RU2555744C2 - Многоуровневый инвертор - Google Patents

Многоуровневый инвертор Download PDF

Info

Publication number
RU2555744C2
RU2555744C2 RU2012146369/07A RU2012146369A RU2555744C2 RU 2555744 C2 RU2555744 C2 RU 2555744C2 RU 2012146369/07 A RU2012146369/07 A RU 2012146369/07A RU 2012146369 A RU2012146369 A RU 2012146369A RU 2555744 C2 RU2555744 C2 RU 2555744C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
switching elements
switching
elements
closed
output
Prior art date
Application number
RU2012146369/07A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2012146369A (ru
Inventor
Поль БЛЕУС
Тьерри ЙОАННЕС
Франсуа МИЛЬСТЕН
Original Assignee
Се+Т
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Се+Т filed Critical Се+Т
Publication of RU2012146369A publication Critical patent/RU2012146369A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2555744C2 publication Critical patent/RU2555744C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H02M7/487—Neutral point clamped inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/505—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means
    • H02M7/515—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a thyratron or thyristor type requiring extinguishing means using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Abstract

Многоуровневый преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащий три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для приема, соответственно, трех напряжений (V1, V2, V3), так что V1>V2>V3, один выход (OUT1) переменного тока для передачи напряжения (Va) переменного тока, группу по меньшей мере из шести переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6), расположенных в виде симметричной пирамидальной схемы, как показано на Фиг.1, и схему управления переключением для управления состояниями «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов. Схема управления переключением конфигурирована так, что замыкание (ON) и размыкание (OFF) двух верхних по схеме переключающих элементов (Т5, Т6) осуществляется комплементарным образом и исключительно с основной частотой (Fa) напряжения переменного тока, передаваемого на выход (OUT1) переменного тока, тогда как замыкание (ON) и размыкание (OFF) по меньшей мере некоторых из остальных четырех переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4) осуществляется с более высокими частотами. Следовательно, указанные два верхних по схеме переключающих элемента (Т5, Т6) вносят меньшие потери на переключение, что увеличивает общую эффективность преобразователя.3 н. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

