本發(fā)明涉及電壓轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器及一種多電平逆變器。

背景技術(shù)：

相比傳統(tǒng)的橋式逆變器，多電平逆變器能降低電氣部件的額定值和提高輸出的電能質(zhì)量。由于沒有龐大而沉重的濾波電感器，整合了開關(guān)電容技術(shù)的多電平逆變器能輕易達(dá)到升壓和增加功率密度的目的。目前，大多數(shù)的儲能技術(shù)都是基于：電化學(xué)電池、超級電容和燃料電池。為了提供足夠的電壓以驅(qū)動大多數(shù)的電力負(fù)載，這些儲能器件需要互相串聯(lián)連接起來。由于串接的儲能裝置本質(zhì)上是多電平的電壓源，簡單地運用雙向開關(guān)便可以產(chǎn)生多電平的輸出。然而，大量堆棧儲能裝置會大幅增加儲能管理系統(tǒng)和均衡電路的復(fù)雜程度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器及多電平逆變器，以降低變頻驅(qū)動器儲能系統(tǒng)的成本。

為了實現(xiàn)上述目的，在第一方面，本發(fā)明提供了一種開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器，其包括：第一開關(guān)器件，具有第一輸入/輸出端、第二輸入/輸出端；第二開關(guān)器件，具有第一輸入/輸出端、第二輸入/輸出端，且所述第一開關(guān)器件的第一輸入/輸出端與所述第二開關(guān)器件的第二輸入/輸出端連接；至少一個分支電路，每一分支電路包括第三開關(guān)器件、電容、第四開關(guān)器件，所述至少一個分支電路的所有電容串聯(lián)并與所述第一開關(guān)器件的第一輸入/輸出端、所述第二開關(guān)器件的第二輸入/輸出端連接；在每一所述分支電路中，所述第三開關(guān)器件、第四開關(guān)器件均包括第一輸入/輸出端、第二輸入/輸出端，所述第三開關(guān)器件的第一輸入/輸出端連接于所述第四開關(guān)器件的第二輸入/輸出端、所述電容的一端。

優(yōu)選地，所述第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件均為晶體管。

優(yōu)選地，所述第三開關(guān)器件為單向開關(guān)器件，所述第四開關(guān)器件為雙向開關(guān)器件或單向開關(guān)器件。

優(yōu)選地，所述第三開關(guān)器件為晶體管或二極管，所述第四開關(guān)器件為晶體管、或者二極管、或者串聯(lián)的晶體管和二極管、或者反向串聯(lián)的兩個晶體管。

優(yōu)選地，所述晶體管為MOSFET或IGBT。

優(yōu)選地，所述分支電路包括第一分支電路、多個第二分支電路、第三分支電路，所述多個第二分支電路結(jié)構(gòu)相同，且所述第一分支電路的電容與所述第一開關(guān)器件、第二開關(guān)器件連接，所述第一分支電路的電容與對應(yīng)的第二分支的電容連接，所述第三分支電阻器件的電容與對應(yīng)的第二分支電路的電容連接。

優(yōu)選地，所述第三開關(guān)器件的第二輸入/輸出端分別連接有一電感。

在第二方面，本發(fā)明提供了一種多電平逆變器，其包括開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器、連接于所述開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器輸出總線的H橋逆變電路，其中，所述開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器為根據(jù)本發(fā)明第一方面所述的開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器。

本發(fā)明的有益效果如下：

在低成本和高供電質(zhì)量的前提下，本發(fā)明的多電平開關(guān)電容轉(zhuǎn)換器利用自舉電路可以產(chǎn)生雙倍的直流電壓和電平數(shù)量，將電壓幅度和可輸出的電平數(shù)目增加一倍。在本發(fā)明的多電平逆變器中，多電平轉(zhuǎn)換器的直流輸出端串聯(lián)連接到H橋逆變電路，則可以產(chǎn)生多電平交流輸出。借此，利用本發(fā)明不但可以大大降低儲能系統(tǒng)的成本，而且可以有效地降低儲能系統(tǒng)的輸出諧波，改善系統(tǒng)穩(wěn)定性。

附圖說明

圖1為本發(fā)明多電平逆變器實施例一的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖2為圖1所示實施例一的開關(guān)電容多電平直流轉(zhuǎn)換器的輸出總線電壓以及相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的對照表；

