CN106452141A - 一种无桥臂直通风险的三相双输入逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无桥臂直通风险三相双输入逆变器，它由两个独立输入源、九个开关管、七个二极管、六个滤波电感构成。本发明共有四十八个工作模态，逆变器处于任何模态时，桥臂上管和下管之一(或二者)与拓扑中的某个二极管反向串联，从结构上避免了直通，可靠性高。本发明利用双输入电源和增加的S2、S5、S8和D0构成结构相当简单的五电平输出。系统双输入源Vin1与Vin2电压不同，通过控制达到分时向逆变器供电的目的；若Vin1由Vin2经Boost升压得到，则系统输出功率一部分直接来自于Vin1，另一部分来自于升压单元，实现了部分功率的单级转换，不但减少了升压单元容量，而且提高了系统效率。

Description

一种无桥臂直通风险的三相双输入逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其属于直流-交流变换技术领域，具体指一种无桥臂直通风险的三相双输入逆变器。
背景技术
随着航空电源、新能源发电、电动汽车等技术的快速发展，高可靠性高效率逆变器逆变技术得到了广泛的关注。
传统三相逆变器的开关桥臂由两个开关管串联而成，开关桥臂直接和直流电源串联，为了防止开关桥臂直通，必须给开关管加入合适的死区时间。这会导致逆变器输出波形质量变差，并且逆变器在受到干扰时，两个开关管仍然存在同时导通而导致直流电源短路的危险。
另一方面，在高电压大功率逆变场合中，多电平逆变技术得到越来越多的关注，人们提出了不同的电路拓扑结构和控制策略，但是多电平逆变器仍然存在电路复杂、控制方法复杂等缺点，影响逆变器系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提出一种无桥臂直通风险的三相双输入逆变器，用于解决逆变器对多个直流电压源进行高可靠性三相直流-交流变换时存在的技术问题。
为实现上述目的，本发明采用的方案为：
所述一种无桥臂直通风险的三相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)、第零二极管(D0)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第一滤波电感(L1)、第二滤波电感(L2)、第三滤波电感(L3)、第四滤波电感(L4)、第五滤波电感(L5)、第六滤波电感(L6)、第一滤波电容(C1)、第二滤波电容(C2)、第三滤波电容(C3)和负载(R1～R3)构成，并且第一直流输入电压源(Vin1)必须不低于第二直流输入电压源(Vin2)的电压。
该三相逆变器的输入电源的连接方式为：第一直流输入电压源(Vin1)的正极连接于第一开关管(S1)、第四开关管(S4)、第七开关管(S7)的集电极和第一二极管(D1)、第三二极管(D3)、第五二极管(D5)的负极；第一直流输入电压源(Vin1)的负极连接于第二直流输入电压源(Vin2)的负极、第二二极管(D2)的正极、第三开关管(S3)的发射极、第四二极管(D4)的正极、第六开关管(S6)的发射极、第六二极管(D6)的正极、第九开关管(S9)的发射极。第二直流输入源(Vin2)的正极通过一个二极管(D0)、三个开关管(S2、S5、S8)接入到电路；第零二极管(D0)的正极连接于第二直流输入电压源(Vin2)的正极；第二开关管(S2)、第五开关管(S5)、第八开关管(S8)的集电极连接于第零二极管(D0)的负极；第二直流输入电压源(Vin2)的负极连接于第一直流输入电压源(Vin1)的负极、第三开关管(S3)、第六开关管(S6)、第九开关管(S9)的集电极和第二二极管(D2)、第四二极管(D4)、第六二极管(D6)的负极。
该三相逆变器的桥臂的连接方式为：(桥臂1)第一开关管(S1)的发射极连接于第二开关管(S2)的发射极、第二二极管(D2)的负极、第一滤波电感(L1)的一端；第一二极管(D1)的正极连接于第三开关管(S3)的集电极、第二滤波电感(L2)的一端；第一滤波电感(L1)和第二滤波电感(L2)的另一端连接在一起作为三相负载端之一。(桥臂2)第四开关管(S4)的发射极连接于第五开关管(S5)的发射极、第四二极管(D4)的负极、第三滤波电感(L3)的一端；第三二极管(D1)的正极连接于第六开关管(S6)的集电极、第四滤波电感(L4)的一端；第三滤波电感(L3)和第四滤波电感(L4)的另一端连接在一起作为三相负载端之二。(桥臂3)第七开关管(S7)的发射极连接于第八开关管(S8)的发射极、第六二极管(D6)的负极、第五滤波电感(L5)的一端；第五二极管(D5)的正极连接于第九开关管(S9)的集电极、第六滤波电感(L6)的一端；第五滤波电感(L5)和第六滤波电感(L6)的另一端连接在一起作为三相负载端之三。
1、该三相逆变器的高可靠性工作模态为：三相逆变器共有48种高可靠性工作模态，以其中一种模态说明。如上图所示，第一开关管(S1)、第六开关管(S6)、第九开关管(S9)导通，其它开关管关断。此时，对于桥臂1，第一开关管(S1)导通，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三开关管(S3)都截止，并且第三开关管(S3)与第二二极管(D2)反向串联，避免了第一开关管(S1)和第三开关管(S3)可能的直通风险；对于桥臂2，第六开关管(S6)导通，第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第四开关管(S4)都截止，并且第四开关管(S3)与第四二极管(D4)反向串联，避免了第 四开关管(S4)和第六开关管(S6)可能的直通风险；对于桥臂3，第九开关管(S9)导通，第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七开关管(S7)都截止，并且第七开关管(S7)与第六二极管(D6)反向串联，避免了第七开关管(S7)和第九开关管(S9)可能的直通风险。同理，对于其它47种模态工作时，也是无任何直通风险的。
