CN104218839B - 多电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及逆变器。本发明针对现有技术中的逆变器开关管易损坏、逆变器电源的效率低、DC端的电磁干扰等问题，提出多电平逆变器，包括直流能量产生装置、交流能量产生装置、调制电路及MCU，还包括开关模块一、开关模块二、开关模块三、开关模块四、开关模块五、开关模块六、开关模块七、开关模块八、开关模块九、二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五、二极管六、二极管七、二极管八、二极管九、电感一、电感二及分压模块。通过在功率回路中串联开关管，并在桥臂中间与母线电容中点增加开关管和二极管，使得无论在正半周或负半周，两个电感同时工作，在提高电感利用率的同时，改善了DC的电磁干扰问题。适用于多电平逆变器。

Description

多电平逆变器

技术领域

本发明涉及逆变器，特别涉及多电平逆变器。

背景技术

逆变器是一种电能转换装置，主要实现由直流到交流的能量转换。并网逆变器包括光伏并网逆变器、风能并网逆变器、燃料电池并网逆变器等。并网逆变器能将可再生能源产生的能量高效能的转换为可并接至市电的与市电同频率、同相位的交流电。

按其电路形式来划分：半桥逆变电源及全桥逆变电源。其中全桥逆变电源的控制方式有两种：单极性SPWM调制，双极性SPWM调制。双极性SPWM调制同一桥臂的两个开关管互补驱动，由于开关管导通、截止特性的不一致性以及死区时间的控制电路参数的不一致，可能导致同一桥臂的两个开关管同时导通，进而导致开关管损坏。单极性SPWM控制有：在市电负半周都只有一个开关管作高频切换，导致输出电感的利用率下降，进而降低了逆变器电源的效率；该种控制方式的导致DC端的电磁干扰问题相当突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，就是提供一种多电平逆变器，以达到提升逆变器效率并改善直流电磁干扰的效果。

本发明解决所述技术问题，采用的技术方案是，多电平逆变器，包括直流能量产生装置、交流能量产生装置、调制电路及MCU，其特征在于，还包括逆变电路，所述逆变电路包括开关模块一、开关模块二、开关模块三、开关模块四、开关模块五、开关模块六、开关模块七、开关模块八、开关模块九、二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五、二极管六、二极管七、二极管八、二极管九、电感一、电感二及分压模块，所述直流能量产生装置的正极分别与分压模块、二极管一的阴极及开关模块一的输入端连接，开关模块一的输出端分别与开关模块二的输入端、开关模块三的输入端、二极管一的阳极、二极管二的阴极及二极管三的阴极连接，开关模块二的输出端分别与电感一的一端、开关模块四的输入端、开关模块七的输出端、二极管四的阴极及二极管七的阳极连接，开关模块三的输出端分别与电感二的一端、开关模块五的输入端、开关模块九的输出端、二极管五的阴极及二极管九的阳极连接，电感一的另一端通过交流能量产生装置与电感二的另一端连接，开关模块七的输入端分别与开关模块六的输入端、二极管七的阴极及二极管六的阴极连接，开关模块六的输出端分别与二极管六的阳极、开关模块八的输出端、二极管八的阳极及分压模块连接，分压模块还分别与直流能量产生装置的负极、开关模块四的输出端、开关模块五的输出端、二极管四的阳极及二极管五的阳极连接，开关模块八的输入端分别与开关模块九的输入端、二极管八的阴极及二极管九的阴极连接，所述开关模块一S1的控制端、开关模块四S4的控制端及开关模块五S5的控制端分别通过调制电路与MCU连接，开关模块二S2的控制端、开关模块三S3的控制端、开关模块六S6的控制端、开关模块七S7的控制端、开关模块八S8的控制端及开关模块九S9的的控制端与MCU连接；

所述MCU上设置有高频脉冲信号输出端及工频脉冲信号输出端，用于控制开关模块一、开关模块二、开关模块三、开关模块四、开关模块五、开关模块六、开关模块七、开关模块八及开关模块九的工作状态；

