CN112886841A - 五电平逆变器及五电平逆变系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种五电平逆变器及五电平逆变系统。该五电平逆变器包括：第一电容、第二电容、第三电容和第四电容；第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组、第五开关组和第六开关组；第五电容，第五电容的一端与第五开关组的一端电连接，第五电容的另一端与第五开关组的另一端电连接；第一二极管，第一二极管的一端与第四开关组的一端电连接；第二二极管，第二二极管的一端与第一二极管的另一端电连接，第二二极管的另一端与第四开关组的另一端电连接。本发明通过分别控制第一开关组至第六开关组的导通或关断状态，实现了五电平逆变器输出端输出五种状态的电平。

Description

五电平逆变器及五电平逆变系统

技术领域

本发明涉及大功率传动领域，尤其涉及一种五电平逆变器及五电平逆变系统。

背景技术

目前，在大功率传动领域，常采用多电平拓扑结构，以满足电机等负载的不同需求。

在相关技术中，悬浮电容的数量是电路的评价指标，电路中悬浮电容的数量越多，电路的不可靠性越强。并且，为了达到电路均压均流的目的，电路中应避免开关管串联。然而，避免开关管串联对电路的工艺要求较高，对电路的生产成本造成影响。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种五电平逆变器，能够输出五种电平状态，并减少了悬浮电容的使用，从而降低了电路的生产成本。

本发明还提出一种具有上述五电平逆变器的五电平逆变系统。

根据本发明的第一方面实施例的五电平逆变器，包括：第一电容；第二电容，所述第二电容的一端与所述第一电容的一端电连接；第三电容，所述第三电容的一端与所述第二电容的另一端电连接；第四电容，所述第四电容的一端与所述第三电容的另一端电连接；第一开关组，与所述第一电容电连接；第二开关组，与所述第二电容的另一端电连接；第三开关组，与所述第三电容电连接；第四开关组，所述第四开关组的一端与所述第一开关组电连接，所述第四开关组的另一端与所述第三开关组电连接；第五开关组，所述第五开关组的一端与所述第四开关组的一端电连接，所述第五开关组的另一端与所述第四开关组的另一端电连接；第六开关组，所述第六开关组的一端与所述第五开关组的一端电连接，所述第六开关组的另一端与所述第五开关组的另一端电连接；第五电容，所述第五电容的一端与所述第五开关组的一端电连接，所述第五电容的另一端与所述第五开关组的另一端电连接；第一二极管，所述第一二极管的一端与所述第四开关组的一端电连接；第二二极管，所述第二二极管的一端与所述第一二极管的另一端电连接，所述第二二极管的另一端与所述第四开关组的另一端电连接。

根据本发明实施例的五电平逆变器，至少具有如下有益效果：通过使用一个悬浮电容(第五电容)，减少了电路悬浮电容的数量，从而提高了电路的可靠性，并降低了电路成本。通过分别控制第一开关组、第二开关组、第三开关组、第四开关组、第五开关组和第六开关组的导通或关断，使得五电平逆变器的输出端可以输出0、E、2E、3E和4E等五种输出电平状态，以满足与五电平逆变器所连接的负载的不同需求，并避免了各开关组的串联。

根据本发明的一些实施例，所述第一开关组包括：第一开关管，所述第一开关管的集电极与所述第一电容的一端电连接，所述第一开关管的发射极与所述第四开关组电连接；第二开关管，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接，所述第二开关管的发射极与所述第一电容的另一端电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第二开关组包括：第三开关管，所述第三开关管的集电极与所述第二电容的另一端电连接；第四开关管，所述第四开关管的发射极与所述第三开关管的发射极电连接，所述第四开关管的集电极与所述第二二极管的一端电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第三开关组包括：第五开关管，所述第五开关管的集电极与所述第三电容的另一端电连接，所述第五开关管的发射极与所述第四开关组电连接；第六开关管，所述第六开关管的发射极与所述第四电容的另一端电连接，所述第六开关管的另一端与所述第五开关管的发射极电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第四开关组包括：第七开关管，所述第七开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接，所述第七开关管的发射极与所述第五开关组电连接；第八开关管，所述第八开关管的发射极与所述第六开关管的集电极电连接，所述第八开关管的集电极与所述第五开关组电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第五开关组包括：第九开关管，所述第九开关管的集电极与所述第七开关管的发射极电连接，所述第九开关管的发射极分别与所述第六开关组、所述第五电容电连接；第十开关管，所述第十开关管的发射极与所述第八开关管的集电极电连接，所述第十开关管的集电极分别与所述第六开关组、所述第五电容电连接。

