CN113395001A - 一种混合多电平逆变器和电机驱动器 - Google Patents

一种混合多电平逆变器和电机驱动器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种混合多电平逆变器和电机驱动器，包括混合逆变电路和控制器；混合逆变电路包括阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路；控制器分别与阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路连接，控制器内部嵌入有多电平调制算法，多电平调制算法用于使混合逆变电路的输出端产生期望的多电平交流电压和在混合逆变电路运行过程中均匀插入直通状态，调节阻抗源电路的输出电压；阻抗源电路嵌入在输入直流电压源与开关电容多电平逆变电路之间，阻抗源电路为前级电路，开关电容多电平逆变电路为后级电路。同时解决了开关电容多电平逆变器的开关电容充电浪涌电流问题，以及阻抗源逆变器输出电平数和升压能力难以进一步提升的技术问题。

Description

一种混合多电平逆变器和电机驱动器
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，尤其涉及一种混合多电平逆变器和电机驱动器。
背景技术
光伏发电和电动汽车分别作为能源供给端和消费端的典型代表，是实现“碳达峰”和“碳中和”道路上的关键角色。虽然光伏发电和电动汽车分别是新能源供给端和消费端，但两者却存在着诸多共同特征和共性问题，比如，作为光伏发电系统电源的光伏板是由诸多低压光伏电池单体串联而成，光伏输出电压与串联单体数量成正比，而作为电动汽车电源的动力电池组是由诸多低压蓄电池单体串联而成，动力电池组输出电压也与串联单体数量成正比。由于动力电池组和光伏输出的是直流电，所以都需要通过电子逆变器才能向电动机、电网或其它用电设备提供交流电。为了满足电网或用电设备的电压等级要求，现有分布式光伏发电系统普遍采用前级升压加后级逆变的两级式结构，而电动汽车通常通过串联大量电池单体来获得高压直流，再逆变成交流电驱动电机。一方面，两级式升压逆变系统结构复杂，而大量电池单体串联会加重单体电压均衡和电池管理系统的负担，另一方面，无论是两级升压逆变器还是串联大量单体，都使逆变器中开关管承受高压应力和高电压增益，产生高开关损耗和电磁干扰，且输出电压谐波含量高。
相比于两级式升压逆变器，单级式系统集升压与逆变于一体，具有结构简单和功率传输路径短的优点，理论上可具有更高的效率和集成度。现有的单级升压逆变器包括阻抗源逆变器和开关电容多电平逆变器，阻抗源逆变器具有输出逆变桥的上下桥臂可以直通，无需设置死区、通过调节上下桥臂的直通占空比可以调节系统的电压增益，以及输出电流连续的优点，但是，输出电平数还停留在两电平和三电平输出，无法进一步增加输出电平数，且电压增益有限；而开关电容多电平逆变器是利用开关切换，使得储能电容器交替工作在充放电状态，并通过改变输出回路中串联的储能电容器数量来达到改变输出电平数的目的，具有具备自主升压能力，适合低压直流源的应用、结构简单灵活，电容电压无需外电路就能实现自动平衡，以及不含磁性元件，功率密度高的优点，但是开关电容多电平逆变器在电容器与输出电压源并联充电的瞬间会出现很大的充电浪涌电流，会产生很大的电磁干扰或损坏器件。因此，提供一种单级升压逆变器，既能够避免开关电容多电平逆变器的开关电容充电浪涌电流问题，又能够解决阻抗源逆变器输出电平数和升压能力难以进一步提升的问题，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种混合多电平逆变器和电机驱动器，用于同时解决开关电容多电平逆变器的开关电容充电浪涌电流问题，以及阻抗源逆变器输出电平数和升压能力难以进一步提升的技术问题。
有鉴于此，本发明第一方面提供了一种混合多电平逆变器，包括混合逆变电路和控制器；
混合逆变电路包括阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路；
