CN110912433A - 一种利用电感均压的九电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种利用电感均压的九电平逆变器，由九电平逆变部分、滤波部分和负载组成，九电平逆变部分由第一直流源、第二直流源、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、第八开关管、第九开关管、第十开关管和一个反接耦合电抗器构成，滤波部分由输出滤波电抗器和输出滤波电容构成，利用反接耦合电抗器实现等效漏感均压。本发明提供目前已知所用元件总数最少的九电平逆变器，降低了成本；减小开关损耗，提升逆变器效率；逆变器逆变部分未使用开关电容，缩小体积，简化控制，使用反接耦合电抗器漏感进行均压，达到输出差模电压多电平化，反接耦合电抗器漏感等效叠加到输出电感上，提升输出电能质量。

Description

一种利用电感均压的九电平逆变器
技术领域
本发明涉及一种采用新型九电平拓扑结构来缩小逆变器体积、提高效率以及电能质量的技术，属于电力电子逆变领域。
背景技术
多电平逆变器在众多的逆变器类型中具有降低电压突变、提高波形质量、减小电磁干扰、降低功耗、对滤波器要求较少、高模块化等优点。因此，多电平逆变器已经在可再生能源集成，电网，高压直流输电，有源滤波器，电动车等领域得到广泛应用。传统的多电平拓扑结构主要有三种：级联H桥结构、中性点钳位结构和飞行电容拓扑结构。随着电压电平的增加，这些拓扑结构存在一些缺陷。如级联H桥结构、中性点钳位结构和飞行电容拓扑结构需要辅助平衡电路、电流和电压传感器或复杂的控制算法来保持中性点开关电容的电压平衡，还存在元件数量多等问题。
国外最新研究提出了一类开关电容多电平逆变器，能够有效减少多电平逆变器逆变部分的开关数量。然而，这类多电平逆变器需要使用较多的开关电容、独立的二极管等其它元件。其次，这类多电平逆变器输出电能质量受开关电容影响较大，开关电容的电位不平衡会导致差模电压电平发生畸变，导致输出电能质量下降。目前国外研究的12开关以下的九电平逆变器的开关频率与母线差模电压电平工作频率一致，开关频率高，元件数量多。因此，研制出一款元件数量少、开关频率低、电能质量高的九电平逆变器成为多电平逆变器技术领域的重要挑战。
发明内容
本发明提出了一种目前已知所用元件总数最少的九电平逆变器。本发明提出的九电平逆变器使用反接耦合电抗器的等效漏感进行均压，逆变部分不需要开关电容，不存在开关电容的电位不平衡问题，且漏感会等效到输出滤波电感上，增加输出滤波效果，因此本发明提出的九电平逆变器具有更高的电能质量。同时，本发明提出的九电平逆变器开关频率仅为母线差模电压电平工作频率的一半，相对相同开关数量水平的九电平逆变器，1/2的开关频率有效降低开关损耗。
本发明提供一种利用电感均压的九电平逆变器，由九电平逆变部分、滤波部分和负载组成，九电平逆变部分由第一直流源、第二直流源、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、第八开关管、第九开关管、第十开关管和一个反接耦合电抗器构成，滤波部分由输出滤波电抗器和输出滤波电容构成，利用反接耦合电抗器实现等效漏感均压；
所述第一直流源正极与第一开关管、第三开关管、第五开关管的集电极相连，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连，所述第一直流源负极与第二开关管、第四开关管、第六开关管的发射极相连；
所述第二直流源正极与第七开关管、第九开关管的集电极相连，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连，第九开关管的发射极与第十开关管的集电极相连，所述第二直流源负极与第八开关管、第十开关管的发射极相连；
所述反接耦合电抗器左端的两个端口分别连接第一开关管的发射极以及第三开关管的发射极，所述反接耦合电抗器右端的两个端口短接并与输出滤波电抗器左端相连，所述输出滤波电抗器右端与所述输出滤波电容、负载上端相连，所述输出滤波电容、负载下端与所述第九开关管的发射极相连，第七开关管的发射极与所述第五开关管的发射极相连；
