CN109194170A

CN109194170A - 一种采用开关电容电路的七电平逆变器

Info

Publication number: CN109194170A
Application number: CN201811138372.5A
Authority: CN
Inventors: 叶满园; 康力旋; 宋平岗; 李宋
Original assignee: East China Jiaotong University
Current assignee: East China Jiaotong University
Priority date: 2018-09-28
Filing date: 2018-09-28
Publication date: 2019-01-11

Abstract

本发明涉及一种采用开关电容电路的七电平逆变器，该逆变器包括一个直流电源、一个开关电容组和一个全桥开关组。其中开关电容组由三个功率开关管、两个电容单元和六个不可控二极管构成，全桥开关组为传统全桥结构，直流电源和开关电容组并联后再与全桥开关组输入端相连，全桥开关组的第一桥臂中点和第二桥臂中点为逆变器的输出端。本发明的七电平逆变器只需一个直流电源即可输出七种电平的电压，与传统结构的七电平逆变器相比在相同输出电压等级下，大幅减小了功率开关器件的数量，降低了开关损耗，提高了输出波形质量，减小了装置的复杂性，有效降低了逆变器的制造和维护成本，提高了逆变器的效率和系统的可靠性。

Description

一种采用开关电容电路的七电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，一种采用开关电容电路的七电平逆变器。

背景技术

当前，多电平逆变器已经成为电力电子功率变换领域备受关注的重要研究热点，广泛应用于中、高压调速领域和柔性交流输电系统中。它具有以下优点：输出电压的总谐波失真随着电平数的增加显著减小；输出相同质量电压波形的条件下，开关损耗小、开关频率较低；与两电平变流器相比，在相的电压等级下，du/dt明显减小，在高压大容量电机驱动中，可有效防止电机转子绕阻绝缘击穿，同时改善装置的电磁干扰特性。

目前主要的多电平逆变器包括二极管嵌位式多电平逆变器、飞跨电容嵌位式多电平逆变器和级联H桥式多电平逆变器。当需要实现较高的电压等级和电平数目时，二极管嵌位式多电平逆变器和飞跨电容嵌位式多电平逆变器所需的嵌位二极管器件或者嵌位电容器件数目将急剧增加，并且存在电容电压平衡控制困难的问题。而级联H桥式多电平逆变器比较容易实现较大的电平数目和电压等级。但是随着电压等级的增加，联H桥式多电平逆变器级联的单元数目也会增加，开关器件数量随之增加。例如，传统级联H桥七电平逆变器，在实现输出七电平电压时就需要12个功率开关管。因此，如何通过较少的开关器件数目得到更多电平数目和更高的电压等级一直成为在多电平逆变器研究领域中的热点。

随着风能发电、光伏发电等新能源发电技术的不断发展和统一潮流控制器(UPFC)、电力有源滤波器等电力设备在电力系统中的不断需求，高效率和高质量输出波形的逆变器越来越被重视，因此运用开关电容电路的新型多电平逆变器便应运而生。

发明内容

本发明的目的是：针对传统多电平逆变器的缺点，提出一种采用开关电容电路的七电平逆变器，在相同输出电压等级下减少开关器件数目、提高逆变器效率、简化逆变器的结构、节省系统成本。

实现本发明的技术方案如下：一种七电平逆变器，由一个直流电源，一个开管电容组和一个全桥开关组构成；直流电源与开关电容组并联后再与全桥开关组的两端相连。

本发明的开关电容组由第一电容、第二电容、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管构成。

本发明的第八二极管的阳极、第九二极管的阳极和第五开关管的集电极与直流电源正极相连于第一节点；第九二极管的阴极、第七开关管的集电极与第一电容的正极相连于第二节点；第五开关管的发射极、第一电容的负极与第十二极管的阳极相连于第三节点；第八二极管的阴极与第二电容的正极相连于第四节点；第六开关管的集电极、第十二极管的阴极、第七开关管的发射极与第二电容的负极相连于第五节点；第六开关管的发射极与直流电源负极相连于第六节点。

