技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器，屬逆變技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在中高壓大容量變頻調(diào)速器和電力有源濾波器廣泛應(yīng)用的前景下，多電平逆變器已經(jīng)成為當(dāng)前電力電子功率變換領(lǐng)域備受關(guān)注的重要研究熱點。它具有以下優(yōu)點：輸出電壓的總諧波失真隨著電平數(shù)的增加顯著減??；輸出相同質(zhì)量電壓波形的條件下，開關(guān)損耗小、開關(guān)頻率較低；與兩電平變流器相比，在相的電壓等級下，du/dt明顯減小，在高壓大容量電機驅(qū)動中，可有效防止電機轉(zhuǎn)子繞阻絕緣擊穿，同時改善裝置的電磁干擾特性。因此，多電平逆變器在中高壓交流調(diào)速領(lǐng)域、分布式發(fā)電和柔性交流輸電等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

目前主要的多電平逆變器包括二極管嵌位式多電平逆變器、飛跨電容嵌位式多電平逆變器和級聯(lián)H橋式多電平逆變器。當(dāng)需要實現(xiàn)較高的電壓等級和電平數(shù)目時，二極管嵌位式多電平逆變器和飛跨電容嵌位式多電平逆變器所需的嵌位二極管器件或者嵌位電容器件數(shù)目將急劇增加，并且存在電容電壓平衡控制困難的問題。而級聯(lián)H橋式多電平逆變器比較容易實現(xiàn)較大的電平數(shù)目和電壓等級，但是隨著電壓等級的增加，級聯(lián)H橋式多電平逆變器級聯(lián)的單元數(shù)目也會增加，開關(guān)器件數(shù)量隨之增加。

隨著風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展和統(tǒng)一潮流控制器（UPFC）、電力有源濾波器等電力設(shè)備在電力系統(tǒng)中的不斷需求，高效率和高質(zhì)量輸出波形的逆變器越來越被重視，因此運用開關(guān)電容電路的新型多電平逆變器便應(yīng)運而生。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是，針對傳統(tǒng)的級聯(lián)H橋多電平逆變器的缺點，本發(fā)明提出一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器，采用使用開關(guān)電容的六開關(guān)五電平逆變器構(gòu)成功率單元以簡化級聯(lián)逆變器結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)在相同輸出電壓等級下減少開關(guān)器件數(shù)目、提高逆變器效率、節(jié)省系統(tǒng)成本。

實現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器，由多個功率單元依次順序級聯(lián)構(gòu)成，所述功率單元包括主開關(guān)組、開關(guān)電容組和直流電源；前一功率單元的主開關(guān)組第二橋臂中點與后一功率單元的主開關(guān)組第一橋臂中點相連接形成級聯(lián)；級聯(lián)的第一個功率單元的主開關(guān)組第一橋臂的中點為逆變器輸出正端，級聯(lián)的最后一個功率單元的主開關(guān)組第二橋臂的中點為逆變器輸出的負(fù)端。

所述主開關(guān)組為傳統(tǒng)全橋結(jié)構(gòu)，由第一開關(guān)管、第三開關(guān)管、第一二極管和第三二極管組成主開關(guān)組第一橋臂；由第二開關(guān)管、第四開關(guān)管、第二二極管和第四二極管組成主開關(guān)組第二橋臂；所述的第一開關(guān)管的集電極同時與第一二極管的陰極和第一節(jié)點相連，第一開關(guān)管的發(fā)射極與第一二極管的陽極相連；所述的第三開關(guān)管集電極與第三二極管的陰極相連，第三開關(guān)管的發(fā)射極同時與第三二極管的陽極和第二節(jié)點相連；所述的第一二極管的陰極與第二開關(guān)管的集電極相連，第一二極管的陽極與第三二極管的陰極相連；所述的第三二極管的陽極與第四開關(guān)管的發(fā)射極相連；所述的第二開關(guān)管的集電極與第二二極管的陰極相連，第二開關(guān)管的發(fā)射極與第二二極管的陽極相連；所述的第四開關(guān)管的集電極與第四二極管的陰極相連，第四開關(guān)管的發(fā)射極與第四二極管的陽極相連；所述的第二二極管的陽極與第四二極管的陰極相連；所述的主開關(guān)組第一橋臂中點和第二橋臂中點分別為功率單元輸出正負(fù)端。