Description

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к преобразователям энергии постоянного тока в переменный ток, иногда именуемым также инверторами. Более конкретно, настоящее изобретение относится к инверторному модулю, содержащему:
- три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для получения, соответственно, первого (V1), второго (V2) и третьего (V3) напряжений постоянного тока, так что V1>V2>V3,
- первый (Т1), второй (Т2), третий (Т3) и четвертый (Т4) переключающие элементы, соединенные последовательно между первым (IN1) и третьим (IN3) входами постоянного тока, а второй вход (IN2) постоянного тока соединен с точкой последовательного соединения между вторым (Т2) и третьим (Т3) переключающими элементами,
- пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы, соединенные последовательно между точкой последовательного соединения между первым (Т1) и вторым (Т2) переключающими элементами с одной стороны и точкой последовательного соединения между третьим (Т3) и четвертым (Т4) переключающими элементами с другой стороны,
- выход (OUT1) переменного тока, соединенный с точкой последовательного соединения между пятым (Т5) и шестым (Т6) переключающими элементами, для передачи на выход напряжения переменного тока (Va) относительно второго входа (IN2) постоянного тока, и
- схему управления переключением для управления состоянием «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) этих шести переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6).
Уровень техники
Такие инверторные модули хорошо известны в технике. Их иногда называют «многоуровневые инверторы с фиксированной нейтралью». Главное преимущество таким инверторов состоит в том, что благодаря использованию нескольких (больше двух) входных напряжений постоянного тока, конкретной схемы соединения переключающих элементов и конкретного алгоритма управления этими переключающими элементами, средние и высокие входные напряжения постоянного тока можно преобразовывать в переменное напряжение без того, чтобы какому-нибудь отдельному из переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6) приходилось выдерживать такие средние и высокие напряжения постоянного тока в какой-либо момент времени.
Обобщенный инвертор такого типа описал Фанг З. Пенг в статье «Топология обобщенного многоуровневого инвертора с самобалансировкой напряжений» (Fang Z. Peng, "A generalized multilevel inverter topology with self voltage balancing" (IEEE Trans. Ind. Applicat, vol.37, pp.611-618, Mar./Apr. 2001)). В этом документе описан пример трехуровневого инверторного модуля, конфигурация (топология) схемы которого, с точки зрения переключателей является такой же, как топология инверторного модуля согласно настоящему изобретению.
Хотя такие известные инверторные модули работают хорошо, есть необходимость повысить общую эффективность этих модулей при преобразовании энергии постоянного тока в энергию переменного тока.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретения является создание инверторного модуля, обладающего более высокой общей эффективностью по сравнению с известными инверторными модулями.
С этой целью инверторный модуль согласно настоящему изобретению отличается тем, что схема управления переключением конфигурирована таким образом, что:
- для передачи на выход (OUT1) переменного тока положительной полуволны напряжения переменного тока переключающие элементы ТЗ и Т4 и Т6 все переключают в разомкнутое (OFF) состояние, элемент Т5 переключают в замкнутое (ON) состояние, а элементы Т1 и Т2 переключают несколько раз в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояния комплементарным образом,
и таким образом, что
- для передачи на выход (OUT1) переменного тока отрицательной полуволны напряжения переменного тока переключающие элементы Т1 и Т2 и Т5 все переключают в разомкнутое (OFF) состояние, элемент Т6 переключают в замкнутое (ON) состояние, а элементы Т3 и Т4 переключают несколько раз в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояния комплементарным образом.
Действительно, когда такой инверторный модуль используют для преобразования входного напряжения постоянного тока в выходное напряжение переменного тока, переключение элемента Т5 в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояние происходит только один раз за время одного полного периода выходного напряжения переменного тока, тогда как в известных инверторных модулях элемент Т5 переключается в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояние несколько раз за время этого же периода (обычно очень большое число раз). То же самое имеет место для элемента Т6.
Другими словами, в инверторном модуле согласно настоящему изобретению элементы Т5 и Т6 исключительно переключаются в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояние с основной частотой (частота первого порядка), подлежащей передаче на выход переменного тока, тогда как в известных инверторных модулях, элементы Т5 и Т6 регулярно переключаются в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) с (гораздо) более высокими частотами.
Следовательно, потери переключения в переключающих элементах Т5 и Т6 оказываются уменьшены по сравнению с известными инверторами. Такое решение, таким образом, вносит вклад в увеличение общей эффективности инверторного модуля по сравнению с известными модулями.
Предпочтительно, инверторный модуль согласно настоящему изобретению отличается тем, что первый, второй, третий и четвертый переключающие элементы (Т1, Т2, Т3, Т4) представляют собой полупроводниковые приборы с первыми техническими характеристиками, а пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы представляют собой полупроводниковые приборы с вторыми техническими характеристиками, отличными от первых технических характеристик.
Благодаря использованию полупроводниковых приборов разных типов для элементов Т5 и Т6 с одной стороны и для элементов Т1, Т2, Т3 и Т4 с другой стороны (т.е. приборов с разными техническими характеристиками, как показано в соответствующих справочных листках), можно действительно выбрать приборы, оптимизированных для конкретной частоты переключения.
