CN105048841A

CN105048841A - 三相多电平逆变器

Info

Publication number: CN105048841A
Application number: CN201510410254.5A
Authority: CN
Inventors: 杨菊
Original assignee: CETC 10 Research Institute
Current assignee: CETC 10 Research Institute
Priority date: 2015-07-13
Filing date: 2015-07-13
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明提出的一种三相多电平逆变器，旨在解决三相多电平逆变器成本高、开关管频率高及电压应力大的问题。本发明通过下述技术方案予以实现：每相多电平桥臂由三组开关管组成，每组开关管由两个开关工作状态相反的开关管串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。组开关管的串联结点分别与第三组开关管上下两个端点相联，而、所组成的两组开关管的四个端点分别与三个串联电容四个联接端点相联，三个相同的多电平桥臂均通过各自前端两个串联开关管之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输出的三桥臂四种工作模式的三相多电平逆变器拓扑结构。本发明不需要箝位二极管及飞跨电容，开关管所承受电压应力低，控制简单。

Description

三相多电平逆变器

技术领域

本发明涉及一种三相多电平电压型逆变器，属于电力电子变换技术领域。

背景技术

以三电平为代表的电压型逆变器现已得到广泛的研究，并在交流传动、无功补偿和谐波消除波等应用领域得到成功地应用。由于半导体开关器件自身功率及耐压等多方面的限制，这些逆变器往往被局限于中等功率的应用场合中，因此，以混合拓扑结构等为特点的多电平逆变器结构被提出，并成为研究的热点。多电平逆变器因具有较低的共模电压及开关管电压应力、更低的dv/dt比率以及输出电压和电流畸变等优点，在电能质量控制、再生能源发电、交流电机调速等各领域得到广泛关注与应用。

目前的多电平逆变器主要有三类：二极管箝位型、飞跨电容型和H桥级联型。二极管箝位型结构简单，但需要箝位二极管；飞跨电容型逆变器需要跨接电容，电平数越多，需要的飞跨电容越多，而且直流侧中点的电位很难控制；而H桥级联式多电平逆变拓扑结构的每一相都采用多个低压小功率的逆变单元,将它们串联以得到高压输出,每个逆变单元都相互独立,且采用独立的低压直流电源供电,因此开关器件上的电压应力很小,模块化程度高,易于扩展和控制,可靠性好，除需要一定数量的隔离直流电源外，无需考虑箝位问题和电压平衡问题，但H桥级联型多电平逆变器需要大量的隔离直流电源，而这些电源一般通过移相变压器降压不可控整流滤波获得，负载时存在直流母线电压波动问题及线电压相邻“电平层”交叠现象。随着电平数的增加，上述三种逆变器拓扑结构所需成本与控制复杂度大幅度增加，于是简化逆变器拓扑结构，提高装置性能成为研究多电平逆变器的原因。以混合拓扑结构等为代表的多电平逆变器，其基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结构连接，成为可以提供多种电平输出的电路，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合成阶梯波以输出逼近正弦波的交流电压。

发明内容

为了解决现有多电平逆变器存在的结构和控制复杂、成本高等问题，本发明提供一种控制简单，不需要箝位二极管及飞跨电容，开关管承受电压应力低，能够降低逆变器成本的三相多电平逆变器。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种三相多电平逆变器，包括由多个开关管电连接组成的三相多电平桥臂，以及顺次串联在首端工作状态P接点和末端工作状态N接点之间的串联分压电容，其中，串联分压电容C₁、C₂、C₃与输入直流电源V_dc形成并联回路，其特征在于：每相多电平桥臂都由S_k1、S'_k1、S_k2、S'_k2、S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)三组开关管组成，每组开关管由S_kj、S'_kj(k＝a,b,c；j＝1,2,3)两个开关工作状态相反的开关管串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)两组开关管的串联结点分别与第三组开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)的上下两个端点相联，而S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)所组成的两组开关管的四个端点分别与三个串联电容四个联接端P、O₁、O₂、N点相联，三个相同的多电平桥臂均通过各自前端两个串联开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输出的三桥臂四种工作模式的三相多电平逆变器拓扑结构。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果:

本发明与相同电平数的传统二极管箝位式及飞跨电容式逆变器拓扑结构相比较，在使用相同开关管数量的情况下，通过专门设计的特殊拓扑结构，利用开关管的不同工作状态实现了常规多电平拓扑结构中的箝位作用，故所采用的拓扑结构不需要箝位二极管或飞跨电容，且开关管所承受电压应力低，控制简单。

