專利名稱：包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器及其充電方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器及其充電方法，屬于電能變換領(lǐng)域，用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。
背景技術(shù)：
多電平功率變換技術(shù)通過將直流電壓轉(zhuǎn)換為多種電平進(jìn)而實(shí)現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，與兩電平直流-交流變換技術(shù)相比，具有更低的電壓變化率應(yīng)力和更小的電壓諧波含量。隨著全控型開關(guān)器件的成熟應(yīng)用及IECT、IGCT等新型全控型器件的出現(xiàn)，以及以DSP、FPGA以核心的高性能數(shù)字控制技術(shù)的普及，多電平逆變器的研究與應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展，近年已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。根據(jù)主電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，目前可將多電平逆變器分為二極管鉗位、飛跨電容鉗位 與單元級(jí)聯(lián)三類。單元級(jí)聯(lián)型多電平逆變器可以通過采用較低電壓等級(jí)的功率開關(guān)器件串聯(lián)的方法實(shí)現(xiàn)中高壓的輸出；每個(gè)功率單元可以采用比較低的開關(guān)頻率，而串聯(lián)后的等效開關(guān)頻率可以得到成倍數(shù)的提高，可以大大減少開關(guān)損耗、降低和輸出諧波含量。二極管嵌位型多電平逆變器通過二極管將輸出電壓限制在某些特定的電平，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多電平輸出。而飛跨電容鉗位多電平逆變器采用多個(gè)電容懸浮的形式，通過控制各個(gè)飛跨電容的電壓，進(jìn)而無需多個(gè)用于電平鉗位的二極管，就可以實(shí)現(xiàn)多電平電壓輸出。多電平逆變器在獲得較低電壓變化率應(yīng)力，更低的電壓諧波含量的同時(shí)，由于其使用的開關(guān)器件和儲(chǔ)能器件數(shù)量較多，一方面造成其成本較高，體積較大，另一方面造成功率器件的總損耗明顯提高，系統(tǒng)效率下降明顯，同時(shí)也為系統(tǒng)散熱帶來較大難度。需要研究開發(fā)在獲得多電平輸出電壓的同時(shí)，能夠使用更少功率器件的多電平功率變換技術(shù)，以降低系統(tǒng)體積和成本，提聞系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的聞效率節(jié)能運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器及其充電方法，以解決包含懸浮電容的不對(duì)稱多電平逆變器的初始上電過程的懸浮電容的充電問題。一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器，其組成包括電容Cl (I),電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容〇3
(11)，功率開關(guān)管V9 (12)，功率開關(guān)管VlO (13)，開關(guān)Kl (14)，充電電阻Rl (15)，直流電壓檢測(cè)電路(16)，控制器(17)，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)；
所述的電容Cl (I)的一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負(fù)極，V4 (6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連，Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5的功率輸入端相連，V3(5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3 (11)的另一端以及V8 (9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個(gè)端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個(gè)端口；開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的一端以及外部輸入的直流電源的正極相連,開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的另一端以及電容Cl (I)的另一端，Vl (3)的功率輸入端以及V9
(12)的功率輸入端相連；
直流電壓檢測(cè)電路(16)用于檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (I)、電容C2 (2)以及電容C3 (11)的電壓，直流電壓檢測(cè)電路(16)的輸出端與控制器(17)的輸入端相連，控制器
(17)的輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸入端相連，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸出端分別與開關(guān)Kl (14)的控制端、功率開關(guān)管Vl (3)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V5 (7)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V4 (6)的控制信號(hào)輸入端以及功率開關(guān)管V6 (10)的控制信號(hào)輸入·端相連。包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器的充電方法的控制步驟為