Более предпочтительно, инверторный модуль согласно настоящему изобретению отличается тем, что каждый из переключающих элементов - пятый (Т5) и шестой (Т6), вносит меньшие потери за счет собственной проводимости, чем потери за счет собственной проводимости в каждом из остальных переключающих элементов - первом (Т1), втором (Т2), третьем (Т3) и четвертом (Т4).
Под «потерями за счет собственной проводимости» следует понимать потери в собственной проводимости полупроводниковых приборов, как таковых (т.е. потери, рассчитываемые на основе технических характеристик приборов, приведенных в соответствующих справочных листках).
Следовательно, потери за счет собственной проводимости элементов Т5 и Т6 оказываются уменьшены, что способствует еще большему повышению общей эффективности инверторного модуля по сравнению с известными модулями.
Краткое описание чертежей
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут рассмотрены более подробно на примерах и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1 схематично показывает инверторный модуль согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 показывает таблицу переключений для инверторного модуля, представленного на Фиг.1;
Фиг.3 показывают типовые формы сигналов управления и выходного напряжения инверторного модуля, представленного на Фиг.1;
Фиг.4 показывает пример варианта инверторного модуля, представленного на Фиг.1;
Фиг.5 показывает пример варианта применения инверторного модуля, представленного на Фиг.4;
Фиг.6 схематично показывает пятиуровневый инвертор согласно настоящему изобретению;
Фиг.7 показывают типовые формы сигналов управления и выходного напряжения пятиуровневого инвертора, представленного на Фиг.6;
Фиг.8 схематично показывает девятиуровневый инвертор согласно настоящему изобретению;
Фиг.9 схематично показывает трехуровневый трехфазный инвертор согласно настоящему изобретению;
Чертежи выполнены не в масштабе. В общем случае, идентичные компоненты обозначены на чертежах одинаковыми цифрами.
Осуществление изобретения
Фиг.1 представляет собой блок-схему, показывающую инверторный модуль согласно настоящему изобретению. Он содержит шесть переключающих элементов (T1-Т6), соединенных, как показано на схеме, три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для приема трех напряжений (VI, V2, V3) постоянного тока, соответственно, так что V1>V2>V3, выход (OUT1) для напряжения (Va) переменного тока и схему управления переключением, которая управляет состояниями «замкнуто »/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов (T1-Т6) по линиям (СТ1-СТ6) управления переключением, передающим сигналы (С1-С6) управления переключением.
Такая топология схемы хорошо известна, так что она не будет в дальнейшем здесь рассматриваться подробно.
Здесь же интересен способ управления состояниями «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) переключающих элементов посредством схемы управления переключением.
Для этого на Фиг.2 показана таблица переключений для инверторного модуля, изображенного на Фиг.1, согласно настоящему изобретению.
Эта таблица показывает, как схема управления переключением устанавливает состояния «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов в зависимости от того, какое из напряжений - V1, V2 или V3, должно быть передано на выход (OUT1) переменного тока. Более того, две средние строки таблицы показывают ситуации, когда напряжение на выходе переменного тока должно изменяться между V1 и V2 и когда напряжение на выходе переменного тока должно изменяться между V2 и V3. Логическая 1 в таблице соответствует состоянию «замкнуто» (ON) переключающего элемента, тогда как логический 0 соответствует состоянию «разомкнуто» (OFF) переключающего элемента.
Из этой таблицы, например, легко видно, что для установления напряжения на выходе переменного тока по существу на уровне V1 оба элемента Т5 и Т1 должны быть замкнуты (ON), тогда как элементы Т2, Т3, Т4 и Т6 должны быть разомкнуты (OFF). Для перевода напряжения на выходе переменного тока по существу от уровня V1 на уровень V2 элемент Т5 остается замкнут (ON), элемент Т1 размыкают (OFF), элемент Т2 замыкают (ON), тогда как элементы Т3, Т4 и Т6 остаются разомкнуты (OFF).
Генерация положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения переменного тока происходит в соответствии с правилами переключения, приведенными в этой таблице.
Более того:
- для генерации положительной полуволны напряжения на выходе (OUT1) переменного тока относительно второго входа (IN2) постоянного тока, элемент Т5 замыкают (ON), элементы Т1 и Т2 замыкают (ON) и размыкают (OFF) несколько раз комплементарным образом (т.е. если элемент Т1 замкнут (ON), элемент Т2 разомкнут (OFF), и наоборот), тогда как элементы Т3, Т4 и Т6 остаются разомкнуты (OFF),
и
- для генерации отрицательной полуволны напряжения на выходе (OUT1) переменного тока относительно второго входа (IN2) постоянного тока элемент Т6 замыкают (ON), элементы Т3 и Т4 замыкают (ON) и размыкают (OFF) несколько раз комплементарным образом (т.е. если элемент ТЗ замкнут (ON), элемент Т4 разомкнут (OFF), и наоборот), тогда как элементы Т1, Т2 и Т5 остаются разомкнуты (OFF). Следовательно, в течение одного полного периода (Та=1/Fa) напряжения (Va) переменного тока элемент Т5 переключают в состояния «замкнуто» (ON) и «разомкнуто» (OFF) только один раз и элемент Т6 переключают в состояния «замкнуто» (ON) и «разомкнуто» (OFF) только один раз, тогда как каждый из элементов Т1, Т2, Т3 и Т4 переключают в состояния «замкнуто» (ON) и «разомкнуто» (OFF) несколько раз.
Предпочтительно, V2=(V1-V3)/2, так что положительная и отрицательная полуволны напряжения (Va) переменного тока на выходе переменного тока симметричны.
На Фиг.3 показаны примеры форм сигналов управления переключением (СТ1-СТ6), генерируемых схемой управления переключением, и полученного в результате напряжения (Va) переменного тока на выходе (OUT1) переменного тока в инверторном модуле, представленном на Фиг.1, при управлении согласно настоящему изобретению.