本发明的第五二极管的阳极与第五开关管的发射极相连，第五二极管的阴极与第五开关管集电极相连；所述第六二极管的阳极与第六开关管的发射极相连，第六二极管的阴极与第六开关管集电极相连；所述第七二极管的阳极与第七开关管的发射极相连，第七二极管的阴极与第七开关管集电极相连。

本发明的开关电容组的第一电容和第二电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等。

本发明的开关电容组的第九二极管的作用为限制第一电容上的电流反向流向直流电源，第八二极作用为限制第二电容上的电流反向流向直流电源。

本发明的全桥开关组由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成。

本发明的第一开关管的集电极与第二开关管的集电极相连于第七节点，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连于第八节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极相连于第九节点，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连于第十节点。

本发明的第一二极管的阳极与第一开关管的发射极相连，第一二极管的阴极与第一开关管集电极相连，所述第二二极管的阳极与第二开关管的发射极相连，第二二极管的阴极与第二开关管集电极相连；所述第三二极管的阳极与第三开关管的发射极相连，第三二极管的阴极与第三开关管集电极相连；所述第四二极管的阳极与第四开关管的发射极相连，第四二极管的阴极与第四开关管集电极相连。

本发明的全桥开关组的第七节点、第九节点分别与开关电容组的第四节点、第六节点相连，第八节点和第十节点分别为逆变器输出正负端。

本发明的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管均可以采用MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管、PowerMosfet电力场效应晶体管、CoolMosfet深结高压场效应管、TGBT绝缘栅双极型晶体管中的任意一种，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管均为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

本发明的有益之处在于：本发明提供了一种采用开关电容的七电平逆变器，该逆变器无需经过变压器就可以对输入直流电源进行升压，输出七种电平，相对于传统结构的七电平逆变器，在相同输出电压等级下，减少了系统中开关元件数目，降低了开关损耗，提高了输出波形质量，减小了装置的复杂性，有效降低了逆变器的制造和维护成本，提高了逆变器的效率和系统的可靠性。

附图说明

图1为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的七电平逆变器的结构示意图；

图2为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第一种主要开关状态示意图；

图3为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第二种主要开关状态示意图；

图4为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第三种主要开关状态示意图；

图5为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第四种主要开关状态示意图；

图6为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第五种主要开关状态示意图；

图7为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第六种主要开关状态示意图；

图8为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第七种主要开关状态示意图；

图9为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第八种主要开关状态示意图；

图10为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第九种主要开关状态示意图；

图11为本发明一种采用开关电容电路的七电平逆变器的第十种主要开关状态示意图。

具体实施方式

下面结合实施例并对照附图对本发明作进一步详细说明。

图1示出本发明的采用开关电容电路的七电平逆变器结构示意图。所述逆变器由直流电源、开关电容组SC、全桥开关组SW构成。

本实施例逆变器的开关电容组由第一电容C1、第二电容C2、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10构成。所述第八二极管D5的阳极、第九二极管D9的阳极和第五开关管S5的集电极与直流电源正极相连于第一节点Q1；第九二极管D9的阴极、第七开关管S7的集电极与第一电容C1的正极相连于第二节点Q2；第五开关管S5的发射极、第一电容C1的负极与第十二极管D10的阳极相连于第三节点Q3；第八二极管D8的阴极与第二电容C2的正极相连于第四节点Q4；第六开关管S6的集电极、第十二极管D10的阴极、第七开关管S7的发射极与第二电容C2的负极相连于第五节点Q5；第六开关管S6的发射极与直流电源负极相连于第六节点Q6；所述第五二极管D5的阳极与第五开关管S5的发射极相连，第五二极管D5的阴极与第五开关管S5集电极相连；所述第六二极管D6的阳极与第六开关管S6的发射极相连，第六二极管D6的阴极与第六开关管S6集电极相连；所述第七二极管D7的阳极与第七开关管S7的发射极相连，第七二极管D7的阴极与第七开关管S7集电极相连。

