CN106787886A - 七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器 - Google Patents

七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种七电平逆变拓扑结构及逆变器，包括：第一分压电容C1和第二分压电容C2串联后并联在第一输入端和第二输入端之间；隔直电容C3具有初始电压；开关管T1～T12，T1和T2串联后与C1并联；T3和T4串联后与C2并联；T5输入端与T1输出端和T2输入端相连，其输出端与T7输出端和T8输入端相连；T6输入端与T9输出端和T10输入端相连，其输出端与T3输出端和T4输入端相连；T7和T8、T9和T10以及T11和T12分别串联后与C3并联，T11输出端和T12输入端与第一输出端相连，T2输出端和T3输入端与第二输出端相连，每个开关管反向并联二极管。本发明开关管数量少，电容数少，结构简单。

Description

七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器。
背景技术
随着实际系统对电压和容量要求的提高，传统变换器已经不能满足实际需求。若两电平变换器用于高压大容量场合，会出现：变换器的电压和电流畸变严重，开关次数增加使得电压变换率过大，冲击电压则会导致开关管的损耗增加，系统效率降低。
多电平变换器具有易于实现高电压、大容量，开关管所承受电压低，输出电平数多，输出电压谐波小等优点。多电平逆变器拓扑结构主要包括二极管钳位型、飞跨电容型和级联型。二极管钳位型多电平逆变器的二极管数量随着电平数的增加而急剧增加；三电平以上直流母线中点电压难以平衡；受钳位二极管的分散性及杂散参数的影响，各钳位二极管所承受的电压不均匀。飞跨电容型多电平逆变器的电容数量随着电平数的增加而急剧增加。级联型多电平逆变器需要独立的直流电源，或者采用多绕组移相变压器，体积大成本高。
随着电平数的增加，多电平逆变器电压输出谐波更小，输出电压更接近理想正弦波，但传统多电平变换器开关管数量急剧增多，电容数增加，体积大，成本高，控制复杂。
发明内容
本发明提供一种七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器，用以解决现有逆变器使用开关器件数量多，体积大，成本高的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种七电平逆变拓扑结构，包括第一分压电容C1和第二分压电容C2、12个开关管T1～T12、与开关管反向并联的12个二极管D1～D12以及隔直电容C3，其中，第一分压电容C1和第二分压电容C2串联后并联在第一输入端I1和第二输入端I2之间；隔直电容C3具有设定的初始电压；第一开关管T1和第二开关管T2串联后与第一分压电容C1并联；第三开关管T3和第四开关管T4串联后与第二分压电容C2并联；第五开关管T5的输入端与第一开关管T1的输出端和第二开关管T2的输入端相连，第五开关管T5的输出端与第七开关管T7的输出端和第八开关管T8的输入端相连；第六开关管T6的输入端与第九开关管T9的输出端和第十开关管T10的输入端相连，第六开关管T6的输出端与第三开关管T3的输出端和第四开关管T4的输入端相连；第七开关管T7和第八开关管T8串联后与隔直电容C3并联，第七开关管T7的输入端与第九开关管T9的输入端和第十一开关管T11的输入端相连，第八开关管T8的输出端与第十开关管T10的输出端和第十二开关管T12的输出端相连；第九开关管T9和第十开关管T10串联后与隔直电容C3并联；第十一开关管T11和第十二开关管T12串联后与电容C3并联；其中，所述第十一开关管T11的输出端和第十二开关管T12的输入端与第一输出端O1相连，所述第二开关管T2的输出端和第三开关管T3的输入端与第二输出端O2相连。
根据本发明的另一个方面，提供一种七电平逆变器，包括直流电源以及上述七电平逆变拓扑结构，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一输入端I1和第二输入端I2连接。
上述七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器，与二极管钳位型七电平拓扑相比，减少了钳位二极管数量；与飞跨电容型七电平拓扑相比，减少了飞跨电容数量；与级联型七电平拓扑相比，减少了独立电源数量，因此，本发明所述七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器可解决现有逆变器开关器件数量多，体积大，成本高的问题。
附图说明
通过参考以下具体实施方式内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：
图1是本发明所述七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器的结构示意图；
图2是本发明所述七电平逆变拓扑结构的等效示意图；
图3是本发明所述三相七电平逆变拓扑结构的等效示意图；
图4是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第一工作状态的示意图；
图5是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第二工作状态的示意图；
图6是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第三工作状态的示意图；