На этом чертеже напряжение Va показано относительно напряжения V2 (обозначено Va2), поскольку выходное напряжение переменного тока получают между точками OUT1 и EN2.
Формы сигналов показаны только для первого полного периода (Та=1/Fa) напряжения Va. Последующие периоды могут быть такими же или могут отличаться от первого полного периода в зависимости от того, должно ли напряжение Va быть периодическим.
Предпочтительно, все периоды являются по существу идентичными.
Положительная полуволна (когда Va выше V2) не обязательно должна иметь такую же продолжительность во времени (Та/2), как и отрицательная полуволна (когда Va ниже V2): она может охватывать более длинный (>Та/2) или более короткий (<Та/2) период времени в зависимости от нужной формы напряжения Va.
Необходимо также понимать, что на практике схема управления переключением может вставить короткий отрезок «мертвого» времени между сигналами управления переключением, чтобы два переключающих элемента в комплементарной паре (Т1/Т2, Т3/Т4, Т5/Т6) могли быть оба замкнуты (ON) или оба разомкнуты (OFF) в течение небольшого промежутка времени в ходе переходного процесса, не выходя при этом за рамки объема настоящего изобретения.
В этом примере элемент Т1 замыкают (ON) и размыкают (OFF) три раза в течение положительной полуволны, а элемент Т3 замыкают (ON) и размыкают (OFF) три раза в течение отрицательной полуволны.
Предпочтительно, схема управления переключением замыкает (ON) и размыкает (OFF) элемент T1 и/или элемент Т3 с частотами намного выше нужной основной частоты (Fa=1/Та)) напряжения Va переменного тока на выходе переменного тока, поскольку это позволяет использовать на выходе переменного тока фильтрующие устройства меньшего размера (например, с меньшей индуктивностью L1, показанной на Фиг.5).
Основная частота (Fa) выходного напряжения переменного тока может обычно находиться в пределах от 1 Гц до 1 кГц, тогда как элемент T1 и/или элемент Т3 могут обычно замыкаться (ON) и размыкаться (OFF) с частотой в пределах от 1 кГц до 500 кГц. Например, элемент T1 и/или элемент ТЗ можно замыкать (ON) и размыкать (OFF) с частотой 15 кГц для получения основной частоты (Fa) выходного напряжения переменного тока, равной 50.
Более того, элемент T1 и/или элемент Т можно замыкать (ON) и размыкать (OFF) в соответствии с хорошо известными алгоритмами широтно-импульсной модуляции (ШИМ (PWM)) или каким-либо другими подходящим способом.
В качестве переключающих элементов предпочтительно используют активно управляемые полупроводниковые прибора, например транзисторного типа или тиристорного типа.
Предпочтительно, полупроводниковые приборы, выбираемые для элементов T1, Т2, Т3 и Т4, отличаются от полупроводниковых приборов, выбираемых для элементов Т5 и Т6. Можно, например, выбрать для использования следующие сочетания полупроводниковых приборов:
T1, Т2, Т3, Т4: Биполярные транзисторы с изолированными затворами (БТИЗ (IGBT)) первого типа, и
Т5, Т6: Биполярные транзисторы с изолированными затворами (БТИЗ (IGBT)) второго типа, отличного от первого типа (согласно справочным данным);
или
T1, Т2, Т3, Т4: Биполярные транзисторы с изолированными затворами (БТИЗ)
Т5, Т6: Тиристоры с интегрированным управлением (Integrated Gate Commutated Thyristors (IGCT)),
или
T1, T2, T3, T4: МОП-транзисторы (MOSFET), и
Т5, Т6: Тиристоры с интегрированным управлением (IGCT),
или
T1, Т2, Т3, Т4: Тиристоры с интегрированным управлением (IGCT), и
Т5, Т6: Запираемые тиристоры (Gate Turn Off Thyristor (GTO)).
На Фиг.4 показан пример варианта инверторного модуля с использованием биполярных транзисторов с изолированным затвором (БТИЗ (IGBT)), где для каждого БТИЗ (элементы Т1-Т6) дополнительно введен безинерционный диод (D1-D6), присоединенный антипараллельно своему БТИЗ.
Предпочтительно, полупроводниковые приборы, используемые в качестве элементов Т5 и Т6, имеют меньшие потери за счет собственной проводимости, чем приборы, используемые в качестве элементов Т1, Т2, Т3 и Т4. Как хорошо известно специалистам, потери в полупроводниковом приборе зависят главным образом от падения напряжения на приборе в прямом направлении и от сопротивления прибора в открытом состоянии - оба параметра обычно указывают в справочном листке технических характеристик прибора. Способы расчета или измерения потерь за счет проводимости в полупроводниковом приборе также хорошо известны.
Наиболее предпочтительно, элементы Т1, Т2, Т3 и Т4 представляют собой приборы транзисторного типа, такие как БТИЗ (IGBT), например, тогда как элементы Т5 и Т6 представляют собой приборы тиристорного типа, такие как тиристоры с интегрированным управлением (IGCT), например.
Фиг.5 показывает пример варианта применения инверторного модуля, представленного на Фиг.4. В этом примере к входам постоянного тока инверторного модуля присоединены два аккумулятора (B1, B2) и два параллельных буферных конденсатора (C1, C2), как показано на схеме, для подачи трех напряжений (V1, V2, V3) постоянного тока. С выходом (OUT1) переменного напряжения соединен фильтр нижних частот (L1, С3) для подавления высокочастотных составляющих напряжения Va переменного тока с применением хорошо известных способов фильтрации. Для большей ясности схема управления переключением на этом чертеже не показана.
Между выходом (OUT2) фильтра нижних частот и вторым входом (IN2) постоянного тока присоединена нагрузка (Z) по переменному току.
Следовательно, когда такая система работает, напряжение постоянного тока от аккумуляторов будет, например, преобразовано в по существу синусоидальное напряжение (VAC) переменного тока относительно потенциала V2(=VN).
На Фиг.6 схематично показан пятиуровневый инвертор согласно настоящему изобретению. Для большей ясности схема управления переключением и линии управления переключением на этом чертеже не показаны, но необходимо понимать, что эти схема и линии аналогичны схеме и линиям, показанным на Фиг.1, т.е. линия Ci управления переключением управляет замыканием/размыканием (ON/OFF) элемента Ti, a сигнал CTi управления переключением представляет собой сигнал, передаваемый схемой управления переключением в линию Ci управления переключением. Следует также отметить, что отрезки штриховых линий, показанные на Фиг.6, обозначают не электрические соединения, а топологические оси симметрии.
