專利名稱：一種單相半橋五電平逆變器及其應(yīng)用電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單相半橋五電平逆變器及其應(yīng)用電路。
背景技術(shù)：
中壓大容量場合，多電平逆變器得到廣泛的應(yīng)用，目前的五電平逆變器主要是二極管箝位型和飛跨電容型結(jié)構(gòu)。下面分別予以介紹。參見圖la，該圖為現(xiàn)有技術(shù)中提供的二極管箝位型的五電平逆變器拓?fù)鋱D。圖Ia所示的是半橋五電平逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。二極管用于為各個開關(guān)管進(jìn)行電壓箝位。例如，第一二極管DBl用于將開關(guān)管Tl下端的電位箝位于第一電容Cl的下端；第二二極管DB2用于將開關(guān)管T5下端的電位箝位于第一電容Cl的下端。其他二極管DB3、 DB4、DB5和DB6類似，在此不再贅述。由于箝位二極管需要阻斷多倍電平電壓，通常需要多個相同標(biāo)稱值的二極管串聯(lián)，如圖Ib所示，二極管DB21、DB22和DB23串聯(lián)相當(dāng)于圖Ia中的二極管DB2。DB2UDB22 和DB23這三個二極管串聯(lián)起來共同承受圖Ia中DB2承受的電壓。由于二極管的分散性以及雜散參數(shù)的影響，標(biāo)稱值相同的二極管所能承受的壓力也有所差別，這樣串聯(lián)起來可能引起有的二極管兩端過電壓。因此，需要均壓措施和很大的RC吸收電路，但是這樣將導(dǎo)致系統(tǒng)體積龐大，成本增加。因此，為了解決圖Ib存在的問題，提出了一種改進(jìn)措施，如圖Ic所示。這種拓?fù)渌玫拈_關(guān)管數(shù)量和圖Ia所用的一樣，該拓?fù)淇梢詫⒚總€二極管電壓箝位在單電平電壓之內(nèi)，如圖Ic所示，所有的二極管沒有兩個串聯(lián)的情況。在電平數(shù)較多的逆變器中，有較大的優(yōu)越性。但是這種電路的缺點是，箝位二極管的數(shù)量太多。參見圖2，該圖為現(xiàn)有技術(shù)中提供的飛跨電容型五電平逆變器拓?fù)鋱D。圖2所示的拓?fù)渲械碾娙菘梢云鸬骄鶋旱淖饔?，但是缺點是運用的電容數(shù)目較
^^ ο綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)中的兩種五電平逆變器拓?fù)渚褂幂^多的半導(dǎo)體器件，造成體積較大，損耗較多，效率較低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種單相半橋五電平逆變器及其應(yīng)用電路，使用的半導(dǎo)體數(shù)目較少，損耗較小，效率較高，成本低。本發(fā)明提供一種單相半橋五電平逆變器，包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管；每個所述開關(guān)管反向并聯(lián)一個二極管；直流電源的正端通過依次串聯(lián)的第一電容、第二電容、第三電容和第四電容連接直流電源的負(fù)端；
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第一開關(guān)管的第一端連接第一電容的第一端，第一開關(guān)管的第二端連接第一節(jié)占.
^ \\\ 第二開關(guān)管的第一端連接第一節(jié)點，第二開關(guān)管的第二端連接第二電容的第一端；第三開關(guān)管的第一端連接第一節(jié)點，第三開關(guān)管的第二端連接第二節(jié)點；第四開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第四開關(guān)管的第二端連接第三電容的第一端；第五開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第五開關(guān)管的第二端連接第三節(jié)點；第六開關(guān)管的第一端連接第三節(jié)點，第六開關(guān)管的第二端連接第四節(jié)點；第七開關(guān)管的第一端連接第四電容的第一端，第七開關(guān)管的第二端連接第四節(jié)占.