所述调制电路，用于将MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动的开关模块一、开关模块四及开关模块五高频触发信号；将所述正弦信号与所述交流能量产生装置的交流电源同频率且同相位；

所述分压模块，用于降低逆变器环节的输入纹波，还用于对母线分压。

具体的，所述分压模块包括电容一及电容二，所述电容一的正极与直流能量产生装置的正极连接，电容一的负极分别与电容二的阳极及开关模块六的输入端连接，电容二的负极与直流能量产生装置的负极连接。

进一步的，所述电容一及电容二分别为母线电容。

具体的，所述电感一及电感二为滤波电感。

具体的，所述直流能量产生装置为阳能电池板、风能电池或燃料电池。

本发明的有益效果是，在功率回路中串联一个开关管，并在每个桥臂中间与母线电容中点增加了两个开关管和两个二极管，使得无论在正半周或负半周，两个电感同时工作，在提高电感利用率的同时，改善了DC的电磁干扰问题；

由于续流装置的引入，使得储能装置不参与续流过程，a、b两点的电位在续流过程中电位保持基本相等，且逆变状态与续流状态a、b两点电位变化量较小，这也降低了DC电磁干扰问题；

本发明中的逆变装置采用的三个开关管皆作高频切换，这使得无论在正负半周，两个滤波电感L1、L2的内侧接线端的电位都呈高频脉冲，其外侧接线端为市电，这提高了滤波电感的利用率；

本发明引入的电路，可以实现五电平模式，两个滤波电感L1、L2可以减小，提高了整机效率；同时，由于主开关管高频转换的电压为Vdc的一半，主开关管的开关损耗降低，进而也提升了整机效率；

相对于传统逆变电路结构，该电路提高了电感的利用率，减少了续流路径，提高整机效率，同时降低了机器的DC电磁干扰问题，使得逆变器的各个方面性能提升。

附图说明

图1为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器结构示意图；

图2为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器工作时各部件上的波形图；

图3为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路一示意图；

图4为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路二示意图；

图5为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路三示意图；

图6为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的续流回路示意图；

图7为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路一示意图；

图8为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路二示意图；

图9为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路三示意图；

图10为本发明多电平逆变器实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的续流回路示意图；

其中，直流能量产生装置—Vdc、交流能量产生装置--Vac、开关模块一--S1、开关模块二--S2、开关模块三--S3、开关模块四--S4、开关模块五--S5、开关模块六--S6、开关模块七--S7、开关模块八--S8、开关模块九--S9、二极管一--D1、二极管二--D2、二极管三--D3、二极管四--D4、二极管五--D5、二极管六--D6、二极管七--D7、二极管八--D8、二极管九--D9、电感一--L1、电感二--L2、电容一--C1及电容二--C2。

