CN111697861B - 一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法，系统包括多相逆变驱动电路；每相逆变驱动电路均包含n个直流电源输入端、一个交流输出端、一个电压窗口切换电路、一个软开关逆变驱动模块、一个控制模块、一个电感及输出端电容；工作时，控制模块用于实时测量比较交流输出端电压与各直流电源输出端电压的大小，判断交流输出端电压所处的电压窗口，输出控制信号给电压窗口切换电路；电压窗口切换电路用于将各直流电源输入端的直流输入电平分配为多个相互重叠的电压窗口；软开关逆变驱动模块用于将电压窗口切换电路输出的直流电压转换为交流电输出。本发明使得整个系统实现了极低的开关损耗，提高了能源利用效率。

Description

一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法
技术领域
本发明涉及逆变驱动电路领域，具体涉及一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法。
背景技术
现有的多电平软开关逆变驱动系统中，软开关结构本身的开关损耗极低，但要使用单极开关器件例如MOSFET或者GaN-FET。但由于材料的局限性，此类器件的耐压和单位面积的载流能力不高，高耐压和高载流能力难以同时获得，且成本高昂，使其实际应用受到了局限。双极器件的载流能力强，耐压高，但其开关损耗无法避免，使得其能源利用效率较低。
发明内容
针对背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法。
为了解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
一种多电平软开关逆变驱动系统，包括多相相互独立且结构相同的逆变驱动电路；
每相所述逆变驱动电路均包含n个直流电源输入端、一个交流输出端、一个电压窗口切换电路、一个软开关逆变驱动模块、一个控制模块、一个电感L及输出端电容，所述电压窗口切换电路的输入端对应与所述的n个直流电源输入端相连，所述电压窗口切换电路的输出端对应与所述软开关逆变驱动模块的输入端相连，所述软开关逆变驱动模块的输出端通过所述电感L连接至所述交流输出端，所述输出端电容一端与一个直流电源输入端连接，另一端与交流输出端连接；所述控制模块对应与所述电压窗口切换电路、交流输出端及n个直流电源输入端相连；
控制模块、用于实时测量比较与之相对应相逆变驱动电路中交流输出端电压与各直流电源输入端电压的大小，判断交流输出端电压所处的电压窗口，并结合所需交流输出端电压变化趋势输出控制信号给电压窗口切换电路；
电压窗口切换电路、用于将各直流电源输入端的直流输入电平分配为多个上下重叠且连续的电压窗口；
软开关逆变驱动模块、用于将电压窗口切换电路输出的直流电压转换为交流电输出；
其中，n≥4，且n为整数。
在一些实施例中，每相所述逆变驱动电路所包含的n个直流电源输入端的电压以最高电平直流电源输入端和最低电平直流电源输入端间的中间点电位为电位参考点，各直流电源输入端的输入电压和每相交流输出端的输出电压为各端到此电位参考点的电压。
在一些实施例中，所述电压窗口切换电路为一个含有的输入端数量与所述n个直流电源输入端数量相匹配的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块为一个含有的输入端数量与所述电压窗口切换电路含有的输出端数量相配的软开关逆变驱动电路；
所述电压窗口切换电路包含的每个输入端对应与一个所述直流电源输入端相连；
所述软开关逆变驱动模块包含的每个输入端对应与所述电压窗口切换电路的一个输出端相连。
在一些实施例中，所述电压窗口切换电路为含有四个输入端和两个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk和一个输出端的半桥电路或浮动电容桥电路；
所述电压窗口切换电路包含的四个输入端对应与四个不同电位值的直流电源输入端相连，且四个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3和 UinDC4；
所述电压窗口切换电路包含的两个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块的两个输入端相连；
所述电压窗口切换电路含有四个开关器件S1、S2、S3和S4；其中两个开关器件S1、S2串联于电压分别为UinDC1和 UinDC2的两个直流电源输入端之间；另外两个开关器件S3、S4 串联于电压分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间；
半桥电路或浮动电容桥电路的正直流输入端+Uzk对应与串联在电压分别为UinDC1和UinDC2的两个直流电源输入端之间的两个开关器件S1、S2的公共端相连，负直流输入端-Uzk对应与串联在电压分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间的另外两个开关器件S3、S4的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
在一些实施例中，所述电压窗口切换电路为含有四个输入端和三个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk、一个中间直流输入端Uzkm和一个输出端的T型逆变电路；
