CN109660141A - 一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器，所述电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、高频变压器、电感和第一滤波电容，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂均由反并联的开关器件和续流二极管构成，所述第一桥臂和第二桥臂串联组成第一串联支路，所述第三桥臂和第四桥臂串联组成第二串联支路，所述第五桥臂和第六桥臂串联组成第三串联支路，所述第一串联支路、第二串联支路和第三串联支路并联；所述电路实现了自然均流，便于控制电流，提高了电路稳定性；同时实现了多电平输出，有利于减少谐波分量，降低开关器件的工作频率，进而提高了微型逆变器的工作效率。

Description

一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，更具体地，涉及一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器。
背景技术
随着分布式发电技术的发展，微型逆变器系统由于在发电效率、安全和可靠性发明的优势，越来越受到市场的欢迎，但是微型逆变器系统的成本和工作效率两方面因素是制约其发展的重要因素。传统的逆变拓扑电路采用全桥交错并联电路，存在双极性和单极性两种控制方式，滤波电感体积和损耗较大，也会导致微型逆变器的工作效率降低；由于两个全桥电路的阻抗并不一致，所以输出电流存在差异，对微型逆变器的散热和寿命也会造成不利影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种五电平逆变拓扑电路，解决现有的逆变拓扑电路存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种五电平逆变拓扑电路，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、高频变压器、电感和第一滤波电容，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂均由反并联的开关器件和续流二极管构成，所述第一桥臂和第二桥臂串联组成第一串联支路，所述第三桥臂和第四桥臂串联组成第二串联支路，所述第五桥臂和第六桥臂串联组成第三串联支路，所述第一串联支路、第二串联支路和第三串联支路并联；
所述电感和第一滤波电容串联组成第四串联支路，所述高频变压器的原边绕组具有两个引出端子，副边绕组具有两个引出端子，且引出端子中的其中一对异名端串联连接，第四串联支路的一端连接于所述串联的一对异名端中间，另一端连接于所述第一桥臂和第二桥臂之间；引出端子中的另一对异名端分别连接于第三桥臂和第四桥臂之间，以及第五桥臂和第六桥臂之间。
优选地，所述电路还包括第二滤波电容，所述第二滤波电容连接于所述第一串联支路的两端。
优选地，所述开关器件为三极管、MOS管或者IGBT管。
优选地，所述高频变压器的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
本发明还提供了五电平逆变器，包括直流输入单元、交流输出单元和权利要求1所述的五电平逆变拓扑电路，其中直流输入单元的正极和所述五电平逆变拓扑电路的正输入端连接，直流输入单元的负极和所述五电平逆变拓扑电路的负输入端连接，所述交流输出单元两端分别和所述五电平逆变拓扑电路的输出端连接。
优选地，所述五电平逆变器还包括第二滤波电容，所述第二滤波电容连接于所述直流输入单元两端。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：
本发明提供的一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器，通过利用高频变压器，以及降低开关器件的数量，实现了自然均流，便于控制电流，提高了电路稳定性；同时实现了多电平输出，使得该逆变拓扑电路输出电平数量达到了五个电平，有利于减少谐波分量，降低开关器件的工作频率，进而提高了微型逆变器的工作效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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为现有技术的一种逆变拓扑电路的结构示意图；
图2为本发明实施例公开的一种五电平逆变拓扑电路的结构示意图；
图3为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第一种工作模态的示意图；
图4为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第二种工作模态的示意图；
图5为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第三种工作模态的示意图；
图6为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第四种工作模态的示意图；
图7为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第五种工作模态的示意图；
图8为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第六种工作模态的示意图；
图9为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第七种工作模态的示意图；
图10为本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第八种工作模态的示意图；