本发明由于没有箝位二极管或飞跨电容，减少了器件的使用，达到简化逆变器拓扑结构的目的，降低了逆变器成本，同时还降低了部分开关器件的电压应力，通过简化的调制策略可实现多电平的输出。

本发明适用于中高压、大功率应用场合，在新能源并网发电领域具有广阔应用前景。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明所述的新型三相多电平逆变器的拓扑结构示意图。

图2是图1单桥臂各种工作模式的实施例电路原理示意图。

图3为本发明三相多电平逆变器在各工作状态下的等效电路实施例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施进行详细阐述：

参阅图1。在以下描述的实施例中，三相多电平逆变器，包括由18只开关管组成的三相多电平桥臂，以及顺次串联在首端工作状态P接点和末端工作状态N接点之间的串联分压电容C₁、C₂、C₃。其中，分压电容C₁、分压电容C₂，分压电容C₃顺次串联，与输入直流电源V_dc形成的并联回路和三个多电平桥臂。每相多电平桥臂都由S_k1、S'_k1、S_k2、S'_k2、S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)三组开关管组成，每组开关管由S_kj、S'_kj(k＝a,b,c；j＝1,2,3)两个开关工作状态相反的开关管串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)两组开关管的串联结点分别与第三组开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)的上下两个端点相联，而S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)所组成的两组开关管的四个端点分别与三个串联电容四个联接端P、O₁、O₂、N点相联，三个相同的多电平桥臂均通过各自前端两个串联开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输出。三个多电平桥臂由18个IGBT开关管S_a1、S'_a1、S_a2、S'_a2、S_a3、S'_a3和S_b1、S'_b1、S_b2、S'_b2、S_b3、S'_b3及S_c1、S_c'₁、S_c2、S'_c2、S_c3、S'_c3构成，其中，开关管S_a1、S'_a1，S_a2、S'_a2及S_a3、S'_a3组成A相桥臂，开关管S_b1、S'_b1、S_b2、S'_b2及S_b3、S'_b3组成B相桥臂，S_c1、S_c'₁、S_c2、S'_c2及S_c3、S'_c3组成C相桥臂，从而构成三相多电平逆变器拓扑结构。C₁、C₂、C₃分压电容从两两相邻接点分得三相多电平逆变器的V_dc/3的电压。18个开关管组成9组开关管，S_a1、S'_a1为第1组开关管，S_a2、S'_a2为第2组开关管，S_a3、S'_a3为第3组开关管，S_b1、S'_b1为第4组开关管，S_b2、S'_b2为第5组开关管，S_b3、S'_b3为第6组开关管，S_c1、S′_c1为第7组开关管，S_c2、S'_c2为第8组开关管，S_c3、S'_c3为第9组开关管。同一时刻每组开关管中只能有一个开关管导通。

在三相多电平逆变器拓扑结构中，开关管S_a1的集电极连接S_a2发射极以及S'_a2集电极；开关管S_b1的集电极连接S_b2发射极以及S'_b2集电极；开关管S_c1的集电极连接S_c2发射极以及S'_c2集电极；开关管S_a1发射极连接开关管S'_a1集电极；开关管S_b1发射极连接开关管S'_b1集电极；开关管S_c1发射极连接开关管S′_c1集电极；开关管S′_a1的发射极连接S_a3发射极以及S'_a3集电极；开关管S'_b1的发射极连接S_b3发射极以及S'_b3集电极；开关管S'_c1的发射极连接S_c3发射极以及S'_c3集电极；开关管S_a3发射极连接开关管S'_a3集电极；开关管S_b3发射极连接开关管S'_b3集电极；开关管S_c3发射极连接开关管S′_c3集电极。开关管S_a1和S'_a1中间引出a相输出电压，开关管S_b1和S'_b1中间引出b相输出电压，开关管S_c1和S′_c1中间引出c相输出电压。开关管S_a2集电极与直流电源V_dc正极(P端)相连，开关管S'_a3发射极与直流电源V_dc负极(N端)相连；开关管S_b2集电极与直流电源V_dc正极(P端)相连，开关管S'_b3发射极与直流电源V_dc负极(N端)相连；开关管S_c2集电极与直流电源V_dc正极(P端)相连，开关管S'_c3发射极与直流电源V_dc负极(N端)相连；开关管S'_a2、S'_b2和S'_c2的发射极与分压电容O₁点相连,开关管S_a3、S_b3和S_c3的集电极与分压电容O₂点相连。