^ \\\ 第八開關(guān)管的第一端連接第四節(jié)點，第八開關(guān)管的第二端連接第四電容的第二端；第三節(jié)點作為該逆變器的一個交流輸出端，第四開關(guān)管的第二端作為該逆變器的另一個交流輸出端。優(yōu)選地，所述開關(guān)管均為IGBT管，所述第一端為集電極，第二端為發(fā)射極。優(yōu)選地，還包括第一電感、第二電感和電容；所述第三節(jié)點通過依次串聯(lián)的第一電感、電容和第二電感連接第二電容和第三電容的公共端。優(yōu)選地，該單相半橋五電平逆變器對應(yīng)的五個電平工作模態(tài)分別為第一模態(tài)第一開關(guān)管、第三開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；第二模態(tài)第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；第三模態(tài)第四開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；第四模態(tài)第六開關(guān)管和第七開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；第五模態(tài)第六開關(guān)管和第八開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止。優(yōu)選地，所述第一開關(guān)管的導(dǎo)通時序由正弦波和第一三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波大于所述第一三角波時，所述第一開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第二開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波與第一三角波和第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波大于所述第二三角波且小于所述第一三角波時，所述第二開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第三開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波和所述第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波大于所述第二三角波時，所述第三開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第四開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波和所述第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波小于所述第二三角波時，所述第四開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；第五開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第四開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第六開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第三開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；
第七開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第二開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第八開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第一開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)。本發(fā)明還提供一種所述逆變器的應(yīng)用電路，包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的兩個交流輸出端。優(yōu)選地，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。本發(fā)明還提供一種所述逆變器的應(yīng)用電路，包括三個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第三單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的三個交流輸出端。優(yōu)選地，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進(jìn)行調(diào)制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。本發(fā)明還提供一種所述逆變器的應(yīng)用電路，包括四個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器；
第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第三單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第四單相半橋五電平逆變器的第二節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的四個交流輸出端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明提供的單相半橋五電平逆變器包括八個開關(guān)管以及八個二極管，不包括現(xiàn)有技術(shù)中的箝位二極管和飛跨電容，現(xiàn)有技術(shù)中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發(fā)明提供的五電平逆變器利用八個開關(guān)管自身反向并聯(lián)的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導(dǎo)體器件較少，損耗較小，效率較高，體積也小，進(jìn)而成本也低?，F(xiàn)有技術(shù)中的飛跨電容是為了生成多電平，但是由于電容本身成本較高；而本發(fā)明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。