具体实施方式

下面结合附图及实施例详细描述本发明的技术方案：

本发明针对现有技术中，双极性SPWM调制同一桥臂的两个开关管互补驱动，由于开关管导通、截止特性的不一致性以及死区时间的控制电路参数的不一致，可能导致同一桥臂的两个开关管同时导通，进而导致开关管损坏；而单极性SPWM控制有，在市电负半周都只有一个开关管作高频切换，导致输出电感的利用率下降，进而降低了逆变器电源的效率，导致DC端的电磁干扰问题相当突出的问题，提供一种多电平逆变器，包括直流能量产生装置、交流能量产生装置、调制电路及MCU，其特征在于，还包括逆变电路，所述逆变电路包括开关模块一、开关模块二、开关模块三、开关模块四、开关模块五、开关模块六、开关模块七、开关模块八、开关模块九、二极管一、二极管二、二极管三、二极管四、二极管五、二极管六、二极管七、二极管八、二极管九、电感一、电感二及分压模块，所述直流能量产生装置的正极分别与分压模块、二极管一的阴极及开关模块一的输入端连接，开关模块一的输出端分别与开关模块二的输入端、开关模块三的输入端、二极管一的阳极、二极管二的阴极及二极管三的阴极连接，开关模块二的输出端分别与电感一的一端、开关模块四的输入端、开关模块七的输出端、二极管四的阴极及二极管七的阳极连接，开关模块三的输出端分别与电感二的一端、开关模块五的输入端、开关模块九的输出端、二极管五的阴极及二极管九的阳极连接，电感一的另一端通过交流能量产生装置与电感二的另一端连接，开关模块七的输入端分别与开关模块六的输入端、二极管七的阴极及二极管六的阴极连接，开关模块六的输出端分别与二极管六的阳极、开关模块八的输出端、二极管八的阳极及分压模块连接，分压模块还分别与直流能量产生装置的负极、开关模块四的输出端、开关模块五的输出端、二极管四的阳极及二极管五的阳极连接，开关模块八的输入端分别与开关模块九的输入端、二极管八的阴极及二极管九的阴极连接，所述开关模块一的控制端、开关模块四的控制端及开关模块五的控制端分别通过调制电路与MCU连接，开关模块二的控制端、开关模块三的控制端、开关模块六的控制端、开关模块七的控制端、开关模块八S8的控制端及开关模块九的的控制端与MCU连接；所述MCU上设置有高频脉冲信号输出端及工频脉冲信号输出端，用于控制开关模块一、开关模块二、开关模块三、开关模块四、开关模块五、开关模块六、开关模块七、开关模块八及开关模块九的工作状态；所述调制电路，用于将MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动的开关模块一、开关模块四及开关模块五高频触发信号；将所述正弦信号与所述交流能量产生装置的交流电源同频率且同相位；所述分压模块，用于降低逆变器环节的输入纹波，还用于对母线分压。在功率回路中串联一个开关管，并在每个桥臂中间与母线电容中点增加了两个开关管和两个二极管，使得无论在正半周或负半周，两个电感同时工作，在提高电感利用率的同时，改善了DC的电磁干扰问题；由于续流装置的引入，使得储能装置不参与续流过程，a、b两点的电位在续流过程中电位保持基本相等，且逆变状态与续流状态a、b两点电位变化量较小，这也降低了DC电磁干扰问题；本发明中的逆变装置采用的三个开关管皆作高频切换，这使得无论在正负半周，两个滤波电感L1、L2的内侧接线端的电位都呈高频脉冲，其外侧接线端为市电，这提高了滤波电感的利用率；本发明引入的电路，可以实现五电平模式，两个滤波电感L1、L2可以减小，提高了整机效率；同时，由于主开关管高频转换的电压为Vdc的一半，主开关管的开关损耗降低，进而也提升了整机效率；相对于传统逆变电路结构，该电路提高了电感的利用率，减少了续流路径，提高整机效率，同时降低了机器的DC电磁干扰问题，使得逆变器的各个方面性能提升。