在三相多电平逆变器拓扑结构中，当S_a1导通时，S'_a1关断；当S_a2导通时，S'_a2关断；当S_a3导通时，S'_a3关断；当S_b1导通时，S'_b1关断；当S_b2导通时，S'_b2关断；当S_b3导通时，S'_b3关断；当S_c1导通时，S_c'₁关断；当S_c2导通时，S'_c2关断；当S_c3导通时，S'_c3关断。当S_a1关断时，S'_a1导通；当S_a2关断时，S'_a2导通；当S_a3关断时，S'_a3导通；当S_b1关断时，S'_b1导通；当S_b2关断时，S'_b2导通；当S_b3关断时，S'_b3导通；当S_c1关断时，S′_c1导通；当S_c2关断时，S'_c2导通；当S_c3关断时，S'_c3导通。

每个桥臂由3对开关管构成，即S_k1，S'_k1、S_k2，S'_k2和S_k3，S'_k3(k＝a,b,c)。开关管S_k2，S_k3和S'_k2，S'_k3所承受的反向压降为直流侧电压的1/3，而开关管S_k1和S'_k1所承受最大反向压降等于直流侧电压。

参阅图2。图2描述了每一桥臂的8种工作模式的实施例。通过3对开关管的不同组合，每个桥臂有8种工作模式,可以输出V_p，V_o1，V_o2，V_n4种不同的电平。当直流侧电容电压相等时，输出的4个电平也可以表示为3v_c，2v_c，v_c，0。以a相为例，有8个不同实施例的工作模式。

当开关管S_a1,S_a2,S_a3导通时，桥臂工作于模式1，此时v_a＝v_p，在该模式下，开关管S'_a2,S'_a3承受1/3的直流端电压,开关管S'_a1承受2/3的直流端电压；当开关S_a1,S_a2,S'_a3导通时，桥臂工作于模式2，此时v_a＝v_p，在该模式下，开关管S'_a2,S_a3承受1/3的直流端电压,开关管S'_a1承受全部的直流端电压；当开关S_a1,S'_a2,S_a3导通时，桥臂工作于模式3，此时v_a＝v_o1，在该模式下，开关管S'_a1，S_a2,S'_a3均只承受1/3的直流端电压；当开关管S_a1,S'_a2,S'_a3导通时，桥臂工作于模式4，此时v_a＝v_o1，在该模式下，开关管S_a2,S_a3承受1/3的直流端电压,开关管S'_a1承受2/3的直流端电压；当开关管S'_a1,S_a2,S_a3导通时，桥臂工作于模式5，此时v_a＝v_o2，在该模式下，开关管S'_a2,S'_a3承受1/3的直流端电压,开关管S_a1承受2/3的直流端电压；当开关S'_a1,S_a2,S'_a3导通时，桥臂工作于模式6，此时v_a＝v_n。在该模式下，开关管S'_a2,S_a3承受1/3的直流端电压,开关管S_a1承受全部的直流端电压；当开关S'_a1,S'_a2,S_a3导通时，桥臂工作于模式7，此时v_a＝v_o2，在该模式下，开关管S_a1，S_a2,S'_a3均只承受1/3的直流端电压；当开关管S'_a1,S'_a2,S'_a3导通时，桥臂工作于模式8，此时v_a＝v_n，在该模式下，开关管S_a2,S_a3承受1/3的直流端电压,开关管S_a1承受2/3的直流端电压。8种模式只有4种不同的输出电平，因此存在多余的冗余工作模式，按照开关管电压应力尽可能小的原则，选择模式1、模式3、模式7及模式8为工作模式，而其余4种模式为冗余模式。将4种工作模式1、工作模式3、工作模式7及工作模式8分别记为工作状态P，O₁，O₂和N，则可得到各桥臂的工作状态，参见表1。表1a,b,c桥臂开关状态(k＝a,b,c)

新型三相多电平逆变器，所述9组开关管，其三相开关组合矢量与输出电压V_ab、V_bc和V_ca之间的对应关系参见表2。

表2逆变器开关组合矢量与输出电压V_ab、V_bc和V_ca之间的对应关系。

上表中，‘P,O₁,O₂,N’表示各桥臂的4种工作状态，其含义见表1所示。

参阅图3。图3描述了两桥臂的16种工作方式的实施例。根据桥臂a,b,c的不同组合，逆变器每相桥臂有4种不同的有效工作状态P，O₁，O₂和N，图中分别简记为开关位置1,2,3,4。以a,b相为例，交流侧电压v_ab可以有分别对应于附图3的(a)-(p)所示的16个工作方式，得到7个不同的电平：-3V_c，-2V_c，-V_c,0，V_c，2V_c,3V_c。其余两相的工作方式与此类似。

