CN1929278B - 级联型多电平双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种级联型多电平双降压式半桥逆变器，包括第一压降电路(2)和第二降压电路(3)，还包括第二电源电路(4)和工频开关电路(5)，其中，第二电源电路(4)包括相串联的第三电源(Ud3)和第四电源(Ud4)，工频开关电路(5)包括第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)，第三功率开关管(S3)的阳极接第三电源(Ud3)的正极，第四功率开关管(S4)的阳极接第四电源(Ud4)的负极，第三功率开关管(S3)的阴极和第四功率开关管(S4)的阴极连接。其优点是：有助于减小滤波器体积，降低开关损耗，提高效率；开关管应力低；整个电路结构和控制方案简单易于实现；整个电路无桥臂直通问题，可靠性高。

Description

级联型多电平双降压式半桥逆变器

一、技术领域

本发明涉及一种半桥逆变器，尤其涉及一种级联型多电平半桥逆变器。

二、背景技术

近年来，多电平逆变器在高压、大功率场合的应用受到了广泛的关注，同时采用多电平技术十分有利于减小逆变器中占很大分量的滤波器件的体积重量。多电平变换器的思想最早由Nable等人于1981年提出，它的基本思想是从电路拓扑着手，由几个电平台阶合成阶梯波，以接近正弦输出电压。由于滤波前输出电压谐波含量已很低，极大减小了所需滤波器件的体积重量。由于开关器件分担输入电压和功率，开关器件应力小，因而适用于高压、大功率的场合。多电平变换器无需高的开关频率，因而降低了开关损耗，再加上无需大的滤波器，滤波器本身的损耗得以降低，变换器效率有很大提高。多电平变换器的电路拓扑可分为二极管箝位型、飞跨电容型以及具有独立直流电压源的级联型逆变器。第三种级联型逆变器不需要前两种电路所需的大量箝位二极管和箝位电容，结构简单，技术成熟，易于模块化，每个单元由一路直流电源单独供电，所以不存在电容电压不平衡问题，只是存在产生多路直流电源的复杂性，尽管如此，级联结构还是具有较高的性能，在实际工业应用中也较多采用这种结构。

级联型多电平逆变器的控制策略主要分为工频开关运行方式和PWM调制方式两大类。在所有控制方式中，工频开关工作方式最早得到应用，其主要目的是减小传统两电平逆变器在PWM方式下开关损耗高的问题。随着级联型多电平逆变器的应用面越来越广，对逆变器输出波形的要求也逐渐提高，工频开关模式已无法适应工业发展的要求。将原用于两电平逆变器的脉宽调制解调(PWM)控制方法，例如三角载波PWM和空间矢量法PWM等经改进后应用于多电平领域。随着电平数的提高，各种PWM控制策略逻辑运算结构十分复杂，控制困难。

目前级联型多电平变换器的单个模块拓扑结构几乎都采用的全桥电路。桥式电路由于开关管直接串联，存在桥臂直通的危险。需另加控制死区，而这个死区将造成输出电压波形畸变失真。同时桥式电路中开关管的体二极管参与工作。对MOS型器件而言，提高MOSFET性能的措施往往会导致体二极管性能变差，很难兼顾两者的优化。同时研究表明随着开关频率的提高，开关器件体二极管的反向恢复问题趋于严重，反向恢复损耗在变换器总损耗中所占比例大幅增长。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种既保留传统级联型多电平逆变器优点，又克服其不足之处，并且拓扑结构和控制策略均较简单的级联型多电平双降压式半桥逆变器。