Такой пятиуровневый инвертор содержит два трехуровневых инверторных модуля MOD-A1, MOD-A2), так что каждый из этих двух модулей представляет собой базовый трехуровневый модуль (MOD-A), спроектированный и управляемый, как описано выше. Третий вход постоянного тока первого инверторного модуля (MOD-A1) соединен с первым входом постоянного тока второго инверторного модуля (MOD-A2), так что инвертор имеет пять входов постоянного тока для приема, соответственно, пяти напряжений постоянного тока (V1-V5), причем V1>V2>V3>V4>V5.
Предпочтительно, V3-(V1+V5)/2, V2=(V1+V3)/2 и V4=(V3+V5)/2.
Более того, два дополнительных переключающих элемента (Т13, Т14) соединены последовательно между первым выходом (OUT-A1) переменного тока первого инверторного модуля (MOD-A1) и вторым выходом (OUT-A2) переменного тока второго инверторного модуля (MOD-A2), так что средняя точка между элементами Т13 и Т14 представляет собой выход (OUT1) переменного тока от этого инвертора.
Для генерации положительной полуволны напряжения на выходе (OUT1) переменного тока относительно третьего входа постоянного тока (т.е. относительно потенциала V3) элемент Т13 замыкают (ON), тогда как элемент Т14, равно как и элементы Т11, Т12, Т5, Т6, Т7 и Т8 размыкают (OFF), и тогда как элементы Т9, Т10, Т1, Т2, Т3 и Т4 замыкают (ON) и размыкают (OFF) в соответствии со схемой, показанной на Фиг.2 и Фиг.3, для передачи напряжения V1 или V2 или V3 на выход переменного тока.
Для генерации отрицательной полуволны напряжения на выходе (OUT1) переменного тока относительно третьего входа постоянного тока (т.е. относительно потенциала V3) элемент Т14 замыкают (ON), тогда как элемент Т13, равно как и элементы Т9, Т10, Т1, Т2, Т3 и Т4 размыкают (OFF), и тогда как элементы Т11, Т12, Т5, Т6, Т7 и Т8 замыкают (ON) и размыкают (OFF) в соответствии со схемой, показанной на Фиг.2 и Фиг.3, для передачи напряжения V3 или V4 или V5 на выход переменного тока.
На Фиг.7 показаны примеры форм сигналов управления переключением (СТ1-СТ14) и полученного в результате напряжения (Va) переменного тока на выходе (OUT1) переменного тока в пятиуровневом инверторе, представленном на Фиг.6, при управлении согласно настоящему изобретению.
Теперь специалисту должно быть также ясно, как построить и управлять многоуровневыми инверторами, имеющими 2n+1 (два в степени "n" плюс один) уровней, где n=1, 2, 3, 4, …. Таким образом, настоящее изобретение относится к любому и ко всем таким многоуровневым инверторам.
Пример схемы девятиуровневого инвертора (n=3), содержащего два пятиуровневых инвертора (MOD-B1, MOD-B2), как описано выше, показан на Фиг.8.
На Фиг.9 схематично показан трехуровневый трехфазный инвертор согласно настоящему изобретению. Он содержит три инверторных модуля (MOD-A1, MOD-A2, MOD-A3), составляющих три фазных плеча, каждый модуль представляет собой один из модулей (MOD-A), описанных выше. Первые входы (V11, V12, V13) постоянного тока и третьи входы (V31, V32, V33) постоянного тока каждого модуля соединены с соответствующими шинами напряжения (V+, V-) постоянного тока, как показано на схеме, тогда как вторые входы (V21, V22, V23) постоянного тока каждого модуля соединены со средней точкой банка (С, С) конденсаторов, как показано на схеме. Если сигналы управления переключением (не показаны) сдвинуты по фазе на 120 градусов для каждого из трех инверторных модулей (т.е. для каждого фазного плеча) на выходы переменного тока будет поступать трехфазное напряжение (Va1, Va2, Va3) переменного тока, эквивалентной нейтральной точкой (Vo) для которого является средняя точка указанного банка конденсаторов.
Настоящее изобретение было описано на примерах конкретных вариантов, которые иллюстрируют изобретение и которые не следует толковать как ограничения. В более общем смысле, специалисты в рассматриваемой области должны понимать, что настоящее изобретение не ограничивается тем, что конкретно было показано и/или рассмотрено выше. Изобретение заключается в каждом и во всех новых характерных признаках и в каждом и во всех сочетаниях характерных признаков.
Цифровые обозначения в Формуле изобретения не ограничивают объема защиты этой формулы.
Применение глаголов «содержать», «включать», «состоять из» или любых других вариантов, равно как и соответствующих сопряженных слов не исключает присутствия элементов, отличных от указанных здесь.
Применение артикля "a", "an" или "the" перед наименованием элемента не исключает присутствия нескольких таких элементов.
Резюмируя, настоящее изобретение может быть также описано следующим образом:
многоуровневый преобразователь энергии постоянного тока в энергию переменного тока, содержащий три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для приема, соответственно трех напряжений (VI, V2, V3), так что V1>V2>V3, один выход (OUT1) переменного тока для передачи напряжения (Va) переменного тока, группу по меньшей мере из шести переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6), расположенных в виде симметричной пирамидальной схемы, как показано на Фиг.1, и схему управления переключением для управления состояниями «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов. Схема управления переключением конфигурирована так, что замыкание (ON) и размыкание (OFF) двух верхних по схеме переключающих элементов (Т5, Т6) осуществляется комплементарным образом и исключительно с основной частотой (Fa) напряжения переменного тока, передаваемого на выход (OUT1) переменного тока, тогда как замыкание (ON) и размыкание (OFF) по меньшей мере некоторых из остальных четырех переключающих элементов (T1, T2, Т3, Т4) осуществляется с более высокими частотами. Следовательно, указанные два верхних по схеме переключающих элемента (Т5, Т6) вносят меньшие потери на переключение, что увеличивает общую эффективность преобразователя.