图11为在电网电压正半周期的五电平逆变拓扑电路的工作波形的示意图；
图12为本发明实施例公开的一种五电平逆变器的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图2所示，本发明实施例公开了一种五电平逆变拓扑电路，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、高频变压器、电感、第一滤波电容和第二滤波电容。第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂均由反并联的开关器件和续流二极管构成，第一桥臂和第二桥臂串联组成第一串联支路，第三桥臂和第四桥臂串联组成第二串联支路，第五桥臂和第六桥臂串联组成第三串联支路，第一串联支路、第二串联支路和第三串联支路并联。上述开关器件为三极管、MOS管或者IGBT管，本实施例中，开关器件为IGBT管。
其中，第一桥臂由第一IGBT S1和第一续流二极管D1反并联构成，第一IGBT S1的发射极连接第一续流二极管D1的正极，第一IGBT S1的集电极连接第一续流二极管D1的负极。第二桥臂由第二IGBT S2和第二续流二极管D2反并联构成，第二IGBT S2的发射极连接第二续流二极管D2的正极，第二IGBT S2的集电极连接第二续流二极管D2的负极。第三桥臂由第三IGBT S3和第三续流二极管D3反并联构成，第三IGBT S3的发射极连接第三续流二极管D3的正极，第三IGBT S3的集电极连接第三续流二极管D3的负极。
第四桥臂由第四IGBT S4和第四续流二极管D4反并联构成，第四IGBT S4的发射极连接第四续流二极管D4的正极，第四IGBT S4的集电极连接第四续流二极管D4的负极。第五桥臂由第五IGBT S5和第五续流二极管D5反并联构成，第五IGBT S5的发射极连接第五续流二极管D5的正极，第五IGBT S5的集电极连接第五续流二极管D5的负极。第六桥臂由第六IGBT S6和第六续流二极管D6反并联构成，第六IGBT S6的发射极连接第六续流二极管D6的正极，第六IGBT S6的集电极连接第六续流二极管D6的负极。
本发明实施例公开的一种五电平逆变拓扑电路与图1公开的传统逆变拓扑电路相比，开关器件的数量减少了两个，电感数量减少了三个，这样就实现了开关器件的减少，降低了控制的复杂性以及整个系统的成本。
电感L和和第一滤波电容C2串联组成第四串联支路，高频变压器T1的原边绕组具有两个引出端子，即引出端子1和2，副边绕组具有两个引出端子，即引出端子3和4；引出端子中的其中一对异名端串联连接，本实施例中，异名端2和3串联连接，第四串联支路的一端连接于异名端2和3的中间，另一端连接于第一桥臂和第二桥臂之间；引出端子中的另一对异名端，即异名端1和4分别连接于第三桥臂和第四桥臂之间，以及第五桥臂和第六桥臂之间。第二滤波电容C1连接于第一串联支路的两端。
若直流输入电压为Vbus，则该五电平逆变拓扑电路中a、b两点之间电压Vab可以实现输出±Vbus/2、±Vbus和0这五个电平，实现了五电平工作输出，有利于减少谐波分量，降低开关器件工作频率，提高了微型逆变器的工作效率；交错并联的倍频控制方式也有利于减小输出滤波电感体积，另一方面，由于高频变压器的原边绕组和副边绕组匝数比为1:1，所以经过原边绕组和副边绕组的电流相等，实现了对第三桥臂、第五桥臂、第四桥臂、第六桥臂电流的自然均流，便于电流控制，提高了电路稳定性。
其中，本发明实施例提供的五电平逆变拓扑电路以电感电流临界连续的工作模式工作时，在实现直流电和交流电转换时包括八种工作模态，下面结合附图对图2所示的五电平逆变拓扑电路的八种工作模态进行详细分析。需要说明的是，在其他实施例中，五电平逆变拓扑电路也可以工作在电感电流断续与连续的模态。
图3公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第一种工作模态，该工作模态下，电网电压处于正半周期，第二IGBT S2导通，第一IGBT S1关断，第三IGBT S3和第六IGBT S6导通，电路电流方向为正，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，由于原边绕组和副边绕组匝数比为1:1，所以3、4两端电压为1、4两端电压的一半即Vbus/2，所以a、b两点之间电压Vab＝Vbus/2。
图4公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第二种工作模态，该工作模态下，电网电压处于正半周期，第二IGBT S2导通，第一IGBT S1关断，第四IGBT S4和第五IGBT S5导通，电路电流方向为正，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，由于原边绕组和副边绕组匝数比为1:1，所以1、2两端电压为1、4两端电压的一半即Vbus/2，所以a、b两点之间电压Vab＝Vbus/2。
图5公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第三种工作模态，该工作模态下，电网电压处于正半周期，第二IGBT S2导通，第一IGBT S1关断，第三IGBT S3和第五IGBT S5导通，电路电流方向为正，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为零，所以1、2两端电压也为零，a、b两点之间电压Vab＝Vbus。
图6公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第四种工作模态，该工作模态下，电网电压处于正半周期，第二IGBT S2导通，第一IGBT S1关断，第四IGBT S4和第六IGBT S6导通，电路电流方向为正，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为零，所以1、2两端电压也为零，a、b两点之间电压Vab＝0。