本实施例逆变器的开关电容组SC的第一电容C1充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。

本实施例逆变器的开关电容组SC的第二电容C2充满能量时，其上的电压与直流电源上的电压相等。

本实施例逆变器的开关电容组SC的第九二极管D9的作用为限制第一电容C1上的电流反向流向直流电源。

本实施例逆变器的开关电容组SC的第八二极管D8的作用为限制第二电容C2上的电流反向流向直流电源。

本实施例逆变器的全桥开关组SW全桥开关组由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4构成；所述的第一开关管S1的集电极与第二开关管D2的集电极相连于第七节点Q7，第一开关管S1的发射极与第三开关管D3的集电极相连于第八节点Q8，第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的发射极相连于第九节点Q9，第二开关管S2的发射极与第四开关管D4的集电极相连于第十节点Q10；所述第一二极管D1的阳极与第一开关管S1的发射极相连，第一二极管D1的阴极与第一开关管S1集电极相连，所述第二二极管D2的阳极与第二开关管S2的发射极相连，第二二极管D2的阴极与第二开关管S2集电极相连；所述第三二极管D3的阳极与第三开关管S3的发射极相连，第三二极管D3的阴极与第三开关管S3集电极相连；所述第四二极管D4的阳极与第四开关管S4的发射极相连，第四二极管D4的阴极与第四开关管S4集电极相连。

本实施例逆变器的全桥开关组第七节点Q7、第九节点Q9分别与开关电容组的第四节点Q4、第六节点Q6相连，第八节点Q8和第十节点Q10分别为逆变器输出正负端。

图2至图11所示为七电平逆变器的十种主要开关状态示意图。设直流电源电压为E，第一电容C1和第二电容C2上的直流电压为E，逆变器的控制方式和六种电压输出状态如下：

1)当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5导通、开关管S6关断、开关管S7导通，如图2所示，直流电源与第一电容C1、第二电容C2串联，等效直流侧电压为3E，七电平逆变器的输出电压为3E。此时，第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10反向截止，如果电流方向为正，如图2中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到直流电源的负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到第七节点Q7。

2)当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5关断、开关管S6关断、开关管S7导通，如图3所示，直流电源与第二电容C2并联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器的输出电压为2E。此时，第八二极管D8、第十二极管D10反向截止，第九二极管D9导通，如果电流方向为正，如图3中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到直流电源的负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到第七节点Q7。

3)当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5关断、开关管S6关断、开关管S7关断，如图4所示，等效直流侧电压为E，七电平逆变器的输出电压为E。此时，如果电流方向为正，如图4中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到第九节点Q9；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到第七节点Q7。

3)当开关管S1导通、开关管S2关断、开关管S3关断、开关管S4导通、开关管S5关断、开关管S6导通、开关管S7关断，如图5所示，直流电源与第二电容C2并联，等效直流侧电压为E，七电平逆变器的输出电压为E。此时，如果电流方向为正，如图5中的实线箭头所示，电流经过第一开关管S1、负载和第四开关管S4回到第九节点Q9；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第四二极管D4、负载和第一二极管D1回到第七节点Q7。

4)当开关管S1导通、开关管S2导通、开关管S3关断、开关管S4关断，如图6所示，功率单元端口的输出电压为0+。

5)当开关管S1关断、开关管S2关断、开关管S3导通、开关管S4导通，如图7所示，功率单元端口的输出电压为0-。

6)当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4导通、开关管S5关断、开关管S6关断、开关管S7关断，如图8所示，等效直流侧电压为E，七电平逆变器的输出电压为-E。此时，此时，如果电流方向为正，如图8中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到第九节点Q9；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到第七节点Q7。

7)当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4关断、开关管S5关断、开关管S6导通、开关管S7关断，如图9所示，直流电源与第二电容C2并联，等效直流侧电压为E，七电平逆变器的输出电压为-E。此时，如果电流方向为正，如图9中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到第九节点Q9；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到第七节点Q7。

