CN106100405A - 一种级联五开关h桥多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种级联五开关H桥多电平逆变器，属于电力电子功率变换领域。包括主要由主开关组和从开关组构成的功率单元，其中主开关组为传统全桥结构，从开关组由不可控单相整流桥和一个开关管构成，主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点为功率单元输出。逆变器每相由多个功率单元依次顺序级联构成；将每相的输出负端相连接，输出正端分别接入三相星型负载的三端即可构成三相系统。本发明的逆变器，当实现相同电平数输出电压时，大幅减小了功率开关器件的数量，简化了PWM控制电路，减小了装置复杂性，并且可以较大程度的降低成本。

Description

一种级联五开关H桥多电平逆变器
技术领域
本发明涉及一种级联五开关H桥多电平逆变器，属于电力电子功率变换领域。
背景技术
多电平逆变器具有输出容量大，输出电压、电流谐波含量小等优点，广泛应用于中、高压调速领域和柔性交流输电系统中。目前主要的多电平逆变器包括二极管嵌位式多电平逆变器、飞跨电容嵌位式多电平逆变器和级联H桥式多电平逆变器。当需要实现较高的电压等级和电平数目时，二极管嵌位式多电平逆变器和飞跨电容嵌位式多电平逆变器所需的嵌位二极管器件或者嵌位电容器件数目将急剧增加，并且存在电容电压平衡控制困难的问题。而级联H桥式多电平逆变器比较容易实现较大的电平数目和电压等级。但是随着电压等级的增加，联H桥式多电平逆变器级联的单元数目也会增加，开关器件数量随之增加。例如，传统级联H桥七电平逆变器，在实现每相电压输出七电平时就需要12个功率开关管。因此，如何通过较少的开关器件数目得到更多电平数目和更高的电压等级一直成为在多电平逆变器研究领域中的热点。
随着风能发电、光伏发电、UPS( 不间断电源 ) 技术的不断发展，逆变器效率的要求也越来越被重视，因此级联五开关多电平逆变器便应运而生。
发明内容
本发明的目的是：提出一种级联五开关H桥多电平逆变器，针对传统的级联H桥多电平逆变器的缺点和五开关拓扑结构的优点，采用五开关五电平逆变器构成功率单元以简化逆变器结构，从而实现在相同输出电压等级下减少开关器件数目、提高逆变器效率、降低产品成本。
为实现上述目的，本发明提出一种级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的逆变器的每一相由多个功率单元依次顺序级联构成；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为单相输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为单相输出的负端。将每相的输出负端相连接，输出正端分别接入三相星型负载的三端即可构成三相系统。
在一种实施方式中，所述的功率单元由主开关组、从开关组、电容组和直流电源构成。
在一种实施方式中，所述的功率单元中的主开关组为传统全桥结构，由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成主开关组第一桥臂，由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成主开关组第二桥臂。所述的第一开关管的集电极与第一二极管的阴极相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极与第三二极管的阳极相连；所述的第一二极管的阴极与第二开关管的集电极相连，第一二极管的阳极与第三二极管的阴极相连；所述的第三二极管的阳极与第四开关管的发射极相连；所述的第二开关管的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第四开关管的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关管的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第二二极管的阳极与第四二极管的阴极相连。所述的主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
在一种实施方式中，所述的功率单元的从开关组由不可控单相整流桥和一个开关管以及一个二极管构成，由第六二极管和第八二极管串联组成从开关组第一桥臂，由第五开关管和第五二极管反并联组成从开关组第二桥臂，由第七二极管和第九二极管串联组成从开关组第三桥臂。所述的第六二极管的阴极与第五开关管的集电极相连，第六二极管的阳极与第八二极管的阴极相连；所述的第八二极管的阳极与第五开关管的发射极相连；所述的第五开关管的集电极与第五二极管的阴极相连，第五开关管的发射极与第五二极管的阳极相连；所述的第五二极管的阴极与第七二极管的阴极相连，第五二极管的阳极与第九二极管的阳极相连；所述的第七二极管的阳极与第九二极管的阴极相连。
在一种实施方式中，所述的功率单元的从开关组第三桥臂中点与主开关组第一桥臂中点相连。
在一种实施方式中，所述的功率单元的电容组由第一电容、第二电容串联组成；所述的第一电容正极与第一开关管的发射极相连，第一电容的负极与第二电容的正极相连；所述的第二电容的负极与第三开关管的发射极相连。
在一种实施方式中，所述的功率单元的电容组中点与从开关组第一桥臂中点相连。
在一种实施方式中，所述的功率单元的直流电源正极与第一电容的正极相连；所述的直流电源的负极与第二电容的负极相连。
在一种实施方式中，所述第一~第五开关管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一种。
