CN215990597U - 一种四倍升压五电平逆变器 - Google Patents

一种四倍升压五电平逆变器 Download PDF

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徐梦然
陈思哲
黎荣伟
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Abstract

本申请公开了一种四倍升压五电平逆变器，其中：直流电压源与二极管串联，连接点为第一节点，第一电容与第二开关管串联，连接点为第二节点，第一开关管两端分别接在第一节点和第二节点；第三开关管和第四开关管串联，连接点为第三节点，第二电容和第三电容串联，连接点为第四节点，第七开关管为双向开关管，其两端分别接在第三节点和第四节点；第五开关管在上支路，第六开关管在下支路；第八开关管和第九开关管串联，连接点为第五节点；输出端在第三节点和第五节点处引出。本申请克服现有功率密度较低的多级式连接方式，将直流升压电路和逆变电路集成为一个整体，提高了功率变换系统的功率密度和逆变增益，降低了电路的成本和减小了器件体积。

Description

一种四倍升压五电平逆变器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，更具体地，涉及一种四倍升压五电平逆变器。
背景技术
为推进碳中和，发电需采用清洁能源。光伏发电具有清洁性和可再生性等优点，近年来在电力系统中具有愈加重要的作用。
现有应用于光伏发电并网方案为多级式，为满足相关的电压和波形要求，直流升压电路和逆变电路作为独立个体分别对光伏进行功率变换，导致了系统整体的功率密度较低，不利于功率变换系统的小型化和轻型化设计。
相较于传统的两电平和三电平逆变器，五电平逆变器可使输出波形更接近正弦波，电压变化率更小，谐波含量更小，输出侧可采用体积更小的滤波器。然而，基于传统二极管中点钳位型拓扑和飞跨电容型拓扑的多电平逆变电路由于电路结构的限制，电容电压均衡控制成为一大难点，电路结构也会随电平数的增加而变得复杂；基于级联H桥型拓扑产生多电平需要用到多个独立的直流电源，增加了电路的物料成本。为解决此问题，现有大部分五电平逆变拓扑的设计可简化电路结构并将控制难度降维，但逆变升压倍数仅为二倍，难以适用于需要更高交流电压幅值的场景。
实用新型内容
本申请克服上述多级式设计功率密度较低，传统多电平逆变电路控制和电路结构复杂，以及现有五电平拓扑升压倍数低的问题，提出一种四倍升压五电平逆变器。本申请的技术方案如下：
一种四倍升压五电平逆变器，其特征在于，元件包括直流电压源、第一电容，第二电容、第三电容、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、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管和第十二极管，其中：
所述第一到第九二极管各自的阴极按序接于第一到第九开关管第一端，第一到第九二极管各自的阳极按序接于第一到第九开关管第二端，形成反并联连接方式；
所述直流电压源正端与第十二极管正端连接，连接点为第一节点，此两元件形成第一串联支路；
所述第一电容负端与第二开关管第二端连接，连接点为第二节点，此两元件形成第二串联支路；
所述第三开关管第一端和第四开关管第二端连接，连接点为第三节点，此两元件形成第三串联支路；
所述第二电容负端和第三电容正端连接，连接点为第四节点，此两元件形成第四串联支路；
所述第八开关管第一端和第九开关管第二端连接，连接点为第五节点，此两元件形成第五串联支路；
第一串联支路，第二串联支路和第三串联支路相并联，连接点为第六节点和第七节点；
第四串联支路和第五串联支路相并联，连接点为第八节点和第九节点；
第六节点和第八节点之间的支路为上支路，第七节点和第九节点之间的支路为下支路；
第一开关管第一端与第二节点相接，第二端与第一节点相接；
第五开关管位于上支路，其第一端与第六节点相接，第二端与第八节点相接；
第六开关管位于下支路，其第一端与第八节点相接，第二端与第七节点相接；
第七开关管为双向开关管，其第一端与第三节点相接，第四端与第七节点相接；
第一开关管第一端UA与第二节点相接，第二端UB与第一节点相接；
进一步地，前述的开关管采用N沟道型SIC-MOSFET管，N沟道型Coolmosfet管，IGBT管中任一种。
进一步地，前述的电容采用铝电解电容，钽电解电容中任一种。
进一步地，前述的直流电压源提供电压大小为Uin；该逆变器有六种工作模态，有最高为4倍直流电压源电压值的逆变增益，共可生成五种电平，五种电平分别为0Uin，+2Uin，+4Uin，-2Uin，-4Uin，各电平对应的模态分别为：
+0Uin电平模态：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第九开关管导通，其余开关管关断；第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第四开关管-第六开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin。
+2Uin电平模态：第一开关管、第三开关管、第六开关管、第七开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第三电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-第七开关管-第三电容-第六开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-UAB-第九开关管-第六开关管，此时输出电压为+2Uin。
