CN109039123A - 一种升压型七电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种升压型七电平逆变器，包括Boost三电平电路、辅助开关电路、H桥电路和滤波电路四部分；通过控制两个开关管的不同开关状态组合使得两个电容的电压分别为1/3Vdc和2/3Vdc，达到期望的直流电压目标以及维持电容电压恒定，为实现七电平输出提供不同的电平；辅助开关电路可以分别输出1/3Vdc、2/3Vdc和Vdc三种不同的电平；辅助开关电路输出端口连接H桥的的正负母线，当H桥电路工作于单极性时，则逆变电路总共可以输出‑Vdc、‑2/3Vdc、‑1/3Vdc、0V、1/3Vdc、2/3Vdc、Vdc七种电平。

Description

一种升压型七电平逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，涉及一种升压型七电平逆变器。
背景技术
根据输出电平的不同，可以将PWM逆变电路系统分为两电平电路、三电平电路以及多电平电路。
相比传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压谐波小、电磁干扰小及可采用小尺寸滤波器等优点，因此多电平逆变器在新能源领域得到了广泛应用。传统多电平逆变器主要结构有二极管箝位型和飞跨电容型，这两种类型的多电平逆变器随着电平数的增加，其拓扑结构将变得复杂，增加了系统控制复杂度，提高了系统成本。此外，传统的多电平逆变器一般只适用于大功率场合。现有的多电平逆变器违背了电力电子装置要求的高效率、高功率密度、低成本的目标，因此需要提出一种新的多电平逆变电路来满足低电压的场合。
发明内容
本发明的目的在于提供一种升压型七电平逆变器，能够提升多电平逆变电路电压，扩大电压的输入范围，又能减少开关管的数目。
本发明所采用的技术方案是，提供一种升压型单相七电平逆变器，包括Boost三电平电路、辅助开关电路、H桥电路以及滤波电路；
Boost三电平电路包括：电压源Vb，电感L1，开关管S7、S8，二极管D3、D4，以及电容C1、C2；电压源Vb的正极连接电感L1的一端，电压源Vb的负极与开关管S8的输出端以及二极管D4阴极连接，电感L1的另一端连接二极管D3的阳极和开关管S7的输入端，二极管D3的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极与电容C2的正极相连接，电容C2的负极与二极管D4阳极连接；开关管S7的输出端与开关管S8输入端相连接，开关管S7的输出端与开关管S8输入端的连接点处与电容C1的负极以及电容C2的正极连接；
辅助开关电路包括：开关管S5、S6和二极管D1、D2，开关管S5的输入端与电容C1的正极以及二极管D3的阴极连接，开关管S5的输出端则与二极管D1的阴极相连接；开关管S6的输出端与电容C2的负极以及二极管D4的阳极连接，开关管S6的输入端则与二极管D2的阳极相连接；电容C1的负极和电容C2的正极连接点处与二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极连接；
H桥电路的正负母线连接所述辅助开关电路输出端口，H桥电路的输出通过所述滤波电路接负载或电网。
本发明的特点还在于，
H桥电路包括四个开关管S1、S2、S3、S4，H桥电路中开关管S1的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S3的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S2的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接，开关管S4的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接；开关管S1输出端与开关管S2输入端的连接点处与开关管S3的输出端以及开关管S4的输入端连接。
二极管D1、D2、D3、D4为碳化硅二极管或快恢复二极管或超快恢复二极管。
开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8采用金属氧化物半导体管或结型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
根据上述方案，本发明的升压型单相七电平逆变器包括Boost三电平电路、辅助开关电路、H桥电路和滤波电路四部分；其中Boost三电平电路包括电源、电感、两个电容、两个二极管和两个开关管，通过控制两个开关管的不同开关状态组合使得两个电容的电压分别为1/3Vdc和2/3Vdc，从而达到期望的直流电压目标以及维持电容电压恒定，为实现七电平输出提供不同的电平；辅助开关电路由两个开关管和两个二极管构成，依靠两个开关管的状态以及二极管钳位作用，使得辅助开关电路可以分别输出1/3Vdc、2/3Vdc和Vdc三种不同的电平；辅助开关电路输出端口连接H桥的的正负母线，当H桥电路工作于单极性时，则逆变电路总共可以输出-Vdc、-2/3Vdc、-1/3Vdc、0V、1/3Vdc、2/3Vdc、Vdc七种电平。
本发明的升压型七电平逆变器具有以下有益效果是：
(1)该逆变器所需的开关数量少，硬件成本低；H桥逆变电路由四个开关管、四个二极管以及两个电容构成的升压电路和开关电容电路，即该逆变电路由八个开关管，四个二极管以及两个电容构成；
(2)与传统多电平逆变器相比，该逆变电路中的Boost三电平电路可以使得输入电源电压升高，从而提高了输出电压幅值，使得电压的输入范围变宽，适合输出较高电压场合；