一、在初始上電時(shí)，開關(guān)Kl(14)斷開，通過直流電壓檢測(cè)電路(16)分別檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (1)、電容02 (2)以及電容C3 (11)的電壓，并將其轉(zhuǎn)換為檢測(cè)到低電壓信號(hào)輸入到控制器(17)中；
二、在控制器(17)中，將電容Cl(I)的電壓和電容C2 (2)的電壓相加，所獲得的電壓和與直流輸入電源電壓相減，當(dāng)所述的電壓和與直流輸入電源電壓的差相差小于較小差值時(shí)，說明電容Cl (I)和電容C2 (2)已經(jīng)充電完畢，執(zhí)行步驟三；
三、令功率開關(guān)管Vl(3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6
(10)導(dǎo)通，電容C3 (11)開始充電，在電容C3 (11)的電壓為直流輸入電源電壓的1/4時(shí)，關(guān)斷功率開關(guān)管Vl (3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6 (10)，同時(shí)令開關(guān)Kl (14)閉合，將充電電阻Rl (15)短路，至此充電過程結(jié)束。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點(diǎn)(1)在獲得相同電平數(shù)的輸出電壓波形的前提下，本發(fā)明由于采用新的不對(duì)稱多電平逆變器拓?fù)洌瑹o需現(xiàn)有方案中的二極管箝位型多電平逆變器中的鉗位二極管，相比于現(xiàn)有方案中的飛跨電容式多電平逆變器，儲(chǔ)能電容和功率開關(guān)器件的數(shù)量均有所降低；(2)只需在多電平逆變器中加入充電電阻和短路開關(guān)，借助逆變器中現(xiàn)有的功率開關(guān)器件實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)串聯(lián)電容和一個(gè)懸浮電容的預(yù)充電控制，無需額外增加充電電源或者預(yù)充電電路，因此本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低以及效率較高等優(yōu)點(diǎn)。


圖I是本發(fā)明的原理 圖2為逆變器輸出電壓為O的等效電路；
圖3為逆變器輸出電壓為1/4的等效電路；
圖4為逆變器輸出電壓為1/2的等效電路；
圖5為逆變器輸出電壓為3/4的等效電路；
圖6為逆變器輸出電壓為I的等效電路；圖7是本發(fā)明的充電方法的流程 圖8是本發(fā)明的為電容Cl (1)，電容C2 (2)充電過程的等效電路原理 圖9是本發(fā)明的為電容C3 (11)充電過程的等效電路原理圖。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖I至圖6具體說明本實(shí)施方式。圖I為包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱九電平逆變器的原理圖，一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變 器，其組成包括電容Cl (1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8(9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容03 (11)，功率開關(guān)管V9 (12)，功率開關(guān)管VlO (13)，開關(guān)Kl (14)，充電電阻Rl (15)，直流電壓檢測(cè)電路(16)，控制器(17)，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18);
所述的電容Cl (I)的一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負(fù)極，V4 (6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連，Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5
(7)的功率輸入端相連，V3 (5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3 (11)的另一端以及V8 (9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個(gè)端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個(gè)端口；開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的一端以及外部輸入的直流電源的正極相連,開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的另一端以及電容Cl (I)的另一端，Vl (3)的功率輸入端以及V9
(12)的功率輸入端相連；
直流電壓檢測(cè)電路(16)用于檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (1)、電容02 (2)以及電容C3的電壓，直流電壓檢測(cè)電路(16)的輸出端與控制器(17)的輸入端相連，控制器(17)的輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸入端相連，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸出端分別與開關(guān)Kl
