CN106301042A - 一种七电平逆变器 - Google Patents

Abstract

一种七电平逆变器，由一个直流电源，两个开关电容组和一个全桥开关组构成。其中开关电容组由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，全桥开关组为传统全桥结构。本发明七电平逆变器具有十种主要开关状态，可以输出3E、2E、E、0、‑E、‑2E和‑3E七种电压电平。本发明的七电平逆变器，只含有一个直流电源，且无需经过变压器就可以对输入直流电源进行升压，与传统结构的七电平逆变器相比，大幅减小了装置的复杂性，有效的降低了制造成本，同时提高了逆变效率。

Description

一种七电平逆变器

技术领域

本发明涉及一种七电平逆变器，属于电力电子功率变换领域。

背景技术

多电平功率变换技术一直是电力电子技术领域的研究热点。随着科技与工业的不断发展，在实现中高压大功率变换的解决方案中，多电平逆变器因其输出波形总谐波畸变率低、功率器件开关频率低、输出电压高逆变效率高、电磁干扰特性良好等特点，被广泛应用于高压大容量电机驱动、中高压交流调速、新能源发电、大功率无功补偿和有源电力滤波等场合。

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。虽然级联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，级联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。

近年来，研究结构简单、输出电能质量好、逆变效率高的多电平逆变器成为了热点。在传统多电平逆变器结构基础上，大量改进的新型拓扑结构被提出，旨在用更简单的结构、更低的制造成本实现更高电平数的输出电压和更好质量的输出电能，因此运用开关电容电路的新型多电平逆变器便应运而生。

发明内容

本发明的目的是，为了实现用更简单的结构、更低的制造成本实现更高电平数的输出电压和更好质量的输出电能，本发明提供一种采用开关电容电路的七电平逆变器。

实现本发明的技术方案如下：一种七电平逆变器使用拓扑结构相同的两个开关电容组前后顺序级联，无需经过变压器就可以对对输入直流电源进行升压。

一种七电平逆变器由直流电源、两个开关电容组和一个全桥开关组构成。两个开关电容组前后顺序级联后连接全桥开关组；直流电源与并联于前级开关电容组。

所述两个开关电容组，即第一开关电容组和第二开关电容组结构相同，都由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成，

所述第一开关电容组由第一电容、第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管和第九二极管构成；所述第九二极管的阳极与第五开关管的集电极相连于第三节点；第九二极管的阴极与第一电容的正极相连于第四节点；所述第一电容的负极同时与第五开关管的发射极、第六开关管的发射极相连于第五节点；所述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；所述第六开关管的发射极与第六二极管的阳极相连，第六开关管集电极与第六二极管的阴极相连于第六节点。

所述第一开关电容组的第一电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等；

所述第五开关管和第六开关管为互补运行方式，不能同时导通；

所述第九二极管的作用为限制第一电容上的电流反向流向直流电源。

所述第二开关电容组由第二电容、第七开关管、第八开关管、第七二极管、第八二极管和第十二极管构成；所述第十二极管的阳极与第七开关管的集电极相连于第七节点；第十二极管的阴极与第二电容的正极相连于第八节点；所述第二电容的负极同时与第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连；所述第七开关管的集电极与第七二极管的阴极相连，第七开关管的发射极与第七二极管的阳极相连；所述第八开关管的发射极与第八二极管的阳极相连，第八开关管集电极与第八二极管的阴极相连于第九节点。

所述第二开关电容组的第二电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等；

所述第七开关管和第八开关管为互补运行方式，不能同时导通；

所述第十二极管的作用为限制第二电容上的电流反向流向第一开关电容组。

所述全桥开关组由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成全桥开关组第一桥臂，由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成全桥开关组第二桥臂；所述的第一开关管的集电极同时与第一二极管的阴极和第一节点相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管的集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极同时与第三二极管的阳极和第二节点相连；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；所述的全桥开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为逆变器输出正负端。