图7公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第五种工作模态，该工作模态下，电网电压处于负半周期，第二IGBT S2关断，第一IGBT S1导通，第三IGBT S3和第六IGBT S6导通，电路电流方向为负，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，所以3、4两端电压为1、4两端电压的一半即Vbus/2，所以a、b两点之间电压Vab＝-Vbus/2。
图8公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第六种工作模态，该工作模态下，电网电压处于负半周期，第二IGBT S2关断，第一IGBT S1导通，第四IGBT S4和第五IGBT S5导通，电路电流方向为负，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，所以1、2两端电压为1、4两端电压的一半即Vbus/2，所以a、b两点之间电压Vab＝-Vbus/2。
图9公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第七种工作模态，该工作模态下，电网电压处于负半周期，第二IGBT S2关断，第一IGBT S1导通，第四IGBT S4和第六IGBT S6导通，电路电流方向为负，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为零，所以1、2两端电压也为零，a、b两点之间电压Vab＝-Vbus。
图10公开了本实施例中的五电平逆变拓扑电路的第八种工作模态，该工作模态下，电网电压处于负半周期，第二IGBT S2关断，第一IGBT S1导通，第三IGBT S3和第五IGBTS5导通，电路电流方向为负，即如图中箭头方向所示，若直流输入电压为Vbus，高频变压器T1的1、4两端电压为零，所以1、2两端电压也为零，a、b两点之间电压Vab＝0。
图11公开了在电网电压正半周期的五电平逆变拓扑电路的工作波形，电网电压较低时，工作模态在1/2和4之间切换，高频变压器T1的a、b两点之间电压Vab为0和Vbus/2；电网电压较高时，工作模态在1/2和3之间切换，高频变压器T1的a、b两点之间电压Vab为Vbus和Vbus/2。通过控制每两种工作模态的持续时间，控制电感电流IL的上升和下降时间，从而达到控制电感电流的目的。
图12公开了本实施例中的五电平逆变器，该五电平逆变器包括直流输入单元Vbus、交流输出单元Vgrid和上述实施例中的五电平逆变拓扑电路，其中直流输入单元Vbus的正极和五电平逆变拓扑电路的正输入端M1连接，直流输入单元Vbus的负极和五电平逆变拓扑电路的负输入端M2连接，交流输出单元Vgrid两端分别和五电平逆变拓扑电路的输出端连接。第二滤波电容C1也连接于上述直流输入单元Vbus的两端。
本实施例公开的一种五电平逆变拓扑电路及五电平逆变器，通过利用高频变压器，以及降低开关器件的数量，实现了自然均流，便于控制电流，提高了电路稳定性；同时实现了多电平输出，使得该逆变拓扑电路输出电平数量达到了五个电平，有利于减少谐波分量，降低开关器件的工作频率，进而提高了微型逆变器的工作效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种五电平逆变拓扑电路，其特征在于，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂、高频变压器、电感和第一滤波电容，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂、第五桥臂和第六桥臂均由反并联的开关器件和续流二极管构成，所述第一桥臂和第二桥臂串联组成第一串联支路，所述第三桥臂和第四桥臂串联组成第二串联支路，所述第五桥臂和第六桥臂串联组成第三串联支路，所述第一串联支路、第二串联支路和第三串联支路并联；
所述电感和第一滤波电容串联组成第四串联支路，所述高频变压器的原边绕组具有两个引出端子，副边绕组具有两个引出端子，且引出端子中的其中一对异名端串联连接，第四串联支路的一端连接于所述串联的一对异名端中间，另一端连接于所述第一桥臂和第二桥臂之间；引出端子中的另一对异名端分别连接于第三桥臂和第四桥臂之间，以及第五桥臂和第六桥臂之间。
2.如权利要求1所述的一种五电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述电路还包括第二滤波电容，所述第二滤波电容连接于所述第一串联支路的两端。
3.如权利要求1所述的一种五电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述开关器件为三极管、MOS管或者IGBT管。
4.如权利要求1所述的一种五电平逆变拓扑电路，其特征在于，所述高频变压器的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
5.一种五电平逆变器，其特征在于，包括直流输入单元、交流输出单元和权利要求1所述的五电平逆变拓扑电路，其中直流输入单元的正极和所述五电平逆变拓扑电路的正输入端连接，直流输入单元的负极和所述五电平逆变拓扑电路的负输入端连接，所述交流输出单元两端分别和所述五电平逆变拓扑电路的输出端连接。
6.如权利要求5所述的一种五电平逆变器，其特征在于，所述五电平逆变器还包括第二滤波电容，所述第二滤波电容连接于所述直流输入单元两端。
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