图7是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第四工作状态的示意图；
图8是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第五工作状态的示意图；
图9是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第六工作状态的示意图；
图10是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第七工作状态的示意图。
在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。
具体实施方式
在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。
下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。
图1是本发明所述七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器的结构示意图，图2是本发明所述七电平逆变拓扑结构的等效示意图，如图1和2所示，所述七电平逆变器包括至少一个七电平逆变拓扑结构，还可以包括直流电源V1和滤波单元，其中，所述七电平逆变拓扑结构的第一输入端I1和第二输入端I2分别连接到所述直流电源V1正电平和负电平，第一输出端O1和第二输出端O2分别连接到负载R两端，所述七电平逆变拓扑结构将直流电源的直流转换为交流电经过所述滤波单元滤波供给负载R，所述滤波单元可以为滤波器，优选地，如图1所示，所述滤波单元为串联的滤波电容C4和滤波电感L，所述滤波电感L连接到第一输出端O1，所述滤波电容C4连接到第二输出端O2。
优选地，上述七电平逆变器还包括控制单元，生成触发脉冲控制七电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现所述七电平逆变拓扑结构的不同工作状态。
图2示出的七电平逆变拓扑结构为单相七电平逆变拓扑结构，图1示出的包括一个单相七电平逆变拓扑结构的七电平逆变器为单相七电平逆变器，但是本发明并不限于此，优选地，所述七电平逆变器包括多个所述七电平逆变拓扑结构，所述多个七电平逆变拓扑结构电路组合，形成多相逆变器，例如：三相逆变器，如图3所示，三个所述单相七电平逆变拓扑的三个输出端O2相连作为中性点，三个输出端O1与三相交流负载相连，三个第一输入端I1相连后与直流电源正极相连，三个第一输入端I2相连后与直流电源负极相连。
上述七电平逆变拓扑结构的构成如图1和2所示，包括：2个分压电容C1和C2、12个开关管T1～T12、12个二极管D1～D12和1个隔直电容C3，其中，
第一分压电容C1和第二分压电容C2串联后并联在第一输入端I1和第二输入端I2之间，优选地，第一分压电容C1与第二分压电容C2参数相同；
隔直电容C3具有设定的初始电压；
每一个开关管反向并联一个二极管，即，二极管阳极与开关管的发射极连接，二极管的阴极与开关管的集电极连接，所述开关管和二极管可以由单个器件实现(二极管与开关管集成封装在一起)，也可以是两个单独的器件；
第一开关管T1和第二开关管T2串联后与第一分压电容C1并联；
第一开关管T1的输出端与第二开关管T2的输入端相连；
第三开关管T3和第四开关管T4串联后与第二分压电容C2并联；
第三开关管T3的输出端与第四开关管T4的输入端相连；
第五开关管T5的输入端与第一开关管T1的输出端和第二开关管T2的输入端相连，第五开关管T5的输出端与第七开关管T7的输出端和第八开关管T8的输入端相连；
第六开关管T6的输出端与第三开关管T3的输出端和第四开关管T4的输入端相连，第六开关管T6的输入端与第九开关管T9的输出端和第十开关管T10的输入端相连；
第七开关管T7和第八开关管T8串联后与隔直电容C3并联，第七开关管T7的输入端与第九开关管T9的输入端和第十一开关管T11的输入端相连，第八开关管T8的输出端与第十开关管T10的输出端和第十二开关管T12的输出端相连；
第九开关管T9和第十开关管T10串联后与隔直电容C3并联；
第九开关管T9的输出端与第十开关管T10的输入端相连；
第十一开关管T11和第十二开关管T12串联后与隔直电容C3并联；
第十一开关管T11的输出端与第十二开关管T12的输入端相连；
第十一开关管T11的输出端和第十二开关管T12的输入端与第一输出端O1相连；
所述第二开关管T2的输出端和第三开关管T3的输入端与第二输出端O2相连。
上述开关管T1～T12可以根据实际电压和功率等级选用功率开关管，如MOSFET或IGBT，附图中以IGBT为例进行说明，而不限于此。
优选地，每一对开关管互补导通，也就是说，第一开关管T1和第二开关管T2的驱动信号逻辑相反，第三开关管T3和第四开关管T4的驱动信号逻辑相反，第五开关管T5和第六开关管T6的驱动信号逻辑相反，第七开关管T7和第八开关管T8的驱动信号逻辑相反，第九开关管T9和第十开关管T10的驱动信号逻辑相反，第十一开关管T11和第十二开关管T12的驱动信号逻辑相反。
上述七电平逆变拓扑结构的各开关管的不同导通与关断的组合，可以使得七电平逆变拓扑结构处于不同工作状态，图4～图10示出了七种工作状态，其中：
如图4所示，第一工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第八开关管(T8)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→T8→C3→T11→O1→O2→C1，或者O2→O1→D11→C3→D8→D5→D1→I1→C1。
