CN213461565U - 一种新型五电平逆变装置 - Google Patents

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Abstract

一种新型五电平逆变装置，属于电力电子逆变器的技术领域，包括直流电源、第一至第三电解电容、第一至第四电容、第一至第八绝缘栅双极晶体管和电感。本实用新型的一种新型五电平逆变装置，其拓扑结构所用电解电容数量少，没有钳位二极管，有中点续流模块，通过开关管两端并联电容，输出端连接电感，使得部分开关管及其反向并联的二极管在部分工作状态中实现了零电压或零电流导通和截至。本实用新型的优点在于结构简单新颖，控制高效方便，部分开关管实现了“软开关”的效果，从而在一定程度上消除或减少了开关损耗和电磁干扰，与公知的五电平拓扑结构相比，本实用新型更具实用价值。

Description

一种新型五电平逆变装置
技术领域
本实用新型属于电力电子逆变器的技术领域，具体涉及一种新型五电平逆变装置。
背景技术
随着科技的全面进步，电力电子技术和控制技术的日益提高，由电力电子器件为基础的各种装置被广泛应用于各个领域，人们对电力电子装置性能的要求也越来越高，其中包括大功率、耐高压、低谐波扰动的等一系列要求。多电平逆变装置的特点有功率大、开关频率低、输出谐波小、动态响应速度快、电磁兼容性好等，并且可以把由脉宽调制(简称PWM) 控制产生的高次谐波控制在可接受的范围内，被广泛应用于高压大容量电能变换中。对于如今较常见的多电平逆变结构来说其缺点也都显而易见，如二极管钳位型五电平逆变装置的二极管数目多、电容飞跨型五电平逆变装置控制复杂、H桥级联型五电平逆变装置需要独立的直流源，这些不便限制了五电平逆变装置在市场的投入与使用。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提出一种结构简单新颖、控制高效方便、开关损耗较低的新型五电平逆变装置以克服现有的五电平逆变装置在拓扑结构上的不足。
为实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：
一种新型五电平逆变装置，包括：直流电源E；第一至第三电解电容C1、C2、Cph；
用于并联的第一至第四电容C3、C4、C7、C8；第一至第八绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8；电感L1。直流电源E的正极端、第一电解电容C1的正极端连接第三绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极，第三绝缘栅双极晶体管IGBT3的两端并联第三电容C3，直流电源E的负极端、第二电解电容C2的负极端连接第四绝缘栅双极晶体管IGBT4的发射极，第四绝缘栅双极晶体管IGBT4的两端并联第四电容C4，第一电解电容C1的负极端、第二电解电容C2的正极端与第一绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极相连，第一绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极与第二绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极相连，第二绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极、第三绝缘栅双极晶体管IGBT3的发射极、第四绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极、第五绝缘栅双极晶体管IGBT5 的发射极与第六绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极相连，第五绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极、第七绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极连接第三电解电容Cph的正极端，第七绝缘栅双极晶体管IGBT7的两端并联第七电容C7，第六绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极、第八绝缘栅双极晶体管IGBT8的发射极连接第三电解电容Cph的负极端，第八绝缘栅双极晶体管IGBT8的两端并联第八电容C8，第七绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极、第八绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接A相的输出端。
作为优选的技术方案，所述绝缘栅双极晶体管是由两个以上绝缘栅双极晶体管串联而成。
作为优选的技术方案，所述电解电容由多个电解电容串联和/或并联而成。
作为优选的技术方案，所述电容由多个电解电容串联和/或并联而成。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果：
本实用新型的一种新型五电平逆变装置，容易实现五个电平电压的输出，拓扑结构简单、控制灵活，通过在输出端加入电感以及在开关管上并联电容使得部分开关管及其反向并联的二极管实现了在部分工作过程中的零电压或零电流导通和截至，也即“软开关”，从而一定程度上消除或减少了开关损耗和电磁干扰，在实际应用中存在很大价值。
附图说明
下面结合附图对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的A相拓扑结构图。
图2是本实用新型的三相拓扑结构图。