实施例1

本例的多电平逆变器，如图1所示，包括直流能量产生装置Vdc、交流能量产生装置Vac、调制电路及MCU，其特征在于，还包括逆变电路，所述逆变电路包括开关模块一S1、开关模块二S2、开关模块三S3、开关模块四S4、开关模块五S5、开关模块六S6、开关模块七S7、开关模块八S8、开关模块九S9、开关模二极管一D1、二极管二D2、二极管三D3、二极管四D4、二极管五D5、二极管六D6、二极管七D7、二极管八D8、二极管九D9、电感一L1、电感二L2、电容一C1及电容二C2，所述直流能量产生装置Vdc的正极分别与电容一C1的正极、开关模二极管一D1的阴极及开关模块一S1的输入端连接，开关模块一S1的输出端分别与开关模块二S2的输入端、开关模块三S3的输入端端、二极管一D1的阳极、二极管二D2的阴极及二极管三D3的阴极连接，开关模块二S2的输出端分别与电感一L1的一端、开关模块四S4的输入端、开关模块七S7的输出端、二极管四D4的阴极及二极管七D7的阳极连接，开关模块三S3的输出端分别与电感二L2的一端、开关模块五S5的输入端、开关模块九S9的输出端、二极管五D5的阴极及二极管九D9的阳极连接，电感一L1的另一端通过交流能量产生装置Vac与电感二L2的另一端连接，开关模块七S7的输入端分别与开关模块六S6的输入端、二极管七D7的阴极及二极管六D6的阴极连接，开关模块六S6的输出端分别与二极管六D6的阳极、开关模块八S8的输出端、二极管八D8的阳极、电容一C1的负极及电容二C2的正极连接，电容二C2的负极还分别与直流能量产生装置Vdc的负极、开关模块四S4的输出端、开关模块五S5的输出端、二极管四D4的阳极及二极管五D5的阳极连接，开关模块八S8的输入端分别与开关模块九S9的输入端、二极管八D8的阴极及二极管九D9的阴极连接，所述开关模块一S1的控制端、开关模块四S4的控制端及开关模块五S5的控制端分别通过调制电路与MCU连接，开关模块二S2的控制端、开关模块三S3的控制端、开关模块六S6的控制端、开关模块七S7的控制端、开关模块八S8的控制端及开关模块九S9的的控制端与MCU连接；其中，调制电路与MCU图中未给出。

所述MCU上设置有高频脉冲信号输出端及工频脉冲信号输出端，用于控制开关模块一S1、开关模块二S2、开关模块三S3、开关模块四S4、开关模块五S5、开关模块六S6、开关模块七S7、开关模块八S8及开关模块九S9的工作状态；其中，开关模块一S1、开关模块四S4、开关模块五S5的控制端分别经一调制电路与MCU的第一、第四、第五高频脉冲信号输出端相连接；

所述开关模块二S2、开关模块三S3、开关模块六S6、开关模块七S7、开关模块八S8及开关模块九S9分别与MCU的六个工频脉冲信号输出端相连。

所述调制电路，用于将MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动的开关模块一S1、开关模块四S4及开关模块五S5高频触发信号；将所述正弦信号调制成与所述交流能量产生装置Vac的交流电源同频率且同相位。

上面所述直流能量产生装置Vdc的正、负极两端设有滤波母线电容，即电容一C1及电容二C2，用于降低逆变器环节的输入纹波和母线分压。直流能量产生装置Vdc，可以是太阳能电池板、风能或燃料电池等。电感一L1及电感二L2为滤波电感。

上述高效逆变器工作时各部件上的波形图，如图2所示。

实施例2

实施例1中的多电平逆变器工作时，在输出为正半周时，MCU控制开关模块二S2、开关模块七S7及开关模块八S8在整个正半周开通，同时使开关模块三S3、开关模块六S6和开关模块九S9截止，并使开关模块一S1及开关模块五S5在高频开关工作，从而使电感一L1及电感二L2外侧输出交流电源的正半周。

当输出为负半周时，MCU控制开关模块三S3、开关模块六S6和开关模块九S9在整个负半周开通，同时使开关模块二S2、开关模块七S7及开关模块八S8截止，并使开关模块一S1及、开关模块四S4及在高频开关工作，使电感一L1及电感二L2外侧输出交流电源的负半周；如此周而复始。

在所述电感一L1及电感二L2的外侧端的交流能量产生装置Vac产生正半周期间，开关模块二S2、开关模块七S7及开关模块八S8在整个正半周开通.

