專利名稱：一種五電平逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種五電平逆變器，屬電力電子變換器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
逆變器是將直流電變換成交流電以供交流負(fù)載使用的功率變換裝置。多電平功率變換技術(shù)自1981年由Nabae等人提出以來一直是高壓大功率應(yīng)用領(lǐng) 域的研究熱點(diǎn)。相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平變換器，多電平變換器由于輸出電平數(shù)的增加，其輸出 波形具有更好的諧波頻譜特性和較小的電壓電流變化率，因此電磁兼容性好，且每個(gè)開關(guān) 器件承受的電壓應(yīng)力較小，特別適合高壓大功率應(yīng)用場合，如高壓交流調(diào)速、電力系統(tǒng)靜止 無功發(fā)生器、有源電力濾波器等多種場合。多電平逆變器的一般思想是利用獨(dú)立的直流電 源或多個(gè)電容來產(chǎn)生較小的階梯電壓，從而最終輸出高壓交流波形。多電平逆變器主要有三種類型二極管箝位型、飛跨電容箝位型和級(jí)聯(lián)型。傳統(tǒng)的 多電平逆變器隨著輸出電平數(shù)量的增多，其所用的開關(guān)管數(shù)量急劇增加，導(dǎo)致變換器結(jié)構(gòu) 及控制復(fù)雜，因此目前為止應(yīng)用最多的是三電平變換器，其它多電平變換器如五電平變換 器、七電平變換器等也有研究和應(yīng)用，但由于結(jié)構(gòu)及控制復(fù)雜，遠(yuǎn)不 及三電平變換器的應(yīng)用 廣泛。因此，研究多電平逆變器的目的之一便是為了簡化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提高裝置性能。針對(duì)多電平變換器隨輸出電平數(shù)量的增多而導(dǎo)致的開關(guān)管數(shù)量增多、控制復(fù)雜等 問題，研究工作者提出了多種技術(shù)方案，如文獻(xiàn)“丁凱，鄒云屏，蔡政英，吳智超，劉飛，許湘 蓮· 一種新型單相不對(duì)稱五電平逆變器，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，vol. 24(11) :116_120” 和文獻(xiàn)“張?jiān)?，孫立，吳鳳江，孫奎.電容箝位型非對(duì)稱H橋五電平逆變器正弦脈寬調(diào)制控 制，中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，vol. 29(21) :40_45”分別對(duì)二極管箝位型和電容箝位型兩種 簡化電路結(jié)構(gòu)的五電平逆變器進(jìn)行了研究。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種所用開關(guān)管數(shù)量少、電路結(jié)構(gòu)簡單、控制簡 單、變換效率高的新型五電平逆變器。技術(shù)方案本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術(shù)方案一種五電平逆變器，包括輸入直流源、輸入分壓電容、三電平橋臂、兩電平橋臂、輸 出濾波電路及負(fù)載，其中輸入分壓電容由第一分壓電容和第二分壓電容構(gòu)成，三電平橋臂 由第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管及第四功率開關(guān)管構(gòu)成，兩電平橋臂 由第五功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管構(gòu)成；其中，輸入電源的正極分別連接第一分壓電容的一端、第二功率開關(guān)管的漏極及 第五功率開關(guān)管的漏極；輸入電源的負(fù)極分別連接第二分壓電容的一端、第四功率開關(guān)管 的源極及第六功率開關(guān)管的源極；第一分壓電容的另一端分別與第二分壓電容的另一端、第三功率開關(guān)管的源極相連接；第三功率開關(guān)管的漏極與第一功率開關(guān)管的漏極相連；第 一功率開關(guān)管的源極分別連接第二功率開關(guān)管的源極、第四功率開關(guān)管的漏極及輸出濾波 電路的輸入端；輸出濾波電路的輸出端分別與負(fù)載、兩電平橋臂的中點(diǎn)相連接。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率 開關(guān)管及第四功率開關(guān)管分別為高頻功率開關(guān)管，且在同一時(shí)刻其中僅有兩個(gè)開關(guān)管高頻 開關(guān)。