Claims (6)

1. Инверторный модуль, содержащий
три входа (IN1, IN2, IN3) постоянного тока для получения, соответственно, первого (V1), второго (V2) и третьего (V3) напряжений постоянного тока, причем V1>V2>V3;
первый (Т1), второй (Т2), третий (Т3) и четвертый (Т4) переключающие элементы, подключенные последовательно между первым (IN1) и третьим (IN3) входами постоянного тока, при этом второй вход (IN2) постоянного тока соединен с точкой последовательного соединения между вторым (Т2) и третьим (Т3) переключающими элементами;
пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы, подключенные последовательно между точкой последовательного соединения между первым (Т1) и вторым (Т2) переключающими элементами с одной стороны и точкой последовательного соединения между третьим (Т3) и четвертым (Т4) переключающими элементами с другой стороны;
выход (OUT1) переменного тока, соединенный с точкой последовательного соединения между пятым (Т5) и шестым (Т6) переключающими элементами, для передачи на выход напряжения (Va) переменного тока относительно второго входа (IN2) постоянного тока;
схему управления переключением для управления состоянием «замкнуто»/«разомкнуто» (ON/OFF) каждого из шести переключающих элементов (Т1, Т2, Т3, Т4, Т5, Т6),
отличающийся тем, что схема управления переключением конфигурирована таким образом, что:
для передачи на выход (OUT1) переменного тока положительной полуволны напряжения переменного тока все переключающие элементы Т3 и Т4 и Т6 переключаются в разомкнутое (OFF) состояние, элемент Т5 переключается в замкнутое (ON) состояние, а элементы Т1 и Т2 переключают несколько раз в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояния комплементарным образом;
при этом для передачи на выход (OUT1) переменного тока отрицательной полуволны напряжения переменного тока все переключающие элементы Т1 и Т2 и Т5 переключаются в разомкнутое (OFF) состояние, элемент Т6 переключается в замкнутое (ON) состояние, а элементы Т3 и Т4 переключаются несколько раз в замкнутое (ON) и разомкнутое (OFF) состояния комплементарным образом.
2. Инверторный модуль по п.1, отличающийся тем, что первый, второй, третий и четвертый переключающие элементы (Т1, Т2, Т3, Т4) представляют собой полупроводниковые приборы с первыми техническими характеристиками, а пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы представляют собой полупроводниковые приборы с вторыми техническими характеристиками, отличными от первых технических характеристик.
3. Инверторный модуль по п.2, отличающийся тем, что пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы, каждый из них, вносит меньшие потери за счет собственной проводимости, чем потери за счет собственной проводимости в каждом из других переключающих элементов: первом (Т1), втором (Т2), третьем (Т3) и четвертом (Т4) переключающем элементе.
4. Инверторный модуль по п.3, отличающийся тем, что пятый (Т5) и шестой (Т6) переключающие элементы представляют собой полупроводниковые приборы тиристорного типа, а первый (Т1), второй (Т2), третий (Т3) и четвертый (Т4) переключающие элементы представляют собой полупроводниковые приборы транзисторного типа.
5. Инвертор, содержащий по меньшей мере два инверторных модуля по любому из пп.1-4.
6. Трехфазный инвертор, содержащий три плеча, причем каждое плечо содержит по меньшей мере один инверторный модуль по любому из пп.1-4.
RU2012146369/07A 2010-03-31 2011-03-29 Многоуровневый инвертор RU2555744C2 (ru)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US31930010P 2010-03-31 2010-03-31
US61/319,300 2010-03-31
EP10158605A EP2372893B1 (en) 2010-03-31 2010-03-31 Multilevel inverter
EP10158605.5 2010-03-31
PCT/EP2011/054829 WO2011120970A1 (en) 2010-03-31 2011-03-29 Multilevel inverter