当开关模块一S1的高频触发信号为高电平同时开关模块五S5的高频触发信号为低电平时，直流能量产生装置Vdc的正极、开关模块一S1、开关模块二S2、电感一L1、交流能量产生装置Vac、电感二L2、二极管九D9、开关模块八S8、电容二C2和直流能量产生装置Vdc的负极依次构成电流回路；其电流走向，如图3所示。

当开关模块一S1及开关模块五S5的高频触发信号为高电平，开关模块一S1及开关模块五S5导通，直流能量产生装置Vdc的正极、开关模块一S1、开关模块二S2、电感一L1、交流能量产生装置Vac、电感二L2、开关模块五S5和直流能量产生装置Vdc负极依次构成电流回路；其电流走向，如图4所示。

当开关模块一S1的高频触发信号为低电平时同时开关模块五S5触发信号为高时，直流能量产生装置Vdc正极、电容一C1、开关模块六S6，二极管七D7、电感一L1、交流能量产生装置Vac、电感二L2、开关模块五S5和直流能量产生装置Vdc的负极构成电流回路；其电流走向，如图5所示。

当开关模块一S1及开关模块五S5开关管高频触发信号都为低时，开关模块六S6、二极管七D7、电感一L1，交流能量产生装置Vac，电感二L2、二极管九D9和开关模块八S8依次构成续流回路；当开关模块一S1及开关模块五S5高频触发信号都为低时，开关模块二S2、电感一L1，交流能量产生装置Vac，电感二L2和二极管三D3依次构成续流回路；其电流走向，如图6所示。

实施例3

在所述电感一L1及电感二L2的外侧端交流能量产生装置Vac之负半周期间，开关模块三S3、开关模块六S6和开关模块九S9在整个正半周开通；当开关模块一S1的高频触发信号为高电平同时开关模块四S4的高频触发信号为低电平时，直流能量产生装置Vdc的正极、开关模块一S1、开关模块三S3、电感二L2、交流能量产生装置Vac、电感一L1、二极管七D7、开关模块六S6、电容二C2和直流能量产生装置Vdc负极依次构成电流回路，其电流走向，如图7所示。

当开关模块一S1及开关模块四S4的高频触发信号为高电平，开关模块一S1及开关模块四S4导通，直流能量产生装置Vdc的正极、开关模块一S1、开关模块三S3、电感二L2、交流能量产生装置Vac、电感一L1、开关模块四S4和直流能量产生装置Vdc负极依次构成电流回路，其电流走向，如图8所示。

当开关模块一S1的高频触发信号为低电平时同时开关模块四S4触发信号为高时，直流能量产生装置Vdc正极、电容一C1、二极管八D8，开关模块九S9、电感二L2、交流能量产生装置Vac、电感一L1、开关模块四S4和直流能量产生装置Vdc的负极构成电流回路，其电流走向，如图9所示。

当开关模块一S1及开关模块四S4的高频触发信号都为低时，二极管八D8、开关模块九S9、电感二L2，交流能量产生装置Vac，电感一L1、二极管七D7和开关模块六S6依次构成续流回路；当开关模块一S1及开关模块四S4高频触发信号都为低时，开关模块三S3、电感二L2，交流能量产生装置Vac，电感一L1和二极管二D2依次构成续流回路，其电流走向，如图10所示。

综上所述，本发明的多电平逆变器在功率回路中串联一个开关管，并在每个桥臂中间与母线电容中点增加了两个开关管和两个二极管，使得无论在正半周或负半周，两个电感同时工作，在提高电感利用率的同时，改善了DC的电磁干扰问题；由于续流装置的引入，使得储能装置不参与续流过程，a、b两点的电位在续流过程中电位保持基本相等，且逆变状态与续流状态a、b两点电位变化量较小，这也降低了DC电磁干扰问题；本发明中的逆变装置采用的三个开关管皆作高频切换，这使得无论在正负半周，两个滤波电感L1、L2的内侧接线端的电位都呈高频脉冲，其外侧接线端为市电，这提高了滤波电感的利用率；本发明引入的电路，可以实现五电平模式，两个滤波电感L1、L2可以减小，提高了整机效率；同时，由于主开关管高频转换的电压为Vdc的一半，主开关管的开关损耗降低，进而也提升了整机效率；相对于传统逆变电路结构，该电路提高了电感的利用率，减少了续流路径，提高整机效率，同时降低了机器的DC电磁干扰问题，使得逆变器的各个方面性能提升。