圖Ia是現(xiàn)有技術(shù)中提供的二極管箝位型的五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖Ib是現(xiàn)有技術(shù)中提供的另一種二極管箝位型的五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖Ic是現(xiàn)有技術(shù)中提供的又一種二極管箝位型的五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中提供的飛跨電容型五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖3是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖4是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第一模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D；圖5是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第二模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D；圖6是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第三模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D；圖7是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第四模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D；圖8是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第五模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D；圖9是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器中八個開關(guān)的導(dǎo)通時序圖；圖10是本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓?fù)鋯卧刃D；圖11是本發(fā)明實施例提供的單相全橋五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖12是本發(fā)明實施例提供的三相三線制五電平逆變器拓?fù)鋱D；圖13是本發(fā)明實施例提供的三相四線制五電平逆變器拓?fù)鋱D。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做詳細(xì)的說明。參見圖3，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓?fù)鋱D。本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器，包括第一開關(guān)管Tl、第二開關(guān)管 T2、第三開關(guān)管T3、第四開關(guān)管T4、第五開關(guān)管T5、第六開關(guān)管T6、第七開關(guān)管T7和第八開關(guān)管T8 ；每個所述開關(guān)管反向并聯(lián)一個二極管；如圖3所示，T1-T8分別反向并聯(lián)D1-D8。直流電源的正端通過依次串聯(lián)的第一電容Cl、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4連接直流電源的負(fù)端；第一開關(guān)管Tl的第一端連接第一電容Cl的第一端(即Cl和C2的公共端)，第一開關(guān)管Tl的第二端連接第一節(jié)點m ；第二開關(guān)管T2的第一端連接第一節(jié)點m，第二開關(guān)管T2的第二端連接第二電容 C2的第一端；第三開關(guān)管T3的第一端連接第一節(jié)點m，第三開關(guān)管T3的第二端連接第二節(jié)點 s ；第四開關(guān)管T4的第一端連接第二節(jié)點s，第四開關(guān)管T4的第二端連接第三電容 C3的第一端；第五開關(guān)管T5的第一端連接第二節(jié)點s，第五開關(guān)管T5的第二端連接第三節(jié)點 a ；第六開關(guān)管T6的第一端連接第三節(jié)點a，第六開關(guān)管T6的第二端連接第四節(jié)點 t ；第七開關(guān)管T7的第一端連接第四電容C4的第一端，第七開關(guān)管T7的第二端連接第四節(jié)點t;第八開關(guān)管T8的第一端連接第四節(jié)點t，第八開關(guān)管T8的第二端連接第四電容 C4的第二端。第三節(jié)點a作為該逆變器的一個交流輸出端，第四開關(guān)管T4的第二端作為該逆變器的另一個交流輸出端。需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的逆變器是五電平逆變器，五電平逆變器可以提供五個電平，所以需要四個容值相同的電容串聯(lián)提供五個電平。N電平逆變器需要(N-I) 個容值相同的電容提供電平。如圖所示，本發(fā)明中的四個電容分別是C1、C2、C3和C4。本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器包括八個開關(guān)管以及八個二極管，不包括現(xiàn)有技術(shù)中的箝位二極管和飛跨電容，現(xiàn)有技術(shù)中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發(fā)明實施例提供的五電平逆變器利用八個開關(guān)管自身反向并聯(lián)的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導(dǎo)體器件較少，損耗較小， 效率較高，體積也小，進(jìn)而成本也低。為了更好地說明本發(fā)明實施例的優(yōu)點，下面說明現(xiàn)有技術(shù)中的五電平逆變器中為何需要存在箝位二極管。以圖Ia所示的電路為例，Cl和C2的公共端向a流進(jìn)電流時，要
