CN112564527B - 一种升压型九电平逆变器 - Google Patents

一种升压型九电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种升压型九电平逆变器，包括直流电源、稳压模块、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第四逆变模块、第五逆变模块、第六逆变模块、第七逆变模块、第八逆变模块、第九逆变模块、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4。本发明提供一种升压型九电平逆变器，只需要一个稳压模块、九个逆变模块和四个电容即可实现九种不同电平的交流电输出，电路结构简单，且成本比较低，解决了现有的九电平逆变电路需要的开关器件数量比较多，导致驱动电路比较复杂的问题。

Description

一种升压型九电平逆变器
技术领域
本发明涉及功率转换技术领域，更具体的，涉及一种升压型九电平逆变器。
背景技术
由于输出电压谐波含量低、开关损耗低、dv/dt应力小等众多优点，多电平逆变器已成功应用于诸多场合。传统的多电平逆变器有中点箝位型、飞跨电容型和级联H桥型。基于开关电容的多电平逆变器是现在比较流行的一种多电平逆变器，其具有电容电压自平衡、可实现逆变器升压、有效减少开关器件数量等优点。
但是现有的九电平逆变电路需要的开关器件数量比较多，其中有需要19个单独开关管的，导致驱动电路比较复杂。
现有技术中，如2020年4月17日公开的中国专利，一种升压型开关电容九电平逆变器，公开号为CN111030490A，以更轻小的拓扑、更少的主控开关管驱动、更低的电压应力，实现了交流侧更低的电压谐波和更优的电能质量，但需要的开关器件数量还比较多，驱动电路仍比较复杂。
发明内容
本发明为克服现有的九电平逆变电路需要的开关器件数量比较多，导致驱动电路比较复杂的技术缺陷，提供一种升压型九电平逆变器。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种升压型九电平逆变器，包括直流电源、稳压模块、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第四逆变模块、第五逆变模块、第六逆变模块、第七逆变模块、第八逆变模块、第九逆变模块、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述直流电源的正极分别与电容C1的一端、第一逆变模块的一端电连接，所述直流电源的负极分别与电容C2的一端、第四逆变模块的一端电连接，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端均接地，所述第一逆变模块的另一端分别与稳压模块的一端、第二逆变模块的一端、第五逆变模块的一端电连接，所述第四逆变模块的另一端分别与稳压模块的另一端、第三逆变模块的一端、第六逆变模块的一端电连接，所述第二逆变模块的另一端、第三逆变模块的另一端分别与第九逆变模块的一端电连接，所述第九逆变模块的另一端分别与电容C3的一端、电容C4的一端电连接，所述第五逆变模块的另一端分别与电容C3的另一端、第七逆变模块的一端电连接，所述第六逆变模块的另一端分别与电容C4的另一端、第八逆变模块的一端电连接，所述第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端电连接，且在第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端之间设有交流输出端。
优选的，所述稳压模块包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的负极与所述第一逆变模块的另一端电连接，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极均接地，所述二极管D2的正极与第四逆变模块的另一端电连接。
优选的，所述第一逆变模块为第一开关管；所述第二逆变模块为第二开关管；所述第三逆变模块为第三开关管；所述第四逆变模块为第四开关管；所述第五逆变模块为第五开关管；所述第六逆变模块为第六开关管；所述第七逆变模块为第七开关管；所述第八逆变模块为第八开关管；所述第九逆变模块为第九开关管。
优选的，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为单向开关管。
优选的，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为IGBT。
优选的，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为MOSFET。
优选的，所述第九开关管为双向开关管。
优选的，所述第九开关管由两个IGBT反向串联组成。
优选的，所述第九开关管由两个MOSFET反向串联组成。
优选的，所述IGBT或MOSFET反向并联有一个二极管。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
本发明提供了一种升压型九电平逆变器，只需要一个稳压模块、九个逆变模块和四个电容即可实现九种不同电平的交流电输出，电路结构简单，且成本比较低。
附图说明
图1为本发明的电路连接示意图；
图2为本发明中将直流电源的电压2E转换成0电平交流电输出的一种等效电路示意图；
图3为本发明将直流电源的电压2E转换成0电平交流电输出的另一种等效电路示意图；