当a桥臂工作于模式P(开关位于位置1，下同)，b桥臂工作于模式P时，a,b相工作于方式1。见图3(a)所示，此时v_ab＝0，输出电平为0。

当a桥臂工作于模式P，b桥臂工作于模式O₁(开关位于位置2，下同)时，a,b相工作于方式2。见图3(b)所示，此时v_ab＝V_c，输出电平为V_c。

当a桥臂工作于模式P，b桥臂工作于模式O₂(开关位于位置3，下同)时，a,b相工作于方式3。见图3(c)所示，此时v_ab＝2V_c，输出电平为2V_c。

当a桥臂工作于模式P，b桥臂工作于模式N(开关位于位置4，下同)时，a,b相工作于方式4。见图3(d)所示，此时v_ab＝3V_c，输出电平为3V_c。

当a桥臂工作于模式O₁，b桥臂工作于模式P时，a,b相工作于方式5。见图3(e)所示，此时v_ab＝-V_c，输出电平为-V_c。

当a桥臂工作于模式O₁，b桥臂工作于模式O₁时，a,b相工作于方式6。见图3(f)所示，此时v_ab＝0，输出电平为0。

当a桥臂工作于模式O₁，b桥臂工作于模式O₂时，a,b相工作于方式7。见图3(g)所示，此时v_ab＝V_c，输出电平为V_c。

当a桥臂工作于模式O₁，b桥臂工作于模式N时，a,b相工作于方式8。见图3(h)所示，此时v_ab＝2V_c，输出电平为2V_c。

当a桥臂工作于模式O₂，b桥臂工作于模式P时，a,b相工作于方式9。见图3(i)所示，此时v_ab＝-2V_c，输出电平为-2V_c。

当a桥臂工作于模式O₂，b桥臂工作于模式O₁时，a,b相工作于方式10。见图3(j)所示，此时v_ab＝-V_c，输出电平为-V_c。

当a桥臂工作于模式O₂，b桥臂工作于模式O₂时，a,b相工作于方式11。见图3(k)所示，此时v_ab＝0，输出电平为0。

当a桥臂工作于模式O₂，b桥臂工作于模式N时，a,b相工作于方式12。见图3(l)所示，此时v_ab＝V_c，输出电平为V_c。

当a桥臂工作于模式N，b桥臂工作于模式P时，a,b相工作于方式13。见图3(m)所示，此时v_ab＝-3V_c，输出电平为-3V_c。

当a桥臂工作于模式N，b桥臂工作于模式O₁时，a,b相工作于方式14。见图3(n)所示，此时v_ab＝-2V_c，输出电平为-2V_c。

当a桥臂工作于模式N，b桥臂工作于模式O₂时，a,b相工作于方式15。见图3(o)所示，此时v_ab＝-V_c，输出电平为-V_c。

当a桥臂工作于模式N，b桥臂工作于模式N时，a,b相工作于方式16。见图3(p)所示，此时v_ab＝0，输出电平为0。

Claims

1.一种三相多电平逆变器，包括由多个开关管电连接组成的三相多电平桥臂，以及顺次串联在首端工作状态P接点和末端工作状态N接点之间的串联分压电容，其中，串联分压电容C₁、C₂、C₃与输入直流电源V_dc形成并联回路，特征在于：每相多电平桥臂都由S_k1、S'_k1、S_k2、S'_k2、S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)三组开关管组成，每组开关管由S_kj、S'_kj(k＝a,b,c；j＝1,2,3)两个开关工作状态相反的开关管串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)两组开关管的串联结点分别与第三组开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)的上下两个端点相联，而S_k2、S'_k2和S_k3、S'_k3(k＝a,b,c)所组成的两组开关管的四个端点分别与三个串联电容四个联接端P、O₁、O₂、N点相联，三个相同的多电平桥臂均通过各自前端两个串联开关管S_k1、S'_k1(k＝a,b,c)之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输出的三桥臂四种工作模式的三相多电平逆变器拓扑结构。

