專利名稱：級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半橋逆變器，尤其涉及一種級聯(lián)型多電平半橋逆變器。
背景技術(shù)：
近年來，多電平逆變器在高壓、大功率場合的應用受到了廣泛的關(guān)注，同時采用多電平技術(shù)十分有利于減小逆變器中占很大分量的濾波器件的體積重量。多電平變換器的思想最早由Nable等人于1981年提出，它的基本思想是從電路拓撲著手，由幾個電平臺階合成階梯波，以接近正弦輸出電壓。由于濾波前輸出電壓諧波含量已很低，極大減小了所需濾波器件的體積重量。由于開關(guān)器件分擔輸入電壓和功率，開關(guān)器件應力小，因而適用于高壓、大功率的場合。多電平變換器無需高的開關(guān)頻率，因而降低了開關(guān)損耗，再加上無需大的濾波器，濾波器本身的損耗得以降低，變換器效率有很大提高。多電平變換器的電路拓撲可分為二極管箝位型、飛跨電容型以及具有獨立直流電壓源的級聯(lián)型逆變器。第三種級聯(lián)型逆變器不需要前兩種電路所需的大量箝位二極管和箝位電容，結(jié)構(gòu)簡單，技術(shù)成熟，易于模塊化，每個單元由一路直流電源單獨供電，所以不存在電容電壓不平衡問題，只是存在產(chǎn)生多路直流電源的復雜性，盡管如此，級聯(lián)結(jié)構(gòu)還是具有較高的性能，在實際工業(yè)應用中也較多采用這種結(jié)構(gòu)。
級聯(lián)型多電平逆變器的控制策略主要分為工頻開關(guān)運行方式和PWM調(diào)制方式兩大類。在所有控制方式中，工頻開關(guān)工作方式最早得到應用，其主要目的是減小傳統(tǒng)兩電平逆變器在PWM方式下開關(guān)損耗高的問題。隨著級聯(lián)型多電平逆變器的應用面越來越廣，對逆變器輸出波形的要求也逐漸提高，工頻開關(guān)模式已無法適應工業(yè)發(fā)展的要求。將原用于兩電平逆變器的脈寬調(diào)制解調(diào)(PWM)控制方法，例如三角載波PWM和空間矢量法PWM等經(jīng)改進后應用于多電平領(lǐng)域。隨著電平數(shù)的提高，各種PWM控制策略邏輯運算結(jié)構(gòu)十分復雜，控制困難。
目前級聯(lián)型多電平變換器的單個模塊拓撲結(jié)構(gòu)幾乎都采用的全橋電路。橋式電路由于開關(guān)管直接串聯(lián)，存在橋臂直通的危險。需另加控制死區(qū)，而這個死區(qū)將造成輸出電壓波形畸變失真。同時橋式電路中開關(guān)管的體二極管參與工作。對MOS型器件而言，提高MOSFET性能的措施往往會導致體二極管性能變差，很難兼顧兩者的優(yōu)化。同時研究表明隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)器件體二極管的反向恢復問題趨于嚴重，反向恢復損耗在變換器總損耗中所占比例大幅增長。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種既保留傳統(tǒng)級聯(lián)型多電平逆變器優(yōu)點，又克服其不足之處，并且拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略均較簡單的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器。
2、技術(shù)方案為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器包括第一壓降電路和第二降壓電路，其中，第一壓降電路包括第一功率開關(guān)管、第一功率二極管和第一電感，第一功率開關(guān)管、第一功率二極管串聯(lián)連接，第一功率開關(guān)管的陰極與第一功率二極管的陰極連接，第一電感的一端與第一功率開關(guān)管的陰極連接；第二降壓電路包括第二功率開關(guān)管、第二功率二極管和第二電感，第二功率開關(guān)管、第二功率二極管串聯(lián)連接，第二功率開關(guān)管的陽極與第二功率二極管的陽極連接，第二電感的一端與第二功率開關(guān)管的陽極連接，第一電感另一端與第二電感的另一端連接，它還包括第二電源電路和工頻開關(guān)電路，其中，第二電源電路包括相串聯(lián)的第三電源和第四電源，第三電源和第四電源之間的連接點接入第一壓降電路中第一電感和第二降壓電路中第二電感之間；工頻開關(guān)電路包括第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管，第三功率開關(guān)管的陽極接第三電源的正極，第四功率開關(guān)管的陽極接第四電源的負極，第三功率開關(guān)管的陰極和第四功率開關(guān)管的陰極連接，濾波電路及負載接入第三功率開關(guān)管的陰極和第四功率開關(guān)管的陰極之間。
