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CN102005957B - 单电源级联多电平变流器 - Google Patents

单电源级联多电平变流器 Download PDF

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CN102005957B CN 201010534173 CN201010534173A CN102005957B CN 102005957 B CN102005957 B CN 102005957B CN 201010534173 CN201010534173 CN 201010534173 CN 201010534173 A CN201010534173 A CN 201010534173A CN 102005957 B CN102005957 B CN 102005957B
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Abstract

本发明属于多电平功率变换技术，具体涉及一种级联多电平逆变器的拓扑结构，在输出与传统级联型逆变器相同电平数量的情况下减少使用直流电源的数量。实现方法是用电容来代替传统拓扑中的直流电压源，通过间断为电容充电来维持电容电压。本发明主要用于高压大功率场合，省去了原来级联电路的多副边变压器。在保留传统多电平变流器谐波小、各功率晶体管只承受单倍电源电压的条件下，可得到三倍电源电压幅值的正弦波输出，易于实现大容量和能量双向流动。

Description

单电源级联多电平变流器
技术领域：
本发明涉及多电平功率逆变技术，采用自举的方法实现单电源的级联多电平变流器的拓扑结构。
背景技术：
近年来多电平变换器的思想成为了高压大功率变频领域的一个研究热点。多电平变流器输出电压阶梯波，从而可以使输出的电压波形具有较小的谐波和较低的du/dt。随着输出电平数的增加，输出电压的谐波将减少。另外，多电平逆变技术在减小系统的开关损耗与导通损耗，降低管子的耐压与系统的EMI方面性能都非常优良。
多电平变流器可分为二极管箝位型、电容箝位型以及级联型等三种结构拓扑，二极管箝位型变流器因为在随着电平数的增多，其开关器件和箝位二极管会大量的增加，因此通常只适合于五电平以下的多电平拓扑。而电容箝位型变流器存在有电容的充放电电压平衡的问题，而且在电平数增加时，会需要较多的箝位电容，因此也存在一定的弱点。级联型多电平变频器采用若干低压PWM功率单元相串联的方式来实现直接高压输出，对电网谐波污染较小，电流谐波含量较低，输入功率因数较高，并且不必采用输入谐波滤波器和功率因数校正，在高压大功率领域应用较为广泛。
但是对级联型多电平变流器来说，当需要得到多个电平时会需要较多的直流电源，或是采用多副边变压器分别整流得到，或是采用多个独立电源。多副边变压器的工作频率为工频，体积庞大，连线复杂，且价格昂贵；而采用多个独立电源，如果采用畜电池作为独立电源则总容量有限，且畜电池的电压也不高，不易实现大容量，如是采用多个独立整流电源则其体积更是庞大，价格更昂贵。这使得该种拓扑在应用上受到制约。
传统级联多电平不能实现交直交功率变换器中的背靠背连接，因此在变频器方面级联多电平的应用也受到了限制。
发明内容：
为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种拓扑结构和控制策略均较简单的单电源级联多电平变流器。本拓扑实现了只需单个直流电源输入七电平级联多电平变流器，本拓扑在所有开关管只承受单倍电源电压的情况下，将输出交流正弦波电压幅值提升到三倍于直流电源电压。本拓扑实现了级联多电平变流器的背靠背连接。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
三个逆变桥相级联部分采用十二个开关管连接成三个逆变桥结构，第一个逆变桥的直流侧和第三个逆变桥的直流侧分别接一个电容，第二个逆变桥的直流侧接一个直流电压源。直流电源的正极或负极经过辅助开关管或单向开关管分别与第一、第三个逆变桥的直流侧的电容正极或负极相连。
本发明的有益效果是：本拓扑的最大优点是只需单个电源就可得到三个逆变桥级联的多电平电路，同时本拓扑成倍提高了直流电压利用率，在开关管只承受单倍电压的情况下输出三倍与直流电源电压的七电平正弦波电压。
优点：
(1)本设计只用一个电源就可以省去多输出隔离变压器，所以整机的体积，重量大大减小，成本明显降低。电路的输入可以直接通过电网整流得到，无需变压器。
(2)在同样的输入电压下，提高了输出电压，成倍提高了直流电压利用率。在各开关管承受电源电压的条件下可以得到幅值为三倍电源电压的正弦波输出。
(3)可以实现能量的双向流动，节省电能。
(4)因为采用了桥式电路，所以容易实现模块化，易于扩展。
(5)可以实现级联多电平的背靠背连接。
(6)开关器件工作的频率低，损耗小，电路的效率高，输出电压波形中的谐波含量少，与箝位电路相比，不需要箝位二极管和箝位电容。在输出电平数相同时，所需的元器件数量少。
附图说明：
图1辅助开关管都接电源负极的电路拓扑
图2辅助开关管都接电源正极的电路拓扑
图3辅助开关管上接电源正极、下接电源负极的电路拓扑
图4辅助开关管上接电源负极、下接电源正极的电路拓扑
在上述图中V为直流输入电源，S11、S12、S13、S14为带体内反并联二极管的第一个逆变桥的开关管，S21、S22、S23、S24为带体内反并联二极管的第二个逆变桥的开关管，S31、S32、S33、S34为带体内反并联二极管的第三个逆变桥的开关管。C1为第一个逆变桥的直流侧滤波电容，C3为第三个逆变桥的直流侧滤波电容。Sc1为电容C1的辅助开关管，Sc3为电容C3的辅助开关管。Z为输出负载。D1、D2为双向开关管并联组合的二极管。D3、D4为双向开关管串联组合的二极管。D5、D6、D7、D8为双向开关管桥式组合的二极管。T1、T2为双向开关管并联组合的开关管。T3、T4为双向开关管串联组合的开关管。T5为双向开关管桥式组合的开关管。