所述电压窗口切换电路包含的四个输入端对应与四个不同电位值的直流电源输入端相连，且四个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3和
UinDC4；
所述电压窗口切换电路包含的三个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块的三个输入端相连；
所述电压窗口切换电路含有六个开关器件S1、S2、S3、S4、S5、 S6；所述的六个开关器件S1、S2、S3、S4、S5、S6两两分别串联于电位值分别为UinDC1、UinDC2、UinDC3和
UinDC4的四个直流电源输入端之间；
T型逆变电路的正直流输入端+Uzk对应与串联在电压值分别为UinDC1和UinDC2的两个直流电源输入端之间的两个开关器件S1、S2的公共端相连，中间直流输入端Uzkm对应与串联在电压值分别为UinDC2和UinDC3的两个直流电源输入端之间的两个开关器件S3、S4的公共端相连，负直流输入端
-Uzk对应与串联在电压值分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间的两个开关器件S5、S6的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
在一些实施例中，所述电压窗口切换电路为含有五个输入端和两个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk和一个输出端的半桥电路或浮动电容桥电路；
所述电压窗口切换电路1包含的五个输入端对应与五个不同电位值的直流电源输入端相连，且五个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3、 UinDC4和UinDC5；
所述电压窗口切换电路包含的两个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块的两个输入端相连；
所述电压窗口切换电路含有八个开关器件S1、S2、S3、S4、S5、 S6、S7、S8；其中三个开关器件S1、S2、S3串联在电压值分别为 UinDC1和UinDC3的直流电源输入端之间，三个开关器件 S4、S5、S6串联在电压值分别为UinDC3和UinDC5的直流电源输入端之间；且电压值为UinDC2的直流电源输入端通过一个开关器件S7与两个开关器件S1、S2的公共端相连，电压值为 UinDC4的直流电源输入端通过一个开关器件S8与两个开关器件S5、S6的公共端相连；
半桥电路或浮动电容桥电路的正直流输入端+Uzk对应与两个开关器件S2、S3的公共端相连，负直流输入端-Uzk对应与两个开关器件S4、S5的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
在一些实施例中，所用的开关器件为IGBT器件或GTO器件。
在一些实施例中，包括三相相互独立且结构相同的逆变驱动电路。
本发明另一方面提供了一种上述的多电平软开关逆变驱动系统的电压窗口切换方法：
当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端同时切换至下一个所需的相邻电压窗口；或者
当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端分两步切换到下一个所需的相邻的电压窗口；第一步，电压窗口切换电路先将软开关逆变驱动模块的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，并保持一段时间；第二步，再将软开关逆变驱动模块的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
在一些实施例中，该方法具体包括：
在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口；或者
在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压，且在每个电压窗口重叠部分中窗口向下切换阈值电压高于窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块实时比较交流输出端电压 UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压 UoutAC低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块实时比较交流输出端电压UoutAC 与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压UoutAC高于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
与现有技术相比，本发明提出的一种多电平软开关逆变驱动系统及其电压窗口切换方法，结合了电压窗口切换电路、软开关逆变驱动模块与控制模块，能实现将较低的电压施加在软开关电路上，同时由于电压窗口切换电路的切换频率与交流输出端频率相同，其产生的开关损耗可忽略，且如果通过同步开关的控制方式可在电压窗口切换电路中实现零电流开关(Zero Current Switching，ZCS)，此时则不产生明显的开关损耗，使得整个多电平软开关逆变驱动系统实现了极低的开关损耗，提高了能源利用效率。
