CN106452145A - 多电平输出全桥逆变器 - Google Patents

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Abstract

一种多电平输出全桥逆变器，包括了多电平产生电路、全桥逆变电路，通过多电平产生电路产生多个电平输出，后由全桥逆变电路实现逆变输出。本发明多电平输出全桥逆变器实现了逆变器的多电平输出，与传统半桥逆变器相比，减小了开关器件的应力，减小了逆变器输出的总谐波畸变，增加了逆变器的使用寿命。控制方案简单，易于实现，可靠性高。

Description

多电平输出全桥逆变器
技术领域：
本发明涉及一种多电平输出全桥逆变器，属电能变换装置中的逆变器。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，逆变器得到了广泛的研究和应用，但是在需要高频高压的工业场合中，高频逆变器采用的仍然是方波输出，其输出电平只有+U和-U两态电平，而逆变拓扑只有半桥和全桥两种。方波逆变输出控制虽然方案简单易行，但是开关损耗较高，转换效率低下，总谐波畸变很高，功率三极开关管承受的电压应力很大，导致功率三极开关管很容易损坏。半桥逆变虽然设备成本没有全桥高，但是半桥逆变拓扑输出电压只有全桥逆变拓扑的一半，而全桥逆变拓扑又比半桥逆变拓扑多了两只功率三极开关管，在高频高压的工业应用场合上，这将会大大增加成本。五电平逆变器是近年来被提出以及大量研究的新型逆变拓扑。与传统的全桥或半桥逆变拓扑相比，五电平逆变器具有输出多态电平，转换效率较高，总谐波畸变较小，在输出较低态电平时，功率三极开关管承受电压应力较小等优点。五电平逆变器为同时实现高频输出和多电平输出提供了一种途径，具有很高的研究价值以及广阔的发展背景。但是其存在以下缺点：只能输出五态电平，无法应用在要求总谐波畸变更低的场合；常用的二极管钳位型五电平逆变器需要二极管耐压很高，器件体积较大；需要较多了功率开关三极管来实现电平的转换，器件成本较大。此外，大部分五电平逆变器都只能适用纯阻性负载的情况，应用环境狭窄。
发明内容：
本发明提供一种能保留五电平逆变器转换效率较高和较低的总谐波畸变优点的多电平输出全桥逆变器。
本发明采用如下技术方案：一种多电平输出全桥逆变器包括外接电源、多电平产生电路和全桥逆变电路，所述多电平产生电路包括第一功率二极管、第二功率二极管、第三功率二极管、第四功率二极管、第一充放电电容、第二充放电电容、第一功率三极开关管，所述全桥逆变电路包括第二功率三极开关管、第三功率三极开关管、第四功率三极开关管、第五功率三极开关管；所述第一功率二极管的阳极与外接电源的正端输入电感一端连接，第一功率二极管的阴极和第一功率三极开关管的漏极，连接到第一充放电电容的正端；第二功率二极管的阳极与第一功率三极开关管的漏极连接；第三功率二极管的阳极与第一充放电电容的负端连接，第三功率二极管的阴极与第一功率三极开关管的源极连接；第二充放电电容的负端和第四功率二极管的阳极，与第一功率三极开关管的源极连接；第四功率二极管的阴极与外接电源的负端连接；第二功率二极管的阴极，与第二功率三极开关管的漏极和第五功率三极开关管的漏极连接；第三功率二极管的阳极，与第三功率三极开关管的源极和第四功率三极开关管的源极连接；第二功率三极开关管的源极与第三功率三极开关管的漏极连接，该连接点作为输出电压的一端；四功率三极开关管的漏极与第五功率三极开关管的源极连接，该连接点作为输出电压的另一端。
优选地，所述外接电源还与输入电感、电容，输入电感、电容串联后与外接电源并 联。
本发明具有如下有益效果：
（1）转换效率高，节约能源；
（2）总谐波畸变很低，提高了逆变器使用寿命，降低了维护成本；
（3）除了五电平输出，可以实现更多态电平输出，比如七电平、九电平、十一电平输出等等，能适应不同场合对总谐波畸变的不同需求；
（4）控制方案简单，易于实现，具有较高的可靠性。
附图说明：
图1是本发明的多电平输出全桥逆变器电路结构示意图。
图2a为本发明实施例第一工作模态示意图。
图2b为本发明实施例第二工作模态示意图。
图2c为本发明实施例第三工作模态示意图。
图2d为本发明实施例第四工作模态示意图。
图2e为本发明实施例第五工作模态示意图。
其中：
