CN105529948B - 双输入三相逆变器 - Google Patents

双输入三相逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了双输入三相逆变器，属于电力电子变换器技术领域。该变换器由两个直流输入电压源(Vin1、Vin2)、十个开关管(S1～S10)、三个滤波电感(L1～L3)、三个滤波电容(C1～C3)和三个负载(R1～R3)构成。本发明双输入三相逆变器仅用一个逆变器就实现了两个独立的直流输入源同时或者分时向三相交流负载供电、实现了两个单输入三相逆变器的功能，具有功率密度高、效率高、成本低的优点。本发明可产生七种电平作用于滤波电路，可有效减小谐波含量，进而减小损耗和滤波器体积重量，提高变换器效率和功率密度，本发明特别适合航空机载电源等要求高效率、高功率密度供电的应用场合。

Description

双输入三相逆变器
技术领域
本发明涉及双输入三相逆变器，属于电力电子技术领域，特别属于直流-交流电能变换技术领域。
背景技术
近年来，随着航空、可再生能源、电动汽车等技术的快速发展，高效率高功率密度逆变电源技术得到了越来越多的关注。
传统的双极性调制桥式逆变器只能输出正负输入直流电压两个电平，故而谐波含量大。这就导致了逆变器变换效率低、滤波器体积大。单级性调制和单极性倍频调制相较双极性调制在一定程度上减小了谐波含量，但光伏发电居高不下的成本和航空用场合苛刻的高效率、高功率密度的要求下，仍然迫切需要进一步提高变换器的效率和功率密度。为解决上述问题，专利“专利号：CN201010516378.9”提出了五电平逆变器，将多电平技术引入到逆变器，提高了逆变器的变换效率和功率密度。
但是，在航空电源、可再生能源供电、储能等系统中，逆变器往往需要连接多个直流电压源，以提高供电系统的可靠性与安全性。但现有的多电平型逆变器都只有一个直流输入端口，无法同时连接多个独立的直流电压源。为了将多个直流输入源与逆变器同时相连，往往需要增加功率变换的级数，如将各个直流输入源都先连接独立的直流变换器，再将各直流变换器的输出侧串联或者并联作为逆变器的直流输入。这不仅导致系统结构复杂，而且多级变换增加了系统损耗、降低了系统效率和可靠性。如何在保证多电平逆变器自身电路结构高效率的前提下，实现多个独立的直流电源接入、并实现单级功率变换，成为逆变器技术领域的技术挑战。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供双输入三相逆变器，用于解决逆变器对多个直流电压源进行高效率直流-交流电能变换时存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
所述高可靠性双输入逆变器由第一直流输入电压源(Vin1)、第二直流输入电压源(Vin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)、第十开关管(S10)、第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)、第三滤波电感(L3)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)、第三滤波电容(C3)、第一负载(R1)、第一负载(R2)和第三负载(R3)构成。
上述第一直流输入电压源(Vin1)的正极连于第一开关管(S1)的集电极、第二开关管(S2)的集电极和第三开关管(S3)的集电极，第一开关管(S1)的发射极连于第四开关管(S4)的集电极、第七开关管(S7)的发射极和第一滤波电感(L1)的一端，第二开关管(S2)的发射极连于第五开关管(S5)的集电极、第八开关管(S8)的发射极和第二滤波电感(L2)的一端，第三开关管(S3)的发射极连于第六开关管(S6)的集电极、第九开关管(S9)的发射极和第三滤波电感(L3)的一端，第一滤波电感(L1)的另一端连于第一滤波电容(C1)的一端、第三滤波电容(C3)的一端、第一负载(R1)的一端和第三负载(R3)的一端，第二滤波电感(L2)的另一端连于第一滤波电容(C1)的另一端、第二滤波电容(C2)的一端、第一负载(R1)的另一端和第二负载(R2)的一端，第三滤波电感(L3)的另一端连于第二滤波电容(C2)的另一端、第三滤波电容(C3)的另一端、第二负载(R2)的另一端和第三负载(R3)的另一端，第七开关管(S7)的集电极连于第八开关管(S8)的集电极、第九开关管(S9)的集电极和第十开关管(S10)的集电极，第十开关管(S10)的发射极连于第二直流输入电压源(Vin2)的正极，第一直流输入电压源(Vin1)的负极连于第二直流输入电压源(Vin2)的负极、第四开关管(S4)的发射极、第五开关管(S5)的发射极和第六开关管(S6)的发射极。
上述方案中，第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)均选用带有寄生体二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件，或在其集电极和发射极两端反并联二极管。
上述方案中，第一直流输入电压源(Vin1)的电压必须不低于第二直流输入电压源(Vin2)的电压。
有益效果：
(1)本发明双输入三相逆变器仅用一个逆变器就实现了两个独立的直流输入源同时或者分时向三相负载供电，相比采用两个单输入逆变器的方案具有功率密度高、效率高、成本低的优点；
(2)本发明双输入三相逆变器可产生多种电平作用于滤波电路，可减小谐波含量，进而减小损耗、减小滤波器的体积和重量；
(3)本发明双输入三相逆变器的开关管的电压被输入钳位，电压应力低，因此可以选用低耐压且开关性能和导通性能更好的开关管和二极管，有利于提高变换器效率和降低变换器成本。
附图说明
图1是本发明双输入三相逆变器的电路原理图；