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2012146369A RU2012146369A (ru) 2014-05-10
RU2555744C2 true RU2555744C2 (ru) 2015-07-10

Family

ID=42174633

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012146369/07A RU2555744C2 (ru) 2010-03-31 2011-03-29 Многоуровневый инвертор

Country Status (6)

Country Link
US (1) US20130088901A1 (ru)
EP (1) EP2372893B1 (ru)
CN (1) CN102884722B (ru)
BR (1) BR112012024797A2 (ru)
RU (1) RU2555744C2 (ru)
WO (1) WO2011120970A1 (ru)

Families Citing this family (25)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT512409B1 (de) * 2012-02-06 2013-08-15 Fronius Int Gmbh Ac/dc-spannungswandler und betriebsverfahren hierfür
CN102694479B (zh) * 2012-05-25 2015-04-08 华为技术有限公司 一种电力电子电路
US9722459B2 (en) 2012-06-12 2017-08-01 Schneider Electric It Corporation Apparatus and method for providing uninterruptible power
JP6055660B2 (ja) * 2012-11-15 2016-12-27 株式会社Ｎｔｔファシリティーズ 電力変換装置及び電力変換回路
JP2014135799A (ja) * 2013-01-08 2014-07-24 Toshiba Mitsubishi-Electric Industrial System Corp 電力変換装置
CN103929045B (zh) * 2013-01-16 2019-06-07 通用电气能源电能变换科技有限公司 变换器装置，驱动单元和相关方法
FR3001592A1 (fr) * 2013-01-29 2014-08-01 Schneider Toshiba Inverter Convertisseur de puissance multi-niveaux
US9941813B2 (en) 2013-03-14 2018-04-10 Solaredge Technologies Ltd. High frequency multi-level inverter
JP2014204457A (ja) * 2013-04-01 2014-10-27 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
JP6009985B2 (ja) * 2013-04-04 2016-10-19 東芝三菱電機産業システム株式会社 電力変換装置
MX2015013984A (es) * 2013-04-05 2016-02-05 Toshiba Mitsubishi Elec Inc Dispositivo de conversion de energia.
JP6079407B2 (ja) * 2013-04-22 2017-02-15 富士電機株式会社 マルチレベル変換回路
WO2015006111A1 (en) * 2013-07-09 2015-01-15 Transphorm Inc. Multilevel inverters and their components
US9450503B2 (en) * 2013-08-15 2016-09-20 General Electric Company Power converter with a multi-level bridge topology and control method
US9231492B2 (en) * 2014-01-06 2016-01-05 General Electric Company System and method of power conversion
CN104811073B (zh) * 2014-01-24 2019-05-31 通用电气能源电能变换科技有限公司 变换器模块、装置、系统和相关方法
US9385628B2 (en) 2014-03-17 2016-07-05 Futurewei Technologies, Inc. Multilevel inverter device and operating method
US9318974B2 (en) 2014-03-26 2016-04-19 Solaredge Technologies Ltd. Multi-level inverter with flying capacitor topology
JP6484436B2 (ja) 2014-11-19 2019-03-13 日立オートモティブシステムズ株式会社 インバータ制御装置
WO2016091299A1 (de) * 2014-12-10 2016-06-16 Siemens Aktiengesellschaft Hocheffizienter stromrichter für einphasige systeme
EP3261244A1 (de) * 2016-06-22 2017-12-27 Siemens Aktiengesellschaft Dreipunkt-wechselrichterschaltung
DE102016224312A1 (de) * 2016-12-07 2018-06-07 Siemens Aktiengesellschaft Hocheffizienter Stromrichter für dreiphasige Systeme
CN108880311B (zh) 2018-07-05 2020-08-25 华为技术有限公司 一种多电平逆变器的箝位调制方法、装置及逆变器
DE102018219270B4 (de) 2018-11-12 2021-05-06 Kaco New Energy Gmbh Wechselrichter
US10547251B1 (en) * 2018-11-15 2020-01-28 General Electric Company Method for shutdown of an active neutral point clamped converter