图中：E为直流电源，C1、C2、Cph为电解电容，C3、C4、C7、C8为并联电容，IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8为绝缘栅双极晶体管，L1为第一电感，A为电压输出端，B、C为电容Cph的正负端，D为第二、第三、第四、第五、第六开关管的公共端，F为零点。
具体实施方式：
下面参照附图对本实用新型做进一步描述。
实施例
如图1所示，一种五电平逆变装置，包括：直流电源E，三个电解电容C1、C2、Cph，四个并联电容C3、C4C7、C8，八个绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、 IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8，电感L1。直流电源E的正极端、电解电容C1的正极端连接绝缘栅双极晶体管IGBT3的集电极，绝缘栅双极晶体管IGBT3的两端并联电容C3，直流电源E的负极端、电解电容C2的负极端连接绝缘栅双极晶体管IGBT4的发射极，绝缘栅双极晶体管IGBT4的两端并联电容C4，电解电容C1的负极端、电解电容C2的正极端与绝缘栅双极晶体管IGBT1的集电极相连，绝缘栅双极晶体管IGBT1的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT2的发射极相连，绝缘栅双极晶体管IGBT2的集电极、绝缘栅双极晶体管 IGBT3的发射极、绝缘栅双极晶体管IGBT4的集电极、绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极与绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极相连，绝缘栅双极晶体管IGBT5的发射极、绝缘栅双极晶体管IGBT7的集电极连接电解电容Cph的正极端，绝缘栅双极晶体管IGBT7的两端并联电容C7，绝缘栅双极晶体管IGBT6的集电极、绝缘栅双极晶体管IGBT8的发射极连接电解电容Cph的负极端，绝缘栅双极晶体管IGBT8的两端并联电容C8，绝缘栅双极晶体管IGBT7的发射极、绝缘栅双极晶体管IGBT8的集电极连接电感L1的一端，电感L1的另一端连接A相的输出端。
通过控制不同绝缘栅双极晶体管IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6、IGBT7、IGBT8的导通与关断可以很容易实现五个电平电压的输出。
具体实施时，图1中每个绝缘栅双极晶体管也可以由两个或多个绝缘栅双极晶体管串联实现。每个电解电容也可以由多个电解电容串联实现或并联实现，再或者串联并联混合实现。每个绝缘栅双极晶体管也可由其他全控型器件替换使用，其他全控型器件包括集成门极换流晶闸管、门极可关断晶闸管、电力晶体管、电力场效应晶体管。
以输出交流电的正半周的部分为例：
逆变器输出电平在2E与E之间切换，当输出为2E时电流从正电压端流经第三开关管、第五开关管、第七开关管、电感L1和负载后流回中间电压端。由2E电平向E电平切换时，第七开关管需要关断，第八开关管在第七开关管关断后开始导通，由于此时第七开关管与电容C7并联，第七开关管的电压无法突变，第七开关管此时可以实现零电压关闭。当第七开关管关闭后，打开第八开关管，完成从2E电平到E电平的切换；当输出为E时流从正电压端流经第三开关管、第五开关管、电解电容Cph、第八开关管、电感L1和负载后流回中间电压端。由E电平向2E电平切换时，第八开关管需要关断，第七开关管在第八开关管关断后开始导通，由于此时第八开关管与电容C8并联，第八开关管的电压无法突变，第八开关管此时可以实现零电压关闭。当第八开关管关闭后，打开第七开关管，完成从2E电平到 E电平的切换，形成一种较低开关损耗的新模态的切换。
逆变器输出电平在E与0之间切换，当输出为E时电流从正电压端流经第三开关管、第五开关管、电解电容Cph、第八开关管、电感L1和负载后流回中间电压端。由E电平向 0电平切换时，先需要关断第三开关管，由于第三开关管与电容C3并联，电压无法突变，第三开关管此时可以实现零电压关闭。当第三开关管关闭后，再关断第五开关管，由于此时第五开关管无电流流过，故第五开关管属于零电流关断。当第五开关管关闭后，打开第六开关管。第三开关管关断后，电容C3逐渐充电，电容C4逐渐放电。当电容C3的两端电压被充电至一半母线电压时，也即电容C3和电容C 4中点D处的电压等于中间电压端F的电压时，第二二极管会自动导通，此时第二二极管为零电压导通，第一电感L1保持电流继续流动，同时第一电感L1中的电流慢慢变小。当第一电感L1中的电流减小至0时，此时第二二极管实现零电流关闭，电流继续通过第二开关管和第一二极管导通。当第一电感L1 中的电流减小到零后，会出现短暂的反向电流，在反向充电到预先设置好的值时，再关闭第二开关管，由于并联电容C3和C4的存在，第二开关管此时可以实现零电压关闭。当第二开关管关闭后，第一电感L1中的电流反向给电容C4充电，电容C3放电，当检测到电容 C3和电容C4中点处的电压等于中间电压端F的电压时，第一电感L1不再有电流通过后，此时先关闭第六开关管，由于第六开关管已无电流通过，故属于零电流关闭。这时再次开通第三开关管，此时第三开关管可以实现零电压开启，然后打开第五开关管，完成由0电平状态变回E电平状态的过程。
根据对偶原理，输出交流电负半周时，各个开关管动作变化过程与上述过程相似。综上所述，本发明实施例一提供的五电平逆变电路通过加入第一电感以及在第三、第四、第七、第八开关管上分别并联电容，使得部分开关管及其反向并联二极管实现了零电压或零电流的导通和截止，也即“软开关”，从而在一定程度上消除或减少了开关损耗和电磁干扰。
图2为本实用新型组成的逆变装置三相拓扑结构。
本实用新型的五电平逆变装置，所用电解电容数量少，没有钳位二极管，且每一相仅有一个电解电容，电路结构简单新颖，控制高效方便。与公知的五电平拓扑结构相比，本实用新型更具实用价值。