所述直流电源正极与第一开关电容组的第三节点相连，直流电源的负极同时与第一开关电容组的第六节点和全桥开关组的第二节点相连；第一开关电容组与第二开关电容组前后顺序级联；所述第一开关电容组的第四节点与第二开关电容组的第七节点相连，第一开关电容组的第五节点与第二开关电容组的第九节点相连；所述第二开关电容组的第八节点与全桥开关组的第一节点相连。

所述第一~第八开关管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管或IGBT管中的任意一种；所述第一~第八反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

本发明的有益之处在于：本发明提供了一种采用开关电容电路的七电平逆变器，使用拓扑结构相同的两个开关电容组前后顺序级联，不仅无需经过变压器就可以对输入直流电源进行升压，同时还有利于开关电容组的模块化生产和多电平逆变器拓展；相对于传统结构的七电平逆变器，在相同输出电压等级下，减少了系统中开关元件数目、提高了输出波形质量、有效降低了谐波含量和电磁干扰，且在大小功率场合均能达到优化系统效率的目的。

附图说明

图1是本发明提出的七电平逆变器的结构示意图；

图2是图1所示七电平逆变器的第一种主要开关状态示意图；

图3是图1所示七电平逆变器的第二种主要开关状态示意图；

图4是图1所示七电平逆变器的第三种主要开关状态示意图；

图5是图1所示七电平逆变器的第四种主要开关状态示意图；

图6是图1所示七电平逆变器的第五种主要开关状态示意图；

图7是图1所示七电平逆变器的第六种主要开关状态示意图；

图8是图1所示七电平逆变器的第七种主要开关状态示意图；

图9是图1所示七电平逆变器的第八种主要开关状态示意图；

图10是图1所示七电平逆变器的第九种主要开关状态示意图；

图11是图1所示七电平逆变器的第十种主要开关状态示意图；

图12是一种拓展的多电平逆变器结构示意图。

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所示为本发明的七电平逆变器结构示意图。所述逆变器由直流电源、全桥开关组SW、第一开关电容组SC1和第二开关电容组SC2构成。

本实施例逆变器的两个开关电容组，即第一开关电容组SC1和第二开关电容组SC2结构相同，都由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成。

本实施例逆变器的第一开关电容组SC1由第一电容C1、第五开关管S5、第六开关管S6、第五二极管D5、第六二极管D6和第九二极管D9构成。所述的第九二极管D9的阳极同时与第五开关管S5的集电极和第三节点Q3相连，第九二极管D9的阴极同时与第一电容C1的正极和第四节点Q4相连；所述的第一电容C1的负极同时与第五开关管S5的发射极、第六开关管S6的发射极和第五节点Q5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；所述的第六开关管S6的发射极与第六二极管D6的阳极相连，第六开关管S6的集电极同时与第六二极管D6的阴极和第六节点Q6相连。

本实施例逆变器的第二开关电容组SC2由第二电容C2、第七开关管S7、第八开关管S8、第七二极管D7、第八二极管D8和第十二极管D10构成。所述的第十二极管D10的阳极同时与第七开关管S7的集电极和第七节点Q7相连，第十二极管D10的阴极同时与第二电容C2的正极和第八节点Q8相连；所述的第二电容C2的负极同时与第七开关管S7的发射极和第八开关管S8的发射极相连；所述的第七开关管S7的集电极与第七二极管D7的阴极相连，第七开关管S7的发射极与第七二极管D7的阳极相连；所述的第八开关管S8的发射极与第八二极管D8的阳极相连，第八开关管S8集电极同时与第八二极管D8的阴极和第九节点Q9相连。

本实施例逆变器的两个开关电容，即第一开关电容组SC1的第一电容C1和第二开关电容组SC2的第二电容C2充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。