根据本发明的一些实施例，所述第六开关组包括：第十一开关管，所述第十一开关管的集电极分别与所述第九开关管的发射极、所述第五电容电连接；第十二开关管，所述第十二开关管的发射极分别与所述第十开关管的集电极、所述第五电容电连接，所述第十二开关管的集电极与所述第十一开关管的发射极电连接。

根据本发明的第二方面实施例的五电平逆变系统，包括：电机；如上述任一实施例所述的五电平逆变器，与所述电机连接，用于输出驱动信号，以驱动所述电机的运动；调制模块，与所述五电平逆变器连接，用于对所述五电平逆变器的输入信号进行调制；控制模块，与所述调制模块连接，用于对所述五电平逆变器进行反馈控制。

根据本发明的一些实施例，所述控制模块包括：第一控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收速度信号，并根据所述速度信号对所述电机进行矢量控制；第二控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收第一电压参考值，并根据所述第一电压参考值对所述电机进行比例积分控制；第三控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收第二电压参考值，并根据所述电压参考值对所述电机进行比例积分控制。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明，其中：

图1为本发明实施例五电平逆变器的一电路结构示意图；

图2为本发明实施例五电平逆变系统的一电路结构示意图；

图3为本发明实施例直流侧电源模块输入信号的曲线图。

附图标记：

五电平逆变器100、第一开关组110、第二开关组120、第三开关组130、第四开关组140、第五开关组150、第六开关组160、调制模块200、第一控制单元310、第二控制单元320、第三控制单元330、电机400。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

本发明的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

参照图1，本申请实施提供了一种五电平逆变器。该五电平逆变器包括：第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4、第一开关组110、第二开关组120、第三开关组130、第四开关组140、第五开关组150、第六开关组160、第五电容C5、第一二极管D1和第二二极管D2。第二电容C2的一端与第一电容C1的一端电连接；第三电容C3的一端与第二电容C2的另一端电连接，第四电容C4的一端与第三电容C3的另一端电连接；第一开关组110与第一电容C1电连接；第二开关组120与第二电容C2的另一端电连接；第三开关组130与第三电容C3电连接；第四开关组140的一端与第一开关组110电连接，第四开关组140的另一端与第三开关组130电连接；第五开关组150的一端与第四开关组140的一端电连接，第五开关组150的另一端与第四开关组140的另一端电连接；第六开关组160的一端与第五开关组150的一端电连接，第六开关组160的另一端与第五开关组150的另一端电连接；第五电容C5的一端与第五开关组150的一端电连接，第五电容C5的另一端与第五开关组150的另一端电连接；第一二极管D1管的一端与第四开关组140的一端电连接；第二二极管D2的一端与第一二极管D1的另一端电连接，第二二极管D2的另一端与第四开关组140的另一端电连接。具体地，第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3和第四电容C4依次串联连接，第一电容C1的正极和第四电容C4的负极通过功率放大器分别与直流电源模块的正极和负极连接，该直流电源用于为五电平逆变器提供供电电源E。通过分别控制第一开关组110、第二开关组120、第三开关组130、第四开关组140、第五开关组150和第六开关组160的导通或关断，使得五电平逆变器的输出端可以输出0、E、2E、3E和4E等五种输出电平状态。