Claims (1)

1.一种新型五电平逆变装置，其特征在于，包括：
直流电源(E)的正极端、第一电解电容(C1)的正极端连接第三绝缘栅双极晶体管(IGBT3)的集电极，第三绝缘栅双极晶体管(IGBT3)的两端并联第三电容(C3)，直流电源(E)的负极端、第二电解电容(C2)的负极端连接第四绝缘栅双极晶体管(IGBT4)的发射极，第四绝缘栅双极晶体管(IGBT4)的两端并联第四电容(C4)，第一电解电容(C1)的负极端、第二电解电容(C2)的正极端与第一绝缘栅双极晶体管(IGBT1)的集电极相连，第一绝缘栅双极晶体管(IGBT1)的发射极与第二绝缘栅双极晶体管(IGBT2)的发射极相连，第二绝缘栅双极晶体管(IGBT2)的集电极、第三绝缘栅双极晶体管(IGBT3)的发射极、第四绝缘栅双极晶体管(IGBT4)的集电极、第五绝缘栅双极晶体管(IGBT5)的发射极与第六绝缘栅双极晶体管(IGBT6)的集电极相连，第五绝缘栅双极晶体管(IGBT5)的发射极、第七绝缘栅双极晶体管(IGBT7)的集电极连接第三电解电容(Cph)的正极端，第七绝缘栅双极晶体管(IGBT7)的两端并联第七电容(C7)，第六绝缘栅双极晶体管(IGBT6)的集电极、第八绝缘栅双极晶体管(IGBT8)的发射极连接第三电解电容(Cph)的负极端，第八绝缘栅双极晶体管(IGBT8)的两端并联第八电容(C8)，第七绝缘栅双极晶体管(IGBT7)的发射极、第八绝缘栅双极晶体管(IGBT8)的集电极连接电感(L1)的一端，电感(L1)的另一端连接A相的输出端。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117792134A (zh) * 2024-01-02 2024-03-29 江苏科曜能源科技有限公司 一种五电平储能拓扑电路及逆变器

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GR01 Patent grant
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Assignee: Xuzhou shengyulong Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Jiangsu Normal University

Contract record no.: X2022980019985

Denomination of utility model: A new five level inverter

Granted publication date: 20210615

License type: Common License

Record date: 20221104

EC01 Cancellation of recordation of patent licensing contract
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Assignee: Xuzhou shengyulong Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: Jiangsu Normal University

Contract record no.: X2022980019985

Date of cancellation: 20230625

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20210615