CN106972748A - 一种多电平功率变换电路及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多电平功率变换电路，第一二极管的阳极分别与第一全控开关的第一端和第三全控开关的第一端以及输入电源的正极连接，第一二极管的阴极与第一电容器的正极连接；第一电容器的负极分别与第三全控开关的第二端和第四全控开关的第一端连接；第二二极管的阴极分别与第二全控开关的第二端和第四全控开关的第二端以及输入电源的负极连接，第二二极管的阳极与第二电容器的负极连接；第二电容器的正极分别与第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接。由此可见，本电路无需添加电压均衡电路，且只需要一个输入电源，另外结构简单，可靠性较高。此外，本发明还公开一种多电平功率变换系统，效果如上所述。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种多电平功率变换电路及系统。
背景技术
随着石化能源的逐渐枯竭和城市空气污染的日益严重，以风能和太阳能为代表的分布式发电技术以及以电池和超级电容为代表的分布式储能技术越来越受到世界各国的高度重视。这些新兴能源和新技术的发展和应用高度依赖于电力电子逆变装置的性能。
然而，传统的两电平逆变电路具有谐波含量高和效率低等缺陷。近年来，随着电力电子技术的高速发展，多电平逆变电路备受关注，其优点包括输出电压谐波含量少、器件电压应力低、电磁干扰少和效率高等。典型的多电平逆变电路包括二极管钳位型、电容钳位型和H桥级联型。其中二极管钳位型和电容钳位型多电平逆变电路都存在电容电压需要外加电压均衡电路的问题，而H桥级联型多电平逆变电路需要多个独立的直流电源。
由此可见，现有的方案无疑都增加了系统复杂度和降低了可靠性。如何设计出电路结构简单和高可靠性的多电平逆变电路是有待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多电平功率变换电路及系统，具有电路结构简单和高可靠性的优点。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多电平功率变换电路，包括第一全桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器；所述第一全桥电路包括第一全控开关、第二全控开关、第三全控开关和第四全控开关；
所述第一二极管的阳极分别与所述第一全控开关的第一端和所述第三全控开关的第一端以及输入电源的正极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接；所述第一电容器的负极分别与所述第三全控开关的第二端和所述第四全控开关的第一端连接；所述第二二极管的阴极分别与所述第二全控开关的第二端和所述第四全控开关的第二端以及所述输入电源的负极连接，所述第二二极管的阳极与第二电容器的负极连接；所述第二电容器的正极分别与所述第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接；
其中，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关的控制端分别通过驱动电路与控制器相连。
优选地，还包括第一谐振电感器和第二谐振电感器，所述第一谐振电感器的第一端与所述第三全控开关的第二端和所述第四全控开关的第一端连接，所述第一谐振电感器的第二端与所述第一电容器的负极连接；所述第二谐振电感器的第一端与所述第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接，所述第二谐振电感器的第二端与所述第二电容器的正极连接。
优选地，还包括第二全桥电路，所述第二全桥电路与包括第五全控开关、第六全控开关、第七全控开关和第八全控开关；
所述第五全控开关的第一端与所述第七全控开关的第一端分别与所述第一电容器的正极连接，所述第六全控开关的第二端与所述第八全控开关的第二端分别与所述第二电容器的负极连接，所述第七全控开关的第二端与所述第八全控开关的第一端连接并作为正输出端，所述第五全控开关的第二端与所述第六全控开关的第一端连接并作为负输出端。
优选地，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为N沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为P沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为绝缘栅双极型晶体管。
优选地，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为N沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为P沟道电力场效应晶体管。
优选地，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为绝缘栅双极型晶体管。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多电平功率变换系统，包括n个上述所述的多电平功率变换电路，所述多电平功率变换电路依次串联，用于将n个直流电源的电压转换为多电平交流电，n为大于1的正整数。