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1443648A1 (de) * 2003-01-31 2004-08-04 Abb Research Ltd. Umrichterschaltung zur Schaltung von drei Spannungsniveaus
RU2259628C2 (ru) * 2002-05-13 2005-08-27 Коломейцев Владимир Леонидович Многоуровневый инвертор напряжения и способ его управления

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1085904C (zh) * 1996-01-10 2002-05-29 株式会社日立制作所 多电平电力变换装置
US6838925B1 (en) * 2003-10-07 2005-01-04 American Power Conversion Corporation Three level inverter
JP4811917B2 (ja) * 2005-12-27 2011-11-09 三菱電機株式会社 電力変換装置
US7688048B2 (en) * 2007-02-21 2010-03-30 American Power Conversion Corporation 3-phase high power UPS
US7787270B2 (en) * 2007-06-06 2010-08-31 General Electric Company DC-DC and DC-AC power conversion system
CN201528281U (zh) * 2009-10-23 2010-07-14 哈尔滨九洲电气股份有限公司 一种二极管箝位式三电平变频器
US8228695B2 (en) * 2009-11-16 2012-07-24 General Electric Company Multilevel converter operation
JP2012060735A (ja) * 2010-09-07 2012-03-22 Sharp Corp マルチレベルインバータ
CN104081649B (zh) * 2011-11-16 2016-11-16 Abb瑞士股份有限公司 对于双端子hvdc连接的ac/dc多单元功率转换器
US9148069B2 (en) * 2012-05-25 2015-09-29 General Electric Company High voltage high power multi-level drive structure

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2259628C2 (ru) * 2002-05-13 2005-08-27 Коломейцев Владимир Леонидович Многоуровневый инвертор напряжения и способ его управления
EP1443648A1 (de) * 2003-01-31 2004-08-04 Abb Research Ltd. Umrichterschaltung zur Schaltung von drei Spannungsniveaus

Also Published As

Publication number Publication date
CN102884722B (zh) 2015-04-15
RU2012146369A (ru) 2014-05-10
CN102884722A (zh) 2013-01-16
US20130088901A1 (en) 2013-04-11
EP2372893B1 (en) 2012-06-27
WO2011120970A1 (en) 2011-10-06
BR112012024797A2 (pt) 2017-08-08
EP2372893A1 (en) 2011-10-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2555744C2 (ru) Многоуровневый инвертор
JP6919061B2 (ja) 変換回路、制御方法、及び電源デバイス
US8462524B2 (en) 3-level pulse width modulation inverter with snubber circuit
EP2706653B1 (en) Five-level power converter, controlling method and controlling device thereof
EP3487058B1 (en) Efficient switching for converter circuit
US9431918B2 (en) Grounding scheme for modular embedded multilevel converter
Dhara et al. A transformerless 1-φ, 5-level half-bridge PV inverter configuration based on switched-capacitor technique
WO2014111164A1 (en) A multilevel converter with hybrid full-bridge cells
Pawar et al. Notice of Violation of IEEE Publication Principles: Modular multilevel converters: A review on topologies, modulation, modeling and control schemes
Hemanth Kumar et al. Investigation of switching sequences on a generalized SVPWM algorithm for multilevel inverters
Al-Atbee et al. A cascade multi-level inverter topology with reduced switches and higher efficiency
Kedareswari Reduction of THD in diode clamped multilevel inverter employing SPWM technique
Boora et al. A new general topology for asymmetrical multilevel inverter with reduced number of switching components
EP2840699A2 (en) Multilevel converter system
Islam et al. Power converter topologies for grid-integrated medium-voltage applications
Yalla et al. A new three-phase multipoint clamped 5L-HPFC with reduced PSD count and switch stress
Iyer et al. Asymmetrical modular mutilevel converter (A-MMC) based HVDC system
US11601046B2 (en) Three-phase double t-type four-level rectifier
Lawan et al. Level shifted PWMs comparison for a 5-level modular multilevel converter (MMC) topology inverter
Yousuf et al. The comparative THD analysis of neutral clamped multilevel Z-source inverter using novel PWM control techniques
Tekwani et al. Analysis of carrier offset technique used in a five-level inverter scheme with emphasis on dc-link capacitor voltage balancing
Jaya et al. Modeling and simulation of a three phase multilevel inverter for harmonic reduction based on modified space vector pulse width modulation (SVPWM)
TWI441440B (zh) 多階層反流器
Wang et al. Novel model predictive control method to eliminate common-mode voltage for three-level t-type inverters considering dead-time effects
US20240079966A1 (en) Quasi three-level power converter