图4为本发明将直流电源的电压2E转换成+E电平交流电输出的等效电路示意图；
图5为本发明将直流电源的电压2E转换成-E电平交流电输出的等效电路示意图；
图6为本发明将直流电源的电压2E转换成+2E电平交流电输出的等效电路示意图；
图7为本发明将直流电源的电压2E转换成-2E电平交流电输出的等效电路示意图；
图8为本发明将直流电源的电压2E转换成+3E电平交流电输出的等效电路示意图；
图9为本发明将直流电源的电压2E转换成-3E电平交流电输出的等效电路示意图；
图10为本发明将直流电源的电压2E转换成+4E电平交流电输出的等效电路示意图；
图11为本发明将直流电源的电压2E转换成-4E电平交流电输出的等效电路示意图；
图12为本发明的输出电压仿真结果示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1所示，一种升压型九电平逆变器，包括直流电源、稳压模块、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第四逆变模块、第五逆变模块、第六逆变模块、第七逆变模块、第八逆变模块、第九逆变模块、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述直流电源的正极分别与电容C1的一端、第一逆变模块的一端电连接，所述直流电源的负极分别与电容C2的一端、第四逆变模块的一端电连接，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端均接地，所述第一逆变模块的另一端分别与稳压模块的一端、第二逆变模块的一端、第五逆变模块的一端电连接，所述第四逆变模块的另一端分别与稳压模块的另一端、第三逆变模块的一端、第六逆变模块的一端电连接，所述第二逆变模块的另一端、第三逆变模块的另一端分别与第九逆变模块的一端电连接，所述第九逆变模块的另一端分别与电容C3的一端、电容C4的一端电连接，所述第五逆变模块的另一端分别与电容C3的另一端、第七逆变模块的一端电连接，所述第六逆变模块的另一端分别与电容C4的另一端、第八逆变模块的一端电连接，所述第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端电连接，且在第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端之间设有交流输出端uo。
更具体的，所述稳压模块包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的负极与所述第一逆变模块的另一端电连接，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极均接地，所述二极管D2的正极与第四逆变模块的另一端电连接。
实施例2
更具体的，所述第一逆变模块为第一开关管S1；所述第二逆变模块为第二开关管S2；所述第三逆变模块为第三开关管S3；所述第四逆变模块为第四开关管S4；所述第五逆变模块为第五开关管S5；所述第六逆变模块为第六开关管S6；所述第七逆变模块为第七开关管S7；所述第八逆变模块为第八开关管S8；所述第九逆变模块为第九开关管S9。
在具体实施过程中，利用九个开关器件实现九种不同电平的交流电输出，电路结构简单，且成本比较低。
更具体的，所述第一开关管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和第八开关管S8均为单向开关管。
实施例3
更具体的，所述第一开关管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和第八开关管S8均为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)。
实施例4
更具体的，所述第一开关管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和第八开关管S8均为MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化层半导体场效晶体管)。
更具体的，所述第九开关管S9为双向开关管。
更具体的，所述第九开关管S9由两个IGBT反向串联组成。
更具体的，所述第九开关管S9由两个MOSFET反向串联组成。
更具体的，所述IGBT或MOSFET反向并联有一个二极管。
在具体实施过程中，假设直流电源的电压为2E，电容C1和电容C2将直流电源2E分成两个相等的部分。当S1、S3、S4、S5和S9同时导通且S2关断时，电容C3与直流电源直接并联，电容C3处于充电状态，使得C3的电压稳定在输入电压2E左右；当S1、S2、S4、S6和S9同时导通且S3关断时，电容C4与直流电源直接并联，电容C4处于充电状态，使得C4的电压稳定在输入电压2E左右。通过控制S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8和S9的有序通断，可将直流电源的电压2E转换成九种不同电平的交流电输出uo，即0、±E、±2E、±3E和±4E。具体如下：
如图2-3所示，当开关管S2、S3、S5和S7同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成0电平的交流电输出；
当开关管S2、S3、S6和S8同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成0电平的交流电输出；