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的第五功率開關(guān)管及第六功率開關(guān)管為低頻功 率開關(guān)管，且第五功率開關(guān)管及第六功率開關(guān)管的開關(guān)頻率與逆變器輸出電壓的頻率相寸。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路包括濾波電感和濾波電容；其 中輸出濾波電感的一端分別連接第一功率開關(guān)管的源極、第二功率開關(guān)管的源極以及第四 功率開關(guān)管的漏極；輸出濾波電感的另一端分別連接輸出濾波電容的一端及負(fù)載的一端； 負(fù)載的另一端分別與輸出濾波電容的另一端、第五功率開關(guān)管的源極及第六功率開關(guān)管的 漏極相連接。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路還包括隔離變壓器，其中隔離 變壓器原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感的另一端連接，隔離變壓器原邊繞組的另一端 分別與第五功率開關(guān)管的源極及第六功率開關(guān)管的漏極連接；隔離變壓器副邊繞組的一端 分別連接輸出濾波電容的一端及負(fù)載的一端；隔離變壓器副邊繞組的另一端分別連接輸出 濾波電容的另一端及負(fù)載的另一端。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路中，隔離變壓器原邊繞組的一 端分別與第一功率開關(guān)管的源極、第二功率開關(guān)管的源極以及第四功率開關(guān)管的漏極連 接；隔離變壓器原邊繞組的另一端分別與第五功率開關(guān)管的源極及第六功率開關(guān)管的漏極 連接；隔離變壓器副邊繞組的一端與輸出濾波電感的一端連接；輸出濾波電感的另一端分 別與輸出濾波電容的一端及負(fù)載的一端連接；隔離變壓器副邊繞組的另一端分別與負(fù)載的 另一端、輸出濾波電容的另一端連接。進(jìn)一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電感可以由隔離變壓器的漏感代替。有益效果(1)所用開關(guān)管數(shù)量少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單；(2)開關(guān)管電壓應(yīng)力低、同一時(shí)刻僅有兩個(gè)開關(guān)管高頻開關(guān)，開關(guān)損耗小，變換效 率聞；(3)輸出電壓及電流諧波含量少，所需濾波器體積?。?


圖1是本發(fā)明一種五電平逆變器主電路原理圖；圖2為本發(fā)明一種五電平逆變器采用電壓瞬時(shí)值反饋控制時(shí)的控制框圖；圖3為本發(fā)明一種五電平逆變器采用電壓瞬時(shí)值反饋控制時(shí)的原理波形；圖4為本發(fā)明一種五電平逆變器輸出電壓正半周期的各開關(guān)模態(tài)等效電路；圖5為本發(fā)明一種五電平逆變器輸出電壓負(fù)半周期的各開關(guān)模態(tài)等效電路；
圖6為本發(fā)明一種五電平逆變器實(shí)施例二的電路原理圖；圖7為本發(fā)明一種五電平逆變器實(shí)施例三的電路原理圖。圖中符號(hào)說明Vin-輸入直流源；101、輸入分壓電容；102、三電平橋臂；103、兩電平橋臂；104、
輸出濾波電路；R。、負(fù)載；ν。、輸出電壓A、第一分壓電容；C2、第二分壓電容^ S6-第 一 第六功率開關(guān)管；L。、輸出濾波電感；C。、輸出濾波電容化、誤差放大器輸出電壓；Vtl vt4-三角載波1 三角載波4 ;Vesi ves6-第一 第六功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓；t、時(shí)間。
具體實(shí)施方案下面結(jié)合附圖對(duì)技術(shù)方案的實(shí)施作進(jìn)一步的詳細(xì)描述實(shí)施例一如圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括輸入直流源Vin、輸入分壓電容101、三電平橋臂102、兩電 平橋臂103、輸出濾波電路104及負(fù)載R。，其中，輸入分壓電容由第一分壓電容C1和第二分 壓電容C2構(gòu)成，三電平橋臂102由第一、第二、第三及第四功率開關(guān)管S1 S4構(gòu)成，兩電平 橋臂103由第五功率開關(guān)管S5和第六功率開關(guān)管S6構(gòu)成，輸出濾波電路104由濾波電感L。 和濾波電容C。構(gòu)成；其電路連接關(guān)系為輸入電源Vin的正極分別連于第一分壓電容C1的 一端、第二功率開關(guān)管S2的漏極及第五功率開關(guān)管S5的漏極；輸入電源Vin的負(fù)極分別連 于第二分壓電容C2的一端、第四功率開關(guān)管S4的源極及第六功率開關(guān)管S6的源極；第一分 壓電容C1的另一端與第二分壓電容C2的另一端相連，并連于第三功率開關(guān)管S3的源極；第 三功率開關(guān)管S3的漏極與第一功率開關(guān)管S1的漏極相連；第一功率開關(guān)管S1的源極分別 連于第二功率開關(guān)管S2的源極、第四功率開關(guān)管S4的漏極及輸出濾波電感L。