具体实施方式：
实施例1
在图1中，本拓扑包括逆变桥(1)、逆变桥(2)、逆变桥(3)、辅助开关管(4)和辅助开关管(5)，其中逆变桥(1)为：电容(C1)的一端接开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，另一端接开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，开关管(S11)的发射极接开关管(S12)的集电极，开关管(S13)的发射极接开关管(S14)的集电极；逆变桥(2)为：直流电压源正极接开关管(S21)的集电极和开关管(S23)的集电极，负极接开关管(S22)的发射极和开关管(S24)的发射极，开关管(S21)的发射极接开关管(S22)的集电极，开关管(S23)的发射极接开关管(S24)的集电极；逆变桥(3)为：电容(C3)的一端接开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，另一端接开关管(S32)发射极和开关管(S34)的发射极，开关管(S31)的发射极接开关管(S32)的集电极，开关管(S33)的发射极接开关管(S34)的集电；辅助开关管(4)为：为单向开关管或双向开关管；辅助开关管(5)为：为单向开关管或双向开关管；逆变桥(1)的开关管(S13)的发射极和开关管(S14)的集电极接逆变桥(2)的开关管(S21)的发射极和开关管(S22)的集电极；逆变桥(2)的开关管(S23)的发射极和开关管(S24)的集电极接逆变桥(3)的开关管(S31)的发射极和开关管(S32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S11)的发射极和开关管(S12)的集电极接负载(Ro)的一端，逆变桥(3)的开关管(S33)的发射极和开关管(S34)的集电极接负载的另一端；辅助开关管(4)的一端接逆变桥(1)的开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，辅助开关管(4)另一端接直流电源的负级；辅助开关管(5)的一端接逆变桥(3)的开关管(S32)的发射极和开关管(S34)的发射极，辅助开关管(5)的另一端接直流电源的负级；
所述逆变桥(1)的开关管(S11、S12、S13、S14)、逆变桥(2)的开关管(S21、S22、S23、S24)和逆变桥(3)的开关管(S31、S32、S33、S34)为具有体内反并联二极管的开关管或者由体内无二极管的开关管与二极管组合而成；辅助开关管(4)和辅助开关管(5)为单向开关管或单向开关组合或双向开关管或双向开关组合。
实施例2
在图2中，本拓包括逆变桥(1)、逆变桥(2)、逆变桥(3)、辅助开关管(4)和辅助开关管(5)，其中逆变桥(1)为：电容(C1)的一端接开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，另一端接开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，开关管(S11)的发射极接开关管(S12)的集电极，开关管(S13)的发射极接开关管(S14)的集电极；逆变桥(2)为：直流电压源正极接开关管(S21)的集电极和开关管(S23)的集电极，负极接开关管(S22)的发射极和开关管(S24)的发射极，开关管(S21)的发射极接开关管(S22)的集电极，开关管(S23)的发射极接开关管(S24)的集电极；逆变桥(3)为：电容(C3)的一端接开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，另一端接开关管(S32)发射极和开关管(S34)的发射极，开关管(S31)的发射极接开关管(S32)的集电极，开关管(S33)的发射极接开关管(S34)的集电；辅助开关管(4)为：开关管(Sc11)的集电极接开关管(Sc12)的集电极；辅助开关管(5)为：开关管(Sc31)的集电极接开关管(Sc32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S13)的发射极和开关管(S14)的集电极接逆变桥(2)的开关管(S21)的发射极和开关管(S22)的集电极；逆变桥(2)的开关管(S23)的发射极和开关管(S24)的集电极接逆变桥(3)的开关管(S31)的发射极和开关管(S32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S11)的发射极和开关管(S12)的集电极接负载(Ro)的一端，逆变桥(3)的开关管(S33)的发射极和开关管(S34)的集电极接负载的另一端；辅助开关管(4)的一端接逆变桥(1)的开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，辅助开关管(4)的另一端接直流电源的正级；辅助开关管(5)的一端接逆变桥(3)的开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，辅助开关管(5)的另一端接直流电源的正级；
