CN108923675A - 一种七电平变频器功率变换电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种七电平变频器功率变换电路，由六个具有反向并联二极管的开关管、两个具有双向电流流动能力的开关管、三个直流母线支撑电容和一个悬浮电容组成。相对于现有技术中需要采用大量的开关管和二极管以及直流母线支撑电容而导致的变频器体积大、成本高、损耗多和控制策略复杂等问题，本发明所提出七电平变频器拓扑在实现七种电平输出的同时，减少了变频器使用的开关管数量，降低了系统的体积与成本，简化了变频器控制策略。
Description
技术领域
本发明涉及变频器的技术领域，具体涉及一种七电平变频器功率变换电路。
背景技术
变频器是一种通过改变电机供电电源的电源频率实现电机调速控制的设备，广泛地应用于各种工业生产现场中。变频器的主要核心部件是功率电路，主要由直流母线、逆变桥和滤波器组成。传统的变频器采用将直流母线电压直接进行逆变，输出方波PWM信号，驱动电机运行，并节约电能。但这类变频器存在许多问题，且在高压大容量的场合暴露的更加明显。这些问题主要包括：变频器产生的电动机冲击电压引起的电动机绝缘劣化、漏泄电流和轴电流带来的电动机轴承的损坏、传导噪声和辐射噪声过大等等。
为了解决上述问题，多电平变频器技术得到了高度地重视。和两电平变频器相比，多电平变频器主要有以下优点：
(1)降低对功率开关器件的耐压要求。
(2)变频器输出的多级电压阶梯波形，减少了dV/dt对电机绝缘、变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的冲击，因而在使用时可以省去或减小外围滤波器。
(3)逆变电路的单桥能输出多种电平的相电压，从而使输出电压波形更接近于正弦波，电压的失真度减小，谐波小。
(4)降低了EMI辐射水平，对现场的其他设备干扰减小。
目前，已经提出了大量的多电平变频器结构，其中较为典型的如图1所示。
图1所示的是一种七电平变频器的单元结构。该拓扑结构中，共有八个开关管、六个二极管和6只耐压值不同的电容组成；该拓扑结构没有冗余开关状态，例如当输出电压为PV3+时，变流器的电流只能流过TA3，没有第二种通路可以流通，其他输出电压情况类似，在此不再赘述。由此可见，该七电平变频器单元拓扑的功率器件多、成本高、冗余开关状态少、电容电压控制困难等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为是提供一种七电平变频器功率变换电路以解决现有技术中开关器件多、成本高、冗余开关状态少、电容电压控制困难等问题。
本发明采用的技术方案为：一种七电平变频器功率变换电路，包括开关管Sx1、开关管Sx2、开关管Sx3、开关管Sx4、开关管Sx5、开关管Sx6、开关管Sx7、开关管Sx8、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；开关管Sx1、开关管Sx4、开关管Sx5、开关管Sx6、开关管Sx7和开关管Sx8各具有一个反向并联二极管；开关管Sx2和开关管Sx3具有双向电流流通能力；其中，
电容C1的负端与电容C2的正端相连；
电容C2的负端与电容C3的正端相连；
开关管Sx1与电容C1的连接线和变频器的直流母线正端相连；
开关管Sx4与电容C3的连接线和变频器的直流母线负端相连；
开关管C1与电容C2的连接线通过开关管Sx2和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管C2与电容C3的连接线通过开关管S3和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管Sx5与开关管Sx7的连接线和电容C4的正端相连；
开关管Sx6与开关管Sx8的连接线和电容C4的负端相连；
开关管Sx7与开关管Sx8的连接线为相电压输出端。
其中，电容C1、电容C2、电容C3两端电压相等，且为稳定的直流电压；电容C4两端电压值为电容C1两端电压值的一半，且为稳定的直流电压。
其中，该七电平变频器功率电路对应的十四个工作模态分别为：
第一工作模态：开关Sx1、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第二工作模态：开关Sx1、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第三工作模态：开关Sx1、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第四工作模态：开关Sx2、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第五工作模态：开关Sx2、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第六工作模态：开关Sx2、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第七工作模态：开关Sx2、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第八工作模态：开关Sx3、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第九工作模态：开关Sx3、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第十工作模态：开关Sx3、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第十一工作模态：开关Sx3、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第十二工作模态：开关Sx4、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第十三工作模态：开关Sx4、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第十四工作模态：开关Sx4、Sx5和Sx7开通，其他开关断开。
其中，第一工作模态和第二工作模态的输出电压相同；第三工作模态和第四工作模态的输出电压相同；第五工作模态和第六工作模态的输出电压相同；第七工作模态和第八工作模态的输出电压相同；第九工作模态和第十工作模态的输出电压相同；第十一工作模态和第十二工作模态的输出电压相同；第十三工作模态和第十四工作模态的输出电压相同。
本发明技术方案带来的有益效果：
该功率变换电路相较于其他的七电平功率变换电路具有开关器件较少、系统成本低、体积小、等优点，而且所有开关状态均有冗余，直流母线中点电压和悬浮电容电压控制容易。
附图说明
图1为七电平变频器单元电路(现有技术)；
图2为一种七电平变频器功率变换电路；
图3为模态1示意图；
图4为模态2示意图；
图5为模态3示意图；
图6为模态4示意图；
图7为模态5示意图；
图8为模态6示意图；
图9为模态7示意图；
图10为模态8示意图；
图11为模态9示意图；
图12为模态10示意图；
图13为模态11示意图；
图14为模态12示意图；
图15为模态13示意图；
图16为模态14示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
以下详述本发明功率电路的工作过程。
1).电路结构
如图1所示，本发明提出了一种七电平变频器功率变换电路。其结构特征为具有4个电容、8个开关器件构成。其中，Sx2和Sx3由两个MOSFET反向串联构成、C1、C2和C3串联，端电压为2E；C4的两端电压为E。通过适当的开通和关断相关的开关，可以使得负载上获得6E、5E、4E、3E、2E、E和0七种电压。其中：
