專利名稱：一種單相五電平逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種單相五電平逆變器。
背景技術(shù)：
目前太陽能發(fā)電仍然存在成本過高，效率偏低的缺陷，故研究高效率的并網(wǎng)逆變器拓?fù)?，對于提高太陽能并網(wǎng)發(fā)電效率，降低發(fā)電成本有重要的意義。相比傳統(tǒng)的兩電平，多電平技術(shù)越來越受關(guān)注，器件開關(guān)應(yīng)力低，開關(guān)損耗小，輸出濾波器小，諧波含量小。常見的飛跨電容及二極管嵌位及級聯(lián)型的多電平變換器存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用器件過多，控制也比較復(fù)雜等問題。中國發(fā)明專利CN1967998和CN1967997分別提出了一種三電平雙降壓式全橋逆變器和一種五電平雙降壓式全橋逆變器，基本思想均是由獨立二極管實現(xiàn)續(xù)流，從而使得功率開關(guān)管可以選擇導(dǎo)通壓降更低的 M0SFET，提高逆變器的效率。但是CN1967997提出的五電平雙降壓式全橋逆變器相對于三電平雙降式全橋逆變器并沒有降低開關(guān)管的開關(guān)損耗及磁元件損耗。

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五電平逆變器，功率開關(guān)管承受的電壓較低，因此能夠擴大功率開關(guān)管的選擇范圍，成本較低，同時也降低了開關(guān)損耗，提高了效率。本發(fā)明實施例提供一種單相五電平逆變器，包括第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第五功率開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管；第一功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接第二節(jié)點；第二功率開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第二端連接第四節(jié)點；第三功率開關(guān)管的第一端連接第五節(jié)點，第二端連接第三節(jié)點；第四功率開關(guān)管的第一端連接第三節(jié)點，第二端連接直流電源的負(fù)端；第一二極管的陽極連接第一節(jié)點，陰極連接第二節(jié)點；所述第一節(jié)點的電壓為直流電源的電壓的1/2 ；第二二極管的陽極連接第三節(jié)點，陰極連接第一節(jié)點；第五功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接第六節(jié)點；第六功率開關(guān)管的第一端連接第六節(jié)點，第二端連接直流電源的負(fù)端；第三二極管陽極連接第五節(jié)點，陰極連接直流電源的正端；第四二極管的陽極連接直流電源的負(fù)端，陰極連接第四節(jié)點；第四節(jié)點和第六節(jié)點是該逆變器的正電壓輸出端；第五節(jié)點和第六節(jié)點是該逆變器的負(fù)電壓輸出端；所述第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管均為聞頻功率開關(guān)管；所述第五功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管的開關(guān)頻率與電網(wǎng)電壓的頻率相同。優(yōu)選地，所述功率開關(guān)管為cool MOS管或者IGBT管。優(yōu)選地，所述二極管為碳化硅二極管或者快恢復(fù)二極管。優(yōu)選地，還包括第一電感、第二電感和電容；第一電感的一端連接第四節(jié)點，另一端通過電容連接第六節(jié)點；第二電感的一端連接第五節(jié)點，另一端通過電容連接第六節(jié)點。優(yōu)選地，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為

第一模態(tài)第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一功率開關(guān)管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管;第二模態(tài)第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一節(jié)點-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管；第三模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一電感-第六功率開關(guān)管-第四二極管；電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第七模態(tài)第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第四功率開
關(guān)管;第八模態(tài)第三功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第一節(jié)點；第九模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第三二極管-第五功率開關(guān)管-第二電感。優(yōu)選地，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第四模態(tài)第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第四功率開關(guān)管-第六功率開關(guān)管-第二電感；第五模態(tài)第三功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第六功率開關(guān)管-第二電感；第六模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感_第二二極管_第六功率開關(guān)管_第二電感；電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第十模態(tài)第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一功率開關(guān)管-第二功率開關(guān)管-第一電感；第十一模態(tài)第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感；第十二模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第四二極管-第一電感。優(yōu)選地，還包括第七功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管；
