CN111628668A - 一种采用不对称电压源的九电平逆变器 - Google Patents

一种采用不对称电压源的九电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明专利涉及一种采用不对称电压源的九电平逆变器，该逆变器包括一个直流电源组和一个全桥开关组。其中直流电源组由两个直流电源、四个单向功率开关管、一个双向功率开关管和六个不可控二极管构成，全桥开关组为传统全桥结构，直流电源组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。本发明的九电平逆变器利用不对称电压作为直流电源，与传统结构的多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以及装置的复杂性，有效降低了逆变器的制造和维护成本，同时提高了逆变器的效率和系统的可靠性。

Description

一种采用不对称电压源的九电平逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换领域，尤其涉及一种采用不对称电压源的九电平逆变器。
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，级联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桥九电平逆变器，在实现输出九电平电压时就需要十六个功率开关管。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，因此运用不对称电压源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，提出一种采用不对称电压源的九电平逆变器，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：一种九电平逆变器由直流电源组和全桥开关组构成；直流电源组与全桥开关组的两端相连。
本发明的直流电源组由第一直流电源、第二直流电源、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九双向开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九双向二极管构成。
本发明的第五二极管的阳极、第五开关管的发射极与第二直流电源正极相连于第一节点；第六二极管的阳极、第七二极管的阳极、第六开关管的发射极、第七开关管的发射极与第二直流电源负极相连于第二节点；第五开关管的集电极、第五二极管的阴极、第九双向开关管的集电极、第九双向二极管的阴极与第一直流电源正极相连于第三节点；第七二极管的阴极、第七开关管的集电极、第八二极管的阳极、第八开关管的发射极与第一直流电源负极相连于第四节点；第八二极管的阴极、第八开关管的集电极、第九双向开关管的集电极、第九双向二极管的阴极相连于第五节点。
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；所述第八二极管的阳极与第八开关管的发射极相连，第八二极管的阴极与第八开关管集电极相连；所述第九双向开关管由两个开关管反向串联相连，第九双向二极管的阴极与第九双向开关管的集电极相连。
本发明的直流电源组的第一直流源和第二直流源充满能量时，其上的电压按照三进制Vdc1=E，Vdc2=3E的比例来配置的。
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六节点，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连于第七节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极相连于第八节点，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连于第九节点。
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六节点、第八节点分别与直流电源组的第一节点、第五节点相连，第七节点和第九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、第八开关管均可以采用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，第九双向开关管采用集成门极换流晶闸管（IGCT）开关，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、第八二极管、第九双向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不对称电压源的九电平逆变器，该逆变器利用不对称电压源作为直流电源就可以进行升压，输出九种电平，相对于传统结构的九电平逆变器，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为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的结构示意图；
图2为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第一种主要开关状态示意图；
图3为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第二种主要开关状态示意图；
图4为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第三种主要开关状态示意图；
图5为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第四种主要开关状态示意图；
图6为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第五种主要开关状态示意图；
图7为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第六种主要开关状态示意图；
图8为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第七种主要开关状态示意图；
图9为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第八种主要开关状态示意图；
图10为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第九种主要开关状态示意图；
图11为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第十种主要开关状态示意图；
图12为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第十一种主要开关状态示意图；
图13为本发明一种采用不对称电压源的九电平逆变器的第十二种主要开关状态示意图。
具体实施方式
图1示出本发明的采用不对称电压源的九电平逆变器结构示意图。所述逆变器由直流电源组（SC）和全桥开关组（SW）构成。
本实施例逆变器的直流电源组SC由第一直流电源Vdc1、第二直流电源Vdc2、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九双向开关管S9、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九双向二极管D9构成；所述第五二极管D5的阳极、第五开关管S5的发射极与第二直流电源正极Vdc2相连于第一节点Q1；第六二极管D6的阳极、第七二极管D7的阳极、第六开关管S6的发射极、第七开关管S7的发射极与第二直流电源Vdc2负极相连于第二节点Q2；第五开关管S5的集电极、第五二极管D5的阴极、第九双向开关管S9的集电极、第九双向二极管D9的阴极与第一直流电源Vdc1正极相连于第三节点Q3；第七二极管D7的阴极、第七开关管S7的集电极、第八二极管D8的阳极、第八开关管S8的发射极与第一直流电源Vdc1负极相连于第四节点Q4；第八二极管D8的阴极、第八开关管S8的集电极、第九双向开关管S9的集电极、第九双向二极管D9的阴极相连于第五节点Q5；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D7集电极相连；所述第八二极管D8的阳极与第八开关管S8的发射极相连，第八二极管D8的阴极与第八开关管S8集电极相连；所述第九双向开关管S9由两个开关管反向串联相连，第九双向二极管D9的阴极与第九双向开关管S9的集电极相连；
本实施例逆变器的直流电源组的第一直流源和第二直流源充满能量时，其上的电压按照三进制Vdc1=E，Vdc2=3E的比例来配置的。
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S2的集电极相连于第六节点Q6，第一开关管S1的发射极与第三开关管S3的集电极相连于第七节点Q7，第三开关管S3的发射极与第四开关管S4的发射极相连于第八节点Q8，第二开关管S2的发射极与第四开关管S4的集电极相连于第九节点Q9；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的第六节点Q6、第八节点Q8分别与直流电源组SC的第一节点Q1、第五节点Q5相连，第七节点Q7和第九节点Q9分别为逆变器输出正负端。
图2至图13所示为九电平逆变器的十二种主要开关状态示意图。设直流电源电压Vdc1=E，直流电源电压Vdc2=3E，逆变器的控制方式和八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关断、开关管S6导通、开关管S7关断，开关管S8导通，双向开关管S9关断。如图2所示，第一直流电源Vdc1与第二直流电源Vdc2串联，等效直流侧电压为4E，九电平逆变器的输出电压为4E。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回到第八节点Q8；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回到第六节点Q6。