1——多电平产生电路；2——全桥逆变电路；D 1~D 4——第一~第四功率极管；Q 1~Q 5——第一~第五功率三极开关管；C 1、C 2——第一、第二充放电电容；L——输入电感；C——输入电容；U——外接电源；U o——逆变器输出电压。
具体实施方式：
如图1所示，本发明多电平输出全桥逆变器包括外接电源Ui、多电平产生电路（1）和全桥逆变电路2。外接电源Ui还与输入电感L、电容C，输入电感L、电容C串联后与外接电源Ui并 联。多电平产生电路1包括第一功率二极管D 1 、第二功率二极管D 2 、第三功率二极管D 3 、第四功率二极管D 4 、第一充放电电容C 1 、第二充放电电容C 2 、第一功率三极开关管Q 1 ，所述全桥逆变电路2包括第二功率三极开关管Q 2 、第三功率三极开关管Q 3 、第四功率三极开关管Q 4 、第五功率三极开关管Q 5 。
第一功率二极管D 1 的阳极与外接电源的输入电感一端连接，第一功率二极管D 1 的阴极和第一功率三极开关管Q 1 的漏极，连接到第一充放电电容C 1 的正端；第二功率二极管D 2 的阳极与第一功率三极开关管Q 1 的漏极连接；第三功率二极管D 3 的阳极与第一充放电电容C 1 的负端连接，第三功率二极管D 3 的阴极与第一功率三极开关管Q 1 的源极连接；第二充放电电容C 2 的负端和第四功率二极管D 4 的阳极，与第一功率三极开关管Q 1 的源极连接；第四功率二极管D 4 的阴极与外接电源U的负端连接；第二功率二极管D 2 的阴极，与第二功率三极开关管Q 2 的漏极和第五功率三极开关管Q 5 的漏极连接；第三功率二极管D 3 的阳极，与第三功率三极开关管Q 3 的源极和第四功率三极开关管Q 4 的源极连接；第二功率三极开关管Q 2 的源极与第三功率三极开关管Q 3 的漏极连接，该连接点作为输出电压的一端；四功率三极开关管Q 4 的漏极与第五功率三极开关管Q 5 的源极连接，该连接点作为输出电压的另一端。
本发明的工作原理是：正半周时，输出电平态为0时，第一功率三极开关管Q 1 导通，第二功率三极开关管Q 2 、第三功率三极开关管Q 3 、第四功率三极开关管Q 4 和第五功率三极开关管Q 5 截止；输出电平态为+ U时，第一功率三极开关管Q 1 、第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 截止，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 导通；输出电平态为+ 2U时，第一功率三极开关管Q 1 ，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 导通，第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 截止。负半周时，输出电平态为0时，第一功率三极开关管Q 1 导通，第二功率三极开关管Q 2 、第三功率三极开关管Q 3 、第四功率三极开关管Q 4 和第五功率三极开关管Q 5 截止；输出电平态为- U时，第一功率三极开关管Q 1 、第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 截止，第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 导通；输出电平态为- 2U时，第一功率三极开关管Q 1 、第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 导通，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 截止。第一充放电电容C 1 和第二充放电电容C 2 的并联充电和串联放电交替进行，配合全桥逆变的状态翻转，保证了0、- U 、+ U、- 2U和+ 2U的五电平态输出，在第二功率二极管D 2 的阴极和第二功率三极开关管Q 2 、的漏极直接再接入N个多电平产生电路（1）可以输出5+2N个电平态。
下面以附图1为主电路结构，结合附图2来叙述本发明的具体工作原理和工作模态。
1.输出电压大于零，此时电路包括两个工作模态：
