CN215072189U - 一种新型单相多电平逆变器及装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供了一种新型单相多电平逆变器及装置，包括：电平输出组件、与所述电平输出组件电气连接的场效应管组件；其中，所述场效应管组件包括所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管及第五开关管，其控制端用于连接控制器，所述电平输出组件用于并在直流电源的两端。以控制第一至第五开关管的开断，实现将直流电源逆变，同时输出高质量的波形和降低滤波装置的成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及逆变器领域，特别涉及一种新型单相多电平逆变器及装置。
背景技术
近年来，随着电压等级和功率等级的提升，单相多电平逆变器在现代大功率变流技术领域得到诸多应用。与传统单相两电平逆变器相比，单相多电平逆变器的电磁干扰和电压应力更小，谐波含量更低，输出波形更接近理想的正弦波。由于单相多电平逆变器输出电平级别的增加，逆变桥输出波形的谐波分量主要为高次谐波，对于高次谐波分量仅需要较小的滤波电感和滤波电容便可消除。因此单相多电平逆变器一方面减小了滤波装置的体积，另一方面也减小了实际运行中由滤波电感和滤波电容带来的相应损耗。单相多电平逆变器的基本原理是由不同输出电平组成的阶梯波来合成正弦波，这些输出电平基于特定的电路拓扑结构和相应的开关控制策略。目前来说，单相多电平逆变器主要采用以下三种逆变电路拓扑结构：飞跨电容型单相多电平逆变器，二极管钳位NPC型单相多电平逆变器，级联H桥型单相多电平逆变器。
然而，现有单相多电平逆变器电路拓扑结构复杂、不易控制。
有鉴于此，提出本申请。
实用新型内容
本实用新型公开了一种新型单相多电平逆变器及装置，至少部分解决了现有技术中所存在的不足。
本实用新型第一实施例提供了一种新型单相多电平逆变器，包括：电平输出组件、与所述电平输出组件电气连接的场效应管组件；
其中，所述场效应管组件包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、悬浮电容、二极管、及负载组件；
其中，所述第一开关管的第一端与所述电平输出组件的第一端电气连接，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端电气连接，所述第二开关管的第二端与所述第五开关管的第二端电气连接，所述第五开关管的第二端与所述第四开关管的第二端电气连接，所述第四开关管的第二端与所述电平输出组件的第二端电气连接，所述电平输出组件的中间端与所述第三开关管的第一端电气连接，所述第三开关管的第二端与所述二极管的正极电气连接，所述二极管的负极与所述第四开关管的第一端电气连接，所述二极管的正极通过所述悬浮电容与所述第五开关管的第一端电气连接，所述第五开关管的第一端通过所述负载组件与所述第二开关管的第一端电气连接；
其中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管及第五开关管的控制端用于连接控制器，所述电平输出组件用于并在直流电源的两端。
优选地，电平输出组件包括第一电容、第二电容；
其中，所述第一电容的第一端与所述直流电源的正极电气连接，所述第一电容的第二端通过所述第二电容与所述直流电源的负极电气连接。
优选地，所述第一电容的第一端与所述第一开关管的第一端电气连接，所述第一电容的第二端与所述第三开关管的第一端电气连接。
优选地，所述负载组件包括电阻、及电感；
所述第五开关管的第一端与所述电阻的第一端电气连接，所述电阻的第二端与通过所述电感与所述第二开关管的第一端电气连接。
优选地，所述第一电容和所述第二电容的值相同。
优选地，所述悬浮电容的值为所述直流电源的一半。
本实用新型第二实施例提供了一种装置，其特征在于，包括控制器、直流电源，及如上任意一项所述的一种新型单相多电平逆变器；
其中，所述直流电源并在所述电平输出组件的两侧，所述控制器的输出端与所述场效应管组件的控制端电气连接。
基于本实用新型提供的一种新型单相多电平逆变器及装置，通过所述控制器的输出端与所述场效应管组件中的控制端电气连接，以控制第一至第五开关管的开断，实现将直流电源逆变，同时输出高质量的波形和降低滤波装置的成本。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种新型单相多电平逆变器的电路拓扑原理图。
图2是本实用新型实施例提供的电路调制示意图；
