CN103872936A - 一种单电源多电平混合型逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单电源多电平混合型逆变器，包括电源、逆变桥电路、n个DC-DC模块和n-1个二极管；其中，每个DC-DC模块仅需一个全控型功率器件，所需功率器件数量最少。n个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管；该并联电路与逆变桥电路并联。n个DC-DC模块串联后可产生电平数为2n的多电平直流电压，经逆变桥逆变后输出相电压输出电平数为2n+1-1，最大限度地提升了相电压电平数，改善了波形，减少了谐波。该电路采用一个电源供电，降低了系统的复杂性和成本。
Description
技术领域
本发明属于多电平逆变拓扑领域，具体涉及一种单电源多电平混合型逆变器。
现有技术
目前，传统的两电平电压源型逆变器已经难于满足日益增高的电压波形质量和功率变换效率要求。由于电压波形质量与开关损耗之间存在着不可避免的矛盾，多电平逆变器无疑成为具有波形质量高、开关损耗相对较小，在高性能功率变换应用场合的最佳选择。相对两电平逆变器，其主要优点有：第一、改善了输出电压波形质量，减小了输出电压的谐波；第二、使得功率开关器件工作在较低的开关频率，减少了开关损耗；第三、使得每个DC-DC单元功率开关器件上的电压应力减少。
当前，多电平逆变器的结构主要分为箝位型和级联型。箝位型多电平逆变器功率器件电压应力低，但该电路一般都存在电容电压波动和电源输出功率不相等，降低了输出电压质量，并造成部分功率器件负荷较大，导致结温过高和电容电位波动等问题。级联型多电平逆变器可采用模块化结构，控制方便，因此其成为多电平逆变器的研究热点。
现有的级联型多电平逆变器主要有四类，第一类是采用多个直流电源，在采用市电整流直流电源的场合，可提供多个直流电源，如附图3所示的级联型多电平逆变器电路，其每个级联单元模块都有一个直流电源和四个全控型功率器件IGBT，这种电路结构无疑增加了系统的成本和复杂性；第二类是如附图4所示的多电平逆变器电路结构，所需功率器件大大减少，但所需电源数量仍然较多；第三类是采用单电源供电，如附图5所示的单电源多电平逆变器电路结构，这类电路电容C电压难于控制；第四类如附图6所示的单电源供电结构，其中每个DC模块的输出电压为其母线电压Vbus为n+1个电平，经过逆变器后，相电压υo为2n+1个电平（n为DC-DC变换器的数量）。可以看出，这种电路的输出电平数很有限。
发明内容
针对上述级联型多电平逆变器的缺陷和不足，本发明的目的在于，提出一种单电源多电平混合型逆变器，该逆变器的电路采用一个电源供电，每个DC-DC单元仅需一个全控型功率器件，降低了系统的复杂性和成本；该电路采用n个DC-DC模块进行电压变换，其相电压输出电平数为2n+1-1，电平数的大大增加，改善了波形，减少了谐波。
为了达到以上目的，本发明采用如下的技术解决方案：
一种单电源多电平混合型逆变器，包括电源、逆变桥电路、n个DC-DC模块和n-1个二极管；其中，n个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管。
进一步的，n=2或3。
进一步的，所述逆变桥电路由IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4构成。
进一步的，每个所述DC-DC模块由一个电容Ci、一个快恢复二极管和一个功率MOS管组成。
进一步的，所述n个DC-DC模块中电容Ci的容量之比为C1:C2:…:Cn=2n-1:2n-2:…:1，i=1,2，…，n。
进一步的，包括电源、逆变桥电路、3个DC-DC模块和2个二极管；其中，3个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管。
进一步的，所述3个DC-DC模块中电容的容量之比C1:C2:C3=4:2:1。
本发明采用串联电容进行分压，且电容的容量关系为C1:C2:…:Cn=2n-1:2n-2:…:1，使得相邻两个DC-DC模块的电压为2倍关系，将DC-DC模块输出电压进行组合，可得到的多电平直流母线电压Vbus为电平数由传统的n+1提高到2n，经逆变桥变换后输出电压相电压vo电平数为2n+1-1。与现有技术相比，本发明的电路仅需一个直流电源的个数，所需全控型功率器件更少，降低了系统的成本与复杂性；同时增加了相电压电平的个数，改善了电压波形，减少了谐波含量。
附图说明
图1为本发明的单电源多电平混合型逆变器电路示意图。
图2为DC-DC单元模块。
图3为现有的多电源级联型多电平逆变器电路结构。其中，（a）是多电源级联型多电平逆变器电路结构，（b）是全控型功率器件IGBT。
图4为现有的多电平逆变器电路结构。
图5为现有的单电源级联型多电平逆变器电路结构。
图6为现有的单电源多电平逆变器电路结构。
图7为本发明的包括三个DC-DC模块的实施例的电路结构。
图8为本发明的实施例的电路中三个DC-DC模块输出电压图。其中，（a）为第一个DC-DC模块的输出电压图，（b）为第二个DC-DC模块的输出电压图，（c）为第三个DC-DC模块的输出电压图。
图9为本发明的实施例的电路中母线电压Vbus多电平波形图。
图10为本发明的实施例的电路中相电压υo波形图。
以下结合附图和实施例对本发明进一步解释说明。
具体实施方式