第五开关管与第六开关管在基频下工作。
而且，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、第八开关管、第九开关管和第十开关管均采用绝缘栅双极型晶体管器件。
而且，第一开关管与第二开关管是一对互补开关，第三开关管与第四开关管是一对互补开关，第五开关管与第六开关管是一对互补开关，第七开关管与第八开关管是一对互补开关，第九开关管与第十开关管是一对互补开关。
而且，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、第八开关管、第九开关管和第十开关管的开关频率为差模电压工作频率的1/2。
而且，基频为50Hz。
本发明的有益效果：
(1)本发明的九电平逆变器是目前已知所用元件总数最少的九电平逆变器，降低了成本。
(2)本发明的九电平逆变器的第五开关管(S5)与第六开关管(S6)是一对工作在基频的开关，因此S5与S6的开关的开关损耗几乎可以忽略不计。
(3)本发明的九电平逆变器差模电压(UAB)的等效输出频率是S1和S2、S3和S4、S7和S8、S9和S10这四对开关频率的2倍。这意味着差模电压电平工作频率能达到开关频率的2倍，反过来，S1和S2、S3和S4、S7和S8、S9和S10开关频率为差模电压工作频率的1/2，减小了开关损耗，提升了逆变器的效率。
(4)本发明的九电平逆变器避免使用开关电容参与九电平逆变器逆变部分工作，一方面本发明逆变器逆变部分未使用开关电容，避免了开关电容充放电造成的差模电压电平电位偏移，从而导致电能质量下降的情况；另一方面进一步缩小了九电平逆变器的体积。
(5)其它类型的九电平逆变器使用电容参与工作，必须对电容进行预充电，而本发明的九电平逆变器逆变部分无开关电容，不需要对电容进行预充电，简化了控制过程。
(6)本发明的九电平逆变器使用反接耦合电抗器漏感进行均压，达到输出差模电压UAB多电平化的目的，反接耦合电抗器漏感可以等效叠加到输出电感上，从而等效增加了滤波电感值，进一步提升了输出电能质量。
附图说明
图1是本发明实施例的九电平逆变器拓扑结构原理图。
图2是本发明实施例的反接耦合电抗器等效电路图。
图3是本发明实施例的九电平逆变器差模电平UAB对应表1和表2的几种工作模式示意图。
图4是本发明实施例的九电平逆变器差模电压UAB，输出电压U0，输出电流i0示意图。
图5是本发明实施例的九电平逆变器等效漏感L1和L2上的电流示意图。
图6是本发明实施例的九电平逆变器流过开关S1的电流波形示意图。
图7是本发明实施例的九电平逆变器输出电流总谐波失真示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定
图1为本发明实施例提供的九电平逆变器拓扑结构原理图。如图1所示，实施例提供的一种利用电感均压的九电平逆变器，由九电平逆变部分、滤波部分和和负载R组成。九电平逆变部分由第一直流源Vin1、第二直流源Vin2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9、第十开关管S10)和一个反接耦合电抗器T构成。滤波部分由输出滤波电抗器L、输出滤波电容C构成。基于该结构，实现利用反接耦合电抗器等效漏感均压。
直流源Vin1、Vin2为主电路提供直流电源，且取两个直流源电压值大小相等都为E。输出滤波电感L和输出滤波电容C组成LC滤波电路，滤除高频的载波部分。R输出负载，U0为输出交流电压的有效值。图1中标注的i0为流过电阻R上的输出电流。
所述第一直流源Vin1正极分别与第一开关管S1、第三开关管S3、第五开关管S5的集电极相连，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的集电极相连，第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的集电极相连，第五开关管S5的发射极与第六开关管S6的集电极相连，所述第一直流源Vin1负极分别与第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6的发射极相连。