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器包括第一压降电路和第二降压电路，其中，第一压降电路包括第一功率开关管、第一功率二极管和第一电感，第一功率开关管、第一功率二极管串联连接，第一功率开关管的阴极与第一功率二极管的阴极连接，第一电感的一端与第一功率开关管的阴极连接；第二降压电路包括第二功率开关管、第二功率二极管和第二电感，第二功率开关管、第二功率二极管串联连接，第二功率开关管的阳极与第二功率二极管的阳极连接，第一功率开关管的阳极与第二功率二极管的阴极相连，第二功率开关管的阴极与第一功率二极管的阳极相连，第二电感的一端与第二功率开关管的阳极连接；第二电感的一端与第二功率开关管的阳极连接，第一电感另一端与第二电感的另一端连接，它还包括第二电源电路和工频开关电路，其中，第二电源电路包括相串联的第三电源和第四电源，第三电源和第四电源之间的连接点接入第一压降电路中第一电感和第二降压电路中第二电感之间；工频开关电路包括第三功率开关管和第四功率开关管，第三功率开关管的阳极接第三电源的正极，第四功率开关管的阳极接第四电源的负极，第三功率开关管的阴极和第四功率开关管的阴极连接，滤波电路及负载接入第三功率开关管的阴极和第四功率开关管的阴极之间，其中，滤波电路中，滤波电容的正端接入第三功率开关管的阴极和第四开关管的阴极之间，滤波电容的负端接地，负载与滤波电容并联.

本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器工作时，外接第一电源电路的结构为相串联的第一电源和第二电源，第一电源和第二电源之间的连接点接地；第一功率开关管的阳极接第一电源的正极，第二功率二极管的负极与第一电源的负极连接。

由于本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器包含一个PWM高频调制的双buck电路单元和一个低频开环工作的工频开关电路，双buck电路无桥臂直通的可能；续流电流从功率二极管通过，开关器件的体二极管并不参与工作，功率器件选取可以不考虑体二极管的影响，使得开关器件和续流二极管可分别优化设计选取，开关器件可选用新型的功率半导体例如coolMOS，减小导通和开关损耗；开关频率可以提高，在保持高效率前提下实现高频化减小体积重量，简化了电路结构；控制方案简单：双buck电路单元采用滞环电流PWM控制方案，滞环电流控制方案具有内在限流、动态性能快、实现简单等一系列优点，工频开关电路可采用开环控制，两开关管分别在半个工频周期内保持常通，占空比交错180°。

本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器包括一个高频调制工作的双buck电路单元和一个工频开关电路。双buck电路单元包括第一降压式电路桥臂和第二降压式电路桥臂，其输入连接第一电源和第二电源的输出端。且第一降压式电路桥臂和第二降压式电路桥臂的输出端并联，并连接到外接的第三电源和第四电源的串联中点。第三电源和第四电源通过工频开关电路连接到输出滤波电容和负载的一端。输出滤波电容和负载的另一端接地。

本电路滤波前的输出电平为双buck电路单元输出电平和工频开关电路输出电平的叠加.由于增加了第三电源和第四电源，以及工频开关电路来对电路的输出进行选通，且工频开关电路按输出电压频率工频开关工作，使得电路工作的正半周时，输出电压在双buck电路单元输出电平基础上抬高了一个第三电源的电平，电路工作的负半周时，输出电压在双buck电路单元输出电平基础上降低了一个第四电源的电平，从而增加了整个电路的输出电平数.在控制上结合了工频开关和高频调制.单独考察第三电源、第四电源和工频开关电路，其输出为工频方波，已提供了输出电压的大部分基波分量，包含较少谐波分量，采用高频调制的双buck电路只需在此工频方波的基础上补充基波分量，消除谐波分量就能使电路整体输出电压在滤波前就十分拟合基准正弦波.双buck电路的高频调制方案采用滞环电流控制，使得电路还具有了内在限流的特点并改善了动态性能.由于双buck电路单元中并不包含两个开关管串联连接到电源两端的桥臂电路，消除了传统桥式级联多电平电路桥臂直通的隐患，也无需控制死区.