(3)该逆变器通过Boost三电平电路对两个电容电压进行控制，与多电平逆变控制解耦，简化了控制算法，同时它既可以工作在有源逆变模式，也可以工作在无源逆变模式。
附图说明
图1是本发明升压型七电平逆变器的电路示意图；
图2(a)～(d)为本发明升压型七电平逆变器的Boost三电平电路四种不同的工作模式；
图3(a)～(h)为本发明升压型七电平逆变器的八种不同的工作模式；
图4为本发明升压型七电平逆变器的不同时刻对应的输出电压变化图；
图5为本发明升压型七电平逆变器调制驱动信号发生逻辑电路示意图；
图6为本发明升压型七电平逆变器调制驱动信号的波形示意图。
具体实施方式
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，但本发明并不限于这些实施方式。
本发明提供了一种升压型七电平逆变器的电路图，如图1所示，该逆变器的电路包括：Boost三电平电路、辅助开关电路、H桥电路以及滤波电路；
Boost三电平电路包括：电压源Vb，电感L1，开关管S7、S8，二极管D3、D4，以及电容C1、C2；电压源Vb的正极连接电感L1的一端，而Vb的负极与开关管S8的输出端以及二极管D4阴极连接，电感L1的另一端连接二极管D3的阳极和开关管S7的输入端，二极管D3的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极与电容C2的正极相连接，电容C2的负极与二极管D4阳极连接；开关管S7的输出端与开关管S8输入端相连接，开关管S7的输出端与开关管S8输入端的连接点处与电容C1的负极以及电容C2的正极连接。
辅助开关电路包括：开关管S5、S6和二极管D1、D2，开关管S5的输入端与电容C1的正极以及二极管D3的阴极连接，开关管S5的输出端则与二极管D1的阴极相连接；开关管S6的输出端与电容C2的负极以及二极管D4的阳极连接，开关管S6的输入端则与二极管D2的阳极相连接；电容C1的负极和电容C2的正极连接点处与二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极连接。
H桥电路包括四个开关管S1、S2、S3、S4，H桥电路中开关管S1的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S3的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S2的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接，开关管S4的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接；开关管S1输出端与开关管S2输入端的连接点处与开关管S3的输出端以及开关管S4的输入端连接。
滤波电路包括：电感L0和电容C0，电感L0的一端与H桥电路中开关管S3的输出端连接，电感L0的另一端连接电容C0的正极和交流端口；电容C0的负极和交流端口均与H桥电路中开关管S4的输入端连接。
本发明升压型七电平逆变电路可以工作在七电平输出模式、五电平输出模式和三电平输出模式，而七电平输出模式是本发明的要点，因此在此仅叙述七电平工作模式对应的电路模态，七电平逆变电路中电容C1、C2的电压需要分别维持在1/3Vdc、2/3Vdc，通过控制Boost三电平的开关管S7、S8即可以对电容C1、C2电压控制，从而使得电容电压恒定在要求值。
需要说明，开关管可以是金属氧化物半导体管或结型场效应管或绝缘栅双极型晶体管；当开关管为金属氧化物半导体管时，开关管的输入端为源极，开关管的输出端为漏极，开关管的控制端为栅极；当开关管为绝缘栅双极型晶体管时，开关管的输入端为集电极，开关管的输出端为发射极，开关管的控制端为基极。可以理解的是以上八个开关管也可以选择其他类型的开关管。还需要说明，二极管为碳化硅二极管或快恢复二极管或超快恢复二极管。可以理解的是二极管也可以选择其他类型的二极管。在本发明的实施例中，升压型单相七电平逆变电路所包含的滤波电路可以是L滤波器或LCL滤波器或其他滤波器。
为了便于分析电路工作原理，不考虑电路的杂散参数并认为器件为理想元件，假设电路工作在稳态，电容C1和C2的电压近似认为保持不变，且电感电流为连续模式，Boost三电平具体有如下四种工作模态：
第一电路模态，控制开关管S7、S8处于关断状态，二极管D3、D4正向导通，此时电路工作状态如图2(a)所示，电感L1电流iL流经二极管D3，电流对电容C1、C2进行充电，再通过二极管D4流回电源负极。
第二电路模态，控制开关管S7处于导通状态而S8关断状态，二极管D3反向偏置、D4正向导通，此时电路工作状态如图2(b)所示，电感L1电流iL流经开关管S7后对电容C2进行充电，再通过二极管D4流回电源负极。
第三电路模态，控制开关管S8处于导通状态而S7关断状态，二极管D4反向偏置、D3正向导通，此时电路工作状态如图2(c)所示，电感L1电流iL流经二极管D3后对电容C1进行充电，再通过开关管S8流回电源负极。
第四电路模态，控制开关管S7、S8处于导通状态，二极管D3、D4反向偏置，此时电路工作状态如图2(d)所示，电感L1电流iL流经开关管S7、S8后流回电源负极。
三电平Boost电路控制电容电压分别维持在1/3Vdc、2/3Vdc，可以看作电容C1、C2是两个独立的电源，此外多电平逆变电压输出控制与三电平Boost电路控制相互独立，在分析逆变器多电平输出时，共分为以下八种工作模态：