所述第七功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接所述第四節(jié)點；所述第八功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的負(fù)端，第二端連接所述第五節(jié)點。優(yōu)選地，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第一模態(tài)第六功率開關(guān)管和第七功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第七功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管；第二模態(tài)第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一節(jié)點-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管；第三模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一電 感-第六功率開關(guān)管-第四二極管；電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第七模態(tài)第五功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第八功率開關(guān)管-第五功率開關(guān)管；第八模態(tài)第三功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第一節(jié)點；第九模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第三二極管-第五功率開關(guān)管-第二電感。優(yōu)選地，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第四模態(tài)第六功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第八功率開關(guān)管-第六功率開關(guān)管；第五模態(tài)第三功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第六功率開關(guān)管-第二電感；第六模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感_第二二極管_第六功率開關(guān)管_第二電感；電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第十模態(tài)第五功率開關(guān)管和第七功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第七功率開關(guān)管-第一電感；第十一模態(tài)第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感；第十二模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第四二極管-第一電感。優(yōu)選地，該五電平逆變器六個功率開關(guān)管在電網(wǎng)電壓一個周期內(nèi)的有功工作模態(tài)時的時序分別為所述第一功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由正弦調(diào)制波和第一三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波大于第一三角波時第一功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波和第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波大于所述第二三角波時第二功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第一三角波、第二三角波具有相同的頻率和相同的幅值，所述第一三角波的波谷等于第二三角波的波峰，且第二三角波的波谷為零；所述第三功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波的反向波與第二三角波比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波的反向波大于所述第二三角波時所述第三功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止;所述第四功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波的反向波與第一三角波比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波的反向波大于所述第一三角波時所述第四功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止;所述第五功率開關(guān)管在所述正弦調(diào)制波的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止；所述第六功率開關(guān)管在所述正弦調(diào)制波的正半周截止，負(fù)半周導(dǎo)通。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點本發(fā)明實施例提供的單相五電平逆變器中的高頻功率開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力比現(xiàn)有技術(shù)中小，每個高頻功率開關(guān)管承受的電壓是直流電源電壓的一半。這樣高頻功率 開關(guān)管的選擇范圍較大，成本較低，同時也降低了開關(guān)損耗，提高了效率。由于高頻功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力為直流電源電壓的一半，當(dāng)輸入電壓較高時，高頻功率開關(guān)管也可以承受。因此，該逆變器可以適用于較高的電壓場合。