图2是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正且A、B两点的电压为Vin1时的等效电路图；
图3是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正且A、B两点的电压为Vin2时的等效电路图；
图4是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正且A、B两点的电压为Vin1-Vin2时的等效电路图；
图5是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为负且A、B两点的电压为-Vin1时的等效电路图；
图6是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为负且A、B两点的电压为-Vin2时的等效电路图；
图7是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为负且A、B两点的电压为-(Vin1-Vin2)时的等效电路图；
图8是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正或负且A、B两点的电压为0时的第一种等效电路图；
图9是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正或负且A、B两点的电压为0时的第二种等效电路图；
图10是本发明双输入三相逆变器在输出电压vab为正或负且A、B两点的电压为0时的第三种等效电路图。
以上附图中的符号名称：Vin1和Vin2分别为第一直流输入电压源和第二直流输入电压源，vab、vbc和vca分别为三相输出电压，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9和S10分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九和第十开关管，L1、L2和L3分别为第一、第二和第三滤波电感，C1、C2和C3分别为第一、第二和第三滤波电容，R1、R2和R3分别为第一、第二和第三相负载。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明双输入三相逆变器由第一直流输入电压源(Vin1)、第二直流输入电压源(Vin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)、第十开关管(S10)、第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)、第三滤波电感(L3)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)、第三滤波电容(C3)、第一负载(R1)、第一负载(R2)和第三负载(R3)构成。
上述第一直流输入电压源(Vin1)的正极连于第一开关管(S1)的集电极、第二开关管(S2)的集电极和第三开关管(S3)的集电极，第一开关管(S1)的发射极连于第四开关管(S4)的集电极、第七开关管(S7)的发射极和第一滤波电感(L1)的一端，第二开关管(S2)的发射极连于第五开关管(S5)的集电极、第八开关管(S8)的发射极和第二滤波电感(L2)的一端，第三开关管(S3)的发射极连于第六开关管(S6)的集电极、第九开关管(S9)的发射极和第三滤波电感(L3)的一端，第一滤波电感(L1)的另一端连于第一滤波电容(C1)的一端、第三滤波电容(C3)的一端、第一负载(R1)的一端和第三负载(R3)的一端，第二滤波电感(L2)的另一端连于第一滤波电容(C1)的另一端、第二滤波电容(C2)的一端、第一负载(R1)的另一端和第二负载(R2)的一端，第三滤波电感(L3)的另一端连于第二滤波电容(C2)的另一端、第三滤波电容(C3)的另一端、第二负载(R2)的另一端和第三负载(R3)的另一端，第七开关管(S7)的集电极连于第八开关管(S8)的集电极、第九开关管(S9)的集电极和第十开关管(S10)的集电极，第十开关管(S10)的发射极连于第二直流输入电压源(Vin2)的正极，第一直流输入电压源(Vin1)的负极连于第二直流输入电压源(Vin2)的负极、第四开关管(S4)的发射极、第五开关管(S5)的发射极和第六开关管(S6)的发射极。
本发明在具体实施时，第一开关管～第十开关管选用带有寄生体二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件，或在其集电极和发射极两端反并联二极管。
本发明在具体实施时，第一直流输入电压源(Vin1)的电压必须不低于第二直流输入电压源(Vin2)的电压。
下面结合具体的实施实例对本发明方案及其工作原理做进一步说明。
对于本发明双输入三相逆变器，其输出电压vab的工作原理和工作过程与输出电压vbc、vca的工作原理和工作过程是相似的，此处仅以输出电压vab为例进行说明。
在输出电压vab的不同时刻对应的中点电压即A、B两点的电压有7种情况，分别为Vin1、Vin2、Vin1-Vin2、-Vin1、-Vin2、-(Vin1-Vin2)、0。其中，当A、B两点电压为0时又有3种不同的实现方式。
当第一开关管(S1)和第五开关管(S5)都导通时，第四开关管(S4)、第七开关管(S7)、第二开关管(S2)和第八开关管(S8)保持关断，等效电路如附图2所示。此时，只有第一直流输入电压源(Vin1)单独供电，A、B两点之间电压等于Vin1。
当第七开关管(S7)、第十开关管(S10)和第五开关管(S5)都导通时，第一开关管(S1)、第四开关管(S4)、第二开关管(S2)和第八开关管(S8)保持关断，等效电路如附图3所示。此时，只有第二直流输入电压源(Vin2)单独供电，A、B两点之间电压等于Vin2。