第一电路模态，控制开关管S1、S4、S5和S6导通，开关管S2、S3关断，此时电路工作状态如图3(a)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C1和C2串联放电，电流通过开关管S5和开关管S1后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S4、S6后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为Vdc。
第二电路模态，控制开关管S1、S4和S6导通，开关管S2、S3、S5关断，此时电路工作状态如图3(b)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C2放电，电流通过二极管D1和开关管S1后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S4、S6后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为2/3Vdc。
第三电路模态，控制开关管S1、S4和S5导通，开关管S2、S3、S6关断，此时电路工作状态如图3(c)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C1放电，电流通过开关管S5和S1后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S4以及二极管D2后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为1/3Vdc。
第四电路模态，控制开关管S4导通，开关管S1、S2、S3、S5和S6关断，此时电路工作状态如图3(d)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。开关管S2的反并联二极管和S4导通为输出滤波电感和电网提供续流回路，此时该逆变电路输出电压为0V。
第五电路模态，控制开关管S2导通，开关管S1、S3、S4、S5和S6关断，此时电路工作状态如图3(e)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。开关管S4的反并联二极管和S2导通为输出滤波电感和电网提供续流回路，此时该逆变电路输出电压为0V。
第六电路模态，控制开关管S2、S3和S5导通，开关管S1、S4、S6关断，此时电路工作状态如图3(f)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C1放电，电流通过开关管S5和S3后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S2以及二极管D2后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为-1/3Vdc。
第七电路模态，控制开关管S2、S3和S6导通，开关管S1、S4、S5关断，此时电路工作状态如图3(g)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C2放电，电流通过二极管D1和开关管S3后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S2、S6后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为-2/3Vdc。
第八电路模态，控制所述的开关管S2、S3、S5和S6导通，开关管S1、S4关断，此时电路工作状态如图3(h)所示，图中电感L0上的箭头所指方向为电流为正的流动方向。电容C1和C2串联放电，电流通过开关管S5和开关管S3后经过滤波电路输出到电网或负载，然后再经过开关管S2、S6后流回电容负极，此时该逆变电路输出电压为-Vdc。
如图4所示，该图为不同时刻单相七电平逆变器对应的输出电压变化图。在一个电网电压周期内，在不同的时间段内，逆变器工作在不同的模态，并且输出电压随着逆变器工作模态的变换而变化：
t0-t1时间段内所述单相七电平逆变器输出0电平或者1/3Vdc电平，当输出0电平时，逆变器工作在第四电路模态；当输出1/3Vdc电平时，逆变器工作在第三电路模态。
t1-t2时间段内所述单相七电平逆变器输出1/3Vdc电平或者2/3Vdc电平，当输出1/3Vdc电平时，逆变器工作在第三电路模态，当输出2/3Vdc电平时，逆变器工作在第二电路模态。
t2-t3时间段内所述单相七电平逆变器输出2/3Vdc电平或者Vdc电平，当输出2/3Vdc电平时，逆变器工作在第二电路模态，当输出Vdc电平时，逆变器工作在第一电路模态。
逆变器在t3-t4和t4-t5两个时间段时，所处的工作状态分别与对应的t1-t2和t0-t1时间段类似，在此不再赘述。
t5-t6时间段内所述单相七电平逆变器输出0电平或者-1/3Vdc电平，当输出0电平时，逆变器工作在第五电路模态，当输出-1/3Vdc电平时，逆变器工作在第六电路模态。
t6-t7时间段内所述单相七电平逆变器输出-1/3Vdc电平或者-2/3Vdc电平，当输出-1/3Vdc电平时，逆变器工作在第六电路模态，当输出-2/3Vdc电平时，逆变器工作在第七电路模态。
t7-t8时间段内所述单相七电平逆变器输出-2/3Vdc电平或者-Vdc电平，当输出-2/3Vdc电平时，逆变器工作在第七电路模态，当输出-Vdc电平时，逆变器工作在第八电路模态。