(14)的控制端、功率開關(guān)管Vl (3)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V5 (7)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V4 (6)的控制信號(hào)輸入端以及功率開關(guān)管V6 (10)的控制信號(hào)輸入端相連。下面具體分析本發(fā)明的單相不對(duì)稱九電平逆變器的工作原理。首先分析V9關(guān)斷，VlO導(dǎo)通的情況。假設(shè)輸入端的直流電壓為1，由于輸入端的電容Cl和C2串聯(lián)，且容值相等，則兩個(gè)電容的電壓值均為1/2，再由電容C3的電壓為1/4，則在功率器件V4，V6，V8，V10導(dǎo)通時(shí)，其輸出電壓為0，其等效電路如圖2所示。在V4，V6，V7，V10導(dǎo)通時(shí)，其輸出電壓為1/4，其等效電路如圖3所示。在V3，V6，V8，VlO導(dǎo)通時(shí)，其輸出電壓為1/2，其等效電路如圖4所示。在VI，V5，V8，VlO導(dǎo)通時(shí)，其輸出電壓為3/4，其等效電路如圖5所示。在VI，V5，V7，V10導(dǎo)通時(shí)，其輸出電壓為1，其等效電路如圖6所示。以此類推，在V9導(dǎo)通，VlO關(guān)斷時(shí)，逆變器輸出為負(fù)的四種電平，共有9種輸出電壓，相對(duì)應(yīng)的導(dǎo)通的功率器件列于表I。
表I各個(gè)輸出電平對(duì)應(yīng)的功率器件列表編號(hào)I輸出電平I導(dǎo)通的功率器件
1_I_VI, V5, V7, VlO
23/4VI, V5, V8, VlO—
31/2V3, V6, V8, VlO—
41/4V4, V6, V7, VlO—
5OV4, V6, V8, VlO—
6-1/4VI, V5, V8, V9—
7-1/2V2, V5, V7, V9—
8-3/4V4, V6, V7, V9—
9|-1|V4, V6, V8, V9—
由上述分析可知，通過對(duì)相應(yīng)的功率器件進(jìn)行控制，即可實(shí)現(xiàn)將直流電壓轉(zhuǎn)換為多電平輸出電壓。而在初始上電時(shí)，涉及到逆變器中包含的三個(gè)電容的預(yù)充電問題，若直接與直流電源相連，則由于電容的瞬間短路的特性，造成瞬間從直流電源抽取的充電電路過大，容易造成直流電源的損壞。另外，本發(fā)明中的逆變器之所以能夠輸出九電平的電壓波形，正是由于懸浮電容的電壓是直流輸入電源電壓的1/4，因此需要在初始上電時(shí)將其電壓充至直流輸入電源電壓的1/4。因此在直流電源和逆變器的正極輸入端之間串聯(lián)開關(guān)Kl (14)和充電電阻Rl，開關(guān)Kl(14)和充電電阻Rl (15)并聯(lián)，在初始上電時(shí)由充電電阻為三個(gè)電容充電，在充電完成后由開關(guān)Kl (14)將充電電阻Rl (15)短路，避免造成無謂的損耗。
具體實(shí)施方式
二 下面結(jié)合圖7至圖9具體說明本實(shí)施方式。包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器的充電方法的流程圖如圖7所示，其控制步驟為
一、在初始上電時(shí)，開關(guān)Kl(14)斷開，通過直流電壓檢測(cè)電路(16)分別檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (1)、電容02 (2)以及電容C3 (11)的電壓，并將其轉(zhuǎn)換為檢測(cè)到低電壓信號(hào)輸入到控制器(17)中；
二、在控制器(17)中，將電容Cl(I)的電壓和電容C2 (2)的電壓相加，所獲得的電壓和與直流輸入電源電壓相減，當(dāng)所述的電壓和與直流輸入電源電壓的差相差小于較小差值時(shí)，說明電容Cl (I)和電容C2 (2)已經(jīng)充電完畢，執(zhí)行步驟三；
三、令功率開關(guān)管Vl(3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6(10)導(dǎo)通，電容C3 (11)開始充電，在電容C3 (11)的電壓為直流輸入電源電壓的1/4時(shí)，關(guān)斷功率開關(guān)管Vl (3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6 (10)，同時(shí)令開關(guān)Kl (14)閉合，將充電電阻Rl (15)短路。在初始上電時(shí)，通過充電電阻Rl (15)為電容Cl (I)和電容C2 (2)充電，逆變器的等效電路如圖8所示。在電容Cl (I)和電容C2 (2)充電完成后，應(yīng)有二者的電壓和等于直流電源電壓，接下來為電容C3 (11)充電，將功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6 (10)，同時(shí)令開關(guān)Kl (14)閉合，以便將電容C3 (11)與直流電源接通，利用充電電阻Rl (15)進(jìn)行充電電流的限制，并給定充電電壓為1/4的直流電源電壓，逆變器的等效電路如圖9所示。在電容C3 (11)的電壓為直流輸入電源電壓的1/4時(shí)，關(guān)斷功率開關(guān)管Vl (3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6 (10)，同時(shí)令開關(guān)Kl (14)閉合，將充電電阻Rl (15)短路，至此充電過程結(jié)束。
權(quán)利要求