如图5所示，第二工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第七开关管(T7)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第八开关管(T8)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→D7→T11→O1→O2→C1,或者O2→O1→D11→T7→D5→D1→I1→C1。
如图6所示，第三工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第七开关管(T7)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第八开关管(T8)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→D7→C3→D12→O1→O2→C1，或者O2→O1→T12→C3→T7→D5→D1→C1。
如图7所示，第四工作状态：第二开关管(T2)、第五开关管(T5)、第八开关管(T8)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第一开关管(T1)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：O2→D2→T5→T8→D12→O1，或者O2→O1→T12→D8→D5→T2。
如图8所示，第五工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第十开关管(T10)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第九开关管(T9)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→T10→C3→T11→O1→O2→C2，或者O2→O1→D11→C3→D10→T6→T4→C2。
如图9所示，第六工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第九开关管(T9)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第十开关管(T10)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→D9→T11→O1→O2→C2，或者O2→O1→D11→T9→T6→T4→C2。
如图10所示，第七工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第九开关管(T9)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第十开关管(T10)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→D9→C3→D12→O1→O2→C2，或者O2→O1→T12→C3→T9→T6→T4→C2。
上述七电平逆变拓扑结构开关管数量少，电容数少，体积小，成本低，结构简单，控制简单。
在本发明的一个具体实施例中，所述第一输入端I1和第二输入端I2之间的压差为4E，所述隔直电容C3的初始电压为E，所述第一输出端O1和第二输出端O2在上述七个工作状态下的压差分别为：3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E。
本发明所述七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器通过开关管T1～T12的导通与关断组合，输出七电平电压，可以改善输出电压波形，减小输出电压谐波，减小逆变器的成本和体积。
本发明所述七电平逆变器简化了拓扑结构，可以输出更多电平数。
尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。

Claims (8)

1.一种七电平逆变拓扑结构，其特征在于，包括第一分压电容(C1)和第二分压电容(C2)、12个开关管(T1～T12)、与开关管反向并联的12个二极管(D1～D12)以及隔直电容(C3)，其中，
第一分压电容(C1)和第二分压电容(C2)串联后并联在第一输入端(I1)和第二输入端(I2)之间；
隔直电容(C3)具有设定的初始电压；
第一开关管(T1)和第二开关管(T2)串联后与第一分压电容(C1)并联；
第三开关管(T3)和第四开关管(T4)串联后与第二分压电容(C2)并联；
第五开关管(T5)的输入端与第一开关管(T1)的输出端和第二开关管(T2)的输入端相连，第五开关管(T5)的输出端与第七开关管(T7)的输出端和第八开关管(T8)的输入端相连；
第六开关管(T6)的输入端与第九开关管(T9)的输出端和第十开关管(T10)的输入端相连，第六开关管(T6)的输出端与第三开关管(T3)的输出端和第四开关管(T4)的输入端相连；
第七开关管(T7)和第八开关管T8串联后与隔直电容(C3)并联，第七开关管(T7)的输入端与第九开关管(T9)的输入端和第十一开关管(T11)的输入端相连，第八开关管(T8)的输出端与第十开关管(T10)的输出端和第十二开关管(T12)的输出端相连；
第九开关管(T9)和第十开关管(T10)串联后与隔直电容(C3)并联；
第十一开关管(T11)和第十二开关管(T12)串联后与电容(C3)并联；