本实施例逆变器的第一开关电容组SC1的第五开关管S5和第六开关管S6为互补运行方式，不能同时导通。

本实施例逆变器的第二开关电容组SC2的第七开关管S7和第八开关管S8为互补运行方式，不能同时导通。

本实施例逆变器的第一开关电容组SC1的第九二极管D9的作用为限制第一电容C1上的电流反向流向直流电源。

本实施例逆变器的第二开关电容组SC2的第十二极管D10的作用为限制第二电容C2上的电流反向流向第一开关电容组SC1。

本实施例逆变器的全桥开关组SW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组成全桥开关组SW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组成全桥开关组SW的第二桥臂。所述的第一开关管S1的集电极同时与第一二极管D1的阴极和第一节点Q1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的集电极与第三二极管D3的阴极相连，第三开关管S3的发射极同时与第三二极管D3的阳极和第二节点Q2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；所述的全桥开关组SW的第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为逆变器输出正负端。

本实施例逆变器的直流电源正极与第一开关电容组SC1的第三节点Q3相连，直流电源的负极同时与第一开关电容组SC1的第六节点Q6和全桥开关组SW的第二节点Q2相连。

本实施例逆变器的第一开关电容组SC1与第二开关电容组SC2前后顺序级联；所述的第一开关电容组SC1的第四节点Q4与第二开关电容组SC2的第七节点Q7相连，第一开关电容组SC1的第五节点Q5与第二开关电容组SC2的第九节点Q9相连。

本实施例逆变器的第二开关电容组SC2的第八节点Q8与全桥开关组SW的第一节点Q1相连。

图2至图11所示为七电平逆变器的十种主要开关状态示意图。

设逆变器直流电源上的直流电压为E，两个开关电容即第一电容C1和第二电容C2上的直流电压都为E，逆变器的控制方式和十种主要的开关状态如下：

1）第一种开关状态

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导通、开关管S6关断、开关管S7导通、开关管S8关断，如图2所示，直流电源与第一电容C1和第二电容C2串联，等效直流侧电压为3E，七电平逆变器端口的输出电压为3E。此时，如果电流方向为正，如图2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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

2）第二种开关状态

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导通、开关管S6关断、开关管S7关断、开关管S8导通，如图3所示，第一电容C1先和第二电容C2并联再与直流电源串联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器端口的输出电压为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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

3）第三种开关状态

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、开关管S6导通、开关管S7导通、开关管S8关断，如图4所示，直流电源先与第一电容C1并联再与第二电容C2串联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器端口的输出电压为2E。此时，如果电流方向为正，如图4中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

4）第四种开关状态

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、开关管S6导通、开关管S7关断、开关管S8导通，如图5所示，直流电源与第一电容C1和第二电容C2并联，，等效直流侧电压为E，七电平逆变器端口的输出电压为E。此时，如果电流方向为正，如图5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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

5）第五种开关状态

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，如图6所示，七电平逆变器端口的输出电压为0+。

6）第六种开关状态

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，如图7所示，七电平逆变器端口的输出电压为0-。

7）第七种开关状态

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、开关管S6导通、开关管S7关断、开关管S8导通，如图8所示，直流电源与第一电容C1和第二电容C2并联，等效直流侧电压为E，七电平逆变器端口的输出电压为-E。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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

8）第八种开关状态

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、开关管S6导通、开关管S7导通、开关管S8关断，如图9所示，直流电源先与第一电容C1并联再与第二电容C2串联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器端口的输出电压为-2E。此时，如果电流方向为正，如图9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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

9）第九种开关状态

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导通、开关管S6关断、开关管S7关断、开关管S8导通，如图10所示，第一电容C1先和第二电容C2并联再与直流电源串联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器端口的输出电压为-2E。此时，如果电流方向为正，如图10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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

10）第十种开关状态

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导通、开关管S6关断、开关管S7导通、开关管S8关断，如图11所示，直流电源与第一电容C1和第二电容C2串联，等效直流侧电压为3E，七电平逆变器端口的输出电压为-3E。此时，如果电流方向为正，如图11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回到第二节点Q2；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回到第一节点Q1。

如上所述，七电平逆变器有十种主要开关状态，可以输出3E、2E、E、0、-E、-2E和-3E七种电压电平。应当理解的是，2E和-2E两种输出电平都分别包含两种主要开关状态，0输出电平包含等效直流侧电压为3E、2E、E和0时的多种开关状态，这些冗余的开关状态可以提高逆变器控制的灵活性。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个功率开关管有多种选择，可采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一种。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

