CN217935477U

CN217935477U - 一种不对称九电平混合桥式逆变器装置

Info

Publication number: CN217935477U
Application number: CN202123207155.7U
Authority: CN
Inventors: 李文娟; 周宇琦
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2021-12-20
Filing date: 2021-12-20
Publication date: 2022-11-29
Anticipated expiration: 2031-12-20

Abstract

本实用新型公开了一种不对称九电平混合桥式逆变器装置，主要包括七个开关管，十个二极管和两个DC电源。其中包括第一开关管S₁；第二开关管S₂，第三开关管S₃；第四开关管S₁’；第五开关管S₂’；第六开关管S₃’；第七开关管S₄’；二极管D₁；二极管D₂；二极管D₃，另外七个二极管分别与七个开关管并联；DC电源V_DC1；DC电源V_DC2。两个电源的电压比V_DC1：V_DC2为3：1。该不对称九电平混合桥式逆变器装置采用级联混合桥式结构设计多电平逆变器，用七个开关和两个DC电源产生九电平输出波形，取代传统的16开关4DC电源模式，减少了开关和电源数量的同时输出相同的多电平，减少了损耗与成本。同时降低电压应力。

Description

一种不对称九电平混合桥式逆变器装置

技术领域

本实用新型涉及多电平逆变器领域，具体涉及一种不对称九电平混合桥式逆变器装置。

背景技术

最近各种各样的来源，如光伏、燃料电池、风力涡轮机等。被用来发电。这种类型的电源需要电力转换技术，以便形成和调节所产生的电力来满足负载要求。功率转换最重要的部分是功率逆变器。逆变器最简单的拓扑是半桥逆变器，用于产生方波或脉宽调制输出波形。然而，多电平逆变器具有总谐波失真相对较低、电磁干扰较低的优点，而且MLI更有能力在中高额定功率下运行。一般来说，多电平逆变器(MLI)有三种常见的拓扑，第一种拓扑是自然点箝位，第二种拓扑是飞电容，最后一种拓扑是级联混合桥。

自然点箝位逆变器使用许多箝位二极管，其多电平输出电压电平增加。随着电平数量的增加，每次都需要计算该拓扑中的二极管反向额定电压。当逆变器电平较高时，投切电容器需要大量存储电容器，这导致非常复杂的逆变器控制。级联混合桥的组件数量较少。然而，级联混合桥式逆变器的主要缺点是DC源的数量随着输出电压电平的增加而增加。由于每个DC源需要一个混合桥接单元，并且每个单元由四个开关组成。因此，针对这一缺点，本实用新型提出了一种改进的非对称级联混合桥式逆变器，以减少逆变器电路中开关和电源的数量。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种不对称九电平混合桥式逆变器装置，利用改进的非对称级联混合桥式结构减少逆变器电路中开关和电源的数量，降低成本与损耗。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

本实用新型所提出的电路包括七个开关管，十个二极管和两个DC电源。其中包括第一开关管S₁；第二开关管S₂，第三开关管S₃；第四开关管S₁ ^’；第五开关管S₂ ^’；第六开关管S₃ ^’；第七开关管S₄ ^’；二极管D₁；二极管D₂；二极管D₃，另外七个二极管分别与七个开关管并联；DC电源V_DC1；DC电源V_DC2。

电源V_DC1输出侧正极与二极管D₂阴极及第四开关管S₁ ^’的集电极及第六开关管S₃ ^’的集电极相连，电源V_DC1输出侧负极与二极管D₃阴极及第一开关管S₁的集电极相连；

进一步地，电源V_DC2输出侧正极与第一开关管S₁发射极及二极管D₁阳极及二极管D₂阴极相连；电源V_DC2输出侧负极与第三开关管S₃的发射极及第二开关管S₂的集电极相连；

进一步地，二极管D₃阳极与第三开关管集电极相连；

进一步地，第二开关管S₂的发射极与二极管D₂阳极及第七开关管S₄ ^’发射极及第五开关管S₂ ^’发射极相连；

进一步地，负载R正极端与第四开关管S₁ ^’发射极及第七开关管S₄ ^’集电极相连；负载R负极端与第六开关管S₃ ^’发射极及第五开关管S₂ ^’集电极相连。

进一步地，所述开关管均采用绝缘栅双极性晶体管IGBT。

与现有技术相比，本实用新型电路具有的优势为：所提出的逆变器拓扑，采用级联混合桥式结构设计多电平逆变器，用七个开关和两个DC电源产生九电平输出波形，取代传统的16开关4DC电源模式，减少了开关和电源数量的同时输出相同的多电平，减少了损耗与成本同时开关数量的减少使得控制和实施更为简单，电压应力更低。

附图说明

图1是本实用新型电路结构图

图2-9为逆变器装置生成各级电平时实施方式图

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的描述。为了清楚和简明起见，省略了与本实用新型关系不大的其他细节。还需说明的一点是，以下若未有特别详细说明之过程或符号，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