其中，所述第十一开关管(T11)的输出端和第十二开关管(T12)的输入端与第一输出端(O1)相连，所述第二开关管(T2)的输出端和第三开关管(T3)的输入端与第二输出端(O2)相连。
2.根据权利要求1所述的七电平逆变拓扑结构，其特征在于，所述第一开关管(T1)和第二开关管(T2)的驱动信号逻辑相反，第三开关管(T3)和第四开关管(T4)的驱动信号逻辑相反，第五开关管(T5)和第六开关管(T6)的驱动信号逻辑相反，第七开关管(T7)和第八开关管(T8)的驱动信号逻辑相反，第九开关管(T9)和第十开关管(T10)的驱动信号逻辑相反，第十一开关管(T11)和第十二开关管(T12)的驱动信号逻辑相反。
3.根据权利要求2所述的七电平逆变拓扑结构，其特征在于，所述七电平逆变拓扑结构的工作状态包括以下七个工作状态，其中：
第一工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第八开关管(T8)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→T8→C3→T11→O1→O2→C1，或者O2→O1→D11→C3→D8→D5→D1→I1→C1；
第二工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第七开关管(T7)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第八开关管(T8)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→D7→T11→O1→O2→C1,或者O2→O1→D11→T7→D5→D1→I1→C1；
第三工作状态：第一开关管(T1)、第五开关管(T5)、第七开关管(T7)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第二开关管(T2)、第六开关管(T6)、第八开关管(T8)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I1→T1→T5→D7→C3→D12→O1→O2→C1，或者O2→O1→T12→C3→T7→D5→D1→C1；
第四工作状态：第二开关管(T2)、第五开关管(T5)、第八开关管(T8)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第一开关管(T1)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，电流流向为：O2→D2→T5→T8→D12→O1，或者O2→O1→T12→D8→D5→T2；
第五工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第十开关管(T10)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第九开关管(T9)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→T10→C3→T11→O1→O2→C2，或者O2→O1→D11→C3→D10→T6→T4→C2；
第六工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第九开关管(T9)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第十开关管(T10)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→D9→T11→O1→O2→C2，或者O2→O1→D11→T9→T6→T4→C2；
第七工作状态：第四开关管(T4)、第六开关管(T6)、第九开关管(T9)和第十二开关管(T12)的驱动信号均为高电平，第三开关管(T3)、第五开关管(T5)、第十开关管(T10)和第十一开关管(T11)的驱动信号均为低电平，电流流向为：I2→D4→D6→D9→C3→D12→O1→O2→C2，或者O2→O1→T12→C3→T9→T6→T4→C2。
4.根据权利要求3所述的七电平逆变拓扑结构，其特征在于，所述第一输入端(I1)和第二输入端(I2)之间的压差为4E，所述隔直电容(C3)的初始电压为E，所述第一输出端(O1)和第二输出端(O2)在上述七个工作状态下的压差分别为：3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E。
5.根据权利要求1所述的七电平逆变拓扑结构，其特征在于，还包括串联的滤波电容(C4)和滤波电感(L)，所述滤波电感(L)连接到第一输出端(O1)，所述滤波电容(C4)连接到第二输出端(O2)。
6.一种七电平逆变器，包括直流电源，其特征在于，还包括：
权利要求1～5中任一权利要求所述的七电平逆变拓扑结构，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一输入端(I1)和第二输入端(I2)连接。
7.根据权利要求6所述的七电平逆变器，其特征在于，还包括：
控制单元，生成触发脉冲控制七电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现所述七电平逆变拓扑结构的不同工作状态。
8.根据权利要求6所述的七电平逆变器，其特征在于，包括多个所述七电平逆变拓扑结构，所述多个七电平逆变拓扑结构电路组合，形成多相逆变器。
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