+4Uin电平模态：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第五开关管-第三开关管-UAB-第九开关管，此时输出电压为+4Uin。
-0Uin电平模态：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第八开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三开关管-第五开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin。
-2Uin电平模态：第一开关管，第四开关管，第五开关管，第七开关管，第八开关管导通，其余开关关断；第二电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第二电容-第七开关管-第四开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第八开关管-UAB-第四开关管，此时输出电压为-2Uin。
-4Uin电平模态：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管导通，其余开关关断；第一电容充电回路直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第八开关管-UAB-第四开关管-第六开关管，此时输出电压为-4Uin。
与现有技术相比，本申请技术方案的有益效果是：
本申请针对多级式设计方案，传统多电平逆变拓扑，以及现有五电平拓扑带来的问题，提出一种四倍升压五电平逆变器。该逆变器解决了传统多电平逆变器电路结构复杂和控制困难的问题，并且各电容可自均压。由于集成电路的特性使得功率密度变高，逆变器体积也变得更小。由于该逆变器有更高的输出电压幅值，应用场景比大部分五电平逆变器更为广泛。
附图说明
图1为传统多级式升压逆变器作为功率变换系统的光伏并网示意图；
图2为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一的电路图；
图3为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在+0Uin电平模态工作情况示意图；
图4为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在+2Uin电平模态工作情况示意图；
图5为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在+4Uin电平模态工作情况示意图；
图6为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在-0Uin电平模态工作情况示意图；
图7为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在-2Uin电平模态工作情况示意图；
图8为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一处在-4Uin电平模态工作情况示意图；
图9为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施二的拓扑图；
图10为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施三的拓扑图；
图11为本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施四的拓扑图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，但是，本申请还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本申请的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
实施一
参考图2，其展示的是本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施一的电路图，该逆变器特征在于，元件包括直流电压源、第一电容，第二电容、第三电容、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、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管和第十二极管，其中：
所述第一到第九二极管各自的阴极按序接于第一到第九开关管第一端，第一到第九二极管各自的阳极按序接于第一到第九开关管第二端，形成反并联连接方式；
所述直流电压源正端与第十二极管正端连接，连接点为第一节点，此两元件形成第一串联支路；
所述第一电容负端与第二开关管第二端连接，连接点为第二节点，此两元件形成第二串联支路；
所述第三开关管第一端和第四开关管第二端连接，连接点为第三节点，此两元件形成第三串联支路；
所述第二电容负端和第三电容正端连接，连接点为第四节点，此两元件形成第四串联支路；
所述第八开关管第一端和第九开关管第二端连接，连接点为第五节点，此两元件形成第五串联支路；
第一串联支路，第二串联支路和第三串联支路相并联，连接点为第六节点和第七节点；
第四串联支路和第五串联支路相并联，连接点为第八节点和第九节点；
第六节点和第八节点之间的支路为上支路，第七节点和第九节点之间的支路为下支路；
第一开关管第一端UA与第二节点相接，第二端UB与第一节点相接；
第五开关管位于上支路，其第一端与第六节点相接，第二端与第八节点相接；
第六开关管位于下支路，其第一端与第八节点相接，第二端与第七节点相接；
第七开关管为双向开关管，其第一端与第三节点相接，第四端与第七节点相接；
第一开关管第一端UA与第二节点相接，第二端UB与第一节点相接；