圖I是本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例一電路圖；圖2a是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第一種有功工作模態(tài)不意圖；圖2b是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第二種有功工作模態(tài)示意圖；圖2c是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第三種有功工作模態(tài)示意圖；圖2d是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第四種有功工作模態(tài)示意圖；圖2e是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第五種有功工作模態(tài)示意圖；圖2f是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第六種有功工作模態(tài)示意圖；圖3a是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第一種無功工作模態(tài)示意圖；圖3b是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第二種無功工作模態(tài)示意圖；圖3c是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第三種無功工作模態(tài)示意圖；圖3d是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第四種無功工作模態(tài)示意圖；圖3e是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第五種無功工作模態(tài)示意圖；圖3f是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第六種無功工作模態(tài)示意圖；圖4是本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例二電路圖；圖5a是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第一種有功工作模態(tài)不意圖；圖5b是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第四種有功工作模態(tài)示意圖；圖5c是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第一種無功工作模態(tài)不意圖；圖5d是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第四種無功工作模態(tài)示意圖；圖6是圖I所示的五電平逆變器中的功率開關(guān)管的時序圖；圖7是本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例三電路圖。
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1，該圖為本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例一電路圖。本發(fā)明實施例提供一種單相五電平逆變器，包括第一功率開關(guān)管QH1、第二功率開關(guān)管QH2、第三功率開關(guān)管QH3、第四功率開關(guān)管QH4、第五功率開關(guān)管QL1、第六功率開關(guān)管QL2、第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3和第四二極管D4 ；第一功率開關(guān)管QHl的第一端連接直流電源DC的正端，第二端連接第二節(jié)點A ；第二功率開關(guān)管QH2的第一端連接第二節(jié)點A，第二端連接第四節(jié)點D ；第三功率開關(guān)管QH3的第一端連接第五節(jié)點E，第二端連接第三節(jié)點B ；
·
第四功率開關(guān)管QH4的第一端連接第三節(jié)點B，第二端連接直流電源DC的負(fù)端；第一二極管Dl的陽極連接第一節(jié)點O,陰極連接第二節(jié)點A ;所述第一節(jié)點O的電壓為直流電源DC的電壓的1/2;第二二極管D2的陽極連接第三節(jié)點B，陰極連接第一節(jié)點O ;第五功率開關(guān)管QLl的第一端連接直流電源DC的正端，第二端連接第六節(jié)點C ；第六功率開關(guān)管QL2的第一端連接第六節(jié)點C，第二端連接直流電源DC的負(fù)端；第三二極管D3的陽極連接第五節(jié)點E，陰極連接直流電源DC的正端；第四二極管D4的陽極連接直流電源DC的負(fù)端，陰極連接第四節(jié)點D。第四節(jié)點D和第六節(jié)點C是該逆變器的正電壓輸出端；第五節(jié)點E和第六節(jié)點C是該逆變器的負(fù)電壓輸出端；所述第一功率開關(guān)管QH1、第二功率開關(guān)管QH2、第三功率開關(guān)管QH3和第四功率開關(guān)管QH4均為高頻功率開關(guān)管；所述第五功率開關(guān)管QLl和第六功率開關(guān)管QL2的開關(guān)頻率與電網(wǎng)電壓的頻率相同(即工頻功率開關(guān)管)。需要說明的是，所述高頻功率開關(guān)管指的是其開通和關(guān)斷是由PWM波來控制的，一般PWM波的頻率在幾百赫茲或者一千赫茲以上。進(jìn)一步的，以上所述功率開關(guān)管可以是cool MOS管或者IGBT管。以上所述二極管可以是碳化硅二極管或者快恢復(fù)二極管。本發(fā)明實施例提供的單相五電平逆變器中的高頻功率開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力比現(xiàn)有技術(shù)中小，每個高頻功率開關(guān)管承受的電壓是直流電源電壓的一半。這樣高頻功率開關(guān)管的選擇范圍較大，成本較低，同時也降低了開關(guān)損耗，提高了效率。由于高頻功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力為直流電源電壓的一半，當(dāng)輸入電壓較高時，高頻功率開關(guān)管也可以承受。因此，該逆變器可以適用于較高的電壓場合。需要說明的是，第一電容Cl和第二電容C2的容值相同，Cl和C2上的電壓相等，均等于直流電源DC的1/2電壓。本實施例提供的單相五電平逆變器，還包括第一電感LI、第二電感L2和電容C。；第一電感LI的一端連接第四節(jié)點D,另一端通過電容C。連接第六節(jié)點C ;第二電感L2的一端連接第五節(jié)點E,另一端通過電容C。連接第六節(jié)點C。需要說明的是，本發(fā)明實施例提供的逆變器，不但可以應(yīng)用于需求有功功率的場合，也可以應(yīng)用于同時需求無功功率和有功功率的場合，，下面結(jié)合附圖對各種工作狀態(tài)分別進(jìn)行介紹。電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第一模態(tài)、第二模態(tài)和第三模態(tài)。下面結(jié)合附圖分別進(jìn)行介紹。
參見圖2a，該圖為圖I對應(yīng)的第一種有功工作模態(tài)示意圖。第一模態(tài)第一功率開關(guān)管QHl、第二功率開關(guān)管QH2和第六功率開關(guān)管QLl均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一功率開關(guān)管QHl-第二功率開關(guān)管QH2-第一電感LI-第六功率開關(guān)管QLl ；參見圖2b，該圖為圖I對應(yīng)的第二種有功工作模態(tài)示意圖。第二模態(tài)第二功率開關(guān)管QH2和第六功率開關(guān)管QLl均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一節(jié)點O-第一二極管Dl-第二功率開關(guān)管QH2-第一電感LI-第六功率開關(guān)管QLl。參見圖2c，該圖為圖I對應(yīng)的第三種有功工作模態(tài)示意圖。