控制器分别与阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路连接，控制器内部嵌入有多电平调制算法，多电平调制算法用于使混合逆变电路的输出端产生期望的多电平交流电压和在混合逆变电路运行过程中均匀插入直通状态，调节阻抗源电路的输出电压；
阻抗源电路嵌入在输入直流电压源与开关电容多电平逆变电路之间，阻抗源电路为前级电路，开关电容多电平逆变电路为后级电路。
可选地，开关电容多电平逆变电路由全控型半导体开关、二极管和储能电容器组成，且输入侧含有至少一个由全控半导体开关构成的能让输入侧直接短路的开关电路。
可选地，阻抗源电路为含不可控开关的无源阻抗电路。
可选地，阻抗源电路为含有可控开关的有源阻抗电路。
可选地，开关电容多电平逆变电路为单相开关电容多电平逆变电路。
可选地，开关电容多电平逆变电路为三相开关电容多电平逆变电路。
可选地，多电平调制算法为多载波SPWM调制算法。
可选地，阻抗源电路包括第一电感、第二电感、第二电容、第一电容和第一二极管；
第一电感一端连接输入直流电压源的正端，第一电感、第一二极管和第二电感依次串联，第二电容一端连接第一二极管的阳极，另一端连接第二电感的输出端，第一电容一端连接第一二极管的阴极，另一端连接输入直流电压源的负端。
可选地，开关电容多电平逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第三电容、第四电容、第二二极管和第三二极管；
第一开关管一端连接第二二极管的阳极和阻抗源电路中第二电感的输出端，另一端同时与第二开关管的一端、第三电容器的一端和第四电容器的一端相连，第二开关管的另一端连接第三二极管的阴极和输入直流电压源负端，第二二极管的阴极连接第三电容的另一端和第三开关管的一端，第三开关管的另一端与第四开关管的一端相连并作为所述混合逆变器的输出端，第四开关管的另一端与第三二极管的阳极和第四电容的另一端相连。
本发明第二方面提供了一种电机驱动器，包括第一方面任一种所述的混合多电平逆变器。
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
本发明提供了一种混合多电平逆变器，在输入直流电压源与开关电容电路之间嵌入一个阻抗源电路，即构造一个前级阻抗源+后级开关电容多电平逆变电路，开关电容多电平电路含有能使输入侧短路的开关电路让阻抗源电路复用来为电感充电，而阻抗源电路在输出侧非直通模式下能输出恒定电压和能控的电流，通过多电平调制算法使混合多电平逆变器的输出端产生期望的多电平交流电压，在运行过程中均匀插入直通状态，有效调节阻抗源电路的输出电压，当开关电容多电平电路处于直通模式时，前级阻抗源电路中的电容器为电感充电，电容器与输入直流电压源串联后一起为电感充电，开关电容多电平电路输入侧断路，根据开关电容多电平电路中有且仅有一个开关管导通的原则和开关管互补导通原则，逆变器输出的相电压和线电压均有多种电平，有效提升了阻抗源逆变器的输出电平数和升压能力，当开关电容多电平电路中的半桥处于非直通模式时，开关电容多电平电路中的电容器被前级阻抗源电路的输出电压充电，且充电电流被阻抗源电路中电感有效限制，从而解决了开关电容多电平电路在电容充电瞬间会产生很大浪涌电流的问题，因此，本发明提供的混合多电平逆变器同时解决了开关电容多电平逆变器的开关电容充电浪涌电流问题，以及阻抗源逆变器输出电平数和升压能力难以进一步提升的技术问题。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例中提供的一种混合多电平逆变器的电路结构图；
图2为本发明实施例中提供的第一种阻抗源电路图；
图3为本发明实施例中提供的第二种阻抗源电路图；
图4为本发明实施例中提供的第三种阻抗源电路图；
图5为本发明实施例中提供的第四种阻抗源电路图；
图6为本发明实施例中提供的第五种阻抗源电路图；
图7为本发明实施例中提供的第六种阻抗源电路图；
图8为本发明实施例中提供的第一种开关电容多电平电路图；