如图4所示，当开关管S1、S3、S4、S5、S7和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成+E电平的交流电输出；
如图5所示，当开关管S1、S2、S4、S6、S8和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成-E电平的交流电输出；
如图6所示，当开关管S2、S3、S7和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成+2E电平的交流电输出；
如图7所示，当开关管S2、S3、S8和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成-2E电平的交流电输出；
如图8所示，当开关管S1、S2、S4、S6、S7和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成+3E电平的交流电输出；
如图9所示，当开关管S1、S3、S4、S5、S8和S9同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成-3E电平的交流电输出；
如图10所示，当开关管S2、S3、S6和S7同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成+4E电平的交流电输出；
如图11所示，当开关管S2、S3、S5和S8同时导通而其余开关管关断时，可将直流电源的电压2E转换成-4E电平的交流电输出；
详细的开关逻辑如表1所示，其中1和0分别对应开关管的导通和关断，C、D和N分别对应电容器的充电、放电和闲置状态。
表1是九电平逆变器的开关逻辑和输出电平。
表1
在PSIM仿真平台搭建所述的九电平逆变器的仿真模型，直流电源的电压2E＝100V，电容C1、电容C2、电容C3和电容C4的电容值均为2mF，负载电阻为100Ω。调制策略采用载波正负反相层叠调制，三角载波的频率为5kHz，调制波频率50Hz，调制比设为0.9。仿真模型的输出电压如图12所示，可见所述的九电平逆变器能输出具有九种不同电平的交流电，且输出电压最大值为输入直流电压的2倍，验证了所述的九电平逆变器的升压能力。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种升压型九电平逆变器，其特征在于，包括直流电源、稳压模块、第一逆变模块、第二逆变模块、第三逆变模块、第四逆变模块、第五逆变模块、第六逆变模块、第七逆变模块、第八逆变模块、第九逆变模块、电容C1、电容C2、电容C3和电容C4；
所述直流电源的正极分别与电容C1的一端、第一逆变模块的一端电连接，所述直流电源的负极分别与电容C2的一端、第四逆变模块的一端电连接，所述电容C1的另一端、电容C2的另一端均接地，所述第一逆变模块的另一端分别与稳压模块的一端、第二逆变模块的一端、第五逆变模块的一端电连接，所述第四逆变模块的另一端分别与稳压模块的另一端、第三逆变模块的一端、第六逆变模块的一端电连接，所述第二逆变模块的另一端、第三逆变模块的另一端分别与第九逆变模块的一端电连接，所述第九逆变模块的另一端分别与电容C3的一端、电容C4的一端电连接，所述第五逆变模块的另一端分别与电容C3的另一端、第七逆变模块的一端电连接，所述第六逆变模块的另一端分别与电容C4的另一端、第八逆变模块的一端电连接，所述第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端电连接，且在第七逆变模块的另一端与第八逆变模块的另一端之间设有交流输出端。
2.根据权利要求1所述的一种升压型九电平逆变器，其特征在于，所述稳压模块包括二极管D1和二极管D2，所述二极管D1的负极与所述第一逆变模块的另一端电连接，所述二极管D1的正极与所述二极管D2的负极均接地，所述二极管D2的正极与第四逆变模块的另一端电连接。
3.根据权利要求1所述的一种升压型九电平逆变器，其特征在于，所述第一逆变模块为第一开关管；所述第二逆变模块为第二开关管；所述第三逆变模块为第三开关管；所述第四逆变模块为第四开关管；所述第五逆变模块为第五开关管；所述第六逆变模块为第六开关管；所述第七逆变模块为第七开关管；所述第八逆变模块为第八开关管；所述第九逆变模块为第九开关管。
4.根据权利要求3所述的一种升压型九电平逆变器，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为单向开关管。
5.根据权利要求4所述的一种升压型九电平逆变器，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为IGBT，所述IGBT反向并联有一个二极管。
6.根据权利要求4所述的一种升压型九电平逆变器，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为MOSFET，所述MOSFET反向并联有一个二极管。
7.根据权利要求3所述的一种升压型九电平逆变器，其特征在于，所述第九开关管为双向开关管。
8.根据权利要求7所述的一种升压型九电平逆变器，其特征在于，所述第九开关管由两个IGBT反向串联组成，所述IGBT反向并联有一个二极管。
9.根据权利要求7所述的一种升压型九电平逆变器，其特征在于，所述第九开关管由两个MOSFET反向串联组成，所述MOSFET反向并联有一个二极管。
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