9經(jīng)過DB1、T2、T3和T4到達(dá)a。即箝位二極管DBl為電流提供了通路。當(dāng)a向Cl和C2的公共端流出電流時，要經(jīng)過T5和DB2到達(dá)Cl和C2的公共端。即箝位二極管DB2為電流提供了通路。可以理解的是，為了為電流提供通路可以用導(dǎo)線來代替，假設(shè)去掉DBl和DB2，從電路圖上可以看出，當(dāng)Tl導(dǎo)通時，Cl的兩端將被短路，顯然這是不合理的。因此，現(xiàn)有技術(shù)中的箝位二極管必不可少。而本發(fā)明實施例中開關(guān)管自身反向并聯(lián)的二極管可以起到現(xiàn)有技術(shù)中箝位二極管的作用，例如，T3反向并聯(lián)的二極管D3既為電流提供通路，Cl和C2的公共端向a流進(jìn)電流時，又可以保證Tl導(dǎo)通時，Cl不被短路。而現(xiàn)有技術(shù)提供的另一種拓?fù)潆m然去掉了箝位二極管，但是增加的飛跨電容是為了生成多電平，由于電容本身成本較高；而本發(fā)明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。需要說明的是，優(yōu)選地，以上八個開關(guān)管可以為IGBT管、MOSFET管、IGCT管、或 IEGT管。當(dāng)所述開關(guān)管均為IGBT管時，所述第一端為集電極，第二端為發(fā)射極?？梢岳斫獾氖?，以上八個開關(guān)管也可以選擇其他類型的開關(guān)管。需要說明的是，以上開關(guān)管反向并聯(lián)的二極管可以為獨立的二極管，也可以是與開關(guān)管封裝集成在一起的二極管。需要說明的是，所述單相半橋五電平逆變器，還可以包括第一電感Li、第二電感 L2和電容C ；所述第三節(jié)點a通過依次串聯(lián)的第一電感Ll、電容C和第二電感L2連接第二電容 C2的第二端，即節(jié)點η。本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器，每種工作模態(tài)只有兩個開關(guān)管導(dǎo)通。下面結(jié)合附圖來對五種工作模態(tài)進(jìn)行詳細(xì)分析。參見圖4，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第一模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D。第一模態(tài)第一開關(guān)管Τ1、第三開關(guān)管Τ3和第五開關(guān)管Τ5導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；不導(dǎo)通的開關(guān)管在圖中以細(xì)實線示出，導(dǎo)通的路徑以粗實線示出。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流出電流時，電流的路徑為T1-T3-T5-Ll-Ve-L2-C2-Cl-Tl。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流進(jìn)電流時，電流的路徑為D5-D3-Dl-Cl-C2-L2-Ve-Ll-D5。參見圖5，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第二模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D。第二模態(tài)第二開關(guān)管T2、第三開關(guān)管T3和第五開關(guān)管T5導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；不導(dǎo)通的開關(guān)管在圖中以細(xì)實線示出，導(dǎo)通的路徑以粗實線示出。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流出電流時，電流的路徑為D2-T3-T5-Ll-Ve-L2-C2-D2。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流進(jìn)電流時，電流的路徑為D5-D3-T2-C2-L2-Ve-Ll-D5。參見圖6，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第三模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D。第三模態(tài)第四開關(guān)管T4和第五開關(guān)管T5導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；不導(dǎo)通的開關(guān)管在圖中以細(xì)實線示出，導(dǎo)通的路徑以粗實線示出。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流出電流時，電流的路徑為T5-D4-Ll-Ve-L2-T5。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流進(jìn)電流時，電流的路徑為D5-T4-L2-Ve-Ll-D5。參見圖7，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第四模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D。第四模態(tài)第六開關(guān)管T6和第七開關(guān)管T7導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止；其中沒有脈沖驅(qū)動的開關(guān)管在圖中以細(xì)實線示出，有脈沖驅(qū)動的開關(guān)管以及導(dǎo)通的路徑以粗實線示出。即圖7中的T1、T2、T3、T4、T5和Τ8均是不導(dǎo)通的，Τ1、Τ2、Τ3、Τ5和Τ8沒有脈沖驅(qū)動。 而Τ4有脈沖驅(qū)動，這是為了使Τ4的脈沖設(shè)計比較簡單，在這個模態(tài)為Τ4提供了高電平的脈沖信號。