图3是本实用新型实施例提供的开关管驱动信号示意图；
图4是本实用新型实施例提供的滤波前逆变电压输出曲线示意图；
图5是本实用新型实施例提供的滤波后逆变电压输出曲线示意图。
具体实施方式
为使本实用新型实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施方式中的附图，对本实用新型实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本实用新型一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施方式。基于本实用新型中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本实用新型保护的范围。
以下结合附图对本实用新型的具体实施例做详细说明。
本实用新型公开了一种新型单相多电平逆变器及装置，至少部分解决了现有技术中所存在的不足。
请参阅图1，本实用新型第一实施例提供了一种新型单相多电平逆变器，包括：电平输出组件、与所述电平输出组件电气连接的场效应管组件；
其中，所述场效应管组件包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、悬浮电容Cg、二极管D1、及负载组件Z；
其中，所述第一开关管S1的第一端与所述电平输出组件的第一端电气连接，所述第一开关管S1的第二端与所述第二开关管S2的第一端电气连接，所述第二开关管S2的第二端与所述第五开关管S5的第二端电气连接，所述第五开关管S5的第二端与所述第四开关管S4的第二端电气连接，所述第四开关管S4的第二端与所述电平输出组件的第二端电气连接，所述电平输出组件的中间端与所述第三开关管S3的第一端电气连接，所述第三开关管S3的第二端与所述二极管D1的正极电气连接，所述二极管D1的负极与所述第四开关管S4的第一端电气连接，所述二极管D1的正极通过所述悬浮电容Cg与所述第五开关管的第一端电气连接，所述第五开关管的第一端通过所述负载组件Z与所述第二开关管S2的第一端电气连接；
其中，所述第一开关管S1、所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4及第五开关管S5的控制端用于连接控制器，所述电平输出组件用于并在直流电源的两端。
在本实施例中，所述电平输出组件包括第一电容C1、第二电容C2；
其中，所述第一电容C1的第一端与所述直流电源的正极电气连接，所述第一电容C1的第二端通过所述第二电容C2与所述直流电源的负极电气连接。
在本实施例中，所述负载组件Z包括电阻、及电感；
所述第五开关管S5的第一端与所述电阻的第一端电气连接，所述电阻的第二端与通过所述电感与所述第二开关管S2的第一端电气连接。
在本实施例中，所述第一电容C1的第一端与所述第一开关管S1的第一端电气连接，所述第一电容C1的第二端与所述第三开关管S3的第一端电气连接。
需要说明的是，所述第一电容C1和所述第二电容C2的值可以是相同，其中，所述悬浮电容Cg的值可以为所述直流电源的一半，本实施例中，所述第一开关管S1导通时，所述负载组件ZA处的电位
所述第二开关管S2导通时，所述负载组件ZA处的电位
所述第三开关管S3导通时，所述负载组件ZB处的电位
所述第四开关管S4导通时，所述负载组件ZB处
所述第五开关管导通时，所述负载组件ZB处
逆变输出电压表达式如下：
式中，一共有5种电平的逆变输出电压：0，±0.5Udc，±Udc，这5种电平可通过控制开关管的通断得到。
本实用新型第二实施例提供了一种装置，其特征在于，包括控制器、直流电源，及如上任意一项所述的一种新型单相多电平逆变器；
其中，所述直流电源并在所述电平输出组件的两侧，所述控制器的输出端与所述场效应管组件的控制端电气连接。
具体地，在本实施例中，每个时刻只有两个开关管器件同时导通，当所述第一开关管S1和第三开关管S3同时导通时，逆变输出电平为0；当所述第一开关管S1和第四开关管S4同时导通时，逆变输出电平为+0.5Udc；当所述第一开关管S1和第五开关管同时导通时，逆变输出电平为+Udc；当所述第二开关管S2和第三开关管S3同时导通时，逆变输出电平为-Udc；当所述第二开关管S2和第五开关管同时导通时，逆变输出电平为0。
请参阅图2，本实施例中个，采用同相层叠载波调制方法进行电路调制，对于五电平逆变器，载波选用四个频率相位幅度相同且纵向各两层对称分布的三角波FF、F、T、TT，将其分别与同一个标准正弦调制波Vr进行比较，根据各自的比较结果输出五个不同的电平控制信号。