圖3為圖1所示實施例一H橋逆變器輸出電壓及H橋逆變器相應(yīng)開關(guān)狀態(tài)的對照表；

圖4為本發(fā)明多電平逆變器實施例二的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖5為本發(fā)明多電平逆變器實施例三的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖6為本發(fā)明多電平逆變器實施例四的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖7為本發(fā)明多電平逆變器實施例五的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖；

圖8為圖7所示實施例五的計算機(jī)仿真模型的輸出波形圖；

圖9、圖10、圖11分別為本發(fā)明多電平逆變器多個實施例中可能所涉的分支電路一、分支電路二、分支電路三的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。

為了緩解現(xiàn)有技術(shù)中因為儲能管理系統(tǒng)和均衡電路復(fù)雜程度增加導(dǎo)致的問題，本發(fā)明提供一種開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器以及具有該開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器的多電平逆變器，以利用開關(guān)電容技術(shù)將電壓幅度和可輸出的電平數(shù)目增加一倍。從而不但大大降低變頻驅(qū)動器儲能系統(tǒng)的成本，而且有效地降低變頻器的輸出諧波。

由于本發(fā)明提供的多電平逆變器包括本發(fā)明提供的開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器，為了減少不必要的贅述，下面詳細(xì)描述多電平逆變器時，不再對開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行獨立描述。此外，本發(fā)明多個實施例的部分電路結(jié)構(gòu)相同，對相同部分也不再一一描述。

如圖1所示，本發(fā)明提供的多電平逆變器實施例一包括開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器100(以下簡稱為轉(zhuǎn)換器100，與此相同，其他實施例也相應(yīng)簡稱為轉(zhuǎn)換器300、轉(zhuǎn)換器500等)、連接于轉(zhuǎn)換器100輸出總線V_Bus(附圖標(biāo)記V_Bus也表示總線電壓)的H橋逆變電路200(以下簡稱為逆變電路200)。轉(zhuǎn)換器100包括開關(guān)器件T₀₁、T₀₂(對應(yīng)于本發(fā)明的第一開關(guān)器件和第二開關(guān)器件)和多個分支電路(未一一標(biāo)注)。為了清楚的描述本實施例一的結(jié)構(gòu)及原理，開關(guān)器件T₀₁、T₀₂和多個分支電路連接到由n個儲能裝置V_s1至V_sn(例如電池、超級電容器等)串聯(lián)組成的多電平電壓源。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，儲能裝置并不是構(gòu)成本發(fā)明的必需部件。

具體而言，開關(guān)器件T₀₁的第一輸入/輸出端與開關(guān)器件T₀₂的第二輸入/輸出端連接。n個分支電路分別包括開關(guān)器件T₁₁、電容C₁、開關(guān)器件T₁₂(這三者構(gòu)成第一分支電路)、開關(guān)器件T₂₁至開關(guān)器件T_(n-1)1、電容C₂至電容C_(n-1)、開關(guān)器件T₂₂至開關(guān)器件T_(n-1)2(開關(guān)器件T₂₁至開關(guān)器件T_(n-1)1、電容C₂至電容C_(n-1)、開關(guān)器件T₂₂至開關(guān)器件T_(n-1)2、構(gòu)成多個第二分支電路)、開關(guān)器件T_n1、電容C_n、開關(guān)器件T_n2(這三者構(gòu)成第三分支電路)。開關(guān)器件T₁₁至開關(guān)器件T_n1(對應(yīng)于本發(fā)明的第三開關(guān)器件)、開關(guān)器件T₁₂至開關(guān)器件T_n2(對應(yīng)于本發(fā)明的第四開關(guān)器件)均包括第一輸入/輸出端、第二輸入/輸出端，以和其他器件連接。在本實施例一中以及其他實施例中，開關(guān)器件T₁₁至開關(guān)器件T_n1、開關(guān)器件T₁₂至開關(guān)器件T_n2可以是二極管、晶體管、場效應(yīng)管、IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)等或者其中二者的組合。若為二極管，輸入/輸出端為正極、負(fù)極；若為晶體管，輸入/輸出端為集電極、發(fā)射極；若為場效應(yīng)管，輸入/輸出端為源極、漏極。進(jìn)一步具體而言，本實施例一的開關(guān)器件T₀₁、T₀₂、T₁₁至T_n1、T₁₂和T_n2為單向開關(guān)，例如MOSFET(金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)和IGBT，而部分分支電路的開關(guān)器件T₂₂至T_(n-1)2是雙向開關(guān)，由兩個單向開關(guān)反向串聯(lián)組成。

n個分支電路的電容C₁至C_n串聯(lián)后與開關(guān)器件T₀₁的第一輸入/輸出端、開關(guān)器件T₀₂的第二輸入/輸出端連接。開關(guān)器件T₁₁至開關(guān)器件T_n1的第一輸入/輸出端連接于相應(yīng)的開關(guān)器件T₁₂至開關(guān)器件T_n2的第二輸入/輸出端、電容C₁至電容C_n的一端，然后，各分支電路與輸出總線V_Bus連接。