本发明的主要设计思路为：
1、电压分配：将一个电源分配成n个电源，分别为每个DC-DC模块供电。
2、电压匹配：确定每个DC-DC模块的供电电压，使得n个DC-DC模块的输出电压通过级联叠加组合共产生2n个电平。
如图1所示，本发明的单电源多电平混合型逆变器电路，包括电源、逆变桥电路、n个DC-DC模块和n-1个二极管；其中，n个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管。
逆变桥电路IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4构成。IGBT（InsulatedGate Bipolar Transistor）是绝缘栅双极型晶体管。
如图2所示，第i个DC-DC模块由电容Ci、快恢复二极管D2i-1、功率MOS管SHi组成，i=1,2，…，n；一般n=2或3；n个DC-DC模块中电容Ci的容量之比为C1:C2:…:Cn=2n-1:2n-2:…:1，i=1,2，…，n。
图1中，Vc为电源，vci（i=1,2，…，n）为第i个DC-DC模块的输出电压，Vbus为多电平直流母线电压，υo为逆变桥电路的输出相电压。
本发明的电路的原理如下：
将n个DC-DC模块通过二极管串联后并在电源两端，电容相当于每个DC-DC单元模块的电源；由于n个电容Ci的容量之比为C1:C2:…:Cn=2n-1:2n-2:…:1，i=1,2，…，n。则n个电容Ci的电压之比为VC1:VC2:…:VCn=1:2:…:2n-1（电容的电压即该电容所在DC-DC模块的供电电源电压），n个DC-DC模块的输出电压之比也为vC1:vC2:…:vCn=1:2:…:2n-1，通过控制MOS管SHi，对DC-DC模块的输出电压进行级联组合叠加，得到多电平直流母线电压Vbus的电平数为2n,母线电压通过逆变桥电路得到输出相电压υo的电平数为2n+1-1。
如图7所示的本发明的一个实施例，该实施例的单电源多电平混合型逆变器电路包括电源、逆变桥电路、3个DC-DC模块和2个二极管；其中，3个DC-DC模块串联后并联在电源两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻DC-DC模块之间串联有一个二极管。
逆变桥电路IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4构成。
第i个DC-DC模块由电容Ci、快恢复二极管D2i-1、MOS管SHi组成，其中i=1，2，3；3个DC-DC模块中电容Ci的容量之比为C1:C2:C3=4:2:1，电容C1、C2、C3的电压分别为vc/7、2vc/7、4vc/7。本实施例中，MOS管SHi的型号均为IRFP460。图7中，Vc为电源，vc1、vc2、vc3分别为3个DC-DC模块的输出电压，Vbus为母线电压，υo为逆变桥电路的输出相电压。
表1给出了电路的直流母线电压Vbus与功率器件开关状态的关系（1表示导通，0表示关断），可见母线电压有8个电平状态。采用阶梯波调制策略对DC-DC模块进行控制，得到每个DC-DC模块的输出电压波形如图8所示。从图8可见：不同变换单元功率器件开关频率也不相同。多电平直流母线电压Vbus的波形如图9所示，和期望一样为8电平；经过逆变器电路后，输出相电压υo波形如图10所示，其波形为15电平。可见本实施例的输出相电压为15电平。
表1直流母线电压与功率器件开关状态关系表
Claims (7)
1.一种单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，包括电源、逆变桥电路、n个DC-DC模块和n-1个二极管；其中，n个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管。
2.如权利要求1所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，n=2或3。
3.如权利要求1或2所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，所述逆变桥电路由IGBT1、IGBT2、IGBT3和IGBT4构成。
4.如权利要求2所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，每个所述DC-DC模块由一个电容、一个快恢复二极管和一个功率MOS管组成。
5.如权利要求2所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，所述n个DC-DC模块中电容Ci的容量之比为C1:C2:…:Cn＝2n-1:2n-2:…:1，i=1,2，…，n。
6.如权利要求1所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，包括电源、逆变桥电路、3个DC-DC模块和2个二极管；其中，3个DC-DC模块串联后并联在电源的两端构成并联电路，该并联电路与逆变桥电路并联；每两个相邻的DC-DC模块之间串联有一个二极管。
7.如权利要求6所述的单电源多电平混合型逆变器，其特征在于，所述3个DC-DC模块中电容的容量之比C1:C2:C3=4:2:1。
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