附图说明
通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。
图1为本发明提供的多电平软开关逆变驱动系统的原理示意图；
图2至图6分别为第一种实施例至第五种实施例中的每相逆变驱动电路的示意图；
图7和图8为对应第一种实施例和第二种实施例的输出端电压与电压窗口切换的示意图；
图9为对应第三种实施例的输出端电压与电压窗口切换的示意图；
图10和图11为对应第四种实施例和第五种实施例的输出端电压与电压窗口切换的示意图；
附图标记说明：
1、电压窗口切换电路；2、软开关逆变驱动模块；3、控制模块。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。
参照图1，本发明提供了一种多电平软开关逆变驱动系统，包括多相相互独立且结构相同的逆变驱动电路；每相逆变驱动电路均包含 n个直流电源输入端、一个交流输出端、一个电压窗口切换电路1、一个软开关逆变驱动模块2、一个控制模块3、一个电感L及输出端电容，输出端电容可包括两个电容C1、C2，电压窗口切换电路1的输入端对应与的n个直流电源输入端相连，n≥4，且n为整数；电压窗口切换电路1的输出端对应与软开关逆变驱动模块2的输入端相连，软开关逆变驱动模块2的输出端通过电感L连接至交流输出端，两个电容C1、C2串联在n个直流电源输入端中最高电平直流电源输入端和最低电平直流电源输入端之间，且两个电容C1、C2还对应与交流输出端相连；控制模块3对应与电压窗口切换电路1、交流输出端及n个直流电源输入端相连。
控制模块3、用于实时测量比较与之相对应相逆变驱动电路中交流输出端电压与各直流电源输入端电压的大小，判断交流输出端电压所处的电压窗口，并结合所需交流输出端电压变化趋势输出控制信号给电压窗口切换电路1；电压窗口切换电路1、用于将各直流电源输入端的直流输入电平分配为多个上下重叠且连续的电压窗口；软开关逆变驱动模块2、用于将电压窗口切换电路1输出的直流电压转换为交流电输出。
进一步地，每相逆变驱动电路所包含的n个直流电源输入端的电压以最高电平直流电源输入端和最低电平直流电源输入端问的中间点电位为电位参考点，各直流输电源输入端的输入电压和每相交流输出端的输出电压为各端到此电位参考点的电压。
进一步地，电压窗口切换电路1为一个含有的输入端数量与n个直流电源输入端数量相匹配的电压窗口切换电路；软开关逆变驱动模块2为一个含有的输入端数量与电压窗口切换电路1含有的输出端数量相配的软开关逆变驱动电路；电压窗口切换电路1包含的每个输入端对应与一个直流电源输入端相连；软开关逆变驱动模块2包含的每个输入端对应与电压窗口切换电路1的一个输出端相连。
此外，在控制模块3的控制下，电压窗口切换电路1有以下两种电压窗口切换方法：
方法1，当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端同时切换至下一个所需的相邻电压窗口。具体地，在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块3实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的直流输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路将软开关逆变驱动模块的直流输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
方法2：当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端分两步切换到下一个所需的相邻的电压窗口；第一步，电压窗口切换电路1先将软开关逆变驱动模块2的直流输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，并保持一段时间；第二步，再将软开关逆变驱动模块的直流输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。具体地，在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压，且在每个电压窗口重叠部分中窗口向下切换阈值电压高于窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块3实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块的直流输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压 UoutAC低于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路1 将软开关逆变驱动模块2的直流输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块3实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压 UoutAC高于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路1 将软开关逆变驱动模块2的直流输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