3、有益效果：本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器是一种适用于高压大功率场合的级联型多电平逆变器，具有如下优点：(1)级联多电平的特点使得变换器输出电压谐波含量小，有助于减小滤波器体积，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高效率；(2)开关管应力低，适用于高压、大功率的场合；(3)整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；(4)由于PWM高频调理电路部分采用buck电路结构，同时低频电路部分的两个开关管一个工频周期内仅开关一次，整个电路无桥臂直通问题，可靠性高；续流电流不通过开关管的体二极管，使得功率开关管和功率二极管可以分别优化设计。

四、附图说明

图1是本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器电路结构示意图。

图2是本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器各开关模态示意图。

图3是本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器的主要波形示意图。

图4是本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器采用的控制框图。

上述附图中的主要符号名称：Cf——输出滤波电容。D1～D2——功率二极管。drv1～drv4——功率开关管S1～S4的驱动波形。ir——电压环输出即电流基准。il1——滤波电感L1电流波形。il2——滤波电感L2电流波形。L1～L2——输出滤波电感。R--负载阻抗。S1～S4——功率开关管。Ud1～Ud4——逆变器输入电压即直流侧母线电压。Uo——逆变器输出电压。

五、具体实施方式

如图1所示，本实施例的级联型多电平双降压式半桥逆变器包括第一压降电路2和第二降压电路3，其中，第一压降电路2包括第一功率开关管S1、第一功率二极管D1和第一电感L1，第一功率开关管S1、第一功率二极管D1串联连接，第一功率开关管S1的阴极与第一功率二极管D1的阴极连接，第一电感L1的一端与第一功率开关管S1的阴极连接；第二降压电路3包括第二功率开关管S2、第二功率二极管D2和第二电感L2，第二功率开关管S2、第二功率二极管D2串联连接，第二功率开关管S2的阳极与第二功率二极管D2的阳极连接，第二电感L2的一端与第二功率开关管S2的阳极连接，第一电感L1另一端与第二电感L2的另一端连接，它还包括第二电源电路4和工频开关电路5，其中，第二电源电路4包括相串联的第三电源Ud3和第四电源Ud4，第三电源Ud3和第四电源Ud4之间的连接点接入第一压降电路2中第一电感L1和第二降压电路3中第二电感L2之间；工频开关电路5包括第三功率开关管S3和第四功率开关管S4，第三功率开关管S3的阳极接第三电源Ud3的正极，第四功率开关管S4的阳极接第四电源Ud4的负极，第三功率开关管S3的阴极和第四功率开关管S4的阴极连接，滤波电路及负载电路6接入第三功率开关管S3的阴极和第四开关管S4的阴极之间，其中，滤波电容Cf的正端接入第三功率开关管S3的阴极和第四开关管S4的阴极之间，负端接地，负载R与滤波电容Cf并联.

本实施例的级联型多电平双降压式半桥逆变器工作时，外接第一电源电路1的结构为相串联的第一电源Ud1和第二电源Ud2，第一电源Ud1和第二电源Ud2之间的连接点接地；第一功率开关管S1的阳极接第一电源Ud1的正极，第二功率二极管S2的负极与第一电源Ud2的负极连接。

下面以附图1为主电路结构，结合附图2来叙述本发明的级联型多电平双降压式半桥逆变器的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图3。

在输出电流大于零的正半周，第一降压式电路(2)工作，第二降压式电路(3)不工作，功率开关管S3常开。此时变换器输出电平(滤波前)为图3中C点电平抬高了Ud3。此时电路包括两个工作模态：

(1)工作模态I

如附图2(a)所示，功率开关管S1开通，电感L1的电流iL1线性上升，变换器输出电平(滤波前)为Ud1+Ud3，当Ud1＝Ud2＝Ud3＝Ud4＝Ud，变换器输出电平(滤波前)为Ud1+Ud3＝2Ud。

(2)工作模态II

如附图2(b)所示，功率开关管S1关断，iL1从功率二极管D1续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为-Ud1+Ud3，当Ud1＝Ud2＝Ud3＝Ud4＝Ud，变换器输出电平(滤波前)为-Ud1+Ud3＝0。

在输出电流小于零的负半周，第二降压式电路(3)工作，第一降压式电路(2)不工作，功率开关管S4常开。此时变换器输出电平(滤波前)为图3中C点电平降低了Ud4。此时电路包括两个工作模态：

(3)工作模态III

如附图2(c)所示，功率开关管S3开通，电感L2的电流iL2线性上升，变换器输出电平(滤波前)为-Ud2-Ud4，当Ud1＝Ud2＝Ud3＝Ud4＝Ud，变换器输出电平(滤波前)为-Ud2-Ud4＝-2Ud。

