CN103684019A - 一种五电平逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种五电平逆变器，第一全控型功率器件的正极端子与第七全控型功率器件的正极端子连接，第二全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的负极端子连接，第三全控型功率器件的负极端子与第五全控型功率器件的正极端子连接，第三全控型功率器件的正极端子与第四全控型功率器件的正极端子连接，第五全控型功率器件的负极端子与第六全控型功率器件的负极端子连接，第四全控型功率器件的负极端子分别与第六全控型功率器件的正极端子、第一全控型功率器件的负极端子第二全控型功率器件的正极端子连接，第七全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的正极端子连接。此种逆变器的导通损耗低。本发明公开一种五电平逆变器的控制方法。

Description

一种五电平逆变器及其控制方法

技术领域

 本发明涉及一种五电平逆变器及其控制方法，尤其涉及一种导通损耗小的五电平逆变器及其控制方法。

背景技术

 如图1所示，传统五电平电路包括第一至八二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8和第一至六IGBT S1、S2、S1c、S2c、S3、S4，其与电源、第一、二电解电容C1、C2及第一负载R1配合连接，具体来说，所述电源正极分别连接C1的正极及S1、S3的正极端子，S1的负极端子分别与D1的阴极、S2的正极端子连接；所述电源负极分别连接C2的负极和S2c、S4的负极端子，S2c的正极端子分别与S1c的负极端子和D2的阳极连接，C1的负极、C2的正极、D1的阳极和D2的阴极分别接地，而S2的负极端子与S1c的正极端子连接，并共同连接第一负载的一端，而第一负载的另一端分别连接S3的负极端子和S4的正极端子；所述第一至六IGBT S1、S2、S1c、S2c、S3、S4分别与二极管D3、D4、D5、D6、D7、D8反向并联。

其中，第一负载R1根据实际情况确定，图1中以电感与电阻的串联结构为例进行说明。

假设电源电压输出Vdc，所述传统五电平电路能够输出Vdc，Vdc/2，0，-Vdc/2，-Vdc五个电平，与两电平、三电平电路相比具有较低的损耗，同时可以减少输出电流的谐波，减少输出滤波器尺寸。传统五电平电路在风能发电、光伏发电等系统中得到了广泛应用。

如图2所示，传统五电平电路在输出Vdc（即加在第一负载R1两端的电压为Vdc）时，虚线表示电流为正，点划线表示电流为负，不管电流正或负，电流输出都需要经过三个功率器件，具有较高的导通损耗。

如图3所示，传统五电平电路在输出Vdc/2（即加在第一负载R1两端的电压为Vdc/2）时，虚线表示电流为正，点划线表示电流为负，不管电流正或负，电流输出都需要经过三个功率器件，具有较高的导通损耗。

如图4所示，传统五电平电路在输出0（即加在第一负载R1两端的电压为Vdc/2）时，虚线表示电流为正，点划线表示电流为负，不管电流正或负，电流输出都需要经过三个功率器件，具有较高的导通损耗。

综上，传统的五电平电路具有较高的导通损耗，有待改进。

发明内容

 本发明的目的，在于提供一种导通损耗低的五电平逆变器。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种五电平逆变器，具有第一至三输入端和第四、五输出端，第一至三输入端与电源、第三、四电解电容配合连接，第四、五输出端与第二负载连接，所述五电平逆变器的第一输入端分别连接电源正极与第三电解电容的正极，第二输入端分别连接电源负极与第四电解电容的负极，第三输入端分别连接第三电解电容的负极与第四电解电容的正极，且第三输入端接地，第四输出端连接第二负载的正极，第五输出端连接第二负载的负极；其特征在于：所述五电平逆变器包括第一至八全控型功率器件，第一全控型功率器件的正极端子与第七全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第一输入端；第二全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的负极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第二输入端；第三全控型功率器件的负极端子与第五全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第三输入端；第三全控型功率器件的正极端子与第四全控型功率器件的正极端子连接，第五全控型功率器件的负极端子与第六全控型功率器件的负极端子连接，第四全控型功率器件的负极端子分别与第六全控型功率器件的正极端子、第一全控型功率器件的负极端子第二全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第四输出端；第七全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第五输出端；且各个全控型功率器件均带有一个反并联二极管，所述第三、四、五和第六全控型功率器件采用Mosfet。