进一步参照图2，在第一种实施例中，电压窗口切换电路1具有四个输入端，四个输入端分别连接具有不同电位值的四个直流电源，其电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3和 UinDC4；电压窗口切换电路1用于将直流电源输入的电平分配为两个电压窗口：其中第一电压窗口的电压范围为从UinDC1到 UinDC3，第二电压窗口的电压范围为从UinDC2到 UinDC4；控制模块3用于实时测量比较交流输出端的电压和各直流电源输入端的电压，根据比较结果，控制模块3控制电压窗口切换电路1切换输入到软开关逆变驱动模块2的输入端的电压窗口。
并且，电压窗口切换电路1包括四个开关器件S1、S2、S3和S4；开关器件S1、S2串联于直流电源UinDC1和UinDC2之间；软开关逆变驱动模块2的正直流输入端+Uzk与开关器件S1和 S2的公共端相连；开关器件S3、S4串联于直流电源UinDC3和 UinDC4之间；软开关逆变驱动模块2的负直流输入端-Uzk 与开关器件S3和S4的公共端相连；软开关逆变驱动模块2采用双电平输入的半桥电路。
参照图3，在第二种实施例中，与第一种实施例的区别仅在于，软开关逆变驱动模块2采用双电平输入的浮动电容桥电路。
对于第一种实施例和第二种实施例，其电压窗口切换电路1相同，因此二者的切换方法也是相同的，均可采用前述的两种切换方法。
第一种切换方法：如图7所示，此时第一电压窗口和第二电压窗口的重叠范围为UinDC2到UinDC3，当交流输出端电压 UoutAC处于该重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk和-Uzk同时切换到下一个所需的相邻电压窗口，且此时窗口向下切换阈值电压和窗口向上切换阈值电压均为0V。
具体切换过程如表1所示：
表1电压窗口切换过程中的交流输出端电压和软开关逆变驱动模块直流输入端的电压
Figure BDA0002549785740000101
Figure BDA0002549785740000111
切换过程中各开关器件的开关状态如表2所示(0为关断，1为导通)：
表2电压窗口切换过程中各开关器件的开关状态
Figure BDA0002549785740000112
第二种切换方法：如图8所示，当交流输出端电压UoutAC处于电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换明1将软开关逆变驱动模块 2的直流输入端+Uzk和-Uzk分两步切换到下一个所需的相邻的电压窗口；第一步，先将软开关逆变驱动模块2的直流输入端
+Uzk和-Uzk切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，并保持一段时间；第二步，再将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk和-Uzk切换至下一个所需的相邻的电压窗口。并且，窗口向下切换阈值电压大于0V，小于 UinDC2；窗口向上切换阈值电压小于0V，大于UinDC3。
具体切换过程如表3所示：
表3电压窗口切换过程中的交流输出端电压和软开关逆变驱动模块直流输入端的电压
Figure BDA0002549785740000113
Figure BDA0002549785740000121
切换过程中各开关器件的开关状态如表4所示：
表4电压窗口切换过程中各开关器件的开关状态
Figure BDA0002549785740000122
进一步地，如图4所示，在第三种实施例中，电压窗口切换电路 1还具有中间输出端，对应与软开关逆变驱动模块2的中间直流输入端Uzkm连接；此时，电压窗口切换电路1包括六个开关器件S1、 S2、S3、S4、S5和S6；开关器件S1、S2串联于直流电源UinDC1 和UinDC2之间；软开关逆变驱动模块2的正直流输入端 +Uzk与开关器件S1和S2的公共端相连；开关器件S3、S4串联于直流电源UinDC2和UinDC3之间；软开关逆变驱动模块 2的中间直流输入端Uzkm与开关器件S3和S4的公共端相连；开关器件S5、S6串联于直流电源UinDC3和UinDC4之间；软开关逆变驱动模块2的负直流输入端-Uzk与开关器件S5和 S6的公共端相连；软开关逆变驱动模块2采用三电平输入的T型逆变电路。本实施例中，增加了软开关逆变驱动模块2的中间直流输入端，能进一步优化软开关逆变驱动模块2的工作状态。
该实施例的电压窗口切换方法如图9所示，此时第一电压窗口和第二电压窗口的重叠范围为UinDC2到UinDC3，当交流输出端电压UoutAC处于该重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk、Uzkm和-Uzk 同时切换到下一个所需的相邻电压窗口，且此时窗口向下切换阈值电压和窗口向上切换阈值电压均为0V。具体切换过程如表5所示：
表5电压窗口切换过程中的交流输出端电压和软开关逆变驱动模块直流输入端的电压
Figure BDA0002549785740000131
切换过程中各开关器件的开关状态如表6所示：
表6电压窗口切换过程中各开关器件的开关状态
Figure BDA0002549785740000132