第三模態(tài)第六功率開關(guān)管QLl導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一電感LI-第六功率開關(guān)管QLl-第四二極管D4。電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第七模態(tài)、第八模態(tài)和第九模態(tài)，下面結(jié)合附圖分別進(jìn)行介紹。參見圖2d，該圖為圖I對應(yīng)的第四種有功工作模態(tài)示意圖。第七模態(tài)第三功率開關(guān)管QH3、第四功率開關(guān)管QH4和第五功率開關(guān)管QL2均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管QL2-第二電感L2-第三功率開關(guān)管QH3-第四功率開關(guān)管QH4 ；參見圖2e，該圖為圖I對應(yīng)的第五種有功工作模態(tài)示意圖。第八模態(tài)第三功率開關(guān)管QH3和第五功率開關(guān)管QL2均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管QL2-第二電感L2-第三功率開關(guān)管QH3-第二二極管D2-第一節(jié)點O;參見圖2f，該圖為圖I對應(yīng)的第六種有功工作模態(tài)示意圖。第九模態(tài)第五功率開關(guān)管QL2導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為 第二電感L2-第三二極管D3-第五功率開關(guān)管QL2-第二電感L2。電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第四模態(tài)、第五模態(tài)和第六模態(tài)。參見圖3a，該圖為本發(fā)明圖I對應(yīng)的第一種無功工作模態(tài)示意圖。第四模態(tài)第三功率開關(guān)管QH3、第四功率開關(guān)管QH4和第六功率開關(guān)管QLl均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感L2-第三功率開關(guān)管QH3-第四功率開關(guān)管QH4-第六功率開關(guān)管QLl-第二電感L2 ;參見圖3b，該圖為本發(fā)明圖I對應(yīng)的第二種無功工作模態(tài)示意圖。第五模態(tài)第三功率開關(guān)管QH3和第六功率開關(guān)管QLl均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感L2-第三功率開關(guān)管QH3-第二二極管D2-第六功率開關(guān)管QLl-第二電感L2 ；參見圖3c，該圖是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第三種無功工作模態(tài)示意圖。第六模態(tài)第六功率開關(guān)管QLl導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感L2-第三二極管D3-第六功率開關(guān)管QLl-第二電感L2 ；電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第十模態(tài)、第H^一模態(tài)和第十二模態(tài)。
參見圖3d，該圖是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第四種無功工作模態(tài)示意圖。第十模態(tài)第一功率開關(guān)管QH1、第二功率開關(guān)管QH2和第五功率開關(guān)管QL2均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感LI-第五功率開關(guān)管QL2-第一功率開關(guān)管QHl-第二功率開關(guān)管QH2-第一電感LI ；參見圖3e，該圖是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第五種無功工作模態(tài)示意圖；第十一模態(tài)第二功率開關(guān)管QH2和第五功率開關(guān)管QL2均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感LI-第五功率開關(guān)管Q12-第一二極管Dl-第二功率開關(guān)管QH2-第一電感LI ；參見圖3f，該圖是本發(fā)明圖I對應(yīng)的第六種無功工作模態(tài)示意圖。

第十二模態(tài)第五功率開關(guān)管QL2導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感LI-第五功率開關(guān)管QL2-第四二極管D4-第一電感LI。從以上各種工作模態(tài)中可以看出，電網(wǎng)電壓正半周時，QLl導(dǎo)通，QL2截止；電網(wǎng)電壓負(fù)半周時，QL2導(dǎo)通，QLl截止。因此，QLl和QL2是工頻開關(guān)管。從以上各種工作模態(tài)中可以看出，無論哪種工作模態(tài)，本發(fā)明實施例提供的五電平逆變器中的高頻功率開關(guān)管僅承受一半的母線電壓，需要說明的是，此處的母線電壓便是直流電源兩端的電壓。如圖2a所示，該種工作模態(tài)中有兩個高頻功率開關(guān)管導(dǎo)通，即QHl和QH2，此時導(dǎo)通回路中的電壓是Cl和C2上的電壓之和，Cl和C2上的電壓之和是直流電源兩端的電壓，即QHl和QH2分別承受一半的母線電壓。如圖2b所示，該種工作模態(tài)中只有一個高頻功率開關(guān)管導(dǎo)通，即QH2，此時導(dǎo)通回路中的電壓是C2上的電壓，C2上的電壓是直流電源兩端的電壓的一半，即QH2僅承受一半的母線電壓。同理，其他工作模態(tài)與圖2a和圖2b的工作模態(tài)類似，高頻功率開關(guān)管僅承受一半的母線電壓。參見圖4，該圖是本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例二電路圖。本實施例提供的單相五電平逆變器還包括第七功率開關(guān)管QH5和第八功率開關(guān)管 QH6 ；所述第七功率開關(guān)管QH5的第一端連接直流電源DC的正端，第二端連接所述第四節(jié)點D ；所述第八功率開關(guān)管QH6的第一端連接直流電源DC的負(fù)端，第二端連接所述第五節(jié)點E。需要說明的是，實施例二與實施例一的區(qū)別是在實施例一的基礎(chǔ)上增加了兩個功率開關(guān)管，即QH5和QH6。實施例二與實施例一的區(qū)別是以下幾種工作模態(tài)有所變化，下面結(jié)合附圖分別進(jìn)行介紹，其他工作模態(tài)與實施例一相同，在此不再贅述。電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第一模態(tài)、第二模態(tài)和第三模態(tài)；其中，第二模態(tài)和第三模態(tài)與實施例一中的完全相同，在此僅介紹不同的第一模態(tài)。參見圖5a，該圖是圖4對應(yīng)的第一種有功工作模態(tài)示意圖。第一模態(tài)第六功率開關(guān)管QLl和第七功率開關(guān)管QH5均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第七功率開關(guān)管QH5-第一電感LI-第六功率開關(guān)管QLl。