本发明的有益之处在于：提供了一种级联五开关H桥多电平逆变器，用五开关五电平逆变器构成功率单元，相对传统的级联H桥逆变器功率单元，每个功率单元可以产生六种输出电压状态、五种输出电压电平，输出电压等级也可以提高一倍。相对于传统的采用全桥结构的多电平逆变器，当实现相同的电压等级时，所需的开关管数目明显减少，拓扑结构得到了简化，大幅减小了装置的复杂性，可以较大程度的降低设备成本。
附图说明
图1是本发明提出的三相级联五开关H桥多电平逆变器的结构示意图。
图2是本发明三相级联五开关H桥多电平逆变器中所用到的功率单元的结构示意图。
图3至图8是图2所示功率单元的六种电压状态示意图。
具体实施方式
以下参考附图，给出了本发明的可选实施方式的具体描述。
图1示出本发明的三相级联五开关H桥多电平逆变器结构示意图。如图1所示，本发明提出级联五开关H桥多电平逆变器，包括A、B、C三相。其A相由N个功率单元依次顺序级联构成；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为A相输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为A相输出负端。B相和C相的拓扑结构与A相相同。将A、B、C三相的输出负端相连接，输出正端分别接入三相星型负载的三端即可构成三相系统。
图2示出级联五开关H桥多电平逆变器功率单元的拓扑结构的一种实施方式。如图2所示，所述的功率单元由主开关组SW1、从开关组SW2、电容组和直流电源构成。
所述的功率单元中的主开关组SW1为传统全桥结构，由第一开关管S1、第三开关管S3、第一二极管D1和第三二极管D3组成主开关组SW1的第一桥臂，由第二开关管S2、第四开关管S4、第二二极管D2和第四二极管D4组成主开关组SW1的第二桥臂。所述的第一开关管S1的集电极与第一二极管D1的阴极相连，第一开关管S1的发射极与第一二极管D1的阳极相连；所述的第三开关管S3集电极与第三二极管D3的阴极相连，第三开关管S3的发射极与第三二极管D3的阳极相连；所述的第一二极管D1的阴极与第二开关管S2的集电极相连，第一二极管D1的阳极与第三二极管D3的阴极相连；所述的第三二极管D3的阳极与第四开关管S4的发射极相连；所述的第二开关管S2的集电极与第二二极管D2的阴极相连，第二开关管S2的发射极与第二二极管D2的阳极相连；所述的第四开关管S4的集电极与第四二极管D4的阴极相连，第四开关管S4的发射极与第四二极管D4的阳极相连；所述的第二二极管D2的阳极与第四二极管D4的阴极相连。所述的主开关组SW1的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
所述的功率单元的从开关组SW2由不可控单相整流桥和开关管S5以及二极管D5构成，由第六二极管D6和第八二极管D8串联组成从开关组SW2的第一桥臂，由第五开关管S5和第五二极管D5反并联组成从开关组SW2的第二桥臂，由第七二极管D7和第九二极管D9串联组成从开关组SW2的第三桥臂。所述的第六二极管D6的阴极与第五开关管S5的集电极相连，第六二极管D6的阳极与第八二极管D8的阴极相连；所述的第八二极管D8的阳极与第五开关管S5的发射极相连；所述的第五开关管S5的集电极与第五二极管D5的阴极相连，第五开关管S5的发射极与第五二极管D5的阳极相连；所述的第五二极管D5的阴极与第七二极管D7的阴极相连，第五二极管D5的阳极与第九二极管D9的阳极相连；所述的第七二极管D7的阳极与第九二极管D9的阴极相连。
所述的功率单元的从开关组SW2的第三桥臂中点与主开关组SW1的第一桥臂中点相连。
所述的功率单元的电容组由第一电容C1、第二电容C2串联组成；所述的第一电容C1正极与第一开关管S1的发射极相连，第一电容C1的负极与第二电容C2的正极相连；所述的第二电容C2的负极与第三开关管S3的发射极相连。
所述的功率单元的电容组的中点与从开关组SW2的第一桥臂中点相连。
所述的功率单元的直流电源正极与第一电容C1的正极相连；所述的直流电源的负极与第二电容C2的负极相连。
图3至图8示出图2所示功率单元的六种电压状态示意图。设功率单元内直流电源上的直流电压为2E，电容C1和电容C2上的直流电压都为E，功率单元的控制方式和六种电压输出状态如下。
1）当开关管S1导通，开关管S2关断，开关管S3关断，开关管S4导通，开关管S5关断，如图3所示，功率单元端口的输出电压为2E。此时，如果电流方向为正，如图3中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到直流侧电源负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到直流侧电源正极。
2）当开关管S1关断，开关管S2关断，开关管S3关断，开关管S4导通，开关管S5导通，如图4所示，功率单元端口的输出电压为E。此时，如果电流方向为正，如图4中的实线箭头所示，电流经过第六二极管D6、第五开关管S5、第九二极管D9、负载和第四开关管S4回到第二电容C2负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载、第七二极管D7、第五开关管S5和第八二极管D8回到第二电容C2正极。
3）当开关管S1导通，开关管S2导通，开关管S3关断，开关管S4关断，开关管S5关断，如图5所示，功率单元端口的输出电压为0+。
4）当开关管S1关断，开关管S2关断，开关管S3导通，开关管S4导通，开关管S5关断，如图6所示，功率单元端口的输出电压为0-。
5）当开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3关断，开关管S4关断，开关管S5导通，如图7所示，功率单元端口的输出电压为-E。此时，如果电流方向为正，如图7中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载、第七二极管D7、第五开关管S5和第八二极管D8回到第一电容C1负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第六二极管D6、第五开关管S5、第九二极管D9、负载和第二二极管D2回到第一电容C1正极。
