述第一支路的第二端;
所述第三支路包括串联的所述第七开关管和所述第五二极管;其中,所述第五二极管使得电流从所述第三支路的第二端流向第一端;所述第七开关管的第一端连接所述第三支路的第一端,或者所述第七开关管的第二端连接所述第三支路的第二端;
所述第一直流升压电路的第二输入端连接所述第一直流升压电路的第一输出端、所述第二直流升压电路的第二输入端、所述第二直流升压电路的第一输出端、所述第一电容单元的第二端、所述第二电容单元的第二端、所述第三电容单元的第一端、所述第四电容单元的第一端、所述第二二极管的正极和所述第三二极管的负极;
所述第一直流升压电路的第二输出端连接所述第一电容单元的第一端、所述第五开关管的第一端和所述第七二极管的负极;
所述第二直流升压电路的第一输入端连接所述直流电源的负极、所述第三电容单元的第二端、所述第十开关管的第二端、第二支路的第一端和第四支路的第一端;
所述第二支路包括串联的所述第四开关管和所述第四二极管;其中,所述第四二极管使得电流从所述第二支路的第二端流向第一端;所述第四开关管的第一端连接所述第二支路的第二端,或者所述第四开关管的第二端连接所述第二支路的第一端;
所述第四支路包括串联的所述第八开关管和所述第六二极管;其中,所述第六二极管使得电流从所述第四支路的第一端流向第二端;所述第八开关管的第一端连接所述第四支路的第一端,或者所述第八开关管的第二端连接所述第四支路的第二端;
所述第二直流升压电路的第二输出端连接所述第四电容单元的第二端、所述第六开关管的第二端和所述第八二极管的正极;
所述第一支路的第二端连接所述第二二极管的负极和所述第二开关管的第一端;
所述第二开关管的第二端连接所述第五开关管的第二端、所述第四支路的第二端、所述第八二极管的负极和所述第一电感的第一端;
所述第三开关管的第一端连接所述第六开关管的第一端、所述第三支路的第二端、所述第七二极管的正极和所述第二电感的第一端;
所述第三开关管的第二端连接所述第三二极管的正极和所述第二支路的第二端;
所述第一电感的第二端连接所述第二电感的第二端,作为所述逆变器的第一交流输出端;所述第九开关管的第二端连接所述第十开关管的第一端,作为所述逆变器的第二交流输出端。
2.根据权利要求1所述的逆变器,其特征在于,所述第一开关管导通时,电流从所述第一开关管的第一端流向第二端;所述第二开关管导通时,电流从所述第二开关管的第一端流向第二端;所述第三开关管导通时,电流从所述第三开关管的第一端流向第二端;所述第四开关管导通时,电流从所述第四开关管的第一端流向第二端;所述第五开关管导通时,电流从所述第五开关管的第一端流向第二端;所述第六开关管导通时,电流从所述第六开关管的第一端流向第二端;所述第七开关管导通时,电流从所述第七开关管的第二端流向第一端;所述第八开关管导通时,电流从所述第八开关管的第一端流向第二端;所述第九开关管导通时,电流从所述第九开关管的第一端流向第二端;所述第十开关管导通时,电流从所述第十开关管的第一端流向第二端。
3.根据权利要求1所述的逆变器,其特征在于,所述逆变器具有八种有功工作模态,分别为第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态、第六工作模态、第七工作模态和第八工作模态;
所述逆变器处于所述第一工作模态时,所述第五开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第二工作模态时,所述第一开关管、所述第二开关管和所述第十开关管导通,所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第三工作模态时,所述第二开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第四工作模态时,所述第八开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第五工作模态时,所述第六开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第六工作模态时,所述第三开关管、所述第四开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第七工作模态时,所述第三开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第八工作模态时,所述第七开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。
4.根据权利要求3所述的逆变器,其特征在于,所述逆变器输出的周期信号在一个周期内分为第一时段、第二时段、第三时段、第四时段、第五时段、第六时段、第七时段、第八时段、第九时段和第十时段;
在所述第一时段和所述第五时段,所述逆变器交替处于第三工作模态和第四工作模态;
在所述第二时段和所述第四时段,所述逆变器交替处于第二工作模态和第三工作模态;
在所述第三时段,所述逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态;
在所述第六时段和所述第十时段,所述逆变器交替处于第七工作模态和第八工作模态;
在所述第七时段和所述第九时段,所述逆变器交替处于第六工作模态和第七工作模态;
在所述第八时段,所述逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模态。
5.根据权利要求1所述的逆变器,其特征在于,所述逆变器具有八种无功工作模态,分别为第九工作模态、第十工作模态、第十一工作模态、第十二工作模态、第十三工作模态、第十四工作模态、第十五工作模态和第十六工作模态;
所述逆变器处于所述第九工作模态时,所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十工作模态时,所述第七开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十一工作模态时,所述第三开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十二工作模态时,所述第三开关管、所述第四开关管和所述第十开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第九开关管关断;
所述逆变器处于所述第十三工作模态时,所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十四工作模态时,所述第八开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十五工作模态时,所述第二开关管和所述第九开关管导通,所述第一开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断;
所述逆变器处于所述第十六工作模态时,所述第一开关管、所述第二开关管和所述第九开关管导通,所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管和所述第十开关管关断。
6.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器,其特征在于,所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在交流电网的两端,所述交流电网的两端还并联滤波电容。
7.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器,其特征在于,所述逆变器的所述第一交流输出端和所述第二交流输出端并联在变压器的原边,所述变压器的副边并联交流电网。
8.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器,其特征在于,所述第一直流升压电路包括第三电感、第九二极管和第十一开关管;
所述第三电感的第一端为所述第一直流升压电路的第一输入端;所述第三电感的第二端连接所述第十一开关管的第一端和所述第九二极管的正极;
所述第十一开关管的第二端为所述第一直流升压电路的第一输出端和第二输入端;
所述第九二极管的负极为所述第一直流升压电路的第二输出端。
9.根据权利要求1至5任意一项所述的逆变器,其特征在于,所述第二直流升压电路包括第四电感、第十二极管和第十二开关管;
所述第四电感的第一端为所述第二直流升压电路的第一输入端;所述第四电感的第二端连接所述第十二开关管的第二端和所述第十二极管的负极;
所述第十二开关管的第一端为所述第二直流升压电路的第一输出端和第二输入端;
所述第十二极管的正极为所述第二直流升压电路的第二输出端。
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