電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為第七模態(tài)、第八模態(tài)和第九模態(tài)；其中，第八模態(tài)和第九模態(tài)與實施例一中的完全相同，在此僅介紹不同的第七模態(tài)。參見圖5b，該圖是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第四種有功工作模態(tài)示意圖。第七模態(tài)第五功率開關(guān)管QL2和第八功率開關(guān)管QH6均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感L2-第八功率開關(guān)管QH6-第五功率開關(guān)管QL2。電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第四模態(tài)、第五模態(tài)和第六模態(tài)；其中，第五模態(tài)和第六模態(tài)與實施例一的完全相同，在此不再贅述，僅介紹有區(qū)別的第四模態(tài)。參見圖5c，該圖是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第一種無功工作模態(tài)示意圖。
第四模態(tài)第六功率開關(guān)管QLl和第八功率開關(guān)管QH6均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感L2-第八功率開關(guān)管QH6-第六功率開關(guān)管QLl。電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為第十模態(tài)、第H^一模態(tài)和第十二模態(tài)；其中，第i^一模態(tài)和第十二模態(tài)與實施例一的完全相同，在此不再贅述，僅介紹有區(qū)別的第十模態(tài)。參見圖5d，該圖是本發(fā)明圖4對應(yīng)的第四種無功工作模態(tài)示意圖。第十模態(tài)第五功率開關(guān)管QL2和第七功率開關(guān)管QH5均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感LI-第五功率開關(guān)管QL2-第七功率開關(guān)管QH5-第一電感LI。該實施例與實施例一的工作原理相同，其中的高頻功率開關(guān)管無論在哪種工作模態(tài)，僅承受一半的母線電壓，在此不再一一舉例進(jìn)行介紹。需要說明的是，從圖4以及圖5a-圖5d中可以看出，與圖I所示實施例中的工作模態(tài)相比，電流的路徑中減少了一個功率開關(guān)管，因此減少了損耗，這樣可以達(dá)到節(jié)能的效果，進(jìn)而提高工作效率。需要說明的是，以上兩個實施例中提供的單相五電平逆變器的拓?fù)渲胁淮嬖诂F(xiàn)有技術(shù)中的一字型拓?fù)渲袠虮壑蓖ǖ膯栴}，即本發(fā)明實施例中的QH2和QH3沒有公共點，實現(xiàn)了橋臂的中點分離，不存在橋臂直通回路。這樣可以避免將直流電源短路的弊端。參見圖6，該圖為圖I所示的五電平逆變器中的功率開關(guān)管的時序圖。該五電平逆變器六個功率開關(guān)管在電網(wǎng)電壓一個周期內(nèi)的有功工作模態(tài)時的時序分別為所述第一功率開關(guān)管QHl的導(dǎo)通時序由正弦調(diào)制波Z和第一三角波A進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波Z大于第一三角波A時第一功率開關(guān)管QHl導(dǎo)通，反之截止；所述第二功率開關(guān)管QH2的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波Z和第二三角波B進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波Z大于所述第二三角波B時第二功率開關(guān)管QH2導(dǎo)通，反之截止；所述第一三角波A、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，且第二三角波的波谷為零所述第三功率開關(guān)管QH3的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波Z的反向波與第二三角波B比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波Z的反向波大于所述第二三角波B時所述第三功率開關(guān)管QH3導(dǎo)通，反之截止；
所述第四功率開關(guān)管QH4的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波Z的反向波與第一三角波A比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波Z的反向波大于所述第一三角波A時所述第四功率開關(guān)管QH4導(dǎo)通，反之截止；所述第五功率開關(guān)管QH5在所述正弦調(diào)制波Z的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止；所述第六功率開關(guān)管QH6在所述正弦調(diào)制波Z的正半周截止，負(fù)半周導(dǎo)通。圖6中的Vdc是圖I中的第四節(jié)點D和第六節(jié)點C之間的電壓，即逆變器輸出的正電壓，Vec是圖I中第五節(jié)點E和第六節(jié)點C之間的電壓，即逆變器輸出的負(fù)電壓。并且，從圖6中可以看出，在tl-t2時間段內(nèi)，在電平O和I跳變；在t2-t3時間段內(nèi)，在電平I和2跳變。在t3-t4時間段內(nèi)，在電平O和I跳變，在t4-t5時間段內(nèi)，在電平O和-I跳變；在t5-t6時間段內(nèi)，在電平-I和_2跳變；在t6-t7時間段內(nèi)，在電平-I和O跳變。 需要說明的是，本發(fā)明實施例中僅給出了圖I所示的逆變器中的有功工作模態(tài)時的導(dǎo)通時序。參見圖7，該圖為本發(fā)明提供的單相五電平逆變器實施例三電路圖。本實施例提供的單相五電平逆變器與實施例一相比，增加了一個電感，即第三電感L3。第一電感LI的一端連接第四節(jié)點D,另一端依次通過第三電感L3和電容C。連接第六節(jié)點C ；第二電感L2的一端連接第五節(jié)點E,另一端依次通過第三電感L3和電容C。連接第六節(jié)點C。本實施例提供的單相五電平逆變器與實施例一的工作模態(tài)和導(dǎo)通狀態(tài)均完全相同。區(qū)別僅是本實施例中的LI和L2的電感值可以遠(yuǎn)小于實施例一中的LI和L2的電感值。而本實施例中L3的電感值可以與實施例一中LI和L2的電感值相同。因此，本實施例中僅L3采用較大的電感值，而實施例一中有兩個較大的電感值，這樣本實施例可以降低整個逆變器的體積，進(jìn)而降低成本。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