电容C1的负端与电容C2的正端相连；
电容C2的负端与电容C3的正端相连；
开关管Sx1与电容C1的连接线和变频器的直流母线正端相连；
开关管Sx4与电容C3的连接线和变频器的直流母线负端相连；
开关管C1与电容C2的连接线通过开关管Sx2和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管C2与电容C3的连接线通过开关管S3和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管Sx5与开关管Sx7的连接线和电容C4的正端相连；
开关管Sx6与开关管Sx8的连接线和电容C4的负端相连；
开关管Sx7与开关管Sx8的连接线为相电压输出端。
2).工作模态
模态1：如图3所示，开关Sx1、Sx5和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为6E；
模态2：如图4所示，开关Sx1、Sx6和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为6E；
模态3：如图5所示，开关Sx1、Sx5和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为5E；
模态4：如图6所示，开关Sx2、Sx6和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为5E；
模态5：如图7所示，开关Sx2、Sx5和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为4E；
模态6：如图8所示，开关Sx2、Sx6和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为4E；
模态7：如图9所示，开关Sx2、Sx5和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为3E；
模态8：如图10所示，开关Sx3、Sx6和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为3E；
模态9：如图11所示，开关Sx3、Sx6和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为2E；
模态10：如图12所示，开关Sx3、Sx5和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为2E；
模态11：如图13所示，开关Sx3、Sx5和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为E；
模态12：如图14所示，开关Sx4、Sx6和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为E；
模态13：如图15所示，开关Sx4、Sx6和Sx8开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为0；
模态14：如图16所示，开关Sx4、Sx5和Sx7开通，其他开关断开时，负载端相对于直流母线负端的电压为0；
由上述说明可知，本发明的七电平变流器在输出电压分别为6E、5E、4E、3E、2E、E和0时对应的开关模态均有两种。通过合理的选择使用，可以使得该七电平变频器的直流母线电容电压、悬浮电容电压保持稳定。
Claims (4)
1.一种七电平变频器功率变换电路，其特征在于：包括开关管Sx1、开关管Sx2、开关管Sx3、开关管Sx4、开关管Sx5、开关管Sx6、开关管Sx7、开关管Sx8、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；开关管Sx1、开关管Sx4、开关管Sx5、开关管Sx6、开关管Sx7和开关管Sx8各具有一个反向并联二极管；开关管Sx2和开关管Sx3具有双向电流流通能力；其中，
电容C1的负端与电容C2的正端相连；
电容C2的负端与电容C3的正端相连；
开关管Sx1与电容C1的连接线和变频器的直流母线正端相连；
开关管Sx4与电容C3的连接线和变频器的直流母线负端相连；
开关管C1与电容C2的连接线通过开关管Sx2和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管C2与电容C3的连接线通过开关管S3和开关管Sx1与开关管Sx4的连接线相连；
开关管Sx5与开关管Sx7的连接线和电容C4的正端相连；
开关管Sx6与开关管Sx8的连接线和电容C4的负端相连；
开关管Sx7与开关管Sx8的连接线为相电压输出端。
2.根据权利要求1所述的一种七电平变频器功率变换电路，其特征在于：电容C1、电容C2、电容C3两端电压相等，且为稳定的直流电压；电容C4两端电压值为电容C1两端电压值的一半，且为稳定的直流电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种七电平变频器功率变换电路，其特征在于：该七电平变频器功率电路对应的十四个工作模态分别为：
第一工作模态：开关Sx1、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第二工作模态：开关Sx1、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第三工作模态：开关Sx1、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第四工作模态：开关Sx2、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第五工作模态：开关Sx2、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第六工作模态：开关Sx2、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第七工作模态：开关Sx2、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第八工作模态：开关Sx3、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第九工作模态：开关Sx3、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第十工作模态：开关Sx3、Sx5和Sx7开通，其他开关断开；
第十一工作模态：开关Sx3、Sx5和Sx8开通，其他开关断开；
第十二工作模态：开关Sx4、Sx6和Sx7开通，其他开关断开；
第十三工作模态：开关Sx4、Sx6和Sx8开通，其他开关断开；
第十四工作模态：开关Sx4、Sx5和Sx7开通，其他开关断开。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种七电平变频器功率变换电路，其特征在于：第一工作模态和第二工作模态的输出电压相同；第三工作模态和第四工作模态的输出电压相同；第五工作模态和第六工作模态的输出电压相同；第七工作模态和第八工作模态的输出电压相同；第九工作模态和第十工作模态的输出电压相同；第十一工作模态和第十二工作模态的输出电压相同；第十三工作模态和第十四工作模态的输出电压相同。
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