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流出電流時，電流的路徑為T7-D6-Ll-Ve-L2-C3-T7。當(dāng)?shù)谌?jié)點a 流進(jìn)電流時，電流的路徑為T6-D7-C3-L2-Ve-Ll-T6。參見圖8，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器處于第五模態(tài)對應(yīng)的拓?fù)鋱D。第五模態(tài)第六開關(guān)管T6和第八開關(guān)管T8導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止。其中沒有脈沖驅(qū)動的開關(guān)管在圖中以細(xì)實線示出，有脈沖驅(qū)動的開關(guān)管以及導(dǎo)通的路徑以粗實線示出。即圖8中的T1、T2、T3、T4、T5和Τ7均是不導(dǎo)通的，Τ1、Τ2、Τ3、Τ5和Τ7沒有脈沖驅(qū)動。 而Τ4有脈沖驅(qū)動，這是為了使Τ4的脈沖設(shè)計比較簡單，在這個模態(tài)為Τ4提供了高電平的脈沖信號。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流出電流時，電流的路徑為D8-D6-Ll-Ve-L2-C3-C4-D8。當(dāng)?shù)谌?jié)點a流進(jìn)電流時，電流的路徑為T6-T8-C4-C3-L2-Ve-Ll-T6。參見圖9，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器中八個開關(guān)的導(dǎo)通時序圖。圖9中的S1-S8分別為開關(guān)管T1-T8的柵極驅(qū)動信號。當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動信號為高電平時，對應(yīng)的開關(guān)管導(dǎo)通，當(dāng)開關(guān)管的驅(qū)動信號為低電平時，對應(yīng)的開關(guān)管截止。圖9中的Van是圖3中節(jié)點a和節(jié)點η之間的電壓。圖9中上端的波形包括兩個三角波(分別是第一三角波A和第二三角波B)和一個正弦波Ζ，這個正弦波Z與兩個三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生S1-S8。所述第一三角波Α、第二三角波B具有相同的頻率和相同的幅值，且所述第一三角波A的波谷等于第二三角波B的波峰。所述第一開關(guān)管Tl的導(dǎo)通時序由正弦波Z和第一三角波A進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波Z大于所述第一三角波A時，所述第一開關(guān)管Tl導(dǎo)通，反之截止；所述第二開關(guān)管Τ2的導(dǎo)通時序由所述正弦波Z與第一三角波A和第二三角波B 進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波Z大于所述第二三角波B且小于所述第一三角波A時，所述第二開關(guān)管Τ2導(dǎo)通，反之截止；所述第三開關(guān)管Τ3的導(dǎo)通時序由所述正弦波Z和所述第二三角波B進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波Z大于所述第二三角波B時，所述第三開關(guān)管Τ3導(dǎo)通，反之截止；所述第四開關(guān)管Τ4的導(dǎo)通時序由所述正弦波Z和所述第二三角波B進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波Z小于所述第二三角波B時，所述第四開關(guān)管Τ4導(dǎo)通，反之截止；第五開關(guān)管Τ5的導(dǎo)通時序與第四開關(guān)管Τ4的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波Z的正半周和負(fù)半周對調(diào)；
第六開關(guān)管T6的導(dǎo)通時序與第三開關(guān)管T3的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波Z的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第七開關(guān)管T7的導(dǎo)通時序與第二開關(guān)管T2的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波Z的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第八開關(guān)管T8的導(dǎo)通時序與第一開關(guān)管Tl的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波Z的正半周和負(fù)半周對調(diào)。以上實施例提供的均是單相半橋五電平逆變器，可以理解的是，由單相半橋可以組成單相全橋、三相三線制以及三相四線制拓?fù)洹Ｏ旅娣謩e予以介紹。參見圖10，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器拓?fù)鋯卧刃D。將圖3中的單相半橋五電平逆變器中的第三節(jié)點a定義為拓?fù)鋯卧腁C引出端， Tl的第一端定義為拓?fù)鋯卧腄C+引出端，T8的第二端定義為拓?fù)鋯卧腄C-引出端，T2 的第二端定義為拓?fù)鋯卧腗l引出端，T4的第二端定義為拓?fù)鋯卧腗2引出端，T7的第一端定義為拓?fù)鋯卧腗3引出端。拓?fù)鋯卧腗l引出端連接圖3中的Cl和C2的公共端，M2引出端連接圖3中的 C2和C3的公共端，M3引出端連接圖3中的C3和C4的公共端。圖3中的單相半橋五電平逆變器等效后的拓?fù)鋯卧疽鈭D如圖10所示。參見圖11，該圖為本發(fā)明實施例提供的單相全橋五電平逆變器拓?fù)鋱D。單相全橋五電平逆變器包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；將這兩個單相半橋五電平逆變器等效為圖 10所示的拓?fù)鋯卧?。如圖11所示，兩個拓?fù)鋯卧腄C+端連接在一起，然后連接直流電源的正端； DC-端連接在一起，然后連接直流電源的負(fù)端。