进一步地，如图5所不，在第四种实施例中，电压窗口切换电路 1具有五个输入端，五个输入端分别连接具有不同电位值的五个直流电源，其电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、 UinDC3、UinDC4和UinDC5；电压窗口切换电路1用于将直流电源输入的电平分配为三个电压窗口：其中第一电压窗口的电压范围为从UinDC1到UinDC3，第二电压窗口的电压范围为从UinDC2到UinDC4，第三电压窗口的电压范围为从 UinDC3到UinDC5；控制模块3用于实时测量比较交流输出端的电压和各直流电源输入端的电压，根据比较结果，控制模块3控制电压窗口切换电路1切换输入到软开关逆变驱动模块2的输入端的电压窗口。
此时，电压窗口切换电路1包括八个开关器件S1、S2、S3、S4、 S5、S6、S7和S8；开关器件S1、S2、S3串联于直流电源UinDC1 和UinDC3之间；软开关逆变驱动模块2的正直流输入端
+Uzk与开关器件S2和S3的公共端相连；直流电源UinDC2 通过开关器件S7与开关器件S1和S2的公共端相连；开关器件S4、 S5、S6串联于直流电源UinDC3和UinDC5之间；软开关逆变驱动模块2的负直流输入端-Uzk与开关器件S4和S5的公共端相连；直流电源UinDC4通过开关器件S8与开关器件S5和S6 的公共端相连；软开关逆变驱动模块2采用双电平输入的半桥电路。
参照图6，在第五种实施例中，与第四种实施例的区别仅在于，软开关逆变驱动模块2采用双电平输入的浮动电容桥电路。
对于第四种实施例和第五种实施例，其电压窗口切换电路1相同，因此二者的切换方法也是相同的，均可采用前述的两种切换方法。
第一种切换方法：如图10所示，此时第一电压窗口和第二电压窗口的重叠范围为UinDC2到UinDC3，第二电压窗口和第三电压窗口的重叠范围为UinDC3到UinDC4；第一电压窗口和第二电压窗口之间的窗口向下切换阈值电压与窗口向上切换阈值电压相同，均大于UinDC3，小于UinDC2；第二电压窗口和第三电压窗口之间的窗口向下切换阈值电压与窗口向上切换阈值电压相同，均大于UinDC4，小于UinDC3。当交流输出端电压 UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk和-Uzk 同时切换到下一个所需的相邻电压窗口。具体切换过程如表7所示：
表7电压窗口切换过程中的交流输出端电压和软开关逆变驱动模块直流输入端的电压
Figure BDA0002549785740000141
Figure BDA0002549785740000151
切换过程中各开关器件的开关状态如表8所示：
表8电压窗口切换过程中各开关器件的开关状态
Figure BDA0002549785740000152
第二种切换方法：如图11所示，当交流输出端电压UoutAC 处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路1将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk和-Uzk分两步切换到下一个所需的相邻的电压窗口；第一步，先将软开关逆变驱动模块2 的直流输入端+Uzk和-Uzk切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，并保持一段时间；第二步，再将软开关逆变驱动模块2的直流输入端+Uzk和-Uzk切换至下一个所需的相邻的电压窗口。并且，第一电压窗口和第二电压窗口之间的窗口向下切换阈值电压与窗口向上切换阈值电压均大于 UinDC3，小于UinDC2，且窗口向下切换阈值电压大于窗口向上切换阈值电压；第二电压窗口和第三电压窗口之间的窗口向下切换阈值电压与窗口向上切换阈值电压均大于UinDC4，小于UinDC3，且窗口向下切换阈值电压大于窗口向上切换阈值电压。
具体切换过程如表9所示：
表9电压窗口切换过程中的交流输出端电压和软开关逆变驱动模块直流输入端的电压
Figure BDA0002549785740000161
切换过程中各开关器件的开关状态如表10所示：
表10电压窗口切换过程中各开关器件的开关状态
Figure BDA0002549785740000162
Figure BDA0002549785740000171
优选地，如图2-6所示，各实施例中，所用的开关器件均为双极器件，例如IGBT器件或GTO器件，优选为IGBT器件。
优选地，该多电平软开关逆变驱动系统包括三相相互独立且结构相同的逆变驱动电路。
综上，本发明提出的一种多电平软开关逆变驱动系统，结合了电压窗口切换电路、软开关逆变驱动模块与控制模块，通过使用双极器件(如IGBT、GTO)组成电压窗口切换电路，将较低的电压施加在软开关电路上。同时由于电压窗口切换电路的切换频率与交流输出端频率相同，其产生的开关损耗可忽略，且如果通过同步开关的控制方式可在电压窗口切换电路中实现零电流开关(Zero Current Switching, ZCS)，此时则不产生明显的开关损耗，使得整个多电平软开关逆变驱动电路实现极低的开关损耗，提高能源利用效率。
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，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，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，包括多相相互独立且结构相同的逆变驱动电路；