本发明所提供的多电平功率变换电路，包括第一全桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器。第一全桥电路包括第一全控开关、第二全控开关、第三全控开关和第四全控开关。第一二极管的阳极分别与第一全控开关的第一端和第三全控开关的第一端以及输入电源的正极连接，第一二极管的阴极与第一电容器的正极连接；第一电容器的负极分别与第三全控开关的第二端和第四全控开关的第一端连接；第二二极管的阴极分别与第二全控开关的第二端和第四全控开关的第二端以及输入电源的负极连接，第二二极管的阳极与第二电容器的负极连接；第二电容器的正极分别与第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接。由此可见，本发明提供的电路无需添加电压均衡电路，且只需要一个输入电源，另外本电路结构简单，可靠性较高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多电平功率变换电路图；
图2为图1所示的多电平功率变换电路输出一倍输入电压时对应的电路图；
图3为图1所示的多电平功率变换电路输出两倍输入电压时对应的电路图；
图4为图1所示的多电平功率变换电路输出两倍输入电压时对应的另一种电路图；
图5为图1所示的多电平功率变换电路输出三倍输入电压时对应的电路图；
图6为本发明实施例提供的另一种多电平功率变换电路图；
图7为本发明实施例提供的另一种多电平功率变换电路图；
图8为本发明实施例提供的一种多电平功率变换系统的结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下，所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
本发明的核心是提供一种多电平功率变换电路及系统，具有电路结构简单和高可靠性的优点。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种多电平功率变换电路图。如图1所示，多电平功率变换电路包括第一全桥电路10、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电容器C1和第二电容器C2；第一全桥电路10包括第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4。
第一二极管D1的阳极分别与第一全控开关S1的第一端和第三全控开关S3的第一端以及输入电源的正极连接，第一二极管D1的阴极与第一电容器C1的正极连接；第一电容器C1的负极分别与第三全控开关S3的第二端和第四全控开关S4的第一端连接；第二二极管D2的阴极分别与第二全控开关S2的第二端和第四全控开关S4的第二端以及输入电源的负极连接，第二二极管D2的阳极与第二电容器C2的负极连接；第二电容器C2的正极分别与第一全控开关S1的第二端和第二全控开关S2的第一端连接；
其中，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4的控制端分别通过驱动电路与控制器相连。
图1所示的多电平功率变换电路具有多种工作状态，下文中针对每种情况进行详细描述。
1)第一全控开关S1和第四全控开关S4同时开通且第二全控开关S2和第三全控开关S3同时关断
第一电容器C1通过第一二极管D1和第四全控开关S4与输入电源VDC并联且被充电至输入电源的电压VDC，第二电容器C2通过第二二极管D2和第一全控开关S1与输入电源VDC并联且被充电至输入电源的电压，多电平功率变换电路的输出电压Vbus等于输入电源的电压，即Vbus＝VDC。图2为图1所示的多电平功率变换电路输出一倍输入电压时对应的电路图。
2)第一全控开关S1和第三全控开关S3同时开通且第二全控开关S2和第四全控开关S4同时关断
第一二极管D1截止，第二电容器C2通过第二二极管D2和第一全控开关S1与输入电源VDC并联后再通过第三全控开关S3与第一电容器C1串联，多电平功率变换电路的输出电压Vbus等于输入电源的电压的两倍，即Vbus＝2VDC。图3为图1所示的多电平功率变换电路输出两倍输入电压时对应的电路图。
3)第二全控开关S2和第四全控开关S4同时开通且第一全控开关S1和第三全控开关S3同时关断时，第二二极管D2截止，第一电容器C1通过第一二极管D1和第四全控开关S4与输入电源VDC并联后再通过第二全控开关S2与第二电容器C2串联，多电平功率变换电路的输出电压Vbus也等于输入电源的电压的两倍，即Vbus＝2VDC。图4为图1所示的多电平功率变换电路输出两倍输入电压时对应的另一种电路图。
4)第二全控开关S2和第三全控开关S3同时开通且第一全控开关S1和第四全控开关S4同时关断
第一二极管D1和第二二极管D2都截止，第一电容器C1通过第三全控开关S3与输入电源VDC串联后再通过第二全控开关S2与第二电容器C2串联，多电平功率变换电路的输出电压Vbus等于输入电源的电压的三倍，即Vbus＝3VDC。图5为图1所示的多电平功率变换电路输出三倍输入电压时对应的电路图。