兩個拓?fù)鋯卧腗l連接在一起，然后連接Cl和C2的公共端；M2連接在一起，然后連接C2和C3的公共端；M3連接在一起，然后連接C3和C4的公共端。兩個拓?fù)鋯卧腁C為該單相全橋五電平逆變器的兩個交流輸出端。需要說明的是，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。參見圖12，該圖為本發(fā)明實施例提供的三相三線制五電平逆變器拓?fù)鋱D。該圖與圖11的區(qū)別是，包括三個圖10所示的拓?fù)鋯卧?，即包括三個所述單相半橋五電平逆變器。這三個單相半橋逆變器的連接與圖11中的兩個單相半橋逆變器的連接方式相同，如圖12所示，在此不再贅述。需要說明的是，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進(jìn)行調(diào)制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。這三個拓?fù)鋯卧腁C為該三相三線制五電平逆變器的三個交流輸出端。參見圖13，該圖為本發(fā)明實施例提供的三相四線制五電平逆變器拓?fù)鋱D。該圖與圖11的區(qū)別是，包括四個圖10所示的拓?fù)鋯卧?，即包括四個所述單相半橋
12五電平逆變器。這四個單相半橋逆變器的連接與圖11中的兩個單相半橋逆變器的連接方式相同，如圖13所示，在此不再贅述。這四個拓?fù)鋯卧腁C為該三相四線制五電平逆變器的四個交流輸出端。需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的單相半橋五電平逆變器使用的半導(dǎo)體器件較少，造成的功耗較低，因此效率較高，可以理解的是，由該單相半橋五電平逆變器組成的單相全橋、三相三線制以及三相四線制五電平逆變器同樣具有該優(yōu)點。需要說明的是，以上實施例中均是以直流電源被逆變器逆變?yōu)榻涣麟娨院蟛⒕W(wǎng)運行的過程，圖中Ve代表電網(wǎng)?？梢岳斫獾氖?，該逆變器也可以應(yīng)用于離網(wǎng)運行的過程，圖中 Vg的部分用負(fù)載代替便是離網(wǎng)運行的情況。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭露如上，然而并非用以限定本發(fā)明。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種單相半橋五電平逆變器，其特征在于，包括第一開關(guān)管、第二開關(guān)管、第三開關(guān)管、第四開關(guān)管、第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第七開關(guān)管和第八開關(guān)管；每個所述開關(guān)管反向并聯(lián)一個二極管；直流電源的正端通過依次串聯(lián)的第一電容、第二電容、第三電容和第四電容連接直流電源的負(fù)端；第一開關(guān)管的第一端連接第一電容的第一端，第一開關(guān)管的第二端連接第一節(jié)點； 第二開關(guān)管的第一端連接第一節(jié)點，第二開關(guān)管的第二端連接第二電容的第一端； 第三開關(guān)管的第一端連接第一節(jié)點，第三開關(guān)管的第二端連接第二節(jié)點； 第四開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第四開關(guān)管的第二端連接第三電容的第一端； 第五開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第五開關(guān)管的第二端連接第三節(jié)點； 第六開關(guān)管的第一端連接第三節(jié)點，第六開關(guān)管的第二端連接第四節(jié)點； 第七開關(guān)管的第一端連接第四電容的第一端，第七開關(guān)管的第二端連接第四節(jié)點； 第八開關(guān)管的第一端連接第四節(jié)點，第八開關(guān)管的第二端連接第四電容的第二端； 第三節(jié)點作為該逆變器的一個交流輸出端，第四開關(guān)管的第二端作為該逆變器的另一個交流輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，所述開關(guān)管均為IGBT 管，所述第一端為集電極，第二端為發(fā)射極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，還包括第一電感、 第二電感和電容；所述第三節(jié)點通過依次串聯(lián)的第一電感、電容和第二電感連接第二電容和第三電容的公共端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，該單相半橋五電平逆變器對應(yīng)的五個電平工作模態(tài)分別為第一模態(tài)第一開關(guān)管、第三開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止； 第二模態(tài)第二開關(guān)管、第三開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止； 第三模態(tài)第四開關(guān)管和第五開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止； 第四模態(tài)第六開關(guān)管和第七開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止； 第五模態(tài)第六開關(guān)管和第八開關(guān)管導(dǎo)通，其余開關(guān)管均截止。