所述開關(guān)電容組由一個開關(guān)電容、兩個功率開關(guān)管和三個不可控二極管構(gòu)成，即由第一電容、第五開關(guān)管、第六開關(guān)管、第五二極管、第六二極管和第七二極管構(gòu)成；所述第七二極管的陽極同時與第五開關(guān)管的集電極和第五節(jié)點相連，第七二極管的陰極同時與第一電容的正極和第三節(jié)點相連；所述第一電容的負(fù)極同時與第五開關(guān)管的發(fā)射極和第六開關(guān)管的發(fā)射極相連；所述第五開關(guān)管的集電極與第五二極管的陰極相連，第五開關(guān)管發(fā)射極與第五二極管的陽極相連；所述第六開關(guān)管的發(fā)射極與第六二極管的陽極相連，第六開關(guān)管集電極同時與第六二極管的陰極和第四節(jié)點相連。

所述開關(guān)電容組的開關(guān)電容即第一電容充滿能量時，其上的電壓與直流電源上的電壓相等。

所述開關(guān)電容組的第七二極管的作用為限制開關(guān)電容即第一電容上的電流反向流向直流電源。

所述主開關(guān)組的第一節(jié)點與開關(guān)電容組的第三節(jié)點相連；主開關(guān)組的第二節(jié)點與開關(guān)電容組的第四節(jié)點相連。

所述功率單元的直流電源正極與開關(guān)電容組的第五節(jié)點相連，直流電源的負(fù)極與開關(guān)電容組的第四節(jié)點相連。

所述第一開關(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)管和第六開關(guān)管采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管、IGBT管中的任意一種。

所述的第一反并聯(lián)二極管、第二反并聯(lián)二極管、第三反并聯(lián)二極管、第四反并聯(lián)二極管、第五反并聯(lián)二極管和第六反并聯(lián)二極管為獨立二極管或功率開關(guān)管內(nèi)部自帶的二極管。

本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提供了一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器，采用使用開關(guān)電容的六開關(guān)五電平逆變器構(gòu)成功率單元，相對傳統(tǒng)的級聯(lián)H橋逆變器功率單元，每個功率單元可以產(chǎn)生六種輸出電壓狀態(tài)、五種輸出電壓電平，輸出電壓等級也可以提高一倍。相對于采用傳統(tǒng)全橋結(jié)構(gòu)的多電平逆變器，所述級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器減少了系統(tǒng)中開關(guān)元件數(shù)目、提高了輸出波形質(zhì)量、有效降低了諧波含量、減輕了電磁干擾等問題，在功率大小場合均能達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效率的目的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提出的級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器中的功率單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是圖2所示功率單元的第一種電壓狀態(tài)示意圖；

圖4是圖2所示功率單元的第二種電壓狀態(tài)示意圖；

圖5是圖2所示功率單元的第三種電壓狀態(tài)示意圖；

圖6是圖2所示功率單元的第四種電壓狀態(tài)示意圖；

圖7是圖2所示功率單元的第五種電壓狀態(tài)示意圖；

圖8是圖2所示功率單元的第六種電壓狀態(tài)示意圖；

圖中，S1為第一開關(guān)管；S2為第二開關(guān)管；S3為第三開關(guān)管；S4為第四開關(guān)管；S5為第五開關(guān)管；S6為第六開關(guān)管；D1為第一二極管；D2為第二二極管；D3為第三二極管；D4為第四二極管；D5為第五二極管；D6為第六二極管；D7為第七二極管；C1為第一電容；E為直流電壓；SC為開關(guān)電容組；SW為主開關(guān)組。

具體實施方式

本發(fā)明的具體實施方式如附圖所示。

圖1所示為本發(fā)明一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器結(jié)構(gòu)示意圖。所述逆變器由N個功率單元依次順序級聯(lián)構(gòu)成；前一功率單元的主開關(guān)組第二橋臂中點與后一功率單元的主開關(guān)組第一橋臂中點相連接形成級聯(lián)；級聯(lián)的第一個功率單元的主開關(guān)組第一橋臂的中點為逆變器輸出正端，級聯(lián)的最后一個功率單元的主開關(guān)組第二橋臂的中點為逆變器輸出的負(fù)端。

圖2所示為一種級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器功率單元的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的一種實施方式。如圖2所示，所述的功率單元由主開關(guān)組SW、開關(guān)電容組SC和直流電源構(gòu)成。