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导通、开关管S7关断，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图3所示，等效直流侧电压为3E，九电平逆变器的输出电压为3E。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回到第八节点Q8；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回到第六节点Q6。
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开通，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图4所示，第一直流电源Vdc1与第二直流电源Vdc2反方向串联，等效直流侧电压为2E，九电平逆变器的输出电压为2E。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回到第八节点Q8；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回到第六节点Q6。
4）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关断，开关管S8导通，双向开关管S9关断。如图5所示，等效直流侧电压为E，九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回到第八节点Q8；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回到第六节点Q6。
5）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关断，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图6所示，功率单元端口的输出电压为0+。
5）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7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8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导通、开关管S3导通、开关管S4导通、开关管S5开通、开关管S6关断、开关管S7关断，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图9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导通、开关管S6关断、开关管S7关断，开关管S8导通，双向开关管S9关断。如图10所示，等效直流侧电压为-E，九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回到第八节点Q8；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回到第六节点Q6。
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关断、开关管S7导通，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图11所示，等效直流侧电压为-2E，七电平逆变器的输出电压为-2E。此时，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回到第八节点Q8；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回到直流电源正极。
8）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，开关管S8关断，双向开关管S9导通。如图12所示，等效直流侧电压为-3E，九电平逆变器的输出电压为-3E。如果电流方向为正，如图12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回到第八节点Q8；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回到直流电源正极。
9）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，开关管S8导通，双向开关管S9关断。如图13所示，第一直流电源Vdc1与第二直流电源Vdc2串联，等效直流侧电压为-4E，九电平逆变器的输出电压为-4E。如果电流方向为正，如图13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回到第八节点Q8；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回到直流电源正极。
如上所述，九电平逆变器有十二种主要开关状态，可以输出4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E和-4E九种电压电平。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，第九双向开关管采用集成门极换流晶闸管（IGCT）开关。
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。
由于本发明的九电平逆变器采用了不对称电压源电路，相对于传统结构的九电平逆变器，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。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内作各种替换、变化和润饰，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种采用不对称电压源的九电平逆变器，其特征在于：所述的逆变器由直流电源组和全桥开关组构成；直流电源组与全桥开关组的两端相连。
2.根据权利要求1所述的采用不对称电压源的九电平逆变器，其特征在于：所述直流电源组由第一直流电源、第二直流电源、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九双向开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九双向二极管构成；所述第五二极管的阳极、第五开关管的发射极与第二直流电源正极相连于第一节点；第六二极管的阳极、第七二极管的阳极、第六开关管的发射极、第七开关管的发射极与第二直流电源负极相连于第二节点；第五开关管的集电极、第五二极管的阴极、第九双向开关管的集电极、第九双向二极管的阴极与第一直流电源正极相连于第三节点；第七二极管的阴极、第七开关管的集电极、第八二极管的阳极、第八开关管的发射极与第一直流电源负极相连于第四节点；第八二极管的阴极、第八开关管的集电极、第九双向开关管的集电极、第九双向二极管的阴极相连于第五节点；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；所述第八二极管的阳极与第八开关管的发射极相连，第八二极管的阴极与第八开关管集电极相连；所述第九双向开关管由两个开关管反向串联相连，第九双向二极管的阴极与第九双向开关管的集电极相连。
3.根据权利要求1所述的采用不对称电压源的九电平逆变器，其特征在于：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六节点，第一开关管的发射极与第三开关管的集电极相连于第七节点，第三开关管的发射极与第四开关管的发射极相连于第八节点，第二开关管的发射极与第四开关管的集电极相连于第九节点；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六节点、第八节点分别与直流电源组的第一节点、第五节点相连，第七节点和第九节点分别为逆变器输出正负端。
4.根据权利要求1所述的采用不对称电压源的九电平逆变器，其特征在于：所述直流电源组的第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九双向开关管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九双向二极管的作用为生成正输出电压电平，所述第一开关管、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、第四二极管的作用为反转输出电压电平的方向。
5.根据权利要求2所述的采用不对称电压源的九电平逆变器，其特征在于：所述直流电源组的第一直流源和第二直流源充满能量时，其上的电压按照三进制Vdc1=E，Vdc2=3E的比例来配置的。
6.根据权利要求2和3所述的采用不对称电压源的九电平逆变器，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、第七开关管和第八开关管均采用绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关，第九双向开关管采用集成门极换流晶闸管（IGCT）开关，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、第八二极管、第九双向二极管均为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。
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