CN106602913A - 一种九电平逆变拓扑电路 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种九电平逆变拓扑电路，包括两个T型三电平电路、两个开关管、LC滤波电路；两个T型三电平电路的输入电源异极性端经过两个开关管连接，LC滤波电路接在两个T型三电平电路逆变桥臂中心节点上，两个T型三电平电路输入电源电压之比为1。与传统多电平逆变电路相比，本发明九电平逆变拓扑电路单位开关管个数下产生更多电平，即用更少的开关管产生了更多的电平，方便产生多电平的正弦脉冲宽度调制波形模拟交流输出，输出谐波含量大大降低，减小输出滤波器体积，极大程度减少逆变器制造成本和材料浪费，提高逆变器效率。

Description

一种九电平逆变拓扑电路
技术领域
本发明涉及一种九电平逆变拓扑电路，属于电力电子逆变器技术领域。
背景技术
逆变器是工业化社会中必不可少的电力变换单元，而多电平逆变器一直以来更是极为重要的电力电子装置，得到了深入的研究和广泛的应用。多电平逆变器具有输出低谐波含量、高输出电平数量、器件的低电压或电流应力、高效率、模块化、兼容性好等许多优点，使得它在光伏发电、风力发电、有源滤波、电动汽车等领域得到了广泛应用，在中高压功率逆变场合更是比两电平逆变器具有显著优势。但是多电平逆变器也有一些不可避免的缺点，为了产生更多多电平，需要用到较多的功率开关器件，这也导致了多电平逆变器成本的增加，这也成为制约多电平逆变器发展的主要因素；所以几年来各位学者提出了各种多电平逆变电路拓扑，希望用更少的开关管个数，产生更多的电平。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种九电平逆变拓扑电路，利用两个T型三电平电路单元电平的优化组合出九电平，实现逆变器九电平输出。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种九电平逆变拓扑电路，包括第一至第二T型三电平电路，第一T型三电平电路包括第一输入电源、第一至第二开关管、第一对反串联开关管，第一输入电源由两个等值电压源顺序串联而成，第一开关管的源极接第二开关管的漏极组成第一逆变桥臂，第一开关管的漏极、第二开关管的源极分别接第一输入电源的正、负极，第一对反串联开关管连接第一输入电源中心节点和第一逆变桥臂中心节点；第二T型三电平电路包括第二输入电源、第五至第六开关管、第二对反串联开关管，第二输入电源由两个等值电压源顺序串联而成，第五开关管的漏极接第六开关管的源极组成第二逆变桥臂，第六开关管的漏极、第五开关管的源极分别接第二输入电源的正、负极，第二对反串联开关管连接第二输入电源中心节点和第二逆变桥臂中心节点；第二输入电源中单个电压源电压值与第一输入电源中单个电压源电压值相等；还包括第三至第四开关管、负载，第三开关管的源极接第二输入电源的负极，第三开关管漏极接第一输入电源的正极；第四开关管的漏极接第二输入电源的正极，第四开关管的源极接第一输入电源的负极；第一逆变桥臂中心节点和第二逆变桥臂中心节点之间连接负载。
作为本发明的一种优选方案，该逆变拓扑电路还包括LC滤波电路，LC滤波电路连接在第一逆变桥臂中心节点和第二逆变桥臂中心节点之间。
作为本发明的一种优选方案，所述第一至第六开关管均采用MOS管或IGBT管，且每个开关管的漏极和源极之间反并联二极管或者每个开关管的漏极和源极之间为寄生的二极管。
作为本发明的一种优选方案，所述第一至第二对反串联开关管均为共漏极串联或共源极串联。
作为本发明的一种优选方案，所述第一或第二对反串联开关管中，两个开关管的门极连接在一起，用同一路控制信号控制其导通和关断。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明与传统的级联全桥型多电平逆变电路(CHB)相比，产生相同的9个电平，CHB所需的开关管个数为16,而本发明新型九电平逆变拓扑电路所需的开关管个数为10，节省了功率开关管数量，将降低九电平逆变器制造成本，同时降低导通损耗和开关损耗，提高逆变器工作效率。
2、本发明单位开关管个数下产生更多电平，即用更少的开关管产生了更多的电平，方便利用多电平组成阶梯波形模拟交流输出，输出谐波含量大大降低，减小输出滤波器体积，极大程度减少逆变器制造成本和材料浪费，提高逆变器效率。
附图说明
图1是本发明九电平逆变拓扑电路的原理图。
图2是传统级联全桥九电平逆变电路(CHB)拓扑图。
图3是本发明九电平逆变拓扑电路其中某些开关管导通的电路模态图，其中，(a)表示节点AB输出电平为1Vdc，(b)表示节点AB输出电平为2Vdc。
图4是本发明九电平逆变拓扑电路控制方法示意图。
图5是本发明九电平逆变拓扑电路节点AB输出波形图。
图6是本发明九电平逆变拓扑电路滤波后输出波形图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明九电平逆变拓扑电路的原理图，包括：T型三电平电路1、开关管2、T型三电平电路3、LC滤波电路4；T型三电平电路的输入电源由两个等值电压源顺序串联组成，即一个电压源的正极连接另一个电压源的负极，用两个开关管串联组成的逆变桥臂连接在输入电源的两端，即一个开关管的漏极连接另一个开关管的源极，组成逆变桥臂，此逆变桥臂的漏极一端接输入电源正极，源极一端接输入电源负极；成对反串联开关管连接输入电源中心节点和逆变桥臂中点节点，组成基本T型三电平电路1和3，1和3的每个电压源电压值必须相同，其异极性端通过开关管2连接，2中开关管均是漏极接输入电源正极，源极接输入电源负极；T型三电平电路1和3的开关管逆变桥臂中心节点A和B连接输出LC滤波电路4，通过控制特定组合的开关管导通和关断，结点A、B组合输出多达9电平，LC滤波电路4对调制波形滤波后输出。