1.一種單相五電平逆變器，其特征在于，包括第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管、第五功率開關(guān)管、第六功率開關(guān)管、第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管； 第一功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接第二節(jié)點； 第二功率開關(guān)管的第一端連接第二節(jié)點，第二端連接第四節(jié)點； 第三功率開關(guān)管的第一端連接第五節(jié)點，第二端連接第三節(jié)點； 第四功率開關(guān)管的第一端連接第三節(jié)點，第二端連接直流電源的負(fù)端； 第一二極管的陽極連接第一節(jié)點，陰極連接第二節(jié)點；所述第一節(jié)點的電壓為直流電源的電壓的1/2 ； 第二二極管的陽極連接第三節(jié)點，陰極連接第一節(jié)點； 第五功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接第六節(jié)點； 第六功率開關(guān)管的第一端連接第六節(jié)點，第二端連接直流電源的負(fù)端； 第三二極管陽極連接第五節(jié)點，陰極連接直流電源的正端； 第四二極管的陽極連接直流電源的負(fù)端，陰極連接第四節(jié)點； 第四節(jié)點和第六節(jié)點是該逆變器的正電壓輸出端； 第五節(jié)點和第六節(jié)點是該逆變器的負(fù)電壓輸出端； 所述第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管均為高頻功率開關(guān)管；所述第五功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管的開關(guān)頻率與電網(wǎng)電壓的頻率相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相五電平逆變器，其特征在于，所述功率開關(guān)管為coolMOS管或者IGBT管。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相五電平逆變器，其特征在于，所述二極管為碳化硅二極管或者快恢復(fù)二極管。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的單相五電平逆變器，其特征在于，還包括第一電感、第二電感和電容； 第一電感的一端連接第四節(jié)點，另一端通過電容連接第六節(jié)點； 第二電感的一端連接第五節(jié)點，另一端通過電容連接第六節(jié)點。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單相五電平逆變器，其特征在于，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為 第一模態(tài)第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一功率開關(guān)管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管； 第二模態(tài)第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一節(jié)點-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管； 第三模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一電感-第六功率開關(guān)管-第四二極管； 電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為 第七模態(tài)第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第四功率開關(guān)管；第八模態(tài)第三功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第一節(jié)點； 第九模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第三二極管-第五功率開關(guān)管-第二電感。
6.根據(jù)權(quán)利要求5或4所述的單相五電平逆變器，其特征在于，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為 第四模態(tài)第三功率開關(guān)管、第四功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第四功率開關(guān)管-第六功率開關(guān)管-第二電感； 第五模態(tài)第三功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第六功率開關(guān)管-第二電感； 第六模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感_第二二極管_第六功率開關(guān)管_第二電感； 電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為 第十模態(tài)第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一功率開關(guān)管-第二功率開關(guān)管-第一電感； 第十一模態(tài)第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感； 第十二模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第四二極管-第一電感。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的單相五電平逆變器，其特征在于，還包括第七功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管； 所述第七功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的正端，第二端連接所述第四節(jié)點； 所述第八功率開關(guān)管的第一端連接直流電源的負(fù)端，第二端連接所述第五節(jié)點。