CN202183738U

CN202183738U - 自生成级联电源的级联型多电平逆变电路

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Publication number: CN202183738U
Application number: CN2011203208639U
Authority: CN
Inventors: 夏守行
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2012-04-04
Anticipated expiration: 2021-08-30

Abstract

本实用新型涉及电力电子的功率变换设备技术领域，特指一种级联逆变结构的新型D/A逆变电力电子技术，具体涉及单相、三相或其它多相的多电平逆变技术的拓扑结构。本实用新型采用如下技术方案，一种自生成级联电源的级联型多电平逆变电路，其特征为：在多组半桥级联逆变电路中的最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路的电源由输入直流电源供电，其余半桥级联逆变电路的电源均由最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路的输入的直流电源间接供电。通过采用上述方案，本实用新型是一种自生成级联电源的半桥级联型逆变电路，具有多电平逆变的一些特点，而输入直流电源只有一个，电路工作时能自动生成多级电源，提供半桥级联逆变电路的电源，从而大大提高了电压利用率。

Description

自生成级联电源的级联型多电平逆变电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子的功率变换设备技术领域，特指一种级联逆变结构的新型D/A逆变电力电子技术，具体涉及单相、三相或其它多相的多电平逆变技术的拓扑结构。

背景技术

目前常规的PWM单相D/A直接变换电路中，较常见的是全桥逆变电路，这种逆变电路电压利用率并不高，最大利用率只约0.7，这样输入直流电压将比逆变输出交流电压的有效值高出许多。那么在光伏储能逆变系统中，因直流电压较高而需串联很多的蓄电池，增加了系统维护难度，如果增加一级DC/DC升压电路，则又降低了整体变换效率，同时较高的直流电压也增加了变换系统器件耐压的要求。

而在普通三相逆变电路中，如采用常规SPWM调制方法，线电压利用率最大只有0.61，当采用空间失量调制法（SVPWM）调制方法后，线电压利用率提高了一些，但也只有0.7左右，而相电压利用率则更低。

因此SPWM和SVPWM调制方法在常规逆变应用中，存在着电压利用率低的问题。为了能输出更大的逆变功率，就采用了多电平逆变技术，多电平逆变电路目前主要有电容飞跨型、二极管钳位型和H桥级联型等几种。多电平逆变器具有波形失真小、谐波含量低、开关器件工作频率低、开关损耗低等优点。但当逆变电平数较多时，电容飞跨型和二极管钳位型逆变存在电路结构及其控制复杂的问题，而H桥级联型多电平逆变虽具有级联简单，易于模块化等优点，但一个H桥一般需一个独立的直流电源，因此H桥级联多电平逆变电路存在着独立直流电源多的问题。

发明内容

本实用新型是一种自生成级联电源的半桥级联型逆变电路，具有多电平逆变的一些特点，而输入直流电源只有一个，电路工作时能自动生成多级电源，提供半桥级联逆变电路的电源，从而大大提高了电压利用率。

实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案，一种自生成级联电源的多电平逆变电路，所述的逆变电路由多组半桥级联逆变电路连接而成，其特征为：在多组半桥级联逆变电路中的最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路由输入直流电源供电，其余半桥级联逆变电路的电源均由最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路的输入的直流电源间接供电。

通过采用上述方案，这种自生成级联电源的多电平逆变电路，通过适当的控制方式，生成各级联半桥逆变的供电电源，从而大大减少了独立的直流电源数。

本实用新型的进一步设置是：所述上一个半桥级联逆变电路的电源滤波电容负极接至下一级半桥级联逆变电路的输出端，各相邻半桥级联逆变电路的电容正极均连接有级联功率开关器件，最下一级的半桥级联逆变电路的电源由输入直流电源直接供电；或者所述下一个半桥级联逆变电路的电源滤波电容正极接至上一级半桥级联逆变电路的输出端，各相邻半桥级联逆变电路的电容负极均连接有级联功率开关器件，最上一级的逆变半桥由输入直流电源直接供电，在本实用新型技术方案中，所述的级联功率开关器件为电力电子开关器件或者二极管。

通过进一步技术方案，达到的技术效果是：

（1）逆变各级均是一个半桥级联逆变电路，上（下）一个半桥级联逆变电路的电容负（正）极接至下（上）一级半桥级联逆变电路得输出端，各半桥级联逆变电路的电容正（负）极均有级联功率开关器件相联，该级联功率开关器件在某些工作方式下可只用二极管，从而简化控制电路。

（2）逆变输入直流电源数可小于逆变级联数，最少时可只用一个输入直流电源。各级半桥级联逆变电路得电源可由级联功率开关器件和下级联半桥工作时产生。

（3）当只用一个输入直流电源时，单相逆变电压利用率最大可达0.7N，N为级联数，在三相逆变中，线电压利用率最大可达0.61N，大幅提高了电压利用率，也降低了功率器件的耐压要求。

（4）当各级联供电电压相等时，逆变输出电平数为N+1个，还可通过后级的电路，增加逆变电平数。

（5）当各半桥级联逆变电路采用载波相移SPWM调制法时，由于这种方法能实现增频效果，则各半桥级联逆变电路的级联功率开关器件频率将大大降低，也就降低了功率器件的开关损耗。