T型三电平电路1和3的输入电源由两个等值电压源顺序串联组成，即一个电压源的正极连接另一个电压源的负极，用两个开关管串联组成的逆变桥臂连接在输入电源的两端，即一个开关管的漏极连接另一个开关管的源极，组成逆变桥臂，此逆变桥臂的漏极一端接输入电源正极，源极一端接输入电源负极；成对反串联开关管连接输入电源中心节点和逆变桥臂中点节点，组成基本T型三电平电路。
开关管采用MOS管、IGBT或者其他功率开关器件，开关管的漏极和源极之间反并联二极管或者为寄生的二极管。
所有成对反串联开关管可以是共漏极串联也可以是共源极串联，即两个开关管的漏极连接在一起或者源极连接在一起。成对反串联开关管中两个开关管通断控制端即门极连接在一起，用同一路控制信号控制其导通和关断；也可以用逆阻型IGBT成对反并联代替成对反串联的开关管。
图2是传统级联全桥九电平逆变电路(CHB)拓扑图。九电平产生示例如下：图1中成对反串联开关管每一组可以用同一开关信号控制，如图Q7、Q8两组。当控制开关管Q4、Q6、Q8导通，其余开关管均关断时，此时电压源1Vdc通过Q4、Q6、Q8在节点AB输出电平为1Vdc，电路模态图如图3的(a)所示，黑色表示导通此电路支路上的开关管，灰色表示关断此支路上的开关管，以下各图均如此表示。控制开关管Q1、Q4、Q6导通，其余开关管关断，两个电压源1Vdc通过Q1、Q4、Q6在节点AB输出电平为2Vdc，电路模态图如图3的(b) 所示。同理可以得到从-4Vdc到+4Vdc共计9种电平，实现的方法如表1开关管导通逻辑所示：表1中AB节点每一种输出电平对应的行中“1”表示开通其所在列对应的开关管，“0”表示关闭其所在列对应的开关管。
表1开关管导通逻辑图表
逆变产生正弦波形示例：按照正弦脉冲宽度调制策略(SPWM)，首先对想要输出的给定基准正弦波形按正负幅值各均分成4等分，如图4所示，利用锯齿载波对每一等分对应正弦电平区间进行脉冲宽度调制，每一等分电平区间对应表1所示的电平区间划分，对每一区间电平的脉宽调制都可以只用此区间内对应的开关管导通或者关断来实现。例如调制0-1Vdc区间内的基准正弦波时，当需要AB输出0Vdc时，只需要开通Q1、Q4、Q6，其他开关管关闭即可，当需要AB输出1Vdc时，只需要开通Q4、Q6、Q8，其他开关管关闭即可，可以发现两种电平的切换实际上只是在Q1和Q4两个开关管之间进行切换，开关频率低，开关损耗小，其他区间脉宽调制同理可得，这样得到的一个周期内新型九电平逆变电路AB节点输出电平VAB波形如图5所示，此脉宽调制输出波形谐波含量很低，只需要较小体积的LC滤波器滤波就可以得到优良的逆变输出即负载Rload上波形URload，如图6所示，降低滤波器制造成本，节约材料。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种九电平逆变拓扑电路，包括第一至第二T型三电平电路，第一T型三电平电路包括第一输入电源、第一至第二开关管、第一对反串联开关管，第一输入电源由两个等值电压源顺序串联而成，第一开关管的源极接第二开关管的漏极组成第一逆变桥臂，第一开关管的漏极、第二开关管的源极分别接第一输入电源的正、负极，第一对反串联开关管连接第一输入电源中心节点和第一逆变桥臂中心节点；第二T型三电平电路包括第二输入电源、第五至第六开关管、第二对反串联开关管，第二输入电源由两个等值电压源顺序串联而成，第五开关管的漏极接第六开关管的源极组成第二逆变桥臂，第六开关管的漏极、第五开关管的源极分别接第二输入电源的正、负极，第二对反串联开关管连接第二输入电源中心节点和第二逆变桥臂中心节点；第二输入电源中单个电压源电压值与第一输入电源中单个电压源电压值相等；其特征在于，还包括第三至第四开关管、负载，第三开关管的源极接第二输入电源的负极，第三开关管漏极接第一输入电源的正极；第四开关管的漏极接第二输入电源的正极，第四开关管的源极接第一输入电源的负极；第一逆变桥臂中心节点和第二逆变桥臂中心节点之间连接负载。
2.根据权利要求1所述九电平逆变拓扑电路，其特征在于，该逆变拓扑电路还包括LC滤波电路，LC滤波电路连接在第一逆变桥臂中心节点和第二逆变桥臂中心节点之间。
3.根据权利要求1所述九电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述第一至第六开关管均采用MOS管或IGBT管，且每个开关管的漏极和源极之间反并联二极管或者每个开关管的漏极和源极之间为寄生的二极管。
4.根据权利要求1所述九电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述第一至第二对反串联开关管均为共漏极串联或共源极串联。
5.根据权利要求1所述九电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述第一或第二对反串联开关管中，两个开关管的门极连接在一起，用同一路控制信号控制其导通和关断。
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