图12示出了一种拓展的多电平逆变器结构示意图，其开关电容电路部分的拓扑结构与本发明的七电平逆变器相同，由N个开关电容组构成，前一开关电容组与后一开关电容组前后顺序级联，其控制原理也与本发明的七电平逆变器相同；通过控制多电平逆变器的开关状态，可以输出2N+3种电压电平。

由于本发明的七电平逆变器采用了开关电容电路，使用了拓扑结构相同的两个开关电容组前后顺序级联，不仅无需经过变压器就可以对输入直流电源进行升压，同时还有利于开关电容组的模块化生产和多电平逆变器拓展；相对于传统结构的七电平逆变器，在相同输出电压等级下，减少了系统中开关元件数目、提高了输出波形质量、有效降低了谐波含量和电磁干扰，且在大小功率场合均能达到优化系统效率的目的。

Claims (8)

1.一种七电平逆变器，其特征在于，所述逆变器由一个直流电源，两个开关电容组和一个全桥开关组构成；两个开关电容组前后顺序级联后连接全桥开关组；直流电源与并联于前级开关电容组；

所述两个开关电容组，即第一开关电容组和第二开关电容组结构相同，都由一个开关电容、两个功率开关管和三个不可控二极管构成。

2.根据权利要求1所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述第一开关电容组由第一电容、第五开关管、第六开关管、第五二极管、第六二极管和第九二极管构成；所述第九二极管的阳极与第五开关管的集电极相连于第三节点；第九二极管的阴极与第一电容的正极相连于第四节点；所述第一电容的负极同时与第五开关管的发射极、第六开关管的发射极相连于第五节点；所述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；所述第六开关管的发射极与第六二极管的阳极相连，第六开关管集电极与第六二极管的阴极相连于第六节点。

3.根据权利要求1所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述第二开关电容组由第二电容、第七开关管、第八开关管、第七二极管、第八二极管和第十二极管构成；所述第十二极管的阳极与第七开关管的集电极相连于第七节点；第十二极管的阴极与第二电容的正极相连于第八节点；所述第二电容的负极同时与第七开关管的发射极和第八开关管的发射极相连；所述第七开关管的集电极与第七二极管的阴极相连，第七开关管的发射极与第七二极管的阳极相连；所述第八开关管的发射极与第八二极管的阳极相连，第八开关管集电极与第八二极管的阴极相连于第九节点。

4.根据权利要求1所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述全桥开关组由第一开关管、第三开关管、第一二极管和第三二极管组成全桥开关组第一桥臂，由第二开关管、第四开关管、第二二极管和第四二极管组成全桥开关组第二桥臂；所述的第一开关管的集电极同时与第一二极管的阴极和第一节点相连，第一开关管的发射极与第一二极管的阳极相连；所述的第三开关管的集电极与第三二极管的阴极相连，第三开关管的发射极同时与第三二极管的阳极和第二节点相连；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；所述的全桥开关组第一桥臂中点和第二桥臂中点分别为逆变器输出正负端。

5.根据权利要求1所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述直流电源正极与第一开关电容组的第三节点相连，直流电源的负极同时与第一开关电容组的第六节点和全桥开关组的第二节点相连；第一开关电容组与第二开关电容组前后顺序级联；所述第一开关电容组的第四节点与第二开关电容组的第七节点相连，第一开关电容组的第五节点与第二开关电容组的第九节点相连；所述第二开关电容组的第八节点与全桥开关组的第一节点相连。

6.根据权利要求2和3所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述第一~第八开关管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管或IGBT管中的任意一种；所述第一~第八反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

7.根据权利要求2所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述第一开关电容组的第一电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等；

所述第五开关管和第六开关管为互补运行方式，不能同时导通；

所述第九二极管的作用为限制第一电容上的电流反向流向直流电源。

8.根据权利要求3所述一种七电平逆变器，其特征在于，所述第二开关电容组的第二电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等；

所述第七开关管和第八开关管为互补运行方式，不能同时导通；

所述第十二极管的作用为限制第二电容上的电流反向流向第一开关电容组。