2.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：三相多电平桥臂由18个IGBT开关管S_a1、S'_a1、S_a2、S'_a2、S_a3、S'_a3和S_b1、S'_b1、S_b2、S'_b2、S_b3、S'_b3及S_c1、S_c'₁、S_c2、S'_c2、S_c3、S'_c3构成，其中，开关管S_a1、S'_a1，S_a2、S'_a2及S_a3、S'_a3组成A相桥臂，开关管S_b1、S'_b1、S_b2、S'_b2及S_b3、S'_b3组成B相桥臂，S_c1、S′_c1、S_c2、S'_c2及S_c3、S'_c3组成C相桥臂。

3.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：18个开关管分成9组，开关管S_a1、S'_a1为第1组，开关管S_a2、S'_a2为第2组，开关管S_a3、S'_a3为第3组，开关管S_b1、S'_b1为第4组，开关管S_b2、S'_b2为第5组，开关管S_b3、S'_b3为第6组，开关管S_c1、S′_c1为第7组，开关管S_c2、S'_c2为第8组，开关管S_c3、S'_c3为第9组，且在同一时刻，每组开关管中只能有一个开关管导通。

4.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：在三相多电平逆变器拓扑结构中，开关管S_a1的集电极连接S_a2发射极以及S'_a2集电极；开关管S_b1的集电极连接S_b2发射极以及S'_b2集电极；开关管S_c1的集电极连接S_c2发射极以及S'_c2集电极；开关管S_a1发射极连接开关管S'_a1集电极；开关管S_b1发射极连接开关管S'_b1集电极；开关管S_c1发射极连接开关管S_c'₁集电极；开关管S′_a1的发射极连接S_a3发射极以及S'_a3集电极；开关管S'_b1的发射极连接S_b3发射极以及S'_b3集电极；开关管S'_c1的发射极连接S_c3发射极以及S'_c3集电极；开关管S_a3发射极连接开关管S'_a3集电极；开关管S_b3发射极连接开关管S'_b3集电极；开关管S_c3发射极连接开关管S′_c3集电极。

5.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：开关管S_a1和S'_a1中间引出a相输出电压，开关管S_b1和S'_b1中间引出b相输出电压，开关管S_c1和S′_c1中间引出c相输出电压。

6.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：开关管S_a2集电极与直流电源V_dc正极P端相连，开关管S'_a3发射极与直流电源V_dc负极N端相连；开关管S_b2集电极与直流电源V_dc正极P端相连，开关管S'_b3发射极与直流电源V_dc负极N端相连；开关管S_c2集电极与直流电源V_dc正极P端相连，开关管S'_c3发射极与直流电源V_dc负极N端相连；开关管S'_a2、S'_b2和S'_c2的发射极与分压电容O₁点相连,开关管S_a3、S_b3和S_c3的集电极与分压电容O₂点相连。

7.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于，在三相多电平逆变器拓扑结构中，当S_a1导通时，S'_a1关断；当S_a2导通时，S'_a2关断；当S_a3导通时，S'_a3关断；当S_b1导通时，S'_b1关断；当S_b2导通时，S'_b2关断；当S_b3导通时，S'_b3关断；当S_c1导通时，S′_c1关断；当S_c2导通时，S'_c2关断；当S_c3导通时，S'_c3关断。当S_a1关断时，S'_a1导通；当S_a2关断时，S'_a2导通；当S_a3关断时，S'_a3导通；当S_b1关断时，S'_b1导通；当S_b2关断时，S'_b2导通；当S_b3关断时，S'_b3导通；当S_c1关断时，S′_c1导通；当S_c2关断时，S'_c2导通；当S_c3关断时，S'_c3导通。

8.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：C₁、C₂、C₃分压电容从两两相邻接点分得三相多电平逆变器的V_dc/3的电压；开关管S_a2,S'_a2,S_a3,S'_a3,S_b2,S'_b2,S_b3,S'_b3,S_c2,S'_c2,S_c3,S'_c3所承受的反向压降为直流侧电压的1/3，而开关管S_a1,S'_a1,S_b1,S'_b1,S_c1,S'_c1所承受最大反向压降等于直流侧电压。

9.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：通过三对开关管的不同组合，每个桥臂有8种工作模式,4种不同的输出电平V_p，V_o1，V_o2，V_n。

10.根据权利要求1所述的三相多电平逆变器，其特征在于：8种工作模式只有4种不同的输出电平，其中，模式1、模式3、模式7及模式8为工作模式，而其余4种模式为冗余模式。