在具体实施中，控制器通过驱动电路控制第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4的控制端分别实现上述几种不同的模式以实现多电平变换。
本实施例提供的多电平功率变换电路，包括第一全桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器。第一全桥电路包括第一全控开关、第二全控开关、第三全控开关和第四全控开关。第一二极管的阳极分别与第一全控开关的第一端和第三全控开关的第一端以及输入电源的正极连接，第一二极管的阴极与第一电容器的正极连接；第一电容器的负极分别与第三全控开关的第二端和第四全控开关的第一端连接；第二二极管的阴极分别与第二全控开关的第二端和第四全控开关的第二端以及输入电源的负极连接，第二二极管的阳极与第二电容器的负极连接；第二电容器的正极分别与第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接。由此可见，本发明提供的电路无需添加电压均衡电路，且只需要一个输入电源，另外本电路结构简单，可靠性较高。
图6为本发明实施例提供的另一种多电平功率变换电路图。在上述实施例的基础上，还包括第一谐振电感器L1和第二谐振电感器L2，第一谐振电感器L1的第一端与第三全控开关S3的第二端和第四全控开关S4的第一端连接，第一谐振电感器L1的第二端与第一电容器C1的负极连接；第二谐振电感器L2的第一端与第一全控开关S1的第二端和第二全控开关S2的第一端连接，第二谐振电感器L2的第二端与第二电容器C2的正极连接。
图6是在图1所示的多电平功率变换电路的基础上给第一电容器C1和第二电容器C2分别串联了一个谐振电感器L1和L2。由于谐振电感器L1和L2的存在，开关开通时刻电容器的充电或放电电流的变化率将被限制，从而减小了脉冲电流对器件的冲击和引起的电磁干扰。
图7为本发明实施例提供的另一种多电平功率变换电路图。在上述实施例的基础上，还包括第二全桥电路20，第二全桥电路20与包括第五全控开关S5、第六全控开关S5、第七全控开关S7和第八全控开关S7；
第五全控开关S5的第一端与第七全控开关S7的第一端分别与第一电容器C1的正极连接，第六全控开关S6的第二端与第八全控开关S8的第二端分别与第二电容器C2的负极连接，第七全控开关S7的第二端与第八全控开关S8的第一端连接并作为正输出端，第五全控开关S5的第二端与第六全控开关S6的第一端连接并作为负输出端。
图7所示电路是在图1所示的多电平功率变换电路的基础上增加了第二全桥电路20。通过第二全桥电路20的逆变，使得图7所示电路可以将图1所示的多电平功率变换电路所提供的三种电平全部转换成正负电压，即输出±VDC、±2VDC、±3VDC，以及零电平共计七种不同电平的交流电。
可见，通过灵活控制第五全控开关S5、第六全控开关S6、第七全控开关S7和第八全控开关S8的开通或关断，第二全桥电路20可以将第一全桥电路10和第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容器C1、第二电容器C2提供的三种不同电压逆变成三种正电压和三种负电压；再加上第二全桥电路20自身可产生零电压，多电平功率变换电路可以提供七种不同电平的交流电压。另外，第五全控开关、第六全控开关、第七全控开关和第八全控开关为N沟道电力场效应晶体管或P沟道电力场效应晶体管或绝缘栅双极型晶体管，具体连接结构不再赘述。
在上述实施例的基础上，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4为N沟道电力场效应晶体管。
当全控开关的类型为N沟道电力场效应晶体管时，具体连接关系如下：N沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控开关的控制端，N沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控开关的第一端，N沟道电力场效应晶体管的源极作为全控开关的第二端。
在上述实施例的基础上，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4为P沟道电力场效应晶体管。
当全控开关的类型为P沟道电力场效应晶体管时，具体连接关系如下：P沟道电力场效应晶体管的栅极作为全控开关的控制端，P沟道电力场效应晶体管的源极作为全控开关的第一端，P沟道电力场效应晶体管的漏极作为全控开关的第二端。
在上述实施例的基础上，第一全控开关S1、第二全控开关S2、第三全控开关S3和第四全控开关S4为绝缘栅双极型晶体管。
当全控开关的类型为绝缘栅双极型晶体管时，具体连接关系如下：绝缘栅双极型晶体管的门极作为全控开关的控制端，绝缘栅双极型晶体管的集电极作为全控开关的第一端，绝缘栅双极型晶体管的发射极作为全控开关的第二端。
可以理解的是，除了上述几种全控开关的类型外，还可以是其它种类的开关器件，本发明不再赘述。