本實施例的功率單元的主開關(guān)組SW為傳統(tǒng)全橋結(jié)構(gòu)，由第一開關(guān)管S1、第三開關(guān)管S3、第一二極管D1和第三二極管D3組成主開關(guān)組SW的第一橋臂，由第二開關(guān)管S2、第四開關(guān)管S4、第二二極管D2和第四二極管D4組成主開關(guān)組SW的第二橋臂。所述的第一開關(guān)管S1的集電極同時與第一二極管D1的陰極和第一節(jié)點Q1相連，第一開關(guān)管S1的發(fā)射極與第一二極管D1的陽極相連；所述的第三開關(guān)管S3的集電極與第三二極管D3的陰極相連，第三開關(guān)管S3的發(fā)射極同時與第三二極管D3的陽極和第二節(jié)點Q2相連；所述的第一二極管D1的陰極與第二開關(guān)管S2的集電極相連，第一二極管D1的陽極與第三二極管D3的陰極相連；所述的第三二極管D3的陽極與第四開關(guān)管S4的發(fā)射極相連；所述的第二開關(guān)管S2的集電極與第二二極管D2的陰極相連，第二開關(guān)管S2的發(fā)射極與第二二極管D2的陽極相連；所述的第四開關(guān)管S4的集電極與第四二極管D4的陰極相連，第四開關(guān)管的發(fā)射極S4與第四二極管D4的陽極相連；所述的第二二極管D2的陽極與第四二極管D4的陰極相連；所述的主開關(guān)組SW的第一橋臂中點和第二橋臂中點分別為功率單元輸出正負(fù)端。

本實施例功率單元的開關(guān)電容組SC由一個開關(guān)電容、兩個功率開關(guān)管和三個不可控二極管構(gòu)成，即由第一電容C1、第五開關(guān)管S5、第六開關(guān)管S6、第五二極管D5、第六二極管D6和第七二極管D7構(gòu)成。所述第七二極管D7的陽極同時與第五開關(guān)管S5的集電極和第五節(jié)點Q5相連，第七二極管D7的陰極同時與第一電容C1的正極和第三節(jié)點Q3相連；所述第一電容C1的負(fù)極同時與第五開關(guān)管S5的發(fā)射極和第六開關(guān)管S6的發(fā)射極相連；所述第五開關(guān)管S5的集電極與第五二極管D5的陰極相連，第五開關(guān)管S5的發(fā)射極與第五二極管D5的陽極相連；所述的第六開關(guān)管S6的發(fā)射極與第六二極管D6的陽極相連，第六開關(guān)管S6集電極同時與第六二極管D6的陰極和第四節(jié)點Q4相連。

本實施例功率單元的開關(guān)電容組SC的開關(guān)電容，即第一電容C1充滿能量時，其上的電壓與直流電源上的電壓相等。

本實施例功率單元的開關(guān)電容組SC的第七二極管D7的作用為限制開關(guān)電容即第一電容C1上的電流反向流向直流電源。

本實施例功率單元的主開關(guān)組SW的第一節(jié)點Q1與開關(guān)電容組SC的第三節(jié)點Q3相連，主開關(guān)組SW的第二節(jié)點Q2與開關(guān)電容組SC的第四節(jié)點Q4相連。

本實施例功率單元的直流電源的正極與開關(guān)電容組SC的第五節(jié)點Q5相連，直流電源的負(fù)極與開關(guān)電容組SC的第四節(jié)點Q4相連。

圖3至圖8所示為圖2中功率單元的六種電壓狀態(tài)示意圖。設(shè)功率單元內(nèi)直流電源上的直流電壓為E，開關(guān)電容即第一電容C1上的直流電壓為E，功率單元的控制方式和六種電壓輸出狀態(tài)如下：

第一種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通、開關(guān)管S2關(guān)斷、開關(guān)管S3關(guān)斷、開關(guān)管S4導(dǎo)通、開關(guān)管S5導(dǎo)通、開關(guān)管S6關(guān)斷，如圖3所示，直流電源與開關(guān)電容即第一電容C1串聯(lián)，等效直流側(cè)電壓為2E，功率單元端口的輸出電壓為2E。此時，如果電流方向為正，如圖3中的實線箭頭所示，電流經(jīng)過第一開關(guān)管S1、負(fù)載和第四開關(guān)管S4回到直流電源的負(fù)極；如果電流方向為負(fù)，如虛線箭頭所示，則電流經(jīng)過第四二極管D4、負(fù)載和第一二極管D1回到開關(guān)電容即第一電容C1的正極。