下面结合附图对本实用新型作进一步描述。

附图说明

图1 自生成级联电源的多电平逆变基本电路之一；

图2 自生成级联电源的多电平逆变基本电路之二；

图3 单极性逆变应用电路；

图4 含极性转换的逆变应用电路；

图5 双相逆变应用电路；

图6 三相逆变应用电路；

图7 CPS-SPWM调制方法。

具体实施方式

图1和图2是本实用新型的基本逆变电路的两个类型。以图1为例，E是输入直流电源，C ₁-C ₃是其储能电容，也即电源滤波电容，S₁₁-S₁₆是电力开关器件，S₁和S₂是级联电力开关器件。S₁₁和S₁₂是第一级半桥级联逆变电路的半桥逆变器件，S₁₃和S₁₄是第二级半桥级联逆变电路的半桥逆变器件，如此仍可向上级联。在工作时，S₁和S₁₁的工作是同步的，同理S₂和S₁₃的工作也是同步的。具体工作原理：以N=2为例，即两个半桥级联逆变电路。则B点为逆变输出点，当各功率开关器件关断时，输出电平为0；当S₁₁关断，S₁₂开通，S₁₃导通，S₁₄关断时，输出电平为E；当S₁₁关断，S₁₂开通，S₁₃关断，S₁₄开通时，输出电平为2E；当S₁₁开通，S₁₂关断，S₁₃关断，S₁₄开通时，输出电平为E，此状态时S₁开通，C₂储能电容通过S₁充电储能；当S₁₁开通，S₁₂关断，S₁₃开通，S₁₄关断时，输出电平为0，此状态时S₁也开通，C₂储能电容也充电储能。因此第二级半桥级联逆变电路的电能通过S₁₁的开通时段内得到电能，从而无需独立的直流电源直接供电。

图3是单极性逆变应用电路，根据上面分析，半桥级联逆变电路只能输出正电平或者负电平，一个周期内不能输出正电平和负电平，因此图3电路把第一级半桥级联逆变电路接成负电源，第二级半桥级联逆变电路的电源生成后为正电源，在理想情况下，两个半桥级联逆变电路的电源电压值是相等的，隔直流电容C₃可省去。但实际两个半桥级联逆变电路的电源电压是有一定少许相差的，因此C₃仍需要，但耐压可低许多。但这种电路电压利用率只有0.35N，并不很高。

图4是含极性转换的逆变应用电路，半桥级联逆变电路的输出全部为交流电的正半周（或负半周），只要在后级再加一级全桥极性转换电路，即可得到全周交流电，同时电压利用率增大2倍。这种电路电压利用率最大可达0.7N，例如当N=2时，在SPWM调制度为1时，156V的直流输入，经逆变后输出交流电有效值即可达220V，即使在调制度为0.8时，直流电压也只须约195V，电压利用率仍可达1.13，并大大降低了对逆变功率开关器件的耐压要求。但极性转换电路功率器件耐压要求仍较高，不过工作频率很低。

图5是双相逆变应用电路，输出实际上仍是单相交流电。没有极性转换电路，因此耐压要求高的器件也就没有了。这种电路电压利用率最大也可达0.7N，由于采用了四个半桥级联逆变，如调制波采用SPWM 方法时，则功率开关器件的工作频率可降四倍，大大降低了器件开关损耗。

图6是三相逆变应用电路，当N=1时，实际上就是常规三相逆变器，常规三相逆变器的电压利用率很低，因此通常采用SVPWM，以提高电压利用率，但在多电平逆变器中，软件计算较复杂。而采用图6的二级联逆变电路，CPS-SPWM调制法时，线电压利用率最大即可达1.22，开关频率还降低了一倍。

CPS-SPWM调制方法如图7所示，以两级半桥级联逆变电路为例，为多载波双极性调制方法，载波为两个相差180°的三角波，调制波为一个相同的正弦波，逆变输出为两个SPWM波的叠加，等效两个半桥级联逆变电路后的交流电相加。这种方法的特点是：功率器件工作频率较低，能实现逆变输出载波的增频。由图可知：当调制度为1时，每个半桥级联逆变电路的输出等效交流电的峰峰值即等于其供电电源的电压值，则每个半桥级联逆变电路电压最大利用率为0.35，理想条件下，每增加一个半桥级联逆变电路，电压利用率即增加0.35。

Claims

1.一种自生成级联电源的多电平逆变电路，所述的逆变电路由多组半桥级联逆变电路连接而成，其特征为：在多组半桥级联逆变电路中的最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路的电源由输入直流电源供电，其余半桥级联逆变电路的电源均由最上一级或最下一级的半桥级联逆变电路的输入的直流电源间接供电。

2.根据权利要求1所述的自生成级联电源的多电平逆变电路，其特征为：所述上一个半桥级联逆变电路的电源滤波电容负极接至下一级半桥级联逆变电路的输出端，各相邻半桥级联逆变电路的电源滤波电容正极均连接有级联功率开关器件，最下一级的半桥级联逆变电路由输入直流电源直接供电。

3.根据权利要求1所述的自生成级联电源的多电平逆变电路，其特征为：所述下一个半桥级联逆变电路的电源滤波电容正极接至上一级半桥级联逆变电路的输出端，各相邻半桥级联逆变电路的电源滤波电容负极均连接有级联功率开关器件，最上一级的逆变半桥由输入直流电源直接供电。

4.根据权利要求2或3所述的自生成级联电源的多电平逆变电路，其特征为：所述的级联功率开关器件为电力电子开关器件或者二极管。