本實施例一通過(2n+2)個主動開關(guān)(或者稱之為有源開關(guān))和n個電容，在輸出總線V_Bus之間可產(chǎn)生的電平數(shù)目為2n。圖2列出了直流總線的電平和相應(yīng)的主動開關(guān)的狀態(tài)(假設(shè)電容C₁-C_n足夠大；T_x1:T₀₁至T_n1，其他開關(guān)處于"關(guān)斷(OFF)"狀態(tài))。如圖3所示，當(dāng)逆變電路200的晶體管Q11、Q22導(dǎo)通時，逆變電路200輸出正電壓；當(dāng)晶體管Q₂₁、Q₁₂導(dǎo)通時，逆變電路200輸出負(fù)電壓；逆變電路200通過導(dǎo)通晶體管Q₁₁、Q₂₁或晶體管Q₁₂、Q₂₂，輸出零電平。這樣，n個串接的電壓源V_s1至V_sn可通過本實施例一產(chǎn)生(4n+1)(公式一)個輸出電平。

采用大量的主動器件或會增加系統(tǒng)的故障率，同時為了控制系統(tǒng)成本，本發(fā)明還提供幾種在不同的應(yīng)用范圍和條件下，減少主動器件數(shù)目可能性的實施例。

若只允許單向的功率流，以及電容C₁,…,C_n的電容值足夠大，圖4所示的實施例二在轉(zhuǎn)換器300上的主動開關(guān)器件T₁₁至T_n1可被二極管D₁₁至D_n1取代，以減少主動器件的數(shù)量。轉(zhuǎn)換器300中的其他器件及逆變電路400結(jié)構(gòu)不變。

如圖5所示，本實施例三包括轉(zhuǎn)換器500、逆變電路600，如果與逆變電路600連接的負(fù)載Load為純電阻負(fù)載(負(fù)載端的電壓Vo和電流完全同相，或其他非常高功率因子的負(fù)載)，圖4中的開關(guān)器件T₁₂至T_(n-1)2中的一個晶體管可以被二極管D₁₂至D_(n-1)2取代，以進(jìn)一步減少主動器件的數(shù)量。

由上述分析可知，為適應(yīng)各種不同的應(yīng)用，上述各實施例的轉(zhuǎn)換器100/300/500配置可以變化多端。例如：圖9所示分支電路10適用于雙向功率傳輸、圖10所示分支電路20適用于阻抗負(fù)載、圖11所示分支電路30適用于無抗負(fù)載，其中分支電路10包括三個IGBT，分支電路20包括一個二極管、兩個IGBT，分支電路30包括兩個二極管、一個IGBT。除了分支電路不同，在同一轉(zhuǎn)換器中也可以根據(jù)需要配置不同的分支電路，例如圖1中，位于底部的分支電路的雙向開關(guān)器件T₁₂為一顆IGBT，位于頂部的分支電路的雙向開關(guān)器件T_n2為一顆IGBT，中間部分的分支電路的相應(yīng)器件則包括兩個IGBT。通過不同器件的配置以及不同分支電路的配置，本發(fā)明可以很有彈性地在系統(tǒng)成本、操作性能和負(fù)載兼容性之間取得平衡。

上述各實施例的轉(zhuǎn)換器100/300/500可以通過自舉電路產(chǎn)生雙倍的電壓和電平數(shù)目。然而，電容C₁-C_n在充電時會產(chǎn)生很大的浪涌電流，對電路構(gòu)成額外的負(fù)荷，以及對周邊電路產(chǎn)生電磁干擾。鑒于此，如圖6所示的實施例四所示，在晶體管Tx1或二極管Dx1的第二端和相應(yīng)的電源Vs之間連接一個電感Lx，以有效地限制充電電流的幅度。在很多情況下，電感Lx更可以在充電時，延遲電流的上升以及反向偏置相應(yīng)的二極管Dx1，以實現(xiàn)零電流開關(guān)(Zero Current Switch，簡稱ZCS)。

