CN115395784A - 一种单相双极性七电平变换器及系统 - Google Patents

一种单相双极性七电平变换器及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单相双极性七电平变换器，包括结构相同且并联的第一桥臂与第二桥臂；两桥臂均包括：第一飞跨电容、第二飞跨电容、第三飞跨电容以及正向串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管、第六电力电子开关管；第一电力电子开关管的漏极连接直流电源的正极，第六电力电子开关管的源级连接直流电源的负极。本发明通过改变电力电子开关管的状态，输出七种不同的电压值，输出电压值个数约为传统单相二电平变换器输出电压值个数的三倍，因此滤波电感的电感值约为传统单相二电平变换器的三分之一，大大减小了滤波电感的电感值与体积，降低了成本。

Description

一种单相双极性七电平变换器及系统
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其是指一种单相双极性七电平变换器及系统。
背景技术
在电力电子变换器领域，多电平逆变器具有其独特的优势，只需采用低压小功率器件即可完成大功率电能转换，交流侧电压的总谐波畸变率THD可通过增加输出电平数得到有效降低，为设计滤波器提供便利，且输出侧电压跳变较小，避免了瞬时过大的du/dt对器件的危害。因此，多电平逆变器不但广泛应用于可再生能源发电以及大容量交流传动系统，并且适用于高压输电系统、电能质量控制等领域。传统的多电平逆变器主要包括：飞跨电容FC型、中点钳位NPC型及级联H桥CHB型，然而这三种基本拓扑均存在一定的不足，限制了其在一些特殊场合的应用。中点钳位型和飞跨电容型多电平逆变器需要对分压电容电压进行均衡控制，增加了系统控制难度，且向更多电平扩展时，需要大量的钳位器件；级联H桥型多电平逆变器虽然不存在直流侧均压问题，但需要大量独立直流电源，成本较高。
综上所述，现有的变换器结构主要集中二电平和三电平，而传统多电平变换器在结构、控制复杂度和效率方面存在不足，成本较高。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中多电平变换器性能低、成本高的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种单相双极性七电平变换器，包括结构相同的第一桥臂与第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂均包括：
正向串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管；所述第一电力电子开关管的漏极连接直流电源的正极；所述第六电力电子开关管的源级连接直流电源的负极；
第一飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第六电力电子开关管的源级；
第二飞跨电容，其正极连接所述第二电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第五电力电子开关管的源级；
第三飞跨电容，其正极连接所述第三电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第四电力电子开关管的源级。
在本发明的一个实施例中，所述第一飞跨电容、所述第二飞跨电容与所述第三飞跨电容均为电解电容。
在本发明的一个实施例中，还包括输出端口，一个输出端口设置在所述第一桥臂的第四电力电子开关管的漏极处，另一个输出端口设置在所述第二桥臂的第四电力电子开关管的漏极处。
在本发明的一个实施例中，所述输出端口连接滤波电路，所述滤波电路包括：
滤波电感，其一端连接一个输出端口；
滤波电容，其一端连接所述滤波电感的另一端，其另一端连接另一个输出端口，负载并联在所述滤波电容的两端。
在本发明的一个实施例中，所述第一桥臂与所述第二桥臂均有8种开关状态，包括：
开关状态1：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂输出电压为0；
开关状态2：第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，该桥臂输出电压为Vdc/3；
开关状态3：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态4：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态5：第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态6：第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态7：第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态8：第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态1，所述第二桥臂处于开关状态1时，输出端口输出的电压为0。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态2，所述第二桥臂处于开关状态5时，输出端口输出的电压为-Vdc/3。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态5，所述第二桥臂处于开关状态2时，输出端口输出的电压为Vdc/3。
在本发明的一个实施例中，当第一桥臂处于开关状态8，所述第二桥臂处于开关状态1时，输出端口输出的电压为-Vdc。
本发明还提供了一种单相双极性七电平变换器系统，包括：
直流电源；
如上述所述的单相双极性七电平变换器，连接所述直流电源，用于将所述直流电源提供的直流电压转换成不同大小的直流电压输出；