该三相逆变器特有的5电平调制策略为：调制波为三相正弦电压信号，载波为三条三角波，分别为：峰峰值Vin1-Vin2、偏置Vin1+Vin2/2的第一三角波，峰峰值为Vin2、偏置Vin2/2的第二三角波，峰峰值Vin1、偏置-Vin1/2的第三三角波；对于A相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S1导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S1关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S2导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S2关断，对于A相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S3导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S3关断；对于B相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S4导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S4关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S5导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S5关断，对于B相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S6导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S6关断；对于C相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S7导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S7关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S8导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S8关断，对于C相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S9导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S9关断。
有益效果：
本发明共有四十八个工作模态，逆变器处于任何模态时，桥臂上管和下管之一(或二者)与拓扑中的某个二极管反向串联，从结构上避免了直通，可靠性高。
本发明利用双输入电源和增加的S2、S5、S8和D0构成结构相当简单的五电平输出。系统双输入源Vin1与Vin2电压不同，通过控制达到分时向逆变器供电的目的；
若Vin1由Vin2经Boost升压得到，则系统输出功率一部分直接来自于Vin1，另一部分来自于升压单元，实现了部分功率的单级转换，不但减少了升压单元容量，而且提高了系统效率。
附图说明
附图1为本发明无桥臂直通风险的三相双输入逆变器；
附图2为本发明在A相滤波前电压uA1、B2＝Vin1时的等效电路图；
附图3为本发明在A相滤波前电压uA1、B2＝Vin2时的等效电路图；
附图4为本发明在A相滤波前电压uA2、B2＝0时的等效电路图；
附图5为本发明在A相滤波前电压uA1、B1＝-Vin2时的等效电路图；
附图6为本发明在A相滤波前电压uA2、B1＝-Vin1时的等效电路图；
附图7为本发明的调制原理示意图；
附图8为本发明的A相开关管驱动信号图；
附图9为本发明的输出仿真波形。
上面附图中的主要符号说明：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，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八、第九开关管，D0、D1、D2、D3、D4、D5、D6分别为第零、第一、第二、第三、第四、第五、第六二极管，L1、L2、L3、L4、L5、L6分别为第一、第二、第三、第四、第五、第六滤波电感，C1、C2、C3分别为第一、第二、第三滤波电容。
具体实施方式
下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
实施例：如图1所示为无桥臂直通风险的三相双输入逆变器电路结构，包括：两个独立的直流输入电压源(Vin1～Vin2)、九个开关管(S1～S9)、七个二极管(D0～D6)、六个滤波电感(L1～L6)、三个滤波电容(C1～C3)和负载(R1～R3)。
该三相逆变器的输入电源的连接方式为：Vin1的正极连接于S1、S4、S7的集电极和D1、D3、D5的负极；Vin1的负极连接于Vin2的负极、D2的正极、S3的发射极、D4的正极、S6的发射极、D6的正极、S9的发射极。Vin2的正极通过一个二极管(D0)、三个开关管(S2、S5、S8)接入到电路；D0的正极连接于Vin2的正极；S2、S5、S8的集电极连接于D0的负极；Vin2的负极连接于Vin1的负极、S3、S6、S9的集电极和D2、D4、D6的负极。