(4)工作模态IV

如附图2(d)所示，功率开关管S3关断，iL2从功率二极管D2续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为Ud1-Ud4，当Ud1＝Ud2＝Ud3＝Ud4＝Ud，变换器输出电平(滤波前)为Ud1-Ud4＝0。

以上四个工作模态可用表1来表示，可见该级联型多电平逆变器有四种可能的输出电平：Ud1+Ud3、-Ud2+Ud3、-Ud2-Ud4、Ud1-Ud4，特另的，当Ud1＝Ud2＝Ud3＝Ud4＝Ud，该级联型多电平逆变器有三种可能的输出电平：2Ud、0、-2Ud。

表1级联型多电平双降压式半桥逆变器的功率管开关组合状态与桥臂输出电压状态的关系

iL1	iL2	S1	S2	D1	D2	S3	S4	UA	UB	输出电平	对应附图2
												＞0	＝0	1	0	0	0	1	0	+Ud1	-	U/d1+Ud3	(a)
＞0	＝0	0	0	1	0	1	0	-Ud2	-	-Ud2+Ud3	(b)
												＝0	＞0	0	0	0	1	0	1	-	-Ud2	-Ud2-Ud4	(c)
＝0	＞0	0	1	0	0	0	1	-	+Ud1	Ud1-Ud4	(d)

本实施例的控制方案如附图4所示：输出电压与电压基准经电压环运算得到电流基准ir。电感L1电流iL1与ir经滞环比较器和驱动电路得到功率开关管S1的驱动信号drv1。drv1为一个在电流基准ir的正半周调制的PWM信号。电感L2电流iL2与ir经滞环比较器和驱动电路得到功率开关管S2的驱动信号drv2。drv2为一个在电流基准ir的负半周调制的PWM信号。电流基准ir经过过零比较器和驱动电路得到开关管S3和S4的驱动信号drv3和drv4。drv3和drv4为互补180°的方波信号。控制的效果使得在电流基准大于零的正半周，功率开关管S3常开，功率开关管S1调制工作，功率开关管S2和S34不工作；在电流基准小于零的负半周，开关管S4常开，功率开关管S2调制工作，功率开关管S1和S3不工作。

Claims (1)

1.一种级联型多电平双降压式半桥逆变器，包括第一压降电路(2)和第二降压电路(3)，其中，第一压降电路(2)包括第一功率开关管(S1)、第一功率二极管(D1)和第一电感(L1)，第一功率开关管(S1)、第一功率二极管(D1)串联连接，第一功率开关管(S1)的阴极与第一功率二极管(D1)的阴极连接，第一电感(L1)的一端与第一功率开关管(S1)的阴极连接；第二降压电路(3)包括第二功率开关管(S2)、第二功率二极管(D2)和第二电感(L2)，第二功率开关管(S2)、第二功率二极管(D2)串联连接，第二功率开关管(S2)的阳极与第二功率二极管(D2)的阳极连接，第一功率开关管(S1)的阳极与第二功率二极管(D2)的阴极相连；第二功率开关管(S2)的阴极与第一功率二极管(D1)的阳极相连，第二电感(L2)的一端与第二功率开关管(S2)的阳极连接；第一电感(L1)另一端与第二电感(L2)的另一端连接，其特征在于，还包括第二电源电路(4)和工频开关电路(5)，其中，第二电源电路(4)包括相串联的第三电源(Ud3)和第四电源(Ud4)，第三电源(Ud3)和第四电源(Ud4)之间的连接点接入第一压降电路(2)中第一电感(L1)和第二降压电路(3)中第二电感(L2)之间；工频开关电路(5)包括第三功率开关管(S3)和第四功率开关管(S4)，第三功率开关管(S3)的阳极接第三电源(Ud3)的正极，第四功率开关管(S4)的阳极接第四电源(Ud4)的负极，第三功率开关管(S3)的阴极和第四功率开关管(S4)的阴极连接，滤波电容(Cf)的正端接入第三功率开关管(S3)的阴极和第四开关管(S4)的阴极之间，滤波电容(Cf)的负端接地，负载(R)与滤波电容(Cf)并联。

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