图9为本发明实施例中提供的第二种开关电容多电平电路图；
图10为本发明实施例中提供的第三种开关电容多电平电路图；
图11为本发明实施例中提供的第四种开关电容多电平电路图；
图12为本发明实施例中提供的图3和图10结合的混合多电平逆变器的电路结构图；
图13为图12中的混合逆变电路的多载波SPWM调制图；
图14为图12中的混合多电平逆变器的仿真波形图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种混合多电平逆变器的实施例，包括混合逆变电路和控制器；
混合逆变电路包括阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路；
控制器分别与阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路连接，控制器内部嵌入有多电平调制算法，多电平调制算法用于使混合逆变电路的输出端产生期望的多电平交流电压和在混合逆变电路运行过程中均匀插入直通状态，调节阻抗源电路的输出电压；
阻抗源电路嵌入在输入直流电压源与开关电容多电平逆变电路之间，阻抗源电路为前级电路，开关电容多电平逆变电路为后级电路。
需要说明的是，本发明中的阻抗源电路和开关电容多电平电路的具体拓扑结构不做限制。
本发明提供了一种混合多电平逆变器，在输入直流电压源与开关电容电路之间嵌入一个阻抗源电路，即构造一个前级阻抗源+后级开关电容多电平逆变电路，开关电容多电平电路含有能使输入侧短路的开关电路让阻抗源电路复用来为电感充电，而阻抗源电路在输出侧非直通模式下能输出恒定电压和能控的电流，通过多电平调制算法使混合多电平逆变器的输出端产生期望的多电平交流电压，在运行过程中均匀插入直通状态，有效调节阻抗源电路的输出电压，当开关电容多电平电路处于直通模式时，前级阻抗源电路中的电容器为电感充电，电容器与输入直流电压源串联后一起为电感充电，开关电容多电平电路输入侧断路，根据开关电容多电平电路中有且仅有一个开关管导通的原则和开关管互补导通原则，逆变器输出的相电压和线电压均有多种电平，有效提升了阻抗源逆变器的输出电平数和升压能力，当开关电容多电平电路中的半桥处于非直通模式时，开关电容多电平电路中的电容器被前级阻抗源电路的输出电压充电，且充电电流被阻抗源电路中电感有效限制，从而解决了开关电容多电平电路在电容充电瞬间会产生很大浪涌电流的问题，因此，本发明提供的混合多电平逆变器同时解决了开关电容多电平逆变器的开关电容充电浪涌电流问题，以及阻抗源逆变器输出电平数和升压能力难以进一步提升的技术问题。
在一个实施例中，开关电容多电平逆变电路由全控型半导体开关、二极管和储能电容器组成，且输入侧含有至少一个由全控半导体开关构成的能让输入侧直接短路的开关电路。混合多电平逆变器中开关电容多电平电路由全控型半导体开关、二极管和储能电容器组成，通过控制全控开关既能使储能电容器交替工作在充放电状态，又能使电路输出不同电平的交流电压，输入侧含有至少一个由全控半导体开关构成的，能让输入侧直接短路的开关电路(如半桥电路、H桥电路和三相桥电路)。阻抗源电路复用开关电容多电平电路的输入侧开关电路，当该开关电路工作在直通模式时(对应开关电容多电平电路输入侧短路)，阻抗源电路中的电感器充电，充电电压恒定，当该开关电路工作在非直通模式时，阻抗源电路中的电感器放电，放电电压恒定。
在一个实施例中，阻抗源电路可以是不含可控开关的无源阻抗电路，也可以是含有可控开关的有源阻抗电路，开关电容多电平逆变电路可以是单相开关电容多电平逆变电路，也可以是三相开关电容多电平逆变电路。
如图2-图7所示，本发明中提供的混合多电平逆变器的阻抗源电路可以选择图2中六种阻抗源电路中的任意一种，其中，图2至图4中的阻抗源电路都不含全控型半导体开关，均为无源阻抗电路，图5至图7中均含有全控型半导体开关，均为有源阻抗电路。如图8-图11所示，本发明中提供的混合多电平逆变器的开关电容多电平电路可以选择图8-图11中四种开关电容多电平电路中的任一种，其中，图8和图9是单相开关电容多电平逆变电路，图10和图11是三相开关电容多电平逆变电路。