该三相逆变器的桥臂的连接方式为：(桥臂1)S1的发射极连接于S2的发射极、D2的负极、L1的一端；D1的正极连接于S3的集电极、L2的一端；L1和L2的另一端连接在一起作为三相负载端之一。(桥臂2)S4的发射极连接于S5的发射极、D4的负极、L3的 一端；D1的正极连接于S6的集电极、L4的一端；L3和L4的另一端连接在一起作为三相负载端之二。(桥臂3)S7的发射极连接于S8的发射极、D6的负极、L5的一端；D5的正极连接于S9的集电极、L6的一端；L5和L6的另一端连接在一起作为三相负载端之三。
该三相逆变器的高可靠性工作模态为：三相逆变器共有48种高可靠性工作模态，以其中一种模态说明。如上图所示，S1、S6、S9导通，其它开关管关断。此时，对于桥臂1，S1导通，D1、D2、S3都截止，并且S3与D2反向串联，避免了S1和S3可能的直通风险；对于桥臂2，S6导通，D3、D4、S4都截止，并且S3与D4反向串联，避免了S4和S6可能的直通风险；对于桥臂3，S9导通，D5、D6、S7都截止，并且S7与D6反向串联，避免了S7和S9可能的直通风险。同理，对于其它47种模态工作时，也是无任何直通风险的。
该三相逆变器特有的5电平调制策略为：调制波为三相正弦电压信号，载波为三条三角波，分别为：峰峰值Vin1-Vin2、偏置Vin1+Vin2/2的第一三角波，峰峰值为Vin2、偏置Vin2/2的第二三角波，峰峰值Vin1、偏置-Vin1/2的第三三角波；对于A相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S1导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S1关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S2导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S2关断，对于A相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S3导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S3关断；对于B相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S4导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S4关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S5导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S5关断，对于B相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S6导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S6关断；对于C相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S7导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S7关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S8导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S8关断，对于C相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S9导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S9关断。
本发明无桥臂直通风险的三相双输入逆变器能够输出5种电平，下面以A相为例说明。如图2所示，此时桥臂1中S1导通、桥臂2中S6导通，A相滤波前电压为uA1、B2＝Vin1；如图3所示，此时桥臂1中S2导通、桥臂2中S6导通，A相滤波前电压uA1、B2＝Vin2；如 图4所示，此时桥臂1中S3导通、桥臂2中S6导通，A相滤波前电压uA2、B2＝0；如图5所示，此时桥臂1中S3导通、桥臂2中S5导通，A相滤波前电压uA1、B1＝-Vin2；如图6所示，此时桥臂1中S3导通、桥臂2中S4导通，A相滤波前电压uA2、B1＝-Vin1。B相、C相与此同理。
为验证本发明的有效性，以附图1中无桥臂直通风险的三相双输入逆变器为例进行仿真实验，其调制策略如附图7所示，三相参考电压分别与三条三角载波交截，产生如图8所示的三相桥臂开关管驱动信号。在输入为Vin1＝180V、Vin2＝100V，三相负载R1＝R2＝R3＝12Ω，开关频率30kHz时，逆变器的输出电压波形如附图9所示。
以上分析仅用于说明本发明一种无桥臂直通风险的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。
以上所示只是本发明的优选实施方式，应当指出：对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 (4)