的一端；輸出 濾波電感L。的另一端分別連于輸出濾波電容C。的一端及負(fù)載R。的一端；負(fù)載R。的另一端 分別與輸出濾波電容C。的另一端、第五功率開關(guān)管S5的源極及第六功率開關(guān)管S6的漏極 相連。本發(fā)明一種五電平逆變器中，第一、第二、第三及第四功率開關(guān)管S1 、為高頻功 率開關(guān)管，且在同一時(shí)刻僅有兩個(gè)開關(guān)管高頻開關(guān)，在具體實(shí)施時(shí)，第一、第二、第三和第四 功率開關(guān)管S1 S4可以根據(jù)具體電壓及功率等級(jí)選用高頻功率開關(guān)管如MOSFET和IGBT ； 第五功率開關(guān)管S5及第六功率開關(guān)管S6為低頻功率開關(guān)管，其開關(guān)頻率與逆變器輸出電壓 V0的頻率相等，且在輸出電壓V。的正半周期，第五功率開關(guān)管S5 —直關(guān)斷，第六功率開關(guān)管 S6 一直導(dǎo)通，在輸出電壓ν。的負(fù)半周期，第五功率開關(guān)管S5 —直導(dǎo)通，第六功率開關(guān)管S6 一直關(guān)斷，在具體實(shí)施時(shí)，第五開關(guān)管S5、第六功率開關(guān)管S6可選用可控硅等低頻功率開關(guān) 管，也可以選用MOSFET、IGBT等高頻開關(guān)管。控制原理和工作過程下面結(jié)合附圖2 附圖5說明本發(fā)明一種五電平逆變器在具體實(shí)施時(shí)的控制原理 和工作過程。本發(fā)明一種五電平逆變器的一個(gè)具體實(shí)施例中，逆變器采用電壓瞬時(shí)值反饋控制 策略，其控制框圖和原理波形分別如圖2和圖3所示。第一 第四功率開關(guān)管S1 S4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由誤差放大器輸出電壓分別與四路 三角載波比較并經(jīng)過相應(yīng)的邏輯比較電路得到，其中各三角載波的峰峰值相等，且三角載波1最小值和三角載波3的最大值為0，三角載波2的最小值等于三角載波1的最大值，三 角載波4的最大值等于三角載波3的最小值；經(jīng)過比較及相應(yīng)的邏輯電路期望達(dá)到的控制 效果為第一、第四功率開關(guān)管SpS4互補(bǔ)導(dǎo)通，第二、第三功率開關(guān)管S2、S3互補(bǔ)導(dǎo)通；ve大 于零時(shí)，當(dāng)\大于三角載波1時(shí)，第一功率開關(guān)管S1導(dǎo)通，反之則第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷， 當(dāng)\大于三角載波2時(shí)，第二功率開關(guān)管S2導(dǎo)通，反之則第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷 小于 零時(shí)，當(dāng)Ve小于于三角載波3時(shí)，第三功率開關(guān)管S3導(dǎo)通，反之則第三功率開關(guān)管S3關(guān)斷， 當(dāng)\小于三角載波4時(shí)，第四功率開關(guān)管S4導(dǎo)通，反之則第四功率開關(guān)管S4關(guān)斷。第五、第六功率開關(guān)管S5、S6的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由誤差放大器輸出電壓Ne與零電平信號(hào) 比較得到，當(dāng)大于0時(shí)，S6導(dǎo)通，S5關(guān)斷，當(dāng)ve小于0時(shí)，S6關(guān)斷，S5導(dǎo)通。在輸出電壓ν。的正半周，逆變器共有三種工作模態(tài)，各模態(tài)等效電路如圖4所示。模態(tài)1 等效電路如圖4(a)所示，第一、第三及第六功率開關(guān)管Sp S3及S6導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷；模態(tài)2 等效電路如圖4(b)所示，第三、第四及第六功率開關(guān)管S3、S4及S6導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3雖然導(dǎo)通，但沒有電流流過，因此第三功率開關(guān)管 S3等效于關(guān)斷狀態(tài)；模態(tài)3 等效電路如圖4(c)所示，第二、第三及第六功率開關(guān)管S2、S3及S6導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷，第三功率開關(guān)管S3雖然導(dǎo)通，但沒有電流流過，因此第三功率開關(guān)管 S3等效于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)誤差放大器輸出電壓Ve大于0而小于三角載波Ivtl的峰值時(shí)，逆變器在開關(guān)管 模態(tài)1和模態(tài)2之間切換；當(dāng)誤差放大器輸出電壓Ne大于三角載波Ivtl的峰值時(shí)，逆變器 在開關(guān)模態(tài)1和模態(tài)3之間切換。