逆变器在t8-t9和t9-t10两个时间段时，所处的工作状态分别与对应t6-t7和t5-t6时间段类似，在此不再赘述。
对应上述的单相七电平逆变电路工作状态，S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7和S8八个功率开关的脉冲宽度调制(PWM)信号发生方法如图5所示，具体说明如下：
正弦调制波信号M为工频的正弦信号(例如50Hz)，载波v1、v2、v3是完全相同的高频等腰三角载波，其频率即为功率开关工作频率，例如选择其频率在10kHz～20kHz范围。载波v1、v2、v3是从低到高依次摞起。
正弦调制波信号M的幅值在不同范围决定了逆变器工作在几电平模式，即当0<M<1时，逆变器输出三电平模式；当1<M<2时，逆变器输出五电平模式；当2<M<3时，逆变器输出七电平模式；
正弦调制波信号M进行取绝对值后得到信号K，信号K与载波v3通过比较器4进行比较得到输出信号H，当信号K大于等于载波v3时，比较器4的输出信号H为1，反之，输出信号H为0；信号K与载波v2通过比较器3进行比较得到输出信号I，当信号K大于等于载波v2时，比较器3的输出信号I为1，反之，输出信号I为0，该输出信号I作为开关管S6的PWM控制信号，信号I与信号H通过异或门后再取反就得到信号L；信号K与载波v1通过比较器2进行比较得到输出信号G，当信号K大于等于载波v1时，比较器2的输出信号G为1，反之，输出信号G为0，该输出信号G与信号L通过或门后作为开关管S5的PWM控制信号；正弦调制波信号M与0通过比较器1进行比较得到输出信号E，信号E与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S1的PWM控制信号；信号E通过非门后得到信号F，信号F与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S3的PWM控制信号；信号F作为开关管S2的PWM控制信号，信号E作为开关管S4的PWM控制信号。
直流电压Vdc实施控制：分别采集电容C1和C2的电压值，直流母线电压给定值Vdc与实际直流母线电压也就是电容C1和C2的电压和进行作差，得到误差值后经过控制器后输出控制量，再经过PWM比较器得到控制信号O，该信号O作为开关管S7的PWM控制信号；给定电容电压差值1/3Vdc与实际电容C1和C2的电压差值进行作差，得到误差值后经过控制器后输出控制量，再经过PWM比较器得到控制信号P，该信号作为开关管S8的PWM控制信号。
根据上述调制方法得到的各个开关管的PWM控制信号的波形如图6所示。
通过上述方式，本发明的逆变器采用Boost三电平电路可以使得输入电源电压升高，从而提高输出电压幅值，使得电压的输入范围变宽，适合输出较高电压场合；通过Boost三电平电路对两个电容电压进行控制，与多电平逆变控制解耦，简化了控制算法，同时它既可工作在有源逆变模式，也可工作在无源逆变模式；本发明电路只需八个开关管，四个二极管以及两个电容，可以大幅减小系统体积，降低成本。

Claims (4)

1.一种升压型七电平逆变器，其特征在于，包括Boost三电平电路、辅助开关电路、H桥电路以及滤波电路；
所述Boost三电平电路包括：电压源Vb，电感L1，开关管S7、S8，二极管D3、D4，以及电容C1、C2；所述电压源Vb的正极连接电感L1的一端，电压源Vb的负极与开关管S8的输出端以及二极管D4阴极连接，电感L1的另一端连接二极管D3的阳极和开关管S7的输入端，二极管D3的阴极与电容C1的正极连接，电容C1的负极与电容C2的正极相连接，电容C2的负极与二极管D4阳极连接；开关管S7的输出端与开关管S8输入端相连接，开关管S7的输出端与开关管S8输入端的连接点处与电容C1的负极以及电容C2的正极连接；
所述辅助开关电路包括：开关管S5、S6和二极管D1、D2，开关管S5的输入端与电容C1的正极以及二极管D3的阴极连接，开关管S5的输出端则与二极管D1的阴极相连接；开关管S6的输出端与电容C2的负极以及二极管D4的阳极连接，开关管S6的输入端则与二极管D2的阳极相连接；电容C1的负极和电容C2的正极连接点处与二极管D1的阳极以及二极管D2的阴极连接；
所述H桥电路的正负母线连接所述辅助开关电路输出端口，H桥电路的输出通过所述滤波电路接负载或电网。
2.如权利要求1所述的升压型七电平逆变器，其特征在于，所述H桥电路包括四个开关管S1、S2、S3、S4，H桥电路中开关管S1的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S3的输入端与辅助开关电路中的二极管D1的阴极和开关管S5的输出端相连接，开关管S2的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接，开关管S4的输出端与辅助开关电路中的二极管D2的阳极和开关管S6输入端相连接；开关管S1输出端与开关管S2输入端的连接点处与开关管S3的输出端以及开关管S4的输入端连接。
3.如权利要求2所述的升压型七电平逆变器，其特征在于，所述二极管D1、D2、D3、D4为碳化硅二极管或快恢复二极管或超快恢复二极管。
4.如权利要求2所述的升压型七电平逆变器，其特征在于，所述开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8采用金属氧化物半导体管或结型场效应管或绝缘栅双极型晶体管。
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