驱动电机，连接所述单相双极性七电平变换器，用于获取输出的直流电压驱动外部设备工作。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
本发明所述的一种单相双极性七电平变换器包括结构相同且并联的第一桥臂与第二桥臂，通过改变电路拓扑结构大大减少了电力电子开关管的使用数量，节约了成本；同时本发明通过调节桥臂中电力电子开关管的开关状态输出不同的电压值，第一桥臂与第二桥臂输出电压的电压差为负载提供七种不同的电压，输出电压值的个数约为传统单相二电平变换器的三倍，因此装置中使用的滤波电感的电感值约为传统单相二电平变换器中滤波电感电感值的三分之一，大大减小了滤波电感的电感值与体积，节约了成本，在可再生能源发电系统中有很好的应用前景。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1是本发明实施例所提供的一种单相双极性七电平变换器的电路拓扑图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的实施例所提供的一种单相双极性七电平变换器包括结构相同的第一桥臂与第二桥臂并联在直流电源的两端。第一桥臂与第二桥臂均包括：正向串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管；第一电力电子开关管的漏极连接直流电源的正极，第六电力电子开关管的源级连接直流电源的负极；第一飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第六电力电子开关管的源级；第二飞跨电容，其正极连接所述第二电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第五电力电子开关管的源级；第三飞跨电容，其正极连接所述第三电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第四电力电子开关管的源级。
其中，第一飞跨电容、第二飞跨电容与第三飞跨电容均为电解电容；两个输出端口A、B，分别设置在第一桥臂中第四电力电子开关管的漏极处与第二桥臂中第四电力电子开关管的漏极处；滤波电感与滤波电容串联后接在输出端口的两端，负载与并联在滤波电容的两端。
基于上述实施例，本发明所提供的单相双极性七电平变换器的第一桥臂与第二桥臂结构相同，两桥臂均有8种开关状态，其开关状态与变换器装置输出电压如表1所示，其中“1”代表电力电子开关管导通，“0”代表电力电子开关管关断，输出电压以直流母线电容负极N为参考点，电容Ca1的控制电压为Vdc/3，电容Ca2的控制电压为2Vdc/3，电容Ca3的控制电压为直流电源的输入电压Vdc。
表1一种单相双极性七电平变换器第一/第二桥臂的开关状态
Figure BDA0003843774600000051
Figure BDA0003843774600000061
根据上表可知，两桥臂的八种开关状态分别为：
开关状态1：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为0；
开关状态2：第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态3：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态4：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态5：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态6：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态7：第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态8：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管导通，第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，该桥臂的输出电压为Vdc；
综上所述，第一桥臂与第二桥臂的八种开关状态均可以输出四种电平值，分别为0、Vdc/3、2Vdc/3与Vdc；两桥臂的8种开关状态输出的四种电平值两两组合共有16种组合，16种组合共可以输出求得两桥臂输出电平值的差即为七电平变换器装置可输出的电压，分别为-Vdc、-2Vdc/3、-Vdc/3、0、Vdc/3、2Vdc/3、Vdc。
具体地，第一桥臂与第二桥臂开关状态组合的工作模式举例如下：
当第一桥臂处于开关状态1，第二桥臂处于开关状态8时，输出端口输出的电压为-Vdc；
当第一桥臂处于开关状态1，第二桥臂处于开关状态5时，输出端口输出的电压为-2Vdc/3；
当第一桥臂处于开关状态2，第二桥臂处于开关状态5时，输出端口输出的电压为-Vdc/3；
当第一桥臂处于开关状态5，第二桥臂处于开关状态6时，输出端口为0；
当第一桥臂处于开关状态5，第二桥臂处于开关状态3时，输出端口输出的电压为Vdc/3；
当第一桥臂处于开关状态8，第二桥臂处于开关状态3时，输出端口输出的电压为2Vdc/3；
当第一桥臂处于开关状态8，第二桥臂处于开关状态1时，输出端口输出的电压为Vdc；
当第一桥臂与第二桥臂处于相同的开关状态时，两桥臂输出的电压值相等，因此输出端口输出的电压值为0。
综上所述，第一桥臂的任意一种开关状态与第二桥臂的任意一种开关状态共同工作，共产生64种组合工作模式，在每种组合工作模式下，两桥臂的输出电压的电压差作为输入到负载两端的输出电压，叠加组合共可输出7种电平值，分别是-Vdc、-2Vdc/3、-Vdc/3、0、Vdc/3、2Vdc/3、Vdc。