为直观地说明本发明实施例中提供的混合多电平逆变器的工作原理及所带来的技术效果，本发明中以图3的阻抗源电路和图10的开关电容多电平电路构成的混合多电平逆变器提供了一个具体的应用例，应理解的是，本领域技术人员在本发明应用例的基础上，可直接通过简单的推导得到其他阻抗源电路拓扑结构和开关电容多电平电路拓扑结构组成的混合多电平逆变器的工作原理。图3的阻抗源电路和图10的开关电容多电平电路构成的混合多电平逆变器如图12所示，图3中的阻抗源电路包括第一电感L1、第二电感L2、第二电容CZ2、第一电容CZ1和第一二极管DZ；第一电感L1一端连接输入直流电压源，第一电感L1、第一二极管DZ和第二电感L2依次串联，第二电容CZ2一端连接第一二极管DZ的阳极，另一端连接第二电感L2的输出端，第一电容CZ1一端连接第一二极管DZ的阴极，另一端连接输入直流电压源的负端。图10中的开关电容多电平逆变电路包括第一开关管S′a、第二开关管Sa、第三开关管T′a、第四开关管Ta、第三电容C′a、第四电容Ca、第二二极管D′a和第三二极管Da；第一开关管S′a一端连接第二二极管D′a的阳极，另一端同时与第二开关管Sa的一端、第三电容器C′a的一端和第四电容器Ca的一端相连，第二开关管Sa的另一端连接第三二极管Da的阴极，第二二极管D′a的阴极连接第三电容C′a的另一端和第三开关管T′a的一端，第三开关管T′a的另一端与第四开关管Ta的一端相连并作为所述混合多电平逆变电路的交流输出端ua，第四开关管Ta的另一端与第三二极管Da的阳极和第四电容Ca的另一端相连。图10所示开关电容多电平电路中第二二极管D′a的阳极和第三二极管Da的阴极分别与图3中第二电感L2的输出端和输入电源的负端连接构成图12所示的混合多电平逆变电路。开关电容多电平电路由三个结构完全相同的电路构成三相结构，且每相的输入侧均含有一个由第一开关管S′a和第二开关管Sa构成的半桥电路，该半桥电路有直通(上下管同时导通)和非直通(上下管互补导通)工作模式，当处于直通模式时，前级阻抗源电路中电容器CZ1为电感L2充电，电容器CZ2与输入直流电压源Vdc串联后，一起为电感L1充电，开关电容多电平电路输入侧短路，根据开关T′a和Ta中有且仅有一个导通的原则，此时逆变器输出相电压可以有0和±VC三种电平(VC为电容C'a和Ca的电压)，线电压有0、±VC和±2VC五种电平，有效提升了阻抗源逆变器的输出电平数和升压能力。当半桥处于非直通模式时，前级阻抗源电路内部的运行情况为：电容器CZ1与电感L2串联，电容器CZ2与输入直流电压源Vdc和电感L1串联，与此同时，Vdc与电感L1串联并通过二极管DZ向电容CZ1放电，电感L1也通过二极管DZ向电容CZ2放电。当半桥处于非直通模式时，前级阻抗源电路对外表现为：二极管DZ导通，所以电容CZ1和CZ2相当于串联，为阻抗源电路提供恒定的输出电压VCz1+VCz2，二极管DZ电流单向，使得阻抗源电路的输出电流受电感L1和L2的限制。基于此，当半桥处于非直通模式(即上下管互补导通)时，开关电容多电平电路中的电容器被前级阻抗源电路的输出电压充电(VC＝VCz1+VCz2；VCz1＝Vdc+VCz2＝Vdc/(1-2d)，d是半桥的直通占空比)，且充电电流被阻抗源电路中电感有效限制，从而解决了现有开关电容多电平电路在电容充电瞬间会产生很大浪涌电流的问题。
基于上述对图12所示电路的运行原理的描述，为使该混合多电平逆变器正常工作且有效输出高质量的交流多电平电压波形，还需要利用相应的调制策略对变换器中的开关管进行有效控制。通过调制算法使混合逆变电路的输出端产生期望的多电平交流电压(通常是逼近正弦波)，在运行过程中均匀插入直通状态，有效调节阻抗源电路的输出电压。为此，针对图12所示电路结构提出了图13所示的多载波SPWM调制方式，其中，e1～e3是高频载波，ua是正弦调制波，用来同载波比较并调制输出SPWM的电压波形，+e4和-e4是直流信号，用来同载波比较并均匀插入直通状态。图14是图12所示的混合多电平逆变器在图13所示调制策略的控制下得到的仿真波形，其中仿真模型是三相三线制连接，且参数为Vdc＝140V,L1＝L2＝220μH，CZ1＝CZ2＝Ca＝C'a＝1000μF，负载为纯电阻负载50Ω‘Y’形连，调制比为0.75，直通占空比为0.2，载波频率为5kHz。图14中阻抗源输出电流ibus即是后级开关电容多电平逆变电路的输入电流，也代表了电容器充电电流。仿真结果显示，该逆变器不但能输出高质量的交流电压波形，升压能力比准Z逆变器高，更重要的是开关电容电路中的电容充电电流得到了有效控制。