进一步的，所述第一、二、七、八全控型功率器件采用Mosfet或IGBT。

进一步的，所述Mosfet为CoolMosfet。

为了达成上述目的，本发明还提供一种五电平逆变器的控制方法，用于控制所述五电平逆变器工作在如下五种状态：

第一种状态：打开第一和第八全控型功率器件，关闭开第二至第七全控型功率器件，此时输出电压是Vdc，其中，Vdc表示电源电压；

第二种状态：关闭第一、二和第七全控型功率器件，打开第三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路输出Vdc/2；

第三种状态：打开第二和第八全控型功率器件，关闭第一、第三至第七全控型功率器件，电路输出0；打开第一和第七全控型功率器件，关闭第二、三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路输出0；

第四种状态：打开第二和第七全控型功率器件，关闭第一、三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路可以输出-Vdc；

第五种状态：关闭第一、第二和第八全控型功率器件，打开第三至第七全控型功率器件，电路输出-Vdc/2。

采用上述方案后，本发明将Mosfet加入五电平逆变器，并与IGBT的结合，显著地降低导通损耗，提高效率。尤其是在光伏等新能源系统中，系统通常会工作于较低的功率范围，本发明对于降低导通损耗的作用将更加明显。

附图说明

 图1是传统五电平电路图。

图2是传统五电平电路输出Vdc时的电流路径图。

图3是传统五电平电路输出Vdc/2时的电流路径图。

图4是传统五电平电路输出0时的电流路径图。

图5是本发明实施例的五电平逆变器电路图。

图6是图5的五电平逆变器输出Vdc时电路正半周的电流路径图。

图7是图5的五电平逆变器输出Vdc/2时电路正半周的电流路径图。

图8是图5的五电平逆变器输出0时电路正半周的电流路径图。

图9是图5的五电平逆变器输出-Vdc时电路负半周的电流路径图。

图10是图5的五电平逆变器输出-Vdc/2时电路负半周的电流路径图。

图11是图5的五电平逆变器输出0时电路负半周的电流路径图。

具体实施方式

 以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图5所示，一种五电平逆变器，与电源、第三、四电解电容C3、C4、第二负载R2连接，包括第一至八全控型功率器件，下面分别介绍。

在电力电子范围内, 全控型功率器件一般都指IGBT或者Mosfet。所述第三、四、五、六全控型功率器件采用Mosfet，且分别带有反并联二极管，如图5中的T3、T4、T5、T6，而第一、二、七、八全控型功率器件T1、T2、T7、T8可采用Mosfet或IGBT，且在同一电路结构中，T1、T2、T7、T8采用的类型可以不同，在本实施例中，所述T1、T2、T7、T8分别与一个反并联二极管D10、D11、D13、D14连接。特别的，本实施例中的Mosfet选用CoolMosfet，可使逆变器损耗更低。在本实施例中，第二负载R2采用电感与电阻的串联结构。

需要说明的是，下文中T3、T4、T5、T6的正、负极端子是指其中包含的全控型功率器件的正、负极。

如图5所示，本发明一种五电平逆变器，具有与电源、第三、四电解电容C3 、C4配合连接的第一至三输入端O5、O6、O和与第二负载R2连接的第四、五输出端O3、O4，所述五电平逆变器的第一输入端O5分别连接电源正极与第三电解电容C3的正极，第二输入端O6分别连接电源负极与第四电解电容C4的负极，第三输入端O分别连接第三电解电容C3的负极与第四电解电容C4的正极，且第三输入端O接地，第四输出端O3连接R2的正极，第五输出端O4连接R2的负极。T1的正极端子与T7的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第一输入端O5；T2的负极端子与T8的负极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第二输入端O6；T3的负极端子与T5的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第三输入端O；T3的正极端子与T4的正极端子连接，T5的负极端子与T6的负极端子连接，T4的负极端子分别与T6的正极端子、T1的负极端子T2的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第四输出端O3；T7的负极端子与T8的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第五输出端O4。

本发明还提供一种基于前述五电平逆变器的控制方法，通过调节第一至第八全控型功率器件的开关状态，实现所述五电平逆变器输出电压的变化，下面将详细说明。

如图6所示，当打开T1、T8，而关闭T2、T3、T4、T5、T6、T7时，电流在正半周时，电路可以输出Vdc（即加在R2两端的电压为Vdc），其中，Vdc表示电源的输出电压；如图6中虚线所示，电流经过T1和T8从正母线流向R2，同时经过T8从R2流回负母线。其中，关闭T3-T6，是指关闭T3-T6中的全控型功率器件。

