CN103701344A - 一种三电平逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三电平逆变器，第一全控型功率器件的正极端子与第一二极管组的阴极连接，第一全控型功率器件的负极端子分别连接第二、三全控型功率器件的正极端子，第三全控型功率器件的负极端子与第四全控型功率器件的正极端子，第四全控型功率器件的负极端子分别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正极端子，第六全控型功率器件的负极端子与第二二极管组的阳极连接，第二全控型功率器件的负极端子、第五全控型功率器件的正极端子、第一二极管组的阳极与第二二极管组的阴极连接作为三电平逆变器的输出端；所述第三和四全控型功率器件为Mosfet。此种逆变器的导通损耗低。本发明还公开一种三电平逆变器的控制方法。

Description

一种三电平逆变器及其控制方法

技术领域

 本发明涉及一种三电平逆变器及其控制方法，尤其涉及一种导通损耗小的三电平逆变器及其控制方法。

背景技术

 如图1所示，传统三电平电路包括第一至六二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6和第一至四IGBT S3、S4、S5、S6，其与电源及第一、二电解电容C1、C2配合连接，具体来说，所述电源正极分别连接C1的正极、S3的正极端子与D1的阴极，S3的负极端子、D1的阳极、S4的正极端子与D2的阴极连接，并共同连接D5的阴极；所述电源负极分别连接C2的负极、S6的负极端子与D4的阳极，S6的正极端子、D4的阴极、S5的负极端子与D3的阳极连接，并共同连接D6的阳极，C1的负极、C2的正极、D5的阳极和D6的阴极分别接地，而S4的负极端子、D2的阳极、S5的正极端子和D3的阴极连接，并作为三电平电路的输出端。

所述传统三电平电路能够输出三个电平，与两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。传统三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，传统三电平在电路输出Vdc/2时，其中，Vdc表示电源的输出电压，虚线表示电流为正，点划线表示电流为负，不管电流正或负，电流都需要经过两个功率器件，具有较高的导通损耗。  

如图3所示，传统三电平在电路输出0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，电流都需要经过两个功率器件，具有较高的导通损耗。

如图4所示，传统三电平在电路输出-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，电流都需要经过两个功率器件，具有较高的导通损耗。

综上，传统的三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三电平逆变器。 

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种三电平逆变器，具有第一至三端和一个输出端，第一端分别连接电源正极与第一电解电容的正极，第二端分别连接电源负极与第二电解电容的负极，第三端分别连接第一电解电容的负极与第二电解电容的正极，所述三电平逆变器包括第一、二二极管组和第一至六全控型功率器件，所述第一全控型功率器件的正极端子与第一二极管组的阴极连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第一端；第一全控型功率器件的负极端子分别连接第二、三全控型功率器件的正极端子，第三全控型功率器件的负极端子与第四全控型功率器件的正极端子连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第三端；第四全控型功率器件的负极端子分别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正极端子，第六全控型功率器件的负极端子与第二二极管组的阳极连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第二端；第二全控型功率器件的负极端子、第五全控型功率器件的正极端子、第一二极管组的阳极与第二二极管组的阴极连接，且该连接点作为三电平逆变器的输出端；所述第二、五全控型功率器件采用IGBT；其特征在于：所述第三、四全控型功率器件均采用Mosfet，且每个Mosfet均带有一个反并联二极管。

进一步的，所述第一全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且该第一全控型功率器件反向并联有一二极管。

进一步的，所述第六全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且该第六全控型功率器件反向并联有一二极管。

进一步的，所述Mosfet为CoolMosfet。

进一步的，所述第一、二二极管组均包含一个二极管。

进一步的，所述第一、二二极管组均包含两个同向串联的二极管，且第一二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第一全控型功率器件的负极端子，第二二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第五全控型功率器件的负极端子。

为了达成上述目的，本发明还提供一种基于上述三电平逆变器的控制方法，用于控制所述三电平逆变器工作在如下三种状态：

第一种状态：打开第一和第二全控型功率器件，关闭第三、四、五和第六全控型功率器件时，电路输出Vdc/2，其中，Vdc表示电源电压；

第二种状态：打开第二、三、四和第五全控型功率器件，关闭第一和第六全控型功率器件时，电路输出0；

第三种状态：打开第五和第六全控型功率器件，而关闭第一、二、三和第四全控型功率器件时，电路输出-Vdc/2。

采用上述方案后，本发明能够用CoolMosfet与IGBT的结合代替二极管组与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是传统三电平电路图。

图2是传统三电平电路输出Vdc/2时的电流路径图。

图3是传统三电平电路输出0时的电流路径图。

图4是传统三电平电路输出-Vdc/2时的电流路径图。

图5是本发明实施例的三电平逆变器电路图。

图6是本发明实施例的三电平逆变器输出Vdc/2时的电流路径图。

图7是本发明实施例的三电平逆变器输出0时的电流路径图。

图8是本发明实施例的三电平逆变器输出-Vdc/2时的电流路径图。

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，一种三电平逆变器，与电源、第三、四电解电容C3、C4连接，包括第七、八二极管D7、D8和第一至六全控型功率器件，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。在本实施例中，所述第二、五全控型功率器件S2、S1c采用IGBT，所述第三和四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Snpc1、Snpc2所示，而第一和第六全控型功率器件可采用Mosfet或IGBT，且在同一电路结构中，第一、六全控型功率器件采用的类型可以不同，所述第一、六全控型功率器件分别带有一个反并联二极管，如图5中的S1、S2c。特别的，本实施例中的Mosfet选用CoolMosfet，可使逆变器损耗更低。