本发明第二方面提供了一种电机驱动器的实施例，该电机驱动器包括前述混合多电平逆变器实施例中的任一种混合多电平逆变器。应理解的是，将前述混合多电平逆变器实施例中的任一种混合多电平逆变器应用于电机驱动器，同样能解决混合多电平逆变器所能解决的技术问题，达到相同的技术效果，在此不再进行赘述。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种混合多电平逆变器，其特征在于，包括混合逆变电路和控制器；
混合逆变电路包括阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路；
控制器分别与阻抗源电路和开关电容多电平逆变电路连接，控制器内部嵌入有多电平调制算法，多电平调制算法用于使混合逆变电路的输出端产生期望的多电平交流电压和在混合逆变电路运行过程中均匀插入直通状态，调节阻抗源电路的输出电压；
阻抗源电路嵌入在输入直流电压源与开关电容多电平逆变电路之间，阻抗源电路为前级电路，开关电容多电平逆变电路为后级电路。
2.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，开关电容多电平逆变电路由全控型半导体开关、二极管和储能电容器组成，且输入侧含有至少一个由全控半导体开关构成的能让输入侧直接短路的开关电路。
3.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，阻抗源电路为含不可控开关的无源阻抗电路。
4.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，阻抗源电路为含有可控开关的有源阻抗电路。
5.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，开关电容多电平逆变电路为单相开关电容多电平逆变电路。
6.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，开关电容多电平逆变电路为三相开关电容多电平逆变电路。
7.根据权利要求1所述的混合多电平逆变器，其特征在于，多电平调制算法为多载波SPWM调制算法。
8.据权利要求3所述的混合多电平逆变器，其特征在于，阻抗源电路包括第一电感、第二电感、第二电容、第一电容和第一二极管；
第一电感一端连接输入直流电压源的正端，第一电感、第一二极管和第二电感依次串联，第二电容一端连接第一二极管的阳极，另一端连接第二电感的输出端，第一电容一端连接第一二极管的阴极，另一端连接输入直流电压源的负端。
9.据权利要求8所述的混合多电平逆变器，其特征在于，开关电容多电平逆变电路包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第三电容、第四电容、第二二极管和第三二极管；
第一开关管一端连接第二二极管的阳极和阻抗源电路中第二电感的输出端，另一端同时与第二开关管的一端、第三电容器的一端和第四电容器的一端相连，第二开关管的另一端连接第三二极管的阴极和输入直流电压源负端，第二二极管的阴极连接第三电容的另一端和第三开关管的一端，第三开关管的另一端与第四开关管的一端相连并作为所述混合逆变器的输出端，第四开关管的另一端与第三二极管的阳极和第四电容的另一端相连。
10.一种电机驱动器，其特征在于，包括权利要求1-9中任一项所述的混合多电平逆变器。
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