当关闭T1、T2、T7，打开T3、T4、T5、T6、T8时，电路输出Vdc/2（即加在R2两端的电压为Vdc/2）。电流方向如图7中虚线所示，电流从O点经支路T3和T4以及支路T5和T6到R2，两条支路为并联关系，之后经T8回到负母线。

当打开T2、T8，关闭T1、T3、T4、T5、T6、T7时，电路输出0（即加在R2两端的电压为0），电流如图8中虚线所示，电流从R2经T8和T2的反并联二极管回到R2。

如图9所示，当打开T7、T2，而关闭T1、T3、T4、T5、T6、T8时，电流在负半周时，电路可以输出-Vdc（即加在R2两端的电压为-Vdc），如图9中虚线所示，电流经过T7和T2从正母线流向R2，同时经过T2从R2流回负母线。其中，关闭T3-T6，是指关闭T3-T6中的全控型功率器件。

当关闭T1、T2、T8，打开T3、T4、T5、T6、T7时，电路输出-Vdc/2（即加在R2两端的电压为-Vdc/2）。电流方向如图10中虚线所示，电流从正母线经T7到R2，之后经支路T3和T4以及支路T5和T6回到O点，两条支路为并联关系。

当打开T1、T7，关闭T2、T3、T4、T5、T6、T8时，电路输出0（即加在R2两端的电压为0），电流如图11中虚线所示，电流从R2经T7和T1的反并联二极管回到R2。

与传统五电平电路不同，本发明的五电平逆变器在输出Vdc，Vdc/2，-Vdc/2，-Vdc时，不管电流正负，电流都只经过两个功率器件，具有较低的导通损耗。在输出0时虽然电流也需要通过三个功率器件，但是本发明五电平逆变器通过构造两个并联回路来减少导通损耗。同时，本发明将Mosfet加入五电平逆变器，并与IGBT的结合适应风电、光伏等具有功率波动性的系统。在功率大小的场合均能达到优化系统效率的目的。总的来说，本发明五电平逆变器能够明显改善损耗，提高逆变器的效率，尤其是新能源系统。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种五电平逆变器，具有第一至三输入端和第四、五输出端，第一至三输入端与电源、第三、四电解电容配合连接，第四、五输出端与第二负载连接，所述五电平逆变器的第一输入端分别连接电源正极与第三电解电容的正极，第二输入端分别连接电源负极与第四电解电容的负极，第三输入端分别连接第三电解电容的负极与第四电解电容的正极，且第三输入端接地，第四输出端连接第二负载的正极，第五输出端连接第二负载的负极；其特征在于：所述五电平逆变器包括第一至八全控型功率器件，第一全控型功率器件的正极端子与第七全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第一输入端；第二全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的负极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第二输入端；第三全控型功率器件的负极端子与第五全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第三输入端；第三全控型功率器件的正极端子与第四全控型功率器件的正极端子连接，第五全控型功率器件的负极端子与第六全控型功率器件的负极端子连接，第四全控型功率器件的负极端子分别与第六全控型功率器件的正极端子、第一全控型功率器件的负极端子第二全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第四输出端；第七全控型功率器件的负极端子与第八全控型功率器件的正极端子连接，该连接点作为所述五电平逆变器的第五输出端；且各个全控型功率器件均带有一个反并联二极管，所述第三、四、五和第六全控型功率器件采用Mosfet。

2.如权利要求1所述的一种五电平逆变器，其特征在于：所述第一、二、七、八全控型功率器件采用Mosfet或IGBT。

3.如权利要求1或2所述的一种五电平逆变器，其特征在于：所述Mosfet为CoolMosfet。

4.一种基于如权利要求1所述的一种五电平逆变器的控制方法，其特征在于：用于控制所述五电平逆变器工作在如下五种状态：

第一种状态：打开第一和第八全控型功率器件，关闭开第二至第七全控型功率器件，此时输出电压是Vdc，其中，Vdc表示电源电压； 

第二种状态：关闭第一、二和第七全控型功率器件，打开第三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路输出Vdc/2；

第三种状态：打开第二和第八全控型功率器件，关闭第一、第三至第七全控型功率器件，电路输出0；打开第一和第七全控型功率器件，关闭第二、三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路输出0；

第四种状态：打开第二和第七全控型功率器件，关闭第一、三、四、五、六和第八全控型功率器件，电路可以输出-Vdc；

第五种状态：关闭第一、第二和第八全控型功率器件，打开第三至第七全控型功率器件，电路输出-Vdc/2。

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