进一步地，前述的开关管采用N沟道型SIC-MOSFET管，N沟道型Coolmosfet管，IGBT管中任一种。
进一步地，前述的电容采用铝电解电容，钽电解电容中任一种。
进一步地，前述的直流电压源提供电压大小为Uin；该逆变器有六种工作模态，有最高为4倍直流电压源电压值的逆变增益，共可生成五种电平，五种电平分别为0Uin，+2Uin，+4Uin，-2Uin，-4Uin，下面结合附图对所述的四倍升压五电平逆变电路的六种工作模态进行详细分析，其中：
参考图3，有+0Uin电平模态。在该模态下：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第九开关管导通，其余开关管关断；第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第四开关管-第六开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin。
参考图4，有+2Uin电平模态。在该模态下：第一开关管、第三开关管、第六开关管、第七开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第三电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-第七开关管-第三电容-第六开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-UAB-第九开关管-第六开关管，此时输出电压为+2Uin。
参考图5，有+4Uin电平模态。在该模态下：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第五开关管-第三开关管-UAB-第九开关管，此时输出电压为+4Uin。
参考图6，有-0Uin电平模态。在该模态下：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第八开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三开关管-第五开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin。
参考图7，有-2Uin电平模态。在该模态下：第一开关管，第四开关管，第五开关管，第七开关管，第八开关管导通，其余开关关断；第二电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第二电容-第七开关管-第四开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第八开关管-UAB-第四开关管，此时输出电压为-2Uin。
参考图8，有-4Uin电平模态。在该模态下：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管导通，其余开关关断；第一电容充电回路直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第八开关管-UAB-第四开关管-第六开关管，此时输出电压为-4Uin。
实施二
参考图9，其展示了本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施二的拓扑图，该实施例是基于实施一电路图进行拓扑而形成的四倍升压单相五电平逆变器拓扑。其中：
第一输出端UA作为输出端，第二输出端UB接地。
与第一输出端UA串联的是二阶滤波电路，二阶滤波电路包含一个滤波电感和一个滤波电容，负载并联于二阶滤波电路。
滤波电感第一端与输出端相连接，滤波电感第二端与滤波电容第一端相连接，形成负载第一节点，滤波电容第二端与负载第二节点相连接。
负载第二节与低五节点共地。
实施三
参考图10，其展示了本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施三的拓扑图，该实施例是基于实施一电路图进行拓扑而形成的四倍升压三相三桥臂五电平逆变器拓扑。在该实施例中，包含三个如实施一所述的四倍升压五电平逆变器拓扑电路，分别为第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑，其中：
第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑的第一节点相互连接，同时第七节点也相互连接。
第一节点和第七节点间只有一个直流电压源，其正端接在第一节点，负端接在第七节点。
第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑和第三桥臂拓扑的第五节点相互连接，并将其接地，同时，第七节点与第五接地共地。
第一桥臂拓扑的第三节点作为三相三桥臂电路输出端UA，第二桥臂拓扑的第三节点作为三相三桥臂电路输出端UB，第三桥臂拓扑的第三节点作为三相三桥臂电路输出端UC。
此电路拓扑可解决传统三相五电平逆变器电路结构复杂和电容均压困难的问题，同时可以使输出电压幅值更高，适用于更多的场景。
实施四
参考图11，其展示了本申请提出的一种四倍升压五电平逆变器实施四的拓扑图，该实施例是基于实施一电路图进行拓扑而形成的四倍升压三相四桥臂五电平逆变器拓扑。在该实施例中，包含三个如实施一所述的四倍升压五电平逆变器拓扑电路，分别为第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑和第四桥臂拓扑，其中：
第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑和第四桥臂拓扑的第一节点相互连接，同时第七节点也相互连接。