当第一开关管(S1)、第八开关管(S8)和第十开关管(S10)都导通时，当第四开关管(S4)、第七开关管(S7)、第二开关管(S2)和第五开关管(S5)保持关断，等效电路如附图4所示。此时，第一直流输入电压源(Vin1)和第二直流输入电压源(Vin2)同时供电，A、B两点之间电压等于Vin1-Vin2。
当第二开关管(S2)和第四开关管(S4)都导通时，第五开关管(S5)、第八开关管(S8)、第一开关管(S1)和第七开关管(S7)保持关断，等效电路如附图5所示。此时，只有第一直流输入电压源(Vin1)单独供电，A、B两点之间电压等于-Vin1。
当第八开关管(S8)、第十开关管(S10)和第四开关管(S4)都导通时，第二开关管(S2)、第五开关管(S5)、第一开关管(S1)和第七开关管(S7)保持关断，等效电路如附图6所示。此时，只有第二直流输入电压源(Vin2)单独供电，A、B两点之间电压等于-Vin2。
当第八开关管(S8)、第十开关管(S10)和第一开关管(S1)都导通时，当第二开关管(S2)、第五开关管(S5)、第七开关管(S7)和第四开关管(S4)保持关断，等效电路如附图7所示。此时，第一直流输入电压源(Vin1)和第二直流输入电压源(Vin2)同时供电，A、B两点之间电压等于-(Vin1-Vin2)。
当第一开关管(S1)和第二开关管(S2)都导通时，第四开关管(S4)、第七开关管(S7)、第五开关管(S5)和第八开关管(S8)保持关断，等效电路如附图8所示。此时，此时第一直流输入电压源(Vin1)和第二直流输入电压源(Vin2)都不向负载供电，A、B两点之间电压等于0(即续流状态)。
当第七开关管(S7)、第八开关管(S8)和第十开关管(S10)都导通时，第一开关管(S1)、第四开关管(S4)、第二开关管(S2)和第五开关管(S5)保持关断，等效电路如附图9所示。此时，此时第一直流输入电压源(Vin1)和第二直流输入电压源(Vin2)都不向负载供电，A、B两点之间电压等于0(即续流状态)。
当第四开关管(S4)和第五开关管(S5)都导通时，第一开关管(S1)、第七开关管(S7)、第二开关管(S2)和第八开关管(S8)保持关断，等效电路如附图10所示。此时，此时第一直流输入电压源(Vin1)和第二直流输入电压源(Vin2)都不向负载供电，A、B两点之间电压等于0(即续流状态)
从上述分析可以看出，本发明双输入三相逆变器在输出电压vab对应的桥壁中点A、B两点，能够产生七种电平作用于滤波电路，可以有效减小谐波分量，进而减小损耗、减小滤波器的体积和重量。
上述分析仅用于说明本发明双输入三相逆变器最基本的工作原理，事实上，本发明可以采用的不同类型的控制策略，当控制策略不同时，其工作的过程也不完全相同。
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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种双输入三相逆变器，其特征在于：
所述一种双输入三相逆变器由第一直流输入电压源(Vin1)、第二直流输入电压源(Vin2)、第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)、第十开关管(S10)、第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)、第三滤波电感(L3)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)、第三滤波电容(C3)、第一负载(R1)、第二负载(R2)和第三负载(R3)构成；
所述第一直流输入电压源(Vin1)的正极连于第一开关管(S1)的集电极、第二开关管(S2)的集电极和第三开关管(S3)的集电极，第一开关管(S1)的发射极连于第四开关管(S4)的集电极、第七开关管(S7)的发射极和第一滤波电感(L1)的一端，第二开关管(S2)的发射极连于第五开关管(S5)的集电极、第八开关管(S8)的发射极和第二滤波电感(L2)的一端，第三开关管(S3)的发射极连于第六开关管(S6)的集电极、第九开关管(S9)的发射极和第三滤波电感(L3)的一端，第一滤波电感(L1)的另一端连于第一滤波电容(C1)的一端、第三滤波电容(C3)的一端、第一负载(R1)的一端和第三负载(R3)的一端，第二滤波电感(L2)的另一端连于第一滤波电容(C1)的另一端、第二滤波电容(C2)的一端、第一负载(R1)的另一端和第二负载(R2)的一端，第三滤波电感(L3)的另一端连于第二滤波电容(C2)的另一端、第三滤波电容(C3)的另一端、第二负载(R2)的另一端和第三负载(R3)的另一端，第七开关管(S7)的集电极连于第八开关管(S8)的集电极、第九开关管(S9)的集电极和第十开关管(S10)的集电极，第十开关管(S10)的发射极连于第二直流输入电压源(Vin2)的正极，第一直流输入电压源(Vin1)的负极连于第二直流输入电压源(Vin2)的负极、第四开关管(S4)的发射极、第五开关管(S5)的发射极和第六开关管(S6)的发射极。
2.根据权利要求1所述的双输入三相逆变器，其特征在于：所述第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)、第四开关管(S4)、第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)均选用带有寄生体二极管的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件，或在其集电极和发射极两端反并联二极管。
3.根据权利要求1所述的双输入三相逆变器，其特征在于：所述第一直流输入电压源(Vin1)的电压必须不低于第二直流输入电压源(Vin2)的电压。
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