每相所述逆变驱动电路均包含n个直流电源输入端、一个交流输出端、一个电压窗口切换电路(1)、一个软开关逆变驱动模块(2)、一个控制模块(3)、一个电感L及两个输出端电容，所述电压窗口切换电路(1)的输入端对应与所述的n个直流电源输入端相连，所述电压窗口切换电路(1)的输出端对应与所述软开关逆变驱动模块(2)的输入端相连，所述软开关逆变驱动模块(2)的输出端通过所述电感L连接至所述交流输出端，两个所述输出端电容中的一个的一端与最高电平的直流电源输入端连接，另一端与交流输出端连接，两个所述输出端电容中的另一个的一端与最低电平的直流电源输入端连接，另一端与交流输出端连接；所述控制模块(3)对应与所述电压窗口切换电路(1)、交流输出端及n个直流电源输入端相连；
控制模块(3)、用于实时测量比较与之相对应相逆变驱动电路中交流输出端电压与各直流电源输入端电压的大小，判断交流输出端电压所处的电压窗口，并结合所需交流输出端电压变化趋势输出控制信号给电压窗口切换电路(1)；
电压窗口切换电路(1)、用于将各直流电源输入端的直流输入电平分配为多个上下重叠且连续的电压窗口；
软开关逆变驱动模块(2)、用于将电压窗口切换电路(1)输出的直流电压转换为交流电输出；
其中，n≥4，且n为整数。
2.根据权利要求1所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，每相所述逆变驱动电路所包含的n个直流电源输入端的电压以最高电平直流电源输入端和最低电平直流电源输入端间的中间点电位为电位参考点，各直流电源输入端的输入电压和每相交流输出端的输出电压为各端到此电位参考点的电压。
3.根据权利要求2所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，所述电压窗口切换电路(1)为一个含有的输入端数量与所述n个直流电源输入端数量相匹配的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块(2)为一个含有的输入端数量与所述电压窗口切换电路(1)含有的输出端数量相配的软开关逆变驱动电路；
所述电压窗口切换电路(1)包含的每个输入端对应与一个所述直流电源输入端相连；
所述软开关逆变驱动模块(2)包含的每个输入端对应与所述电压窗口切换电路(1)的一个输出端相连。
4.根据权利要求3所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，所述电压窗口切换电路(1)为含有四个输入端和两个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块(2)为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk和一个输出端的半桥电路或浮动电容桥电路；
所述电压窗口切换电路(1)包含的四个输入端对应与四个不同电位值的直流电源输入端相连，且四个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3和UinDC4；
所述电压窗口切换电路(1)包含的两个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块(2)的两个输入端相连；
所述电压窗口切换电路(1)含有四个开关器件(S1、S2、S3和S4)；其中两个开关器件(S1、S2)串联于电压分别为UinDC1和UinDC2的两个直流电源输入端之间；另外两个开关器件(S3、S4)串联于电压分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间；
半桥电路或浮动电容桥电路的正直流输入端+Uzk对应与串联在电压分别为UinDC1和UinDC2的两个直流电源输入端之间的两个开关器件(S1、S2)的公共端相连，负直流输入端-Uzk对应与串联在电压分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间的另外两个开关器件(S3、S4)的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
5.根据权利要求3所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，所述电压窗口切换电路(1)为含有四个输入端和三个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块(2)为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk、一个中间直流输入端Uzkm和一个输出端的T型逆变电路；
所述电压窗口切换电路(1)包含的四个输入端对应与四个不同电位值的直流电源输入端相连，且四个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3和UinDC4；
所述电压窗口切换电路(1)包含的三个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块(2)的三个输入端相连；
所述电压窗口切换电路(1)含有六个开关器件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)；所述的六个开关器件(S1、S2、S3、S4、S5、S6)两两分别串联于电压值分别为UinDC1、UinDC2、UinDC3和UinDC4的四个直流电源输入端之间；