第一节点和第七节点间只有一个直流电压源，其正端接在第一节点，负端接在第七节点。
第一桥臂拓扑、第二桥臂拓扑、第三桥臂拓扑和第四桥臂拓扑的第五节点相互连接。
第一桥臂拓扑的第三节点作为三相四桥臂电路输出端UA，第二桥臂拓扑的第三节点作为三相四桥臂电路输出端UB，第三桥臂拓扑的第三节点作为三相四桥臂电路输出端UC，第四桥臂拓扑的第三节点作为三相四桥臂电路输出端UN。
此电路拓扑可解决传统三相五电平逆变器电路结构复杂和电容均压困难的问题，同时可以使输出电压幅值更高，适用于需要三相四线制的场景。
显然，本申请的上述实施例仅仅是为清楚地说明本申请所作的举例，而并非是对本申请的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种四倍升压五电平逆变器，其特征在于，元件包括直流电压源、第一电容，第二电容、第三电容、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、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第九开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管和第十二极管，其中：
所述第一到第九二极管各自的阴极按序接于第一到第九开关管第一端，第一到第九二极管各自的阳极按序接于第一到第九开关管第二端，形成反并联连接方式；
所述直流电压源正端与第十二极管正端连接，连接点为第一节点，此两元件形成第一串联支路；
所述第一电容负端与第二开关管第二端连接，连接点为第二节点，此两元件形成第二串联支路；
所述第三开关管第一端和第四开关管第二端连接，连接点为第三节点，此两元件形成第三串联支路；
所述第二电容负端和第三电容正端连接，连接点为第四节点，此两元件形成第四串联支路；
所述第八开关管第一端和第九开关管第二端连接，连接点为第五节点，此两元件形成第五串联支路；
第一串联支路，第二串联支路和第三串联支路相并联，连接点为第六节点和第七节点；
第四串联支路和第五串联支路相并联，连接点为第八节点和第九节点；
第六节点和第八节点之间的支路为上支路，第七节点和第九节点之间的支路为下支路；
第一开关管第一端与第二节点相接，第二端与第一节点相接；
第五开关管位于上支路，其第一端与第六节点相接，第二端与第八节点相接；
第六开关管位于下支路，其第一端与第八节点相接，第二端与第七节点相接；
第七开关管为双向开关管，其第一端与第三节点相接，第四端与第七节点相接；
第一开关管第一端UA与第二节点相接，第二端UB与第一节点相接。
2.根据权利要求1所述的四倍升压五电平逆变器，其特征在于：所述开关管采用N沟道型SIC-MOSFET管，N沟道型Coolmosfet管，IGBT管中任一种。
3.根据权利要求1所述的四倍升压五电平逆变器，其特征在于：所述电容采用铝电解电容，钽电解电容中任一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的四倍升压五电平逆变器，其特征在于：直流电压源提供电压大小为Uin；该逆变器有六种工作模态，有最高为4倍直流电压源电压值的逆变增益，共可生成五种电平，五种电平分别为0Uin，+2Uin，+4Uin，-2Uin，-4Uin，各电平对应的模态分别为：
+0Uin电平模态：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第九开关管导通，其余开关管关断；第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第四开关管-第六开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin；
+2Uin电平模态：第一开关管、第三开关管、第六开关管、第七开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第三电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-第七开关管-第三电容-第六开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第三开关管-UAB-第九开关管-第六开关管，此时输出电压为+2Uin；
+4Uin电平模态：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第九开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第五开关管-第三开关管-UAB-第九开关管，此时输出电压为+4Uin；
-0Uin电平模态：第二开关管、第三开关管、第五开关管、第八开关管导通，其余开关管关断，第一电容充电回路为直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三开关管-第五开关管-第八开关管-UAB，此时输出电压为0Uin；
-2Uin电平模态：第一开关管，第四开关管，第五开关管，第七开关管，第八开关管导通，其余开关关断；第二电容充电回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第二电容-第七开关管-第四开关管；负载回路为直流电压源-第一开关管-第一电容-第五开关管-第八开关管-UAB-第四开关管，此时输出电压为-2Uin；
-4Uin电平模态：第二开关管、第四开关管、第六开关管、第八开关管导通，其余开关关断；第一电容充电回路直流电压源-第十二极管-第一电容-第二开关管；负载回路为第三电容-第二电容-第八开关管-UAB-第四开关管-第六开关管，此时输出电压为-4Uin。
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