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的單相五電平逆變器，其特征在于，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為 第一模態(tài)第六功率開關(guān)管和第七功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第七功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管； 第二模態(tài)第二功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一節(jié)點-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感-第六功率開關(guān)管； 第三模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第一電感-第六功率開關(guān)管-第四二極管； 電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種有功工作模態(tài)，分別為 第七模態(tài)第五功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第八功率開關(guān)管-第五功率開關(guān)管； 第八模態(tài)第三功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第五功率開關(guān)管-第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第一節(jié)點； 第九模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第二電感-第三二極管-第五功率開關(guān)管-第二電感。
9.根據(jù)權(quán)利要求8或7所述的單相五電平逆變器，其特征在于，電網(wǎng)電壓的正半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為 第四模態(tài)第六功率開關(guān)管和第八功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第八功率開關(guān)管-第六功率開關(guān)管； 第五模態(tài)第三功率開關(guān)管和第六功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感-第三功率開關(guān)管-第二二極管-第六功率開關(guān)管-第二電感； 第六模態(tài)第六功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止；電流的路徑為第二電感_第二二極管_第六功率開關(guān)管_第二電感； 電網(wǎng)電壓的負(fù)半周，該五電平逆變器共有三種無功工作模態(tài)，分別為 第十模態(tài)第五功率開關(guān)管和第七功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第七功率開關(guān)管-第一電感； 第十一模態(tài)第二功率開關(guān)管和第五功率開關(guān)管均導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第一二極管-第二功率開關(guān)管-第一電感； 第十二模態(tài)第五功率開關(guān)管導(dǎo)通，其余功率開關(guān)管均截止，電流的路徑為第一電感-第五功率開關(guān)管-第四二極管-第一電感。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的單相五電平逆變器，其特征在于，該五電平逆變器六個功率開關(guān)管在電網(wǎng)電壓一個周期內(nèi)的有功工作模態(tài)時的時序分別為 所述第一功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由正弦調(diào)制波和第一三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波大于第一三角波時第一功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止； 所述第二功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波和第二三角波進(jìn)行比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波大于所述第二三角波時第二功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止； 所述第一三角波、第二三角波具有相同的頻率和相同的幅值，所述第一三角波的波谷等于第二三角波的波峰，且第二三角波的波谷為零； 所述第三功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波的反向波與第二三角波比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波的反向波大于所述第二三角波時所述第三功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止； 所述第四功率開關(guān)管的導(dǎo)通時序由所述正弦調(diào)制波的反向波與第一三角波比較產(chǎn)生，所述正弦調(diào)制波的反向波大于所述第一三角波時所述第四功率開關(guān)管導(dǎo)通，反之截止；所述第五功率開關(guān)管在所述正弦調(diào)制波的正半周導(dǎo)通，負(fù)半周截止； 所述第六功率開關(guān)管在所述正弦調(diào)制波的正半周截止，負(fù)半周導(dǎo)通。
全文摘要
本發(fā)明提供一種單相五電平逆變器，包括四個高頻功率開關(guān)管，該逆變器中的高頻功率開關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力比現(xiàn)有技術(shù)中小，每個高頻功率開關(guān)管承受的電壓是直流電源電壓的一半。這樣高頻功率開關(guān)管的選擇范圍較大，成本較低。由于高頻功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力為直流電源電壓的一半，當(dāng)輸入電壓較高時，高頻功率開關(guān)管也可以承受。因此，該逆變器可以適用于較高的電壓場合。
文檔編號H02M7/48GK102843054SQ201210328208
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者胡兵, 薛麗英, 陸鑫, 申譚, 張彥虎 申請人:陽光電源股份有限公司