1.该三相逆变器的输入电源的连接方式，其特征在于：第一直流输入电压源(Vin1)的正极连接于第一开关管(S1)、第四开关管(S4)、第七开关管(S7)的集电极和第一二极管(D1)、第三二极管(D3)、第五二极管(D5)的负极；第一直流输入电压源(Vin1)的负极连接于第二直流输入电压源(Vin2)的负极、第二二极管(D2)的正极、第三开关管(S3)的发射极、第四二极管(D4)的正极、第六开关管(S6)的发射极、第六二极管(D6)的正极、第九开关管(S9)的发射极。第二直流输入源(Vin2)的正极通过一个二极管(D0)、三个开关管(S2、S5、S8)接入到电路；第零二极管(D0)的正极连接于第二直流输入电压源(Vin2)的正极；第二开关管(S2)、第五开关管(S5)、第八开关管(S8)的集电极连接于第零二极管(D0)的负极；第二直流输入电压源(Vin2)的负极连接于第一直流输入电压源(Vin1)的负极、第三开关管(S3)、第六开关管(S6)、第九开关管(S9)的集电极和第二二极管(D2)、第四二极管(D4)、第六二极管(D6)的负极。
2.该三相逆变器的桥臂的连接方式，其特征在于：(桥臂1)第一开关管(S1)的发射极连接于第二开关管(S2)的发射极、第二二极管(D2)的负极、第一滤波电感(L1)的一端；第一二极管(D1)的正极连接于第三开关管(S3)的集电极、第二滤波电感(L2)的一端；第一滤波电感(L1)和第二滤波电感(L2)的另一端连接在一起作为三相负载端之一。(桥臂2)第四开关管(S4)的发射极连接于第五开关管(S5)的发射极、第四二极管(D4)的负极、第三滤波电感(L3)的一端；第三二极管(D1)的正极连接于第六开关管(S6)的集电极、第四滤波电感(L4)的一端；第三滤波电感(L3)和第四滤波电感(L4)的另一端连接在一起作为三相负载端之二。(桥臂3)第七开关管(S7)的发射极连接于第八开关管(S8)的发射极、第六二极管(D6)的负极、第五滤波电感(L5)的一端；第五二极管(D5)的正极连接于第九开关管(S9)的集电极、第六滤波电感(L6)的一端；第五滤波电感(L5)和第六滤波电感(L6)的另一端连接在一起作为三相负载端之三。
3.该三相逆变器的高可靠性工作模态，其特征在于：三相逆变器共有48种高可靠性工作模态，以其中一种模态说明。如上图所示，第一开关管(S1)、第六开关管(S6)、第九开关管(S9)导通，其它开关管关断。此时，对于桥臂1，第一开关管(S1)导通，第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三开关管(S3)都截止，并且第三开关管(S3)与第二二极管(D2)反向串联，避免了第一开关管(S1)和第三开关管(S3)可能的直通风险；对于桥臂2，第六开关管(S6)导通，第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第四开关管(S4)都截止，并且第四开关管(S3)与第四二极管(D4)反向串联，避免了第四开关管(S4)和第六开关管(S6)可能的直通风险；对于桥臂3，第九开关管(S9)导通，第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七开关管(S7)都截止，并且第七开关管(S7)与第六二极管(D6)反向串联，避免了第七开关管(S7)和第九开关管(S9)可能的直通风险。同理，对于其它47种模态工作时，也是无任何直通风险的。
4.该三相逆变器特有的5电平调制策略，其特征在于：调制波为三相正弦电压信号，载波为三条三角波，分别为：峰峰值Vin1-Vin2、偏置Vin1+Vin2/2的第一三角波，峰峰值为Vin2、偏置Vin2/2的第二三角波，峰峰值Vin1、偏置-Vin1/2的第三三角波；对于A相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S1导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S1关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S2导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S2关断，对于A相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S3导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S3关断；对于B相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S4导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S4关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S5导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S5关断，对于B相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S6导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S6关断；对于C相正弦调制波的正半周，在正弦波大于第一三角波的部分，开关管S7导通，在正弦波小于第一三角波的部分，开关管S7关断，在正弦波大于第二三角波的部分，开关管S8导通，在正弦波小于第二三角波的部分，开关管S8关断，对于C相正弦调制波的负半周，在正弦波小于第三三角波的部分，开关管S9导通，在正弦波大于第三三角波的部分，开关管S9关断。
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