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單相半橋五電平逆變器，其特征在于，所述第一開關(guān)管的導(dǎo)通時序由正弦波和第一三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波大于所述第一三角波時，所述第一開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第二開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波與第一三角波和第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生， 所述正弦波大于所述第二三角波且小于所述第一三角波時，所述第二開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第三開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波和所述第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波大于所述第二三角波時，所述第三開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第四開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦波和所述第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦波小于所述第二三角波時，所述第四開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；第五開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第四開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第六開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第三開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第七開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第二開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)；第八開關(guān)管的導(dǎo)通時序與第一開關(guān)管的導(dǎo)通時序關(guān)于正弦波的正半周和負(fù)半周對調(diào)。
6.一種權(quán)利要求1所述逆變器的應(yīng)用電路，其特征在于，包括兩個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器和第二單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的兩個交流輸出端。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的逆變器的應(yīng)用電路，其特征在于，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，所述第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制；所述第一正弦波和第二正弦波的相位相差180度。
8.—種權(quán)利要求1所述逆變器的應(yīng)用電路，其特征在于，包括三個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器和第三單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第三單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的三個交流輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的逆變器的應(yīng)用電路，其特征在于，所述第一單相半橋五電平逆變器由第一正弦波進(jìn)行調(diào)制，第二單相半橋五電平逆變器由第二正弦波進(jìn)行調(diào)制，第三單相半橋五電平逆變器由第三正弦波進(jìn)行調(diào)制；第一正弦波、第二正弦波和第三正弦波的相位依次相差120度。
10.一種權(quán)利要求1所述逆變器的應(yīng)用電路，其特征在于，包括四個所述單相半橋五電平逆變器，分別是第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第一開關(guān)管的第一端連接在一起均連接直流電源的正端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中的第八開關(guān)管的第二端連接在一起均連接直流電壓的負(fù)端；第一單相半橋五電平逆變器、第二單相半橋五電平逆變器、第三單相半橋五電平逆變器和第四單相半橋五電平逆變器中第二開關(guān)管的第二端均連接在一起均連接第一電容和第二電容的公共端；第四開關(guān)管的第二端均連接第二電容和第三電容的公共端；第七開關(guān)管的第一端均連接在一起連接第三電容和第四電容的公共端；第一單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第二單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點、第三單相半橋五電平逆變器的第三節(jié)點和第四單相半橋五電平逆變器的第二節(jié)點分別作為該應(yīng)用電路的四個交流輸出端。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單相半橋五電平逆變器及其應(yīng)用電路，其中單相半橋五電平逆變器包括八個開關(guān)管以及八個二極管，不包括現(xiàn)有技術(shù)中的箝位二極管和飛跨電容，現(xiàn)有技術(shù)中的五電平逆變器不可以去掉箝位二極管是因為這些二極管不但為電流提供通路，而且起到了電容不被短路的作用，而本發(fā)明提供的五電平逆變器利用八個開關(guān)管自身反向并聯(lián)的二極管就可以為電流提供通路，以及保證電容不被短路的作用。這樣保證整個逆變器中的半導(dǎo)體器件較少，損耗較小，效率較高，體積也小，進(jìn)而成本也低。現(xiàn)有技術(shù)中的飛跨電容是為了生成多電平，但是由于電容本身成本較高；而本發(fā)明實施例舍棄用電容來生成多電平，成本低。
文檔編號H02M7/483GK102427305SQ20111031478
公開日2012年4月25日 申請日期2011年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月17日
發(fā)明者倪華, 傅立秦, 曹仁賢, 汪洪亮 申請人:陽光電源股份有限公司