需要说明的是，下文中S1、Snpc1、Snpc2、S2c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，所述电源正极分别连接C3的正极、S1的正极端子与D7的阴极，S1的负极端子分别连接S2的正极端子与Snpc1的正极端子；所述电源负极分别连接C4的负极、S2c的负极端子与D8的阳极，S2c的正极端子、S1c的负极端子与Snpc2的负极端子连接，C3的负极、C4的正极、Snpc1的负极端子和Snpc2的正极端子连接，而S2的负极端子、D7的阳极、S1c的正极端子和D8的阴极连接，并作为三电平逆变器的输出端。 

本发明还提供一种基于前述三电平逆变器的控制方法，通过调节第一至第六全控型功率器件的开关状态，实现所述三电平逆变器输出电压的变化，下面将详细说明。

如图6所示，电流在正半周时，电路可以输出Vdc/2，其中，Vdc表示电源的输出电压。当打开S1、S2，而关闭Snpc1、Snpc2、S1c、S2c时，电路输出Vdc/2，此时，如果电流方向为正，则如图6中虚线所示，电流经过S1和S2从第三电解电容C3正极流向负载，经过负载后回到电容中点；如果电流方向为负，如图6中点划线所示，电流则经过S1和S2并联的D7从负载侧回到正母线。

如图7所示，而当打开Snpc1、Snpc2、S2和S1c，并关闭S1、S2c时，电路输出0。此时，如果电流方向为正，则如图7中虚线所示，电流反向流过Snpc1和S2，从电容中点流向负载；如果电流方向为负，则如图7中点划线所示，电流经过S1c和反向流过Snpc2，从负载流向电容中点。这里Snpc1，Snpc2都是不走内部反并联二极管的，否则就没有意义了，不如传统的方案，直接连接二极管即可。

如图8所示，电流在负半周时，电路可以输出-Vdc/2。当打开S2c、S1c，而关闭Snpc1、Snpc2、S1和S2时，电路输出-Vdc/2，此时，如果电流方向为正时，则如图8中虚线所示，电流则经过S2c和S1c并联的D8，从第四电解电容C4负极流向负载，经过负载后回到电容中点；如果电流方向为负，如图8中点划线所示，电流经过S2c和S1c从负载侧回到负母线。

在其他实施例中，第一、二二极管均可换成二极管组，包含两个同向串联的二极管，且第一二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第一全控型功率器件的负极端子，第二二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第五全控型功率器件的负极端子。

与传统三电平电路不同，本发明的三电平逆变器在输出0时，没有二极管参与导通。本发明的一种三电平逆变器通过IGBT和Mosfet的混合结构，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，所述三电平逆变器能够明显改善损耗，提高效率，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 (7)

1.一种三电平逆变器，具有第一至三端和一个输出端，第一端分别连接电源正极与第三电解电容的正极，第二端分别连接电源负极与第四电解电容的负极，第三端分别连接第三电解电容的负极与第四电解电容的正极，所述三电平逆变器包括第一、二二极管组和第一至六全控型功率器件，所述第一全控型功率器件的正极端子与第一二极管组的阴极连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第一端；第一全控型功率器件的负极端子分别连接第二、三全控型功率器件的正极端子，第三全控型功率器件的负极端子与第四全控型功率器件的正极端子连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第三端；第四全控型功率器件的负极端子分别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正极端子，第六全控型功率器件的负极端子与第二二极管组的阳极连接，且该连接点作为所述三电平逆变器的第二端；第二全控型功率器件的负极端子、第五全控型功率器件的正极端子、第一二极管组的阳极与第二二极管组的阴极连接，且该连接点作为三电平逆变器的输出端；所述第二、五全控型功率器件采用IGBT；其特征在于：所述第三、四全控型功率器件均采用Mosfet，且每个Mosfet均带有一个反并联二极管。

2.如权利要求1所述的一种三电平逆变器，其特征在于：所述第一全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且该第一全控型功率器件反向并联有一二极管。

3.如权利要求1所述的一种三电平逆变器，其特征在于：所述第六全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且该第六全控型功率器件反向并联有一二极管。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种三电平逆变器，其特征在于：所述Mosfet为CoolMosfet。

5.如权利要求1所述的一种三电平逆变器，其特征在于：所述第一、二二极管组均包含一个二极管。

6.如权利要求1所述的一种三电平逆变器，其特征在于：所述第一、二二极管组均包含两个同向串联的二极管，且第一二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第一全控型功率器件的负极端子，第二二极管组中两个二极管之间的连接点还连接第五全控型功率器件的负极端子。

7.一种基于如权利要求1所述的一种三电平逆变器的控制方法，其特征在于：用于控制所述三电平逆变器工作在如下三种状态：

第一种状态：打开第一和第二全控型功率器件，关闭第三、四、五和第六全控型功率器件时，电路输出Vdc/2，其中，Vdc表示电源电压；

第二种状态：打开第二、三、四和第五全控型功率器件，关闭第一和第六全控型功率器件时，电路输出0；

第三种状态：打开第五和第六全控型功率器件，而关闭第一、二、三和第四全控型功率器件时，电路输出-Vdc/2。

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