本实用新型的电路结构如图1所示，为了方便对此电路进行分析，电路结构中的器件均视为理想器件。

图2-图9为此九电平逆变器在一个时间周期内的工作模态图。图2-5显示了逆变器正半周工作模式：图6-9显示了负半周工作模式，对于每种模式，黑色粗线代表电流的方向，每个模式都负责产生一个输出电平。若想输出零电平，则将所有开关管关闭。对应逆变器第一种工作模式，输出零电平。

对于图二，对应逆变器正半周期中的第一种工作模式，输出第一种正电平。开关管S₁、S₃、S₃ ^’、S₄ ^’关断；开关管S₂、S₁ ^’、S₂ ^’闭合，此时电流正向流过负载R，输出第一种正电平V₀＝V_DC2。

对于图三，对应逆变器正半周期中的第二种工作模式，输出第二种正电平。此时开关管S₁、S₂、S₃ ^’、S₄ ^’关断；开关管S₃、S₁ ^’、S₂ ^’闭合，此时输出第二种正电平 V₀＝V_DC1-V_DC2。

对于图四，对应逆变器正半周期中的第三种工作模式，输出第三种正电平。此时开关管S₂、S₃、S₃ ^’、S₄ ^’关断；开关管S₁、S₁ ^’、S₂ ^’闭合，此时输出第三种正电平 V₀＝V_DC1。

对于图五，对应逆变器正半周期中的第四种工作模式，输出第四种正电平。此时开关管S₃、S₃ ^’、S₄ ^’关断；开关管S₁、S₂、S₁ ^’、S₂ ^’闭合，此时输出第四种正电平 V₀＝V_DC1+V_DC2。

对于图六，对应逆变器正半周期中的第五种工作模式，负半周期的第一种工作模式，输出第一种负电平。此时开关管S₁、S₃、S₁ ^’、S₂ ^’关断；开关管S₂、S₃ ^’、S₄ ^’闭合，此时输出第一种负电平V₀＝-V_DC2。

对于图七，对应逆变器正半周期中的第六种工作模式，负半周期的第二种工作模式，输出第二种负电平。此时开关管S₁、S₂、S₁ ^’、S₂ ^’关断；开关管S₃、S₃ ^’、S₄ ^’闭合，此时输出第二种负电平V₀＝-(V_DC1-V_DC2)。

对于图八，对应逆变器正半周期中的第七种工作模式，负半周期的第三种工作模式，输出第二种负电平。此时开关管S₂、S₃、S₁ ^’、S₂ ^’关断；开关管S₁、S₃ ^’、S₄ ^’闭合，此时输出第三种负电平V₀＝-V_DC1。

对于图9，对应逆变器正半周期中的第八种工作模式，负半周期的第四种工作模式，输出第四种负电平。此时开关管S₃、S₁ ^’、S₂ ^’关断；开关管S₁、S₂、S₃ ^’、S₄ ^’闭合，此时输出第四种负电平V₀＝-(V_DC1+V_DC2)。

通过不同工作状态的开关通断状态可以看出，在两个半周期中，开关S₁、S₂、S₃的切换顺序相同。开关S₁ ^’、S₂ ^’与开关S₃ ^’、S₄ ^’可分为两组，在相反的周期运行。该新型拓扑结构使用较少的电源及开关产生九级电平输出，使得控制简单，电压应力随之变低，且由于开关器件的减少，输出电压总谐波失真方面也得到了优化。

Claims

1.一种不对称九电平混合桥式逆变器装置，其特征在于包括七个开关管，十个二极管和两个DC电源，其中，电源V_DC1输出侧正极与二极管D₂阴极及第四开关管S₁ ^’的集电极及第六开关管S₃ ^’的集电极相连，电源V_DC1输出侧负极与二极管D₃阴极及第一开关管S₁的集电极相连；电源V_DC2输出侧正极与第一开关管S₁发射极及二极管D₁阳极及二极管D₂阴极相连；电源V_DC2输出侧负极与第三开关管S₃的发射极及第二开关管S₂的集电极相连；二极管D₃阳极与第三开关管集电极相连；第二开关管S₂的发射极与二极管D₂阳极及第七开关管S₄ ^’发射极及第五开关管S₂ ^’发射极相连；负载R正极端与第四开关管S₁ ^’发射极及第七开关管S₄ ^’集电极相连；负载R负极端与第六开关管S₃ ^’发射极及第五开关管S₂ ^’集电极相连。

2.根据权利要求1所述一种不对称九电平混合桥式逆变器装置，其特征在于，装置采用级联混合桥式结构，需要两个DC电源。

3.根据权利要求1所述一种不对称九电平混合桥式逆变器装置，其特征在于，仅使用七个单向功率开关。