本申请实施例提供的五电平逆变器通过使用一个悬浮电容(第五电容C5)，减少了电路悬浮电容的数量，从而提高了电路的可靠性，并降低了电路成本。通过分别控制第一开关组110、第二开关组120、第三开关组130、第四开关组140、第五开关组150和第六开关组160的导通或关断，使得五电平逆变器的输出端可以输出0、E、2E、3E和4E等五种输出电平状态，以满足与五电平逆变器所连接的负载的不同需求，并避免了各开关组的串联。

在一些实施例中，第一开关组110包括：第一开关管Sx1和第二开关管Sx2。第一开关管Sx1的集电极与第一电容C1的一端电连接，第一开关管Sx1的发射极与第四开关组140电连接；第二开关管Sx2的集电极与第一开关管Sx1的发射极电连接，第二开关管Sx2的发射极与第一电容C1的另一端电连接。具体地，第一开关管Sx1和第二开关管Sx2为IGBT管，第一开关管Sx1和第二开关管Sx2互逆。

在一些实施例中，第二开关组120包括：第三开关管Sx3和第四开关管Sx4。第三开关管Sx3的集电极与第二电容C2的另一端电连接，第四开关管Sx4的发射极与第三开关管Sx3的发射极电连接，第四开关管Sx4的集电极与第二二极管D2的一端电连接。具体地，第三开关管Sx3和第四开关管Sx4为IGBT管，第三开关管Sx3和第四开关管Sx4互逆。

在一些实施例中，第三开关组130包括：第五开关管Sx5和第六开关管Sx6。第五开关管Sx5的集电极与第三电容C3的另一端电连接，第五开关管Sx5的发射极与第四开关组140电连接。第六开关管Sx6的发射极与第四电容C4的另一端电连接，第六开关管Sx6的另一端与第五开关管Sx5的发射极电连接。具体地，第五开关管Sx5和第六开关管Sx6为IGBT管，第五开关管Sx5和第六开关管Sx6互逆。

在一些实施例中，第四开关组140包括：第七开关管Sx7和第八开关管Sx8。第七开关管Sx7的集电极与第一开关管Sx1的发射极电连接，第七开关管Sx7的发射极与第五开关组150电连接。第八开关管Sx8的发射极与第六开关管Sx6的集电极电连接，第八开关管Sx8的集电极与第五开关组150电连接。具体地，第七开关管Sx7和第八开关管Sx8为IGBT管，第七开关管Sx7和第八开关管Sx8互逆。

在一些实施例中，第五开关组150包括：第九开关管Sx9和第十开关管Sx10。第九开关管Sx9的集电极与第七开关管Sx7的发射极电连接，第九开关管Sx9的发射极分别与第六开关组160和第五电容C5电连接。第十开关管Sx10的发射极与第八开关管Sx8的集电极电连接，第十开关管Sx10的集电极分别与第六开关组160、第五电容C5电连接。具体地，第九开关管Sx9和第十开关管Sx10为IGBT管，第九开关管Sx9和第十开关管Sx10互逆。

在一些实施例中，第六开关管Sx6包括：第十一开关管Sx11和第十二开关管Sx12。第十一开关管Sx11的集电极分别与第九开关管Sx9的发射极、第五电容C5电连接。第十二开关管Sx12的发射极分别与第十开关管Sx10的集电极、第五电容C5电连接，第十二开关管Sx12的集电极与第十一开关管Sx11的发射极电连接。具体地，第十一开关管Sx11和第十二开关管Sx12为IGBT管，第十一开关管Sx11和第十二开关管Sx12互逆。