在輸出電壓V。的負(fù)半周，逆變器共有三種工作模態(tài)，各模態(tài)等效電路如圖5所示。模態(tài)1 等效電路如圖5(a)所示，第一、第三及第五功率開關(guān)管S1, S3及S5導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷；模態(tài)2 等效電路如圖5(b)所示，第一、第二及第五功率開關(guān)管S” S2及S5導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷，第一功率開關(guān)管S1雖然導(dǎo)通，但沒有電流流過，因此第一功率開關(guān)管 S1等效于關(guān)斷狀態(tài)；模態(tài)3 等效電路如圖5(c)所示，第一、第四及第五功率開關(guān)管Sp S4及S5導(dǎo)通， 其它功率開關(guān)管關(guān)斷，第一功率開關(guān)管S1雖然導(dǎo)通，但沒有電流流過，因此第一功率開關(guān)管 S1等效于關(guān)斷狀態(tài)。當(dāng)誤差放大器輸出電壓Ve小于0而大于三角載波3vt3的峰值時(shí)，逆變器在開關(guān)管 模態(tài)1和模態(tài)2之間切換；當(dāng)誤差放大器輸出電壓Ve小于三角載波3vt3的峰值時(shí)，逆變器 在開關(guān)模態(tài)1和模態(tài)3之間切換。本發(fā)明一種五電平逆變器的實(shí)施例二及實(shí)施例三的電路原理圖分別如圖6和圖7 所示，在實(shí)施例二和實(shí)施例三中，逆變器的控制電路以及各功率開關(guān)管的開通關(guān)斷邏輯與 實(shí)施例一完全相同，實(shí)施例二和是實(shí)例三是本發(fā)明一種五電平逆變器引入隔離變壓器T后 的電路形式，隔離變壓器τ的兩種連接方式分別如圖6和圖7所示。如圖6所示，隔離變壓器T原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感L。的另一端連接， 隔離變壓器T原邊繞組的另一端分別與第五功率開關(guān)管S5的源極及第六功率開關(guān)管S6的漏極連接；隔離變壓器T副邊繞組的一端分別連接輸出濾波電容C。的一端及負(fù)載R。的一 端；隔離變壓器T副邊繞組的另一端分別連接輸出濾波電容C。的另一端及負(fù)載R。的另一 端。如圖7所示，其中隔離變壓器T原邊繞組的一端分別與第一功率開關(guān)管S1的源極、 第二功率開關(guān)管S2的源極以及第四功率開關(guān)管S4的漏極連接；隔離變壓器T原邊繞組的另 一端分別與第五功率開關(guān)管S5的源極及第六功率開關(guān)管S6的漏極連接；隔離變壓器T副邊 繞組的一端與輸出濾波電感L。的一端連接；輸出濾波電感L。的另一端分別與輸出濾波電容 C0的一端及負(fù)載R。的一端連接；隔離變壓器T副邊繞組的另一端分別與負(fù)載R。的另一端、 輸出濾波電容C。的另一端連接。引入隔離變壓器后，原來的濾波電感Lo也可以用隔離變壓器T的漏感代替。
權(quán)利要求
一種五電平逆變器，包括輸入直流源(Vin)、輸入分壓電容(101)、輸出濾波電路(104)及負(fù)載(Ro)，其特征在于所述五電平逆變器還包括三電平橋臂(102)、兩電平橋臂(103)；其中，輸入分壓電容(101)由第一分壓電容(C1)和第二分壓電容(C2)構(gòu)成，三電平橋臂(102)由第一功率開關(guān)管(S1)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)及第四功率開關(guān)管(S4)構(gòu)成，兩電平橋臂(103)由第五功率開關(guān)管(S5)和第六功率開關(guān)管(S6)構(gòu)成；其中，輸入電源(Vin)的正極分別連接第一分壓電容(C1)的一端、第二功率開關(guān)管(S2)的漏極及第五功率開關(guān)管(S5)的漏極；輸入電源(Vin)的負(fù)極分別連接第二分壓電容(C2)的一端、第四功率開關(guān)管(S4)的源極及第六功率開關(guān)管(S6)的源極；第一分壓電容(C1)的另一端分別與第二分壓電容(C2)的另一端、第三功率開關(guān)管(S3)的源極相連接；第三功率開關(guān)管(S3)的漏極與第一功率開關(guān)管(S1)的漏極相連；第一功率開關(guān)管(S1)的源極分別連接第二功率開關(guān)管(S2)的源極、第四功率開關(guān)管(S4)的漏極及輸出濾波電路(104)的輸入端；輸出濾波電路(104)的輸出端分別與負(fù)載(Ro)、兩電平橋臂(103)的中點(diǎn)相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述第一功率開關(guān)管(S1)、第二 