6）当开关管S1关断，开关管S2导通，开关管S3导通，开关管S4关断，开关管S5关断，如图8所示，功率单元端口的输出电压为-2E。此时，如果电流方向为正，如图8中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到直流侧电源负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到直流侧电源正极。
如上所述，功率单元的端口可以输出2E、E、0+、0-、-E和-2E六种电压状态，2E、E、0、-E和-2E五种电压电平。应当理解的是，通过控制各功率单元端口的输出电压状态，三相级联五开关H桥多电平逆变器可以输出4N+1种相电压电平，8N+1种线电压电平。
应当理解的是，上述实施方式结构中的各个开关管有多种选择，可采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一种。
由于本发明的逆变器采用了五开关五电平功率单元，相对与传统全桥功率单元，每个功率单元可以产生六种输出电压状态、五种输出电压电平，输出电压能力也可以提高一倍。相对于传统的采用全桥结构功率单元的级联H桥多电平逆变器，当实现相同的电压等级时，所需的开关管数目明显减少，拓扑结构得到了简化，大幅减小了装置的复杂性，可以较大程度的降低设备成本。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (9)

1.一种级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的逆变器的每一相由多个功率单元依次顺序级联构成；前一功率单元的主开关组第二桥臂中点与后一功率单元的主开关组第一桥臂中点相连接形成级联；级联的第一个功率单元的主开关组第一桥臂的中点为单相输出正端，级联的最后一个功率单元的主开关组第二桥臂的中点为单相输出的负端；将每相的输出负端相连接，输出正端分别接入三相星型负载的三端即可构成三相系统。
2.根据权利要求1所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元由主开关组、从开关组、电容组和直流电源构成。
3.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的主开关组为传统全桥结构，由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成主开关组第一桥臂，由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成主开关组第二桥臂；所述的第一开关管的集电极与第一二极管的阴极相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极与第三二极管的阳极相连；所述的第一二极管的阴极与第二开关管的集电极相连，第一二极管的阳极与第三二极管的阴极相连；所述的第三二极管的阳极与第四开关管的发射极相连；所述的第二开关管的集电极与第二二极管的阴极相连，第二开关管的发射极与第二二极管的阳极相连；所述的第四开关管的集电极与第四二极管的阴极相连，第四开关管的发射极与第四二极管的阳极相连；所述的第二二极管的阳极与第四二极管的阴极相连；所述的主开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为功率单元输出正负端。
4.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的从开关组由不可控单相整流桥和一个开关管以及一个二极管构成，由第六二极管和第八二极管串联组成从开关组第一桥臂，由第五开关管和第五二极管反并联组成从开关组第二桥臂，由第七二极管和第九二极管串联组成从开关组第三桥臂，所述的第六二极管的阴极与第五开关管的集电极相连，第六二极管的阳极与第八二极管的阴极相连；所述的第八二极管的阳极与第五开关管的发射极相连；所述的第五开关管的集电极与第五二极管的阴极相连，第五开关管的发射极与第五二极管的阳极相连；所述的第五二极管的阴极与第七二极管的阴极相连，第五二极管的阳极与第九二极管的阳极相连；所述的第七二极管的阳极与第九二极管的阴极相连。
5.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的从开关组第三桥臂中点与主开关组第一桥臂中点相连。
6.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的电容组由第一电容、第二电容串联组成；所述的第一电容正极与第一开关管的发射极相连，第一电容的负极与第二电容的正极相连；所述的第二电容的负极与第三开关管的发射极相连。
7.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的电容组中点与从开关组第一桥臂中点相连。
8.根据权利要求2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述的功率单元的直流电源正极与第一电容的正极相连；所述的直流电源的负极与第二电容的负极相连。
9.根据权利要求1和2所述的级联五开关H桥多电平逆变器，其特征在于所述第一~第五开关管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一种。
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