T型逆变电路的正直流输入端+Uzk对应与串联在电压值分别为UinDC1和UinDC2的两个直流电源输入端之间的两个开关器件(S1、S2)的公共端相连，中间直流输入端Uzkm对应与串联在电压值分别为UinDC2和UinDC3的两个直流电源输入端之间的两个开关器件(S3、S4)的公共端相连，负直流输入端-Uzk对应与串联在电压值分别为UinDC3和UinDC4的两个直流电源输入端之间的两个开关器件(S5、S6)的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
6.根据权利要求3所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，所述电压窗口切换电路(1)为含有五个输入端和两个输出端的电压窗口切换电路；
所述软开关逆变驱动模块(2)为含有一个正直流输入端+Uzk、一个负直流输入端-Uzk和一个输出端的半桥电路或浮动电容桥电路；
所述电压窗口切换电路(1)包含的五个输入端对应与五个不同电位值的直流电源输入端相连，且五个不同电位值的直流电源输入端电压由高到低依次为UinDC1、UinDC2、UinDC3、UinDC4和UinDC5；
所述电压窗口切换电路(1)包含的两个输出端对应与所述软开关逆变驱动模块(2)的两个输入端相连；
所述电压窗口切换电路(1)含有第一开关器件(S1)、第二开关器件(S2)、第三开关器件(S3)、第四开关器件(S4)、第五开关器件(S5)、第六开关器件(S6)、第七开关器件(S7)及第八开关器件(S8)；其中第一开关器件(S1)、第二开关器件(S2)及第三开关器件(S3)串联在电压值分别为UinDC1和UinDC3的直流电源输入端之间，第四开关器件(S4)、第五开关器件(S5)及第六开关器件(S6)串联在电压值分别为UinDC3和UinDC5的直流电源输入端之间；且电压值为UinDC2的直流电源输入端通过第七开关器件(S7)与第一开关器件(S1)和第二开关器件(S2)的公共端相连，电压值为UinDC4的直流电源输入端通过一个第八开关器件(S8)与第五开关器件(S5)和第六开关器件(S6)的公共端相连；
半桥电路或浮动电容桥电路的正直流输入端+Uzk对应与第二开关器件(S2)和第三开关器件(S3)的公共端相连，负直流输入端-Uzk对应与第四开关器件(S4)和第五开关器件(S5)的公共端相连，输出端对应与所述电感L相连。
7.根据权利要求4-6任一项所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，所用的开关器件为IGBT或GTO器件。
8.根据权利要求1所述的多电平软开关逆变驱动系统，其特征在于，包括三相相互独立且结构相同的逆变驱动电路。
9.一种如权利要求1所述的多电平软开关逆变驱动系统的电压窗口切换方法，其特征在于：
当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端同时切换至下一个所需的相邻电压窗口；或者
当交流输出端电压UoutAC处于两个相邻电压窗口的重叠部分时，电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端分两步切换到下一个所需的相邻的电压窗口；第一步，电压窗口切换电路(1)先将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，并保持一段时间；第二步，再将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，该方法具体包括：
在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块(3)实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块(3)实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端同时切换至下一个所需的相邻的电压窗口；或者
在每两个相邻电压窗口的重叠电压范围内设置一个窗口向下切换阈值电压和一个窗口向上切换阈值电压，且在每个电压窗口重叠部分中窗口向下切换阈值电压高于窗口向上切换阈值电压；当需要向电平较低的电压窗口切换时，控制模块(3)实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向下切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压UoutAC低于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口；当需要向电平较高的电压窗口切换时，控制模块(3)实时比较交流输出端电压UoutAC与窗口向上切换阈值电压，当交流输出端电压UoutAC高于窗口向上切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至当前电压窗口与下一个所需的相邻电压窗口的重叠部分，当交流输出端电压UoutAC高于窗口向下切换阈值电压时，触发电压窗口切换电路(1)将软开关逆变驱动模块(2)的输入端切换至下一个所需的相邻的电压窗口。
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