1.一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器，其特征在于，其組成包括電容Cl(1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容C3 (11)，功率開關(guān)管V9 (12)，功率開關(guān)管VlO (13)，開關(guān)Kl (14)，充電電阻Rl (15)，直流電壓檢測(cè)電路(16)，控制器(17)，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)； 所述的電容Cl (I)的一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負(fù)極，V4 (6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連，Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5(7)的功率輸入端相連，V3 (5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3 (11)的另一端以及V8 (9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個(gè)端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個(gè)端口；開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的一端以及外部輸入的直流電源的正極相連,開關(guān)Kl (14)的一端與充電電阻Rl (15)的另一端以及電容Cl (I)的另一端，Vl (3)的功率輸入端以及V9(12)的功率輸入端相連； 直流電壓檢測(cè)電路(16)用于檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (I)、電容C2 (2)以及電容C3 (11)的電壓，直流電壓檢測(cè)電路(16)的輸出端與控制器(17)的輸入端相連，控制器(17)的輸出端與隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸入端相連，隔離驅(qū)動(dòng)電路(18)的輸出端分別與開關(guān)Kl (14)的控制端、功率開關(guān)管Vl (3)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V5 (7)的控制信號(hào)輸入端、功率開關(guān)管V4 (6)的控制信號(hào)輸入端以及功率開關(guān)管V6 (10)的控制信號(hào)輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器的充電方法，其特征在于，其控制步驟為 一、在初始上電時(shí)，開關(guān)Kl(14)斷開，通過直流電壓檢測(cè)電路(16)分別檢測(cè)直流輸入電源、電容Cl (1)、電容02 (2)以及電容C3 (11)的電壓，并將其轉(zhuǎn)換為檢測(cè)到低電壓信號(hào)輸入到控制器(17)中； 二、在控制器(17)中，將電容Cl(I)的電壓和電容C2 (2)的電壓相加，所獲得的電壓和與直流輸入電源電壓相減，當(dāng)所述的電壓和與直流輸入電源電壓的差相差小于較小差值時(shí)，說明電容Cl (I)和電容C2 (2)已經(jīng)充電完畢，執(zhí)行步驟三； 三、令功率開關(guān)管Vl(3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6(10)導(dǎo)通，電容C3 (11)開始充電，在電容C3 (11)的電壓為直流輸入電源電壓的1/4時(shí)，關(guān)斷功率開關(guān)管Vl (3)、功率開關(guān)管V5 (7)、功率開關(guān)管V4 (6)以及功率開關(guān)管V6 (10)，同時(shí)令開關(guān)Kl (14)閉合，將充電電阻Rl (15)短路，至此充電過程結(jié)束。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種包含預(yù)充電電路的單相不對(duì)稱多電平逆變器及其充電方法，屬于電能變換領(lǐng)域，用于直流到交流電能形式的變換。其組成包括開關(guān)、充電電阻、十個(gè)功率開關(guān)器件以及三個(gè)電容。切換開關(guān)和充電電阻并聯(lián)后串聯(lián)在直流輸入電源和單相不對(duì)稱多電平逆變器的直流正極輸入端之間。在初始上電時(shí)刻，切換開關(guān)斷開，由直流輸入電源通過充電電阻為直流輸入端的兩個(gè)串聯(lián)電容充電，在兩個(gè)串聯(lián)電容完成充電后，采集懸浮電容的電壓，并將用于連接懸浮電容和逆變器的正極母線的兩個(gè)功率開關(guān)器件以及連接懸浮電容和逆變器的負(fù)極母線的兩個(gè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通，在懸浮電容的電壓等于直流電源電壓的1/4時(shí)，關(guān)斷導(dǎo)通的功率開關(guān)器件，并閉合切換開關(guān)。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低，實(shí)現(xiàn)容易以及效率高、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02M7/49GK102916603SQ201210414170
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者李宣南, 毛飛, 王錫銅 申請(qǐng)人:哈爾濱東方報(bào)警設(shè)備開發(fā)有限公司