所述第二直流源Vin2正极分别与第七开关管S7、第九开关管S9的集电极相连，第七开关管S7的发射极与第八开关管S8的集电极相连，第九开关管S9的发射极与第十开关管S10的集电极相连(相连点记为B点)，所述第二直流源Vin2负极与第八开关管S8、第十开关管S10的发射极相连。
所述反接耦合电抗器T左端的两个端口分别连接第一开关管S1的发射极以及第三开关管S3的发射极，所述反接耦合电抗器T右端的两个端口短接并与输出滤波电抗器L左端相连(相连点记为A点)，所述输出滤波电抗器L右端与所述输出滤波电容C、负载R上端相连，所述输出滤波电容C、负载R下端与所述第九开关管S9的发射极相连，第七开关管S7的发射极与所述第五开关管S5的发射极相连。
上述所有开关管S1～S10均选用绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件。
上述开关管中，第一开关管S1与第二开关管S2是一对互补开关，第三开关管S3与第四开关管S4是一对互补开关，第五开关管S5与第六开关管S6是一对互补开关，第七开关管S7与第八开关管S8是一对互补开关，第九开关管S9与第十开关管S10是一对互补开关。
图2为本发明实施例提供的反接耦合电抗器等效电路图。在图2中，L1、L2为反接耦合电抗器T的等效漏感，T1为反接耦合电抗器T等效后的理想反接耦合电抗器。图2中标注的i1为流过漏感L1上的电流；标注的i2为流过漏感L2上的电流；标注的i为流过滤波电感L上的电流。
在图2所示的所有状态中，L1＝L2电感电流关系始终如下
i1＝i2
i1+i2＝i
表1和表2共同组成为本发明的九电平逆变器调制的所有模式。其中“0”表示开关关断，“1”表示开关闭合。
A点和B点之间的电压记为电压UAB，即差模电压。本发明的九电平逆变器的各个开关状态如表1和表2所示。其中表1为V0＞0时的所有开关状态，表2为V0＜0时的所有开关状态。开关Si与Si+1(i＝1,3,5,7,9)具有互补操作。因此为了简化视图，在表1和表2的切换模式中列出了五个不同开关的状态。
表1该拓扑在V0＞0时不同差模电压UAB电平转换的几种工作模式
Figure BDA0002291054560000051
表2该拓扑在V0＜0时不同差模电压UAB电平转换的几种工作模式
Figure BDA0002291054560000052
Figure BDA0002291054560000061
在表1和表2的所有电平中，如果开关S1和S4同时开通，或者S2和S3同时开通，则利用反接耦合电抗器等效漏感电感L1、L2的均压的作用，对第一个输入直流电源(Vin1)进行均压，使得A点电位变为0.5E，达到增加电平数的目的。
开关S5与S6必须在基频下工作。我国的基频默认为50Hz，实施例中开关S5与S6在50Hz基频下工作，差模电压(UAB)的等效输出频率是S1和S2、S3和S4、S7和S8、S9和S10这四对开关频率的2倍。并且与反接耦合电抗器相连两个桥臂的四个开关(S1～S4)的电流应力仅为负载电流的50％。所有电力电子开关的电压应力均为总负载电压的50％。因此，大大降低了开关损耗。
如图3所示为本发明实施例的九电平逆变器差模电压UAB对应表1和表2的几种工作模式图。值得一提的是取输入电压E＝160V。差模电压UAB的多电平呈现曲线状态，这是由于反接耦合电抗器等效漏感，在输出侧有一个等效值。实际上，滤波总电感为
Figure BDA0002291054560000062
由于L1＝L2，所以等效的滤波总电感可以简化为
Figure BDA0002291054560000063
因此在测量的差模电压UAB之前有一个等效漏感值，使得差模电压UAB的多电平呈现曲线状态。
进一步证明本发明的九电平逆变器能够充分利用九电平逆变部分的漏感等效叠加到滤波电感中，从而提高电能质量。
如图4所示为本发明实施例的九电平逆变器差模电压UAB，输出电压U0，输出电流i0的Matlab仿真波形。