第二種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通、開關(guān)管S2關(guān)斷、開關(guān)管S3關(guān)斷、開關(guān)管S4導(dǎo)通、開關(guān)管S5關(guān)斷，開關(guān)管S6導(dǎo)通，如圖4所示，直流電源與開關(guān)電容即第一電容C1并聯(lián)，等效直流側(cè)電壓為E，功率單元端口的輸出電壓為E。此時，如果電流方向為正，如圖4中的實線箭頭所示，電流經(jīng)過第一開關(guān)管S1、負(fù)載和第四開關(guān)管S4回到第四節(jié)點Q4；如果電流方向為負(fù)，如虛線箭頭所示，則電流經(jīng)過第四二極管D4、負(fù)載和第一二極管D1回到第三節(jié)點Q3。

第三種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1導(dǎo)通、開關(guān)管S2導(dǎo)通、開關(guān)管S3關(guān)斷、開關(guān)管S4關(guān)斷、開關(guān)管S5關(guān)斷、開關(guān)管S6關(guān)斷，如圖5所示，功率單元端口的輸出電壓為0+。

第四種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷、開關(guān)管S2關(guān)斷、開關(guān)管S3導(dǎo)通、開關(guān)管S4導(dǎo)通、開關(guān)管S5關(guān)斷，開關(guān)管S6關(guān)斷，如圖6所示，功率單元端口的輸出電壓為0-。

第五種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷、開關(guān)管S2導(dǎo)通、開關(guān)管S3導(dǎo)通、開關(guān)管S4關(guān)斷、開關(guān)管S5關(guān)斷、開關(guān)管S6導(dǎo)通，如圖7所示，直流電源與開關(guān)電容即第一電容C1并聯(lián)，等效直流側(cè)電壓為E，功率單元端口的輸出電壓為-E。此時，如果電流方向為正，如圖7中的實線箭頭所示，電流經(jīng)過第二開關(guān)管S2、負(fù)載和第三開關(guān)管S3回到第四節(jié)點Q4；如果電流方向為負(fù)，如虛線箭頭所示，則電流經(jīng)過第三二極管D3、負(fù)載和第二二極管D2回到第三節(jié)點Q3。

第六種電壓輸出狀態(tài)：

當(dāng)開關(guān)管S1關(guān)斷、開關(guān)管S2導(dǎo)通、開關(guān)管S3導(dǎo)通、開關(guān)管S4關(guān)斷、開關(guān)管S5導(dǎo)通、開關(guān)管S6關(guān)斷，如圖8所示，直流電源與開關(guān)電容即第一電容C1串聯(lián)，等效直流側(cè)電壓為2E，功率單元端口的輸出電壓為-2E。此時，如果電流方向為正，如圖8中的實線箭頭所示，電流經(jīng)過第二開關(guān)管S2、負(fù)載和第三開關(guān)管S3回到直流電源的負(fù)極；如果電流方向為負(fù)，如虛線箭頭所示，則電流經(jīng)過第三二極管D3、負(fù)載和第二二極管D2回到開關(guān)電容即第一電容C1的正極。

如上所述，功率單元的端口可以輸出2E、E、0+、0-、-E和-2E六種電壓狀態(tài)，2E、E、0、-E和-2E五種電壓電平。以此類推，通過控制各功率單元端口的輸出電壓狀態(tài)，由N個功率單元組成的級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器可以輸出4N+1種電壓電平。

上述實施例結(jié)構(gòu)中的各個開關(guān)管有多種選擇，可采用MOSFET管、PowerMosfet管、CoolMosfet管和IGBT管中的任意一種。

上述實施例結(jié)構(gòu)中的各個反并聯(lián)二極管為獨立二極管或功率開關(guān)管內(nèi)部自帶的二極管。

由于本實施例的逆變器采用了使用開關(guān)電容的六開關(guān)五電平功率單元，相對傳統(tǒng)的級聯(lián)H橋逆變器功率單元，每個功率單元可以產(chǎn)生六種輸出電壓狀態(tài)、五種輸出電壓電平，輸出電壓等級也可以提高一倍。相對于采用傳統(tǒng)全橋結(jié)構(gòu)的多電平逆變器，所述級聯(lián)式六開關(guān)多電平逆變器減少了系統(tǒng)中開關(guān)元件數(shù)目、提高了輸出波形質(zhì)量、有效降低了諧波含量、減輕了電磁干擾等問題，在功率大小場合均能達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效率的目的。