所述逆变桥(1)的开关管(S11、S12、S13、S14)、逆变桥(2)的开关管(S21、S22、S23、S24)和逆变桥(3)的开关管(S31、S32、S33、S34)为具有体内反并联二极管的开关管或者由体内无二极管的开关管与二极管组合而成；辅助开关管(4)和辅助开关管(5)为单向开关管或单向开关组合或双向开关管或双向开关组合。
实施例3
在图3中，本拓包括逆变桥(1)、逆变桥(2)、逆变桥(3)、辅助开关管(4)和辅助开关管(5)，其中逆变桥(1)为：电容(C1)的一端接开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，另一端接开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，开关管(S11)的发射极接开关管(S12)的集电极，开关管(S13)的发射极接开关管(S14)的集电极；逆变桥(2)为：直流电压源正极接开关管(S21)的集电极和开关管(S23)的集电极，负极接开关管(S22)的发射极和开关管(S24)的发射极，开关管(S21)的发射极接开关管(S22)的集电极，开关管(S23)的发射极接开关管(S24)的集电极；逆变桥(3)为：电容(C3)的一端接开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，另一端接开关管(S32)发射极和开关管(S34)的发射极，开关管(S31)的发射极接开关管(S32)的集电极，开关管(S33)的发射极接开关管(S34)的集电；辅助开关管(4)为：开关管(Sc11)的集电极接开关管(Sc12)的集电极；辅助开关管(5)为：开关管(Sc31)的集电极接开关管(Sc32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S13)的发射极和开关管(S14)的集电极接逆变桥(2)的开关管(S21)的发射极和开关管(S22)的集电极；逆变桥(2)的开关管(S23)的发射极和开关管(S24)的集电极接逆变桥(3)的开关管(S31)的发射极和开关管(S32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S11)的发射极和开关管(S12)的集电极接负载(Ro)的一端，逆变桥(3)的开关管(S33)的发射极和开关管(S34)的集电极接负载的另一端；辅助开关管(4)的一端接逆变桥(1)的开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，辅助开关管(4)的另一端接直流电源的正级；辅助开关管(5)的一端接逆变桥(3)的开关管(S32)的发射极和开关管(S34)的发射极，辅助开关管(5)的另一端接直流电源的负级；
所述逆变桥(1)的开关管(S11、S12、S13、S14)、逆变桥(2)的开关管(S21、S22、S23、S24)和逆变桥(3)的开关管(S31、S32、S33、S34)为具有体内反并联二极管的开关管或者由体内无二极管的开关管与二极管组合而成；辅助开关管(4)和辅助开关管(5)为单向开关管或单向开关组合或双向开关管或双向开关组合。
实施例4
在图4中，本拓扑属于级联多电平变流器的拓扑结构其包括逆变桥(1)、逆变桥(2)、逆变桥(3)、辅助开关管(4)和辅助开关管(5)，其中逆变桥(1)为：电容(C1)的一端接开关管(S11)的集电极和开关管(S13)的集电极，另一端接开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，开关管(S11)的发射极接开关管(S12)的集电极，开关管(S13)的发射极接开关管(S14)的集电极；逆变桥(2)为：直流电压源正极接开关管(S21)的集电极和开关管(S23)的集电极，负极接开关管(S22)的发射极和开关管(S24)的发射极，开关管(S21)的发射极接开关管(S22)的集电极，开关管(S23)的发射极接开关管(S24)的集电极；逆变桥(3)为：电容(C3)的一端接开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，另一端接开关管(S32)发射极和开关管(S34)的发射极，开关管(S31)的发射极接开关管(S32)的集电极，开关管(S33)的发射极接开关管(S34)的集电；辅助开关管(4)为：开关管(Sc11)的集电极接开关管(Sc12)的集电极；辅助开关管(5)为：开关管(Sc31)的集电极接开关管(Sc32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S13)的发射极和开关管(S14)的集电极接逆变桥(2)的开关管(S21)的发射极和开关管(S22)的集电极；逆变桥(2)的开关管(S23)的发射极和开关管(S24)的集电极接逆变桥(3)的开关管(S31)的发射极和开关管(S32)的集电极；逆变桥(1)的开关管(S11)的发射极和开关管(S12)的集电极接负载(Ro)的一端，逆变桥(3)的开关管(S33)的发射极和开关管(S34)的集电极接负载的另一端；辅助开关管(4)的一端接逆变桥(1)的开关管(S12)的发射极和开关管(S14)的发射极，辅助开关管(4)的另一端接直流电源的负级；辅助开关管(5)的一端接逆变桥(3)的开关管(S31)的集电极和开关管(S33)的集电极，辅助开关管(5)的另一端接直流电源的正级。
所述逆变桥(1)的开关管(S11、S12、S13、S14)、逆变桥(2)的开关管(S21、S22、S23、S24)和逆变桥(3)的开关管(S31、S32、S33、S34)为具有体内反并联二极管的开关管或者由体内无二极管的开关管与二极管组合而成；辅助开关管(4)和辅助开关管(5)为单向开关管或单向开关组合或双向开关管或双向开关组合。