请参阅图3，由上述电平控制信号来控制相应的开关工作状态，进而逆变输出最终的电平。其具体控制过程如下：在调制波Vr的正半周期，当调制波Vr小于载波T,所述第一开关管S1、第三开关管S3导通输出电平0；当调制波Vr大于载波T小于载波TT，所述第一开关管S1、第四开关管S4导通输出电平+0.5Udc；当调制波Vr大于载波TT，所述第一开关管S1、第五开关管导通输出电平+Udc。在调制波Vr的负半周期，当调制波Vr大于载波F，所述第额开关管、第五开关管导通输出电平0；当调制波Vr大于载波FF小于载波F，所述第二开关管S2、第四开关管S4导通输出电平-0.5Udc；当调制波Vr小于载波FF，所述第二开关管S2、第三开关管S3导通输出电平-Udc。
下面以一个实施例介绍，直流电压源Udc＝400V,直流母线电容C1＝C2＝2000uF,悬浮电容CgCg＝1000uF,悬浮电容Cg的电压设置为200V,开关频率为8kHz，滤波前负载Z取纯阻性负载Z＝R＝100，滤波后负载Z取阻感性负载Z＝R+jXL,其中电阻取100Ω，电感取15mH。
请参阅图4，对不同的开关状态进行组合就可输出五种不同的电平(0,±200V,±400V),此时逆变输出电压波形的谐波畸变率较高，其谐波成分主要集中在高次谐波分量上。
请参阅图5，加入小电感滤波后的逆变输出电压波形已逼近标准正弦波，此时逆变输出电压波形谐波畸变率较低，经分析运算得到THD＝3.64％。
基于本实用新型提供的一种新型单相多电平逆变器及装置，通过所述控制器的输出端与所述场效应管组件中的控制端电气连接，以控制第一至第五开关管的开断，实现将直流电源逆变，同时输出高质量的波形和降低滤波装置的成本。
以上仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，包括：电平输出组件、与所述电平输出组件电气连接的场效应管组件；
其中，所述场效应管组件包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、悬浮电容、二极管、及负载组件；
其中，所述第一开关管的第一端与所述电平输出组件的第一端电气连接，所述第一开关管的第二端与所述第二开关管的第一端电气连接，所述第二开关管的第二端与所述第五开关管的第二端电气连接，所述第五开关管的第二端与所述第四开关管的第二端电气连接，所述第四开关管的第二端与所述电平输出组件的第二端电气连接，所述电平输出组件的中间端与所述第三开关管的第一端电气连接，所述第三开关管的第二端与所述二极管的正极电气连接，所述二极管的负极与所述第四开关管的第一端电气连接，所述二极管的正极通过所述悬浮电容与所述第五开关管的第一端电气连接，所述第五开关管的第一端通过所述负载组件与所述第二开关管的第一端电气连接；
其中，所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管及第五开关管的控制端用于连接控制器，所述电平输出组件用于并在直流电源的两端。
2.根据权利要求1所述的一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，电平输出组件包括第一电容、第二电容；
其中，所述第一电容的第一端与所述直流电源的正极电气连接，所述第一电容的第二端通过所述第二电容与所述直流电源的负极电气连接。
3.根据权利要求2所述的一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，所述第一电容的第一端与所述第一开关管的第一端电气连接，所述第一电容的第二端与所述第三开关管的第一端电气连接。
4.根据权利要求1所述的一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，所述负载组件包括电阻、及电感；
所述第五开关管的第一端与所述电阻的第一端电气连接，所述电阻的第二端与通过所述电感与所述第二开关管的第一端电气连接。
5.根据权利要求2所述的一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容的值相同。
6.根据权利要求1所述的一种新型单相多电平逆变器，其特征在于，所述悬浮电容的值为所述直流电源的一半。
7.一种装置，其特征在于，包括控制器、直流电源，及如权利要求1至6任意一项所述的一种新型单相多电平逆变器；
其中，所述直流电源并在所述电平输出组件的两侧，所述控制器的输出端与所述场效应管组件的控制端电气连接。
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