在一个具体的实施例中，参照表1，通过瞬时改变第一开关管Sx1至第十二开关管Sx12的导通或关断状态来调整五电平逆变器的输出电平。

表1：

表1的第一行表示各开关管的标号，第一列表示五电平逆变器输出电平的状态。具体的，第一开关管Sx1与第二开关管Sx2的导通状态互逆，第二开关管Sx2与第三开关管Sx3的导通状态互逆，第四开关管Sx4与第五开关管Sx5的导通状态互逆，第六开关管Sx6与第七开关的导通状态互逆，第八开关管Sx8与第七开关管Sx7的导通状态互逆，第九开关管Sx9与第十开关管Sx10的导通状态互逆，第十一开关管Sx11与第十二开关管Sx12的导通状态互逆，即当控制第一开关管Sx1导通时，第二开关管Sx2被控制为关断状态，依次类推。由表1可知，当第一开关管Sx1、第二开关管Sx2、第三开关管Sx3和第四开关管Sx4导通，且第六开关管Sx6关断时，五电平逆变器的输出电平为4E。当第二开关管Sx2、第三开关管Sx3和第四开关管Sx4导通，且第五开关管Sx5和第六开关管Sx6关断时，五电平逆变器的输出电平为3E。其余输出电平的状态，由上述规律类推可得。可以理解的是，当不考虑悬浮电容(第五电容C5)时，每一种输出电平的状态都从直流侧电源获得。当考虑悬浮电容时，每一个电平态的通路数可增加一位。

参照图2和图3，本申请实施例提供了一种五电平逆变系统。该五电平逆变系统包括：如上述任一实施所描述的五电平逆变器100、电机400、调制模块200和控制模块。五电平逆变器100与电机400连接，用于输出驱动信号，以驱动电机400的运动。调制模块200与五电平逆变器100连接，用于对五电平逆变器100的输入信号进行调制。控制模块与调制模块200连接，用于对五电平逆变器100进行反馈控制。具体地，五电平逆变器100的直流侧电源模块为五电平逆变器100提供正弦输入信号(如图3中虚线正弦信号所示)，控制模块用于对调制模块200的调制进行闭环反馈控制，调制模块200通过PD(Phase Disposition，同相叠层)PWM信号在该正弦信号中增加具有相同频率和幅值的三角载波，根据正弦波与三角载波的比较结果得到相应开关管的导通或关断触发信号，以控制五电平逆变器100输出端输出五种状态的电平，并减少输出电平中的谐波分量。第三开关管和第十一开关管增加了电流的流通路径，第三开关管的导通或关断状态由其他开关管和电源模块提供的电流的极性信号组合而成。当电源模块提供的电流为输出状态时，即电流极性在参考方向内，且电流瞬时值大于0时，若第七开关管关断，则第三开关管导通。当电源模块提供的电流为输入状态时，若第八开关管关断，则第四开关管也关断。

在一些实例中，控制模块包括：第一控制单元310、第二控制单元320和第三控制单元330。第一控制单元310与调制模块200电连接，用于接收速度信号，并根据速度信号对电机400进行矢量控制。第二控制单元320与调制模块200电连接，用于接收第一电压参考值，并根据第一电压参考值对电机400进行比列积分控制。第三控制单元330与调制模块200电连接，用于接收第二电压参考值，并根据电压参考值对电机400进行比例积分控制。具体地，第二控制单元320用于接收悬浮电容(第五电容)的电容参考值，第三控制单元330用于接收直流侧电源模块中点(Cd2)的电压参考值。控制单元通过将控制量(速度信号、电容参考值和电压参考值)加入至每一相指令电压中，以对电机400的A、B、C三相进行控制，其中，三相为共模分量。

本申请实施例提供的五电平逆变器及五电平逆变系统通过五电平逆变器具体的连接结构，使得五电平逆变器能够输出五种状态的电平，并减少了悬浮电容的使用，增加了电路的可靠性。通过控制模块和调制模块对电源模块的直流侧电源模块进行控制和调制，从而减少了五电平逆变器输出信号中的谐波分量。

上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims (9)