功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)及第四功率開關(guān)管(S4)分別為高頻功率開關(guān)管，且 在同一時(shí)刻其中僅有兩個(gè)開關(guān)管高頻開關(guān)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述第五功率開關(guān)管(S5)及第 六功率開關(guān)管(S6)為低頻功率開關(guān)管，且第五功率開關(guān)管(S5)及第六功率開關(guān)管(S6)的 開關(guān)頻率與逆變器輸出電壓(V。)的頻率相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)包括 濾波電感(L。)和濾波電容(C。)；其中輸出濾波電感(L。)的一端分別連接第一功率開關(guān)管 (S1)的源極、第二功率開關(guān)管(S2)的源極以及第四功率開關(guān)管(S4)的漏極；輸出濾波電感 (L0)的另一端分別連接輸出濾波電容(C。)的一端及負(fù)載(R。)的一端；負(fù)載(R。)的另一端 分別與輸出濾波電容(C。)的另一端、第五功率開關(guān)管(S5)的源極及第六功率開關(guān)管(S6)的 漏極相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)還包 括隔離變壓器(T)，其中隔離變壓器(T)原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感(L。)的另一 端連接，隔離變壓器(T)原邊繞組的另一端分別與第五功率開關(guān)管(S5)的源極及第六功率 開關(guān)管(S6)的漏極連接；隔離變壓器(T)副邊繞組的一端分別連接輸出濾波電容(C。)的一 端及負(fù)載(R。)的一端；隔離變壓器⑴副邊繞組的另一端分別連接輸出濾波電容(C。)的另 一端及負(fù)載(R。)的另一端。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)還包 括隔離變壓器(T)，其中隔離變壓器(T)原邊繞組的一端分別與第一功率開關(guān)管(S1)的源 極、第二功率開關(guān)管(S2)的源極以及第四功率開關(guān)管(S4)的漏極連接；隔離變壓器(T)原 邊繞組的另一端分別與第五功率開關(guān)管(S5)的源極及第六功率開關(guān)管(S6)的漏極連接；隔 離變壓器⑴副邊繞組的一端與輸出濾波電感(L。)的一端連接；輸出濾波電感(L。)的另一 端分別與輸出濾波電容(C。)的一端及負(fù)載(R。)的一端連接；隔離變壓器⑴副邊繞組的另 一端分別與負(fù)載(R。)的另一端、輸出濾波電容(C。)的另一端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電感(L。)由隔離變壓器(T)的漏感代替。
全文摘要
本發(fā)明提供一種五電平逆變器，屬變換器技術(shù)領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)包括輸入直流源、輸入分壓電容、三電平橋臂、兩電平橋臂、輸出濾波電路及負(fù)載。三電平橋臂由四個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，且同一時(shí)刻僅有兩個(gè)開關(guān)管高頻開關(guān)；兩電平橋臂由兩個(gè)開關(guān)管構(gòu)成，且兩個(gè)開關(guān)管的開關(guān)頻率與輸出電壓的頻率相等；變換器同一時(shí)刻只有兩個(gè)開關(guān)管高頻開關(guān)，開關(guān)損耗小、變換效率高；該變換器所有開關(guān)管最大電壓應(yīng)力均等于輸入電壓，開關(guān)管電壓應(yīng)力低，相對(duì)于傳統(tǒng)五電平逆變器所用開關(guān)管數(shù)量少、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、控制簡單；由于能夠輸出多個(gè)電平，大大減小了輸出濾波器的體積。本發(fā)明適用于中高壓、大功率應(yīng)用場合，此外，在新能源并網(wǎng)發(fā)電等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02M7/483GK101917133SQ201010266320
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月30日
發(fā)明者吳紅飛, 張君君, 邢巖 申請人:南京航空航天大學(xué)