Claims (4)

1.多电平逆变器，包括直流能量产生装置(Vdc)、交流能量产生装置(Vac)、调制电路及MCU，其特征在于，还包括逆变电路，所述逆变电路包括开关模块一(S1)、开关模块二(S2)、开关模块三(S3)、开关模块四(S4)、开关模块五(S5)、开关模块六(S6)、开关模块七(S7)、开关模块八(S8)、开关模块九(S9)、二极管一(D1)、二极管二(D2)、二极管三(D3)、二极管四(D4)、二极管五(D5)、二极管六(D6)、二极管七(D7)、二极管八(D8)、二极管九(D9)、电感一(L1)、电感二(L2)及分压模块，所述直流能量产生装置(Vdc)的正极分别与分压模块、二极管一(D1)的阴极及开关模块一(S1)的输入端连接，开关模块一(S1)的输出端分别与开关模块二(S2)的输入端、开关模块三(S3)的输入端、二极管一(D1)的阳极、二极管二(D2)的阴极及二极管三(D3)的阴极连接，开关模块二(S2)的输出端分别与电感一(L1)的一端、开关模块四(S4)的输入端、开关模块七(S7)的输出端、二极管四(D4)的阴极及二极管七(D7)的阳极连接，开关模块三(S3)的输出端分别与电感二(L2)的一端、开关模块五(S5)的输入端、开关模块九(S9)的输出端、二极管五(D5)的阴极及二极管九(D9)的阳极连接，电感一(L1)的另一端通过交流能量产生装置(Vac)与电感二(L2)的另一端连接，开关模块七(S7)的输入端分别与开关模块六(S6)的输入端、二极管七(D7)的阴极及二极管六(D6)的阴极连接，开关模块六(S6)的输出端分别与二极管六(D6)的阳极、开关模块八(S8)的输出端、二极管八(D8)的阳极及分压模块连接，分压模块还分别与直流能量产生装置(Vdc)的负极、开关模块四(S4)的输出端、开关模块五(S5)的输出端、二极管四(D4)的阳极及二极管五(D5)的阳极连接，开关模块八(S8)的输入端分别与开关模块九(S9)的输入端、二极管八(D8)的阴极及二极管九(D9)的阴极连接，所述开关模块一(S1)的控制端、开关模块四(S4)的控制端及开关模块五(S5)的控制端分别通过调制电路与MCU连接，开关模块二(S2)的控制端、开关模块三(S3)的控制端、开关模块六(S6)的控制端、开关模块七(S7)的控制端、开关模块八(S8)的控制端及开关模块九(S9)的控制端与MCU连接；

所述MCU上设置有高频脉冲信号输出端及工频脉冲信号输出端，用于控制开关模块一(S1)、开关模块二(S2)、开关模块三(S3)、开关模块四(S4)、开关模块五(S5)、开关模块六(S6)、开关模块七(S7)、开关模块八(S8)及开关模块九(S9)的工作状态；

所述调制电路，用于将MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动的开关模块一(S1)、开关模块四(S4)及开关模块五(S5)高频触发信号；将所述正弦信号与所述交流能量产生装置(Vac)的交流电源同频率且同相位；

所述分压模块，用于降低逆变器环节的输入纹波，还用于对母线分压；所述分压模块包括电容一(C1)及电容二(C2)，所述电容一(C1)的正极与直流能量产生装置(Vdc)的正极连接，电容一(C1)的负极分别与电容二(C2)的阳极及开关模块六(S6)的输入端连接，电容二(C2)的负极与直流能量产生装置(Vdc)的负极连接。

2.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述电容一(C1)及电容二(C2)分别为母线电容。

3.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述电感一(L1)及电感二(L2)为滤波电感。

4.根据权利要求1所述的多电平逆变器，其特征在于，所述直流能量产生装置(Vdc)为阳能电池板、风能电池或燃料电池。