第一工作模态: 如图2(a)所示，第一功率三极开关管Q 1 、第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 截止，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 导通；外接电源U对第一充放电电容C 1 和第二充放电电容C 2 进行并联充电，输出电压U o 为+U。
第二工作模态：如图2(b)所示，第一功率三极开关管Q 1 ，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 导通，第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 截止；第一充放电电容C 1 和第二充放电电容C 2 进行串联放电，输出电压U o 为+2U。
2.输出电压小于零，此时电路包括两个工作模态：
第三工作模态：如图2(c)所示，第一功率三极开关管Q 1 、第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 截止，第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 导通；外接电源U对第一充放电电容C 1 和第二充放电电容C 2 进行并联充电，输出电压U o 为-U。
第四工作模态：如图2(d)所示，第一功率三极开关管Q 1 、第三功率三极开关管Q 3 和第五功率三极开关管Q 5 导通，第二功率三极开关管Q 2 和第四功率三极开关管Q 4 截止；第一充放电电容C 1 和第二充放电电容C 2 进行串联放电，输出电压U o 为-2U。
3.输出电压等于零，此时电路有一个工作模态：
第五工作模态：如图2(e)所示，第一功率三极开关管Q 1 导通，第二功率三极开关管Q 2 、第三功率三极开关管Q 3 、第四功率三极开关管Q 4 和第五功率三极开关管Q 5 截止；输出电压U o 为0。
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作出若干改进和发展，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种多电平输出全桥逆变器，包括外接电源(Ui)、多电平产生电路（1）和全桥逆变电路（2），其特征在于：所述多电平产生电路（1）包括第一功率二极管（D 1 ）、第二功率二极管（D 2 ）、第三功率二极管（D 3 ）、第四功率二极管（D 4 ）、第一充放电电容（C 1 ）、第二充放电电容（C 2 ）、第一功率三极开关管（Q 1 ），所述全桥逆变电路（2）包括第二功率三极开关管（Q 2 ）、第三功率三极开关管（Q 3 ）、第四功率三极开关管（Q 4 ）、第五功率三极开关管（Q 5 ）；所述第一功率二极管（D 1 ）的阳极与外接电源（Ui）的正端输入电感一端连接，第一功率二极管（D 1 ）的阴极和第一功率三极开关管（Q 1 ）的漏极，连接到第一充放电电容（C 1 ）的正端；第二功率二极管（D 2 ）的阳极与第一功率三极开关管（Q 1 ）的漏极连接；第三功率二极管（D 3 ）的阳极与第一充放电电容（C 1 ）的负端连接，第三功率二极管（D 3 ）的阴极与第一功率三极开关管（Q 1 ）的源极连接；第二充放电电容（C 2 ）的负端和第四功率二极管（D 4 ）的阳极，与第一功率三极开关管（Q 1 ）的源极连接；第四功率二极管（D 4 ）的阴极与外接电源（Ui）的负端连接；第二功率二极管（D 2 ）的阴极，与第二功率三极开关管（Q 2 ）的漏极和第五功率三极开关管（Q 5 ）的漏极连接；第三功率二极管（D 3 ）的阳极，与第三功率三极开关管（Q 3 ）的源极和第四功率三极开关管（Q 4 ）的源极连接；第二功率三极开关管（Q 2 ）的源极与第三功率三极开关管（Q 3 ）的漏极连接，该连接点作为输出电压的一端；四功率三极开关管（Q 4 ）的漏极与第五功率三极开关管（Q 5 ）的源极连接，该连接点作为输出电压的另一端。
2.根据权利要求1所述的多电平输出全桥逆变器，其特征在于：所述外接电源（Ui）还与输入电感（L）、电容（C），输入电感（L）、电容（C）串联后与外接电源（Ui）并联。
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