基于上诉实施例，本发明实施例还提供了一种单相双极性七电平变换器系统，包括直流电源、上述单相双极性七电平变换器与驱动电机。单相双极性七电平变换器连接直流电源，将直流电源提供的直流电压根据用电设备的需要转换成不同大小的直流电压输出；驱动电机，连接单相双极性七电平变换器，获取输出的直流电压驱动外部设备工作。单相双极性七电平变换器可通过电力电子开关管的开关状态将直流电源的固定输出电压值转换不同大小的电压输出，提供了七种输出电平，且变换器中用到的滤波电感的电感值与体积相较于传统单相二电平变换器大大减小，节约了装置成本，在可再生能源发电系统中有很好的应用前景。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。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变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种单相双极性七电平变换器，其特征在于，包括结构相同的第一桥臂与第二桥臂，所述第一桥臂与所述第二桥臂均包括：
正向串联的第一电力电子开关管、第二电力电子开关管、第三电力电子开关管、第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管；所述第一电力电子开关管的漏极连接直流电源的正极；所述第六电力电子开关管的源级连接直流电源的负极；
第一飞跨电容，其正极连接所述第一电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第六电力电子开关管的源级；
第二飞跨电容，其正极连接所述第二电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第五电力电子开关管的源级；
第三飞跨电容，其正极连接所述第三电力电子开关管的漏极，其负极连接所述第四电力电子开关管的源级。
2.根据权利要求1所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，所述第一飞跨电容、所述第二飞跨电容与所述第三飞跨电容均为电解电容。
3.根据权利要求1所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，还包括输出端口，一个输出端口设置在所述第一桥臂的第四电力电子开关管的漏极处，另一个输出端口设置在所述第二桥臂的第四电力电子开关管的漏极处。
4.根据权利要求3所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，所述输出端口连接滤波电路，所述滤波电路包括：
滤波电感，其一端连接一个输出端口；
滤波电容，其一端连接所述滤波电感的另一端，其另一端连接另一个输出端口，负载并联在所述滤波电容的两端。
5.根据权利要求1所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，所述第一桥臂与所述第二桥臂均有8种开关状态，包括：
开关状态1：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管关断，第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂输出电压为0；
开关状态2：第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，该桥臂输出电压为Vdc/3；
开关状态3：第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态4：第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管关断，第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc/3；
开关状态5：第三电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第四电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态6：第二电力电子开关管、第四电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第三电力电子开关管与第五电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态7：第一电力电子开关管、第四电力电子开关管与第五电力电子开关管关断，第二电力电子开关管、第三电力电子开关管与第六电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为2Vdc/3；
开关状态8：第四电力电子开关管、第五电力电子开关管与第六电力电子开关管关断，第一电力电子开关管、第二电力电子开关管与第三电力电子开关管导通，该桥臂的输出电压为Vdc。
6.根据权利要求5所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态1，所述第二桥臂处于开关状态1时，输出端口输出的电压为0。
7.根据权利要求5所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态2，所述第二桥臂处于开关状态5时，输出端口输出的电压为-Vdc/3。
8.根据权利要求5所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态5，所述第二桥臂处于开关状态2时，输出端口输出的电压为Vdc/3。
9.根据权利要求5所述的单相双极性七电平变换器，其特征在于，当第一桥臂处于开关状态8，所述第二桥臂处于开关状态1时，输出端口输出的电压为-Vdc。
10.一种单相双极性七电平变换器系统，其特征在于，包括：
直流电源；
如权利要求1至9任一项所述的单相双极性七电平变换器，连接所述直流电源，用于将所述直流电源提供的直流电压转换成不同大小的直流电压输出；
驱动电机，连接所述单相双极性七电平变换器，用于获取输出的直流电压驱动外部设备工作。
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