输出电压和输出电流的波形图如图4所示，输出电压峰值为311V，输出电流峰值为15.55A。
图5为本发明实施例的九电平逆变器等效漏感L1和L2上的电流Matlab仿真波形。L1和L2所在线路构成交错结构使得漏感L1和L2上的电流仅为差模电流的50％,降低了反接耦合电抗器上的铜损。
i1+i2＝i
i1＝i2＝0.5i
图6为本发明实施例的九电平逆变器流过开关S1的电流波形。由于L1和L2所在线路构成交错结构的作用，使得与反接耦合电抗器相连两个桥臂的四个开关(S1～S4)的电流应力仅为负载电流的50％。因此，可以有效延长开关管的使用寿命，以及选择电流应力承受较差的开关管，降低成本。
图7为本发明实施例的九电平逆变器输出电流总谐波失真(THD)。在Matlab仿真实验中设置滤波电感L＝125μH，L1＝L2＝50μH，滤波电容C＝4μF时输出的电流总谐波畸变率(THD)为0.16％。因此，即便滤波电感与电容很小，输出的电能质量也很高。本发明的本发明的九电平逆变器在保证装置体积较小，成本较低的同时也减小了逆变装置损耗提高了效率，并且保证了输出的电能质量在一个很高的水平。
上述分析仅用于说明本发明的九电平逆变器最基本的工作原理，事实上，本发明可以采用的不同类型的控制策略，当控制策略不同时，其工作的过程也不完全相同。
尽管上面结合附图对本发明的较佳实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种利用电感均压的九电平逆变器，其特征在于：由九电平逆变部分、滤波部分和负载组成，九电平逆变部分由第一直流源、第二直流源、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、第八开关管、第九开关管、第十开关管和一个反接耦合电抗器构成，滤波部分由输出滤波电抗器和输出滤波电容构成，利用反接耦合电抗器实现等效漏感均压；
所述第一直流源正极与第一开关管、第三开关管、第五开关管的集电极相连，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极相连，第三开关管的发射极与第四开关管的集电极相连，第五开关管的发射极与第六开关管的集电极相连，所述第一直流源负极与第二开关管、第四开关管、第六开关管的发射极相连；
所述第二直流源正极与第七开关管、第九开关管的集电极相连，第七开关管的发射极与第八开关管的集电极相连，第九开关管的发射极与第十开关管的集电极相连，所述第二直流源负极与第八开关管、第十开关管的发射极相连；
所述反接耦合电抗器左端的两个端口分别连接第一开关管的发射极以及第三开关管的发射极，所述反接耦合电抗器右端的两个端口短接并与输出滤波电抗器左端相连，所述输出滤波电抗器右端与所述输出滤波电容、负载上端相连，所述输出滤波电容、负载下端与所述第九开关管的发射极相连，第七开关管的发射极与所述第五开关管的发射极相连；
第五开关管与第六开关管在基频下工作。
2.根据权利要求1所述利用电感均压的九电平逆变器，其特征在于：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、第八开关管、第九开关管和第十开关管均采用绝缘栅双极型晶体管器件。
3.根据权利要求1所述利用电感均压的九电平逆变器，其特征在于：第一开关管与第二开关管是一对互补开关，第三开关管与第四开关管是一对互补开关，第五开关管与第六开关管是一对互补开关，第七开关管与第八开关管是一对互补开关，第九开关管与第十开关管是一对互补开关。
4.根据权利要求1所述利用电感均压的九电平逆变器，其特征在于：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、第八开关管、第九开关管和第十开关管的开关频率为差模电压工作频率的1/2。
5.根据权利要求1或2或3或4所述利用电感均压的九电平逆变器，其特征在于：基频为50Hz。
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