具體而言，圖6所示實施例四是一個采用混合配置的開關(guān)電容17-電平逆變器(該實施例四中n＝4，根據(jù)前述公式一，4*4+1＝17)，只要在負(fù)載load端電壓達(dá)到±2Vs前電壓電流同相，該實施例四都能承受阻抗性負(fù)載，否則將會跳過±3Vs和±7Vs的電平。因為不同于純電阻負(fù)載，在阻抗性負(fù)載的情況下，當(dāng)該實施例四的逆變電路輸出為±3Vs或±7Vs的電平時，負(fù)載load兩端所感生的電壓有機(jī)會比±3Vs或±7Vs高。此時，二極管D₃₂會反向偏置，電流只能經(jīng)開關(guān)器件T₄₂流向電容C₄，所以負(fù)載端的電壓不是±3Vs和±7Vs，而是±4Vs和±8Vs。

由于開關(guān)器件T₁₁和開關(guān)器件T₄₁是晶體管，當(dāng)負(fù)載端為發(fā)電機(jī)/電網(wǎng)時，實施例四可通過控制開關(guān)器件T₁₁、T₁₂和T₄₁、T₁₂讓逆變電路的輸出電流和負(fù)載load端電壓反相。此時，反相的電流會經(jīng)開關(guān)器件T₁₁和T₄₁為電壓源充電，實現(xiàn)功率回收。因此，通過連接到Vs和4Vs電壓源的分支，該實施例四能實現(xiàn)功率回收。其中，電感L₁至L₄為諧振電感器，其主要作用是限制浪涌電流和降低開關(guān)損耗。

如圖7所示，本發(fā)明實施例五為一個開關(guān)電容13-電平逆變器(該實施例五中n＝3，根據(jù)前述公式一，4*3+1＝13)，圖8則示出了其計算機(jī)仿真模型的輸出波形。在圖7中，還示出了控制模塊controlblock，以控制各開關(guān)器件的導(dǎo)通關(guān)斷。如圖8所示，沿著時間軸time，轉(zhuǎn)換器的總線電壓V_bus在0-600v之間變化，經(jīng)過逆變電路的轉(zhuǎn)換，負(fù)載load端電壓Vo則在±500V之間變化，體現(xiàn)了自舉電路的升壓作用，負(fù)載load的電流Io在±3A之間變化，端電壓Vo、電流Io的方向變化則體現(xiàn)了逆變電路的“把直流電變成交流電”的作用。

綜上，本發(fā)明提供的多電平逆變器包括一個基于自舉技術(shù)的開關(guān)電容多電平轉(zhuǎn)換器和一個H橋逆變電路。該轉(zhuǎn)換器包括多個開關(guān)電容電路分支，每一電路分支由一部分的自舉電路和連接到輸出總線的開關(guān)器件組成。使得該轉(zhuǎn)換器可應(yīng)用于任意數(shù)目的串接電壓源，并能產(chǎn)生相對串接的電壓源的雙倍電壓和電平數(shù)目。

根據(jù)不同的應(yīng)用，在本發(fā)明中，自舉電路可以由兩個晶體管開關(guān)分別連接到開關(guān)電容串和電壓源串的總負(fù)和電壓源串的總正，以及由晶體管或二極管構(gòu)成的單向開關(guān)連接到電壓源和開關(guān)電容的正極實現(xiàn)。根據(jù)不同的負(fù)載種類，分支電路可以不同。通過控制連接在電壓源和直流總線之間的主動開關(guān)器件的狀態(tài)，輸出多電平電壓。

此外，通過不同的連接方式，本發(fā)明的多個轉(zhuǎn)換器還可組合成更高電壓輸出或多相電壓輸出的結(jié)構(gòu)。

根據(jù)不同種類的應(yīng)用，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的分支電路可互相組合而不需要接駁到H橋逆變電路，也就是說，本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器并非必須與逆變電路連接，而形成本發(fā)明的多電平逆變器，而是還可以與其他電路連接。

由上分析，本發(fā)明可以取得結(jié)構(gòu)簡化、系統(tǒng)穩(wěn)定、降低成本等優(yōu)點。

由技術(shù)常識可知，本發(fā)明可以通過其它的不脫離其精神實質(zhì)或必要特征的實施方案來實現(xiàn)。因此，上述公開的實施方案，就各方面而言，都只是舉例說明，并不是僅有的。所有在本發(fā)明范圍內(nèi)或在等同于本發(fā)明的范圍內(nèi)的改變均被本發(fā)明包含。