在上述实施例中，详细说明了多电平功率变换电路的具体实施方式。在此基础上，本发明还提供一种多电平功率变换系统。图8为本发明实施例提供的一种多电平功率变换系统的结构图。如图8所示，该系统包括n个图7所示的多电平功率变换电路，多电平功率变换电路依次串联，用于将n个直流电源的电压转换为多电平交流电，n为大于1的正整数。
多电平功率变换电路的结构不再详述，参见上文。可以理解是，该系统中n个多电平功率变换电路中第k个多电平功率变换电路的负输出端与第k+1个多电平功率变换电路的正输出端连接；第1个多电平功率变换电路的正输出端作为该系统的正输出端，第n个多电平功率变换电路的负输出端作为该系统的负输出端。其中，k为大于等于1且小于n的整数。n个多电平功率变换电路均可以输出七种电平的交流电压，通过n个多电平功率变换电路串联后，输出端的电压U0可以为更多电平的交流电压。另外，需要说明的是，为了标号清楚，图8中，每个全控开关管均采用Skj表示，每一个k对应的j的取值为1-8。每个电容器的标号也采用类似方式，不再赘述。
以上对本发明所提供的多电平功率变换电路及系统进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
Claims (10)
1.一种多电平功率变换电路，其特征在于，包括第一全桥电路、第一二极管、第二二极管、第一电容器和第二电容器；所述第一全桥电路包括第一全控开关、第二全控开关、第三全控开关和第四全控开关；
所述第一二极管的阳极分别与所述第一全控开关的第一端和所述第三全控开关的第一端以及输入电源的正极连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电容器的正极连接；所述第一电容器的负极分别与所述第三全控开关的第二端和所述第四全控开关的第一端连接；所述第二二极管的阴极分别与所述第二全控开关的第二端和所述第四全控开关的第二端以及所述输入电源的负极连接，所述第二二极管的阳极与第二电容器的负极连接；所述第二电容器的正极分别与所述第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接；
其中，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关的控制端分别通过驱动电路与控制器相连。
2.根据权利要求1所述的多电平功率变换电路，其特征在于，还包括第一谐振电感器和第二谐振电感器，所述第一谐振电感器的第一端与所述第三全控开关的第二端和所述第四全控开关的第一端连接，所述第一谐振电感器的第二端与所述第一电容器的负极连接；所述第二谐振电感器的第一端与所述第一全控开关的第二端和所述第二全控开关的第一端连接，所述第二谐振电感器的第二端与所述第二电容器的正极连接。
3.根据权利要求1所述的多电平功率变换电路，其特征在于，还包括第二全桥电路，所述第二全桥电路与包括第五全控开关、第六全控开关、第七全控开关和第八全控开关；
所述第五全控开关的第一端与所述第七全控开关的第一端分别与所述第一电容器的正极连接，所述第六全控开关的第二端与所述第八全控开关的第二端分别与所述第二电容器的负极连接，所述第七全控开关的第二端与所述第八全控开关的第一端连接并作为正输出端，所述第五全控开关的第二端与所述第六全控开关的第一端连接并作为负输出端。
4.根据权利要求3所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为N沟道电力场效应晶体管。
5.根据权利要求3所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为P沟道电力场效应晶体管。
6.根据权利要求3所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第五全控开关、所述第六全控开关、所述第七全控开关和所述第八全控开关为绝缘栅双极型晶体管。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为N沟道电力场效应晶体管。
8.根据权利要求1-6任意一项所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为P沟道电力场效应晶体管。
9.根据权利要求1-6任意一项所述的多电平功率变换电路，其特征在于，所述第一全控开关、所述第二全控开关、所述第三全控开关和所述第四全控开关为绝缘栅双极型晶体管。
10.一种多电平功率变换系统，其特征在于，包括n个权利要求3-6任意一项所述的多电平功率变换电路，所述多电平功率变换电路依次串联，用于将n个直流电源的电压转换为多电平交流电，n为大于1的正整数。
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| CN103618462A (zh) * | 2013-12-16 | 2014-03-05 | 厦门大学 | 一种多相谐振型桥式模块化多电平开关电容变换器 |
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- 2017-04-26 CN CN201710282197.6A patent/CN106972748B/zh active Active
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