1.五电平逆变器，其特征在于，包括：

第一电容；

第二电容，所述第二电容的一端与所述第一电容的一端电连接；

第三电容，所述第三电容的一端与所述第二电容的另一端电连接；

第四电容，所述第四电容的一端与所述第三电容的另一端电连接；

第一开关组，与所述第一电容电连接；

第二开关组，与所述第二电容的另一端电连接；

第三开关组，与所述第三电容电连接；

第四开关组，所述第四开关组的一端与所述第一开关组电连接，所述第四开关组的另一端与所述第三开关组电连接；

第五开关组，所述第五开关组的一端与所述第四开关组的一端电连接，所述第五开关组的另一端与所述第四开关组的另一端电连接；

第六开关组，所述第六开关组的一端与所述第五开关组的一端电连接，所述第六开关组的另一端与所述第五开关组的另一端电连接；

第五电容，所述第五电容的一端与所述第五开关组的一端电连接，所述第五电容的另一端与所述第五开关组的另一端电连接；

第一二极管，所述第一二极管的一端与所述第四开关组的一端电连接；

第二二极管，所述第二二极管的一端与所述第一二极管的另一端电连接，所述第二二极管的另一端与所述第四开关组的另一端电连接。

2.根据权利要求1所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第一开关组包括：

第一开关管，所述第一开关管的集电极与所述第一电容的一端电连接，所述第一开关管的发射极与所述第四开关组电连接；

第二开关管，所述第二开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接，所述第二开关管的发射极与所述第一电容的另一端电连接。

3.根据权利要求2所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第二开关组包括：

第三开关管，所述第三开关管的集电极与所述第二电容的另一端电连接；

第四开关管，所述第四开关管的发射极与所述第三开关管的发射极电连接，所述第四开关管的集电极与所述第二二极管的一端电连接。

4.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第三开关组包括：

第五开关管，所述第五开关管的集电极与所述第三电容的另一端电连接，所述第五开关管的发射极与所述第四开关组电连接；

第六开关管，所述第六开关管的发射极与所述第四电容的另一端电连接，所述第六开关管的另一端与所述第五开关管的发射极电连接。

5.根据权利要求4所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第四开关组包括：

第七开关管，所述第七开关管的集电极与所述第一开关管的发射极电连接，所述第七开关管的发射极与所述第五开关组电连接；

第八开关管，所述第八开关管的发射极与所述第六开关管的集电极电连接，所述第八开关管的集电极与所述第五开关组电连接。

6.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第五开关组包括：

第九开关管，所述第九开关管的集电极与所述第七开关管的发射极电连接，所述第九开关管的发射极分别与所述第六开关组、所述第五电容电连接；

第十开关管，所述第十开关管的发射极与所述第八开关管的集电极电连接，所述第十开关管的集电极分别与所述第六开关组、所述第五电容电连接。

7.根据权利要求6所述的五电平逆变器，其特征在于，所述第六开关组包括：

第十一开关管，所述第十一开关管的集电极分别与所述第九开关管的发射极、所述第五电容电连接；

第十二开关管，所述第十二开关管的发射极分别与所述第十开关管的集电极、所述第五电容电连接，所述第十二开关管的集电极与所述第十一开关管的发射极电连接。

8.五电平逆变系统，其特征在于，包括：

电机；

如权利要求1至7任一项所述的五电平逆变器，与所述电机连接，用于输出驱动信号，以驱动所述电机的运动；

调制模块，与所述五电平逆变器连接，用于对所述五电平逆变器的输入信号进行调制；

控制模块，与所述调制模块连接，用于对所述五电平逆变器进行反馈控制。

9.根据权利要求8所述的五电平逆变系统，其特征在于，所述控制模块包括：

第一控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收速度信号，并根据所述速度信号对所述电机进行矢量控制；

第二控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收第一电压参考值，并根据所述第一电压参考值对所述电机进行比例积分控制；

第三控制单元，与所述调制模块电连接，用于接收第二电压参考值，并根据所述电压参考值对所述电机进行比例积分控制。

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