当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4关断、开关管S5关断、开关管S6关断、开关管S7导通，如图10所示，直流电源与第二电容C2并联，等效直流侧电压为2E，七电平逆变器的输出电压为-2E。此时，第八二极管D8、第十二极管D10反向截止，第九二极管D9导通，如果电流方向为正，如图10中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到直流电源负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到第七节点Q7。

当开关管S1关断、开关管S2导通、开关管S3导通、开关管S4关断、开关管S5导通、开关管S6关断、开关管S7导通，如图11所示，直流电源与第一电容C1、第二电容C2串联，等效直流侧电压为3E，七电平逆变器的输出电压为-3E。此时，第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10反向截止，如果电流方向为正，如图11中的实线箭头所示，电流经过第二开关管S2、负载和第三开关管S3回到直流电源负极；如果电流方向为负，如虚线箭头所示，则电流经过第三二极管D3、负载和第二二极管D2回到第七节点Q7。

如上所述，七电平逆变器有十种主要开关状态，可以输出3E、2E、E、0、-E、-2E和-3E七种电压电平。应当理解的是，0输出电平包含等效直流侧电压为3E、2E、E和0时的多种开关状态，这些冗余的开关状态可以提高逆变器控制的灵活性。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个功率开关管有多种选择，均可以采用MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管、PowerMosfet电力场效应晶体管、CoolMosfet深结高压场效应管、TGBT绝缘栅双极型晶体管中的任意一种。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

Claims

1.一种采用开关电容电路的七电平逆变器，其特征在于：所述的逆变器由、直流电源、开管电容组和、全桥开关组构成；直流电源与开关电容组并联后再与全桥开关组的两端相连，所述开关电容组由第一电容、第二电容、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管构成；所述第八二极管的阳极、第九二极管的阳极和第五开关管的集电极与直流电源正极相连于第一节点；第九二极管的阴极、第七开关管的集电极与第一电容的正极相连于第二节点；第五开关管的发射极、第一电容的负极与第十二极管的阳极相连于第三节点；第八二极管的阴极与第二电容的正极相连于第四节点；第六开关管的集电极、第十二极管的阴极、第七开关管的发射极与第二电容的负极相连于第五节点；第六开关管的发射极与直流电源负极相连于第六节点；所述第五二极管的阳极与第五开关管的发射极相连，第五二极管的阴极与第五开关管集电极相连；所述第六二极管的阳极与第六开关管的发射极相连，第六二极管的阴极与第六开关管集电极相连；所述第七二极管的阳极与第七开关管的发射极相连，第七二极管的阴极与第七开关管集电极相连；所述全桥开关组由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成；所述的第一开关管的集电极与第二开关管的集电极相连于第七节点，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连于第八节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极相连于第九节点，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连于第十节点；所述第一二极管的阳极与第一开关管的发射极相连，第一二极管的阴极与第一开关管集电极相连，所述第二二极管的阳极与第二开关管的发射极相连，第二二极管的阴极与第二开关管集电极相连；所述第三二极管的阳极与第三开关管的发射极相连，第三二极管的阴极与第三开关管集电极相连；所述第四二极管的阳极与第四开关管的发射极相连，第四二极管的阴极与第四开关管集电极相连；所述的全桥开关组的第七节点、第九节点分别与开关电容组的第四节点、第六节点相连，第八节点和第十节点分别为逆变器输出正负端。

2.根据权利要求1所述的采用开关电容电路的七电平逆变器，其特征在于：所述开关电容组的第一电容和第二电容充满能量时，其上的电压与所述直流电源上的电压相等。

3.根据权利要求1所述的采用开关电容电路的七电平逆变器，其特征在于;所述的开关电容组的第九二极管的作用为限制第一电容上的电流反向流向直流电源，所述第八二极管的作用为限制第二电容上的电流反向流向直流电源。

4.根据权利要求1所述的采用开关电容电路的七电平逆变器，其特征在于：所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管均采用IGBT绝缘栅双极型晶体管，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管均为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。