Claims (9)

1.一种单电源级联多电平变流器，其特征在于：
该变流器包括逆变桥1、逆变桥2、逆变桥3、辅助开关4和辅助开关5；逆变桥1为：电容C1的一端接主开关S11的第一极和主开关S13的第一极，另一端接主开关S12的第二极和主开关S14的第二极，主开关S11的第二极接主开关S12的第一极，主开关S13的第二极接主开关S14的第一极；逆变桥2为：直流电源正极接主开关S21的第一极和主开关S23的第一极，直流电源负极接主开关S22的第二极和主开关S24的第二极，主开关S21的第二极接主开关S22的第一极，主开关S23的第二极接主开关S24的第一极；逆变桥3为：电容C3的一端接主开关S31的第一极和主开关S33的第一极，另一端接主开关S32第二极和主开关S34的第二极，主开关S31的第二极接主开关S32的第一极，主开关S33的第二极接主开关S34的第一极；逆变桥1的主开关S13的第二极和主开关S14的第一极接逆变桥2的主开关S21的第二极和主开关S22的第一极；逆变桥2的主开关S23的第二极和主开关S24的第一极接逆变桥3的主开关S31的第二极和主开关S32的第一极；逆变桥1的主开关S11的第二极和主开关S12的第一极接负载Z的一端，逆变桥3的主开关S33的第二极和主开关S34的第一极接负载Z的另一端；辅助开关4为单向开关或双向开关，辅助开关4的一端接逆变桥1的电容C1的一端，辅助开关4的另一端接直流电源的正极或负极；辅助开关5为单向开关或双向开关，辅助开关5的一端接逆变桥3的电容C3的一端，辅助开关5的另一端接直流电源的正极或负极。
2.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：逆变桥1的主开关S11、S12、S13、S14，逆变桥2的主开关S21、S22、S23、S24和逆变桥3的主开关S31、S32、S33、S34为MOSFET。
3.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：逆变桥1的主开关S11、S12、S13、S14，逆变桥2的主开关S21、S22、S23、S24和逆变桥3的主开关S31、S32、S33、S34为体内无二极管的开关管与二极管组合而成。
4.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关4和辅助开关5均由采用IGBT或GTO的开关管与二极管并联，然后两个所述并联组合体再串联组成。
5.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关4和辅助开关5均由采用IGBT或GTO或MOSFET的开关管与二极管串联，然后两个所述串联组合体再并联组成。
6.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关4和辅助开关5均由采用IGBT或GTO或MOSFET的开关管与二极管串联组成。
7.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关4和辅助开关5均由GTO或体内无反并联二极管的IGBT并联组成。
8.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关4由二极管D5、D6、D7、D8构成的全波整流桥与采用IGBT或GTO或MOSFET的开关管T5组成：所述开关管T5的发射极/源极接二极管D5的阳极和二极管D6的阳极；开关管T5的集电极/漏极接二极管D7的阴极和二极管D8的阴极；二极管D5的阴极和二极管D7的阳极相接作为辅助开关的一端；二极管D6的阴极和二极管D8的阳极相接作为辅助开关的另一端。
9.根据权利要求1所述的级联多电平变流器，其特征在于：辅助开关5由二极管D5、D6、D7、D8构成的全波整流桥与采用IGBT或GTO或MOSFET的开关管T5组成：所述开关管T5的发射极/源极接二极管D5的阳极和二极管D6的阳极；开关管T5的集电极/漏极接二极管D7的阴极和二极管D8的阴极；二极管D5的阴极和二极管D7的阳极相接作为辅助开关的一端；二极管D6的阴极和二极管D8的阳极相接作为辅助开关的另一端。
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