本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器工作時，外接第一電源電路的結(jié)構(gòu)為相串聯(lián)的第一電源和第二電源，第一電源和第二電源之間的連接點接地；第一功率開關(guān)管的陽極接第一電源的正極，第二功率二極管的負極與第一電源的負極連接。
由于本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器包含一個PWM高頻調(diào)制的雙buck電路單元和一個低頻開環(huán)工作的工頻開關(guān)電路，雙buck電路無橋臂直通的可能；續(xù)流電流從功率二極管通過，開關(guān)器件的體二極管并不參與工作，功率器件選取可以不考慮體二極管的影響，使得開關(guān)器件和續(xù)流二極管可分別優(yōu)化設(shè)計選取，開關(guān)器件可選用新型的功率半導體例如coolMOS，減小導通和開關(guān)損耗；開關(guān)頻率可以提高，在保持高效率前提下實現(xiàn)高頻化減小體積重量，簡化了電路結(jié)構(gòu)；控制方案簡單雙buck電路單元采用滯環(huán)電流PWM控制方案，滯環(huán)電流控制方案具有內(nèi)在限流、動態(tài)性能快、實現(xiàn)簡單等一系列優(yōu)點，工頻開關(guān)電路可采用開環(huán)控制，兩開關(guān)管分別在半個工頻周期內(nèi)保持常通，占空比交錯180°。
本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器包括一個高頻調(diào)制工作的雙buck電路單元和一個工頻開關(guān)電路。雙buck電路單元包括第一降壓式電路橋臂和第二降壓式電路橋臂，其輸入連接第一電源和第二電源的輸出端。且第一降壓式電路橋臂和第二降壓式電路橋臂的輸出端并聯(lián)，并連接到外接的第三電源和第四電源的串聯(lián)中點。第三電源和第四電源通過工頻開關(guān)電路連接到輸出濾波電容和負載的一端。輸出濾波電容和負載的另一端接地。
本電路濾波前的輸出電平為雙buck電路單元輸出電平和工頻開關(guān)電路輸出電平的疊加。由于增加了第三電源和第四電源，以及工頻開關(guān)電路來對電路的輸出進行選通，且工頻開關(guān)電路按輸出電壓頻率工頻開關(guān)工作，使得電路工作的正半周時，輸出電壓在雙buck電路單元輸出電平基礎(chǔ)上抬高了一個第三電源的電平，電路工作的負半周時，輸出電壓在雙buck電路單元輸出電平基礎(chǔ)上降低了一個第四電源的電平，從而增加了整個電路的輸出電平數(shù)。在控制上結(jié)合了工頻開關(guān)和高頻調(diào)制。單獨考察第三電源、第四電源和工頻開關(guān)電路，其輸出為工頻方波，已提供了輸出電壓的大部分基波分量，包含較少諧波分量，采用高頻調(diào)制的雙buck電路只需在此工頻方波的基礎(chǔ)上補充基波分量，消除諧波分量就能使電路整體輸出電壓在濾波前就十分擬合基準正弦波。雙buck電路的高頻調(diào)制方案采用滯環(huán)電流控制，使得電路還具有了內(nèi)在限流的特點并改善了動態(tài)性能。由于雙buck電路單元中并不包含兩個開關(guān)管串聯(lián)連接到電源兩端的橋臂電路，消除了傳統(tǒng)橋式級聯(lián)多電平電路橋臂直通的隱患，也無需控制死區(qū)。
3、有益效果本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器是一種適用于高壓大功率場合的級聯(lián)型多電平逆變器，具有如下優(yōu)點(1)級聯(lián)多電平的特點使得變換器輸出電壓諧波含量小，有助于減小濾波器體積，同時可以降低PWM調(diào)制部分的開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，提高效率；(2)開關(guān)管應力低，適用于高壓、大功率的場合；(3)整個電路結(jié)構(gòu)和控制方案均較為簡單，易于實現(xiàn)；(4)由于PWM高頻調(diào)理電路部分采用buck電路結(jié)構(gòu)，同時低頻電路部分的兩個開關(guān)管一個工頻周期內(nèi)僅開關(guān)一次，整個電路無橋臂直通問題，可靠性高；續(xù)流電流不通過開關(guān)管的體二極管，使得功率開關(guān)管和功率二極管可以分別優(yōu)化設(shè)計。
四

圖1是本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器各開關(guān)模態(tài)示意圖。
圖3是本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器的主要波形示意圖。
圖4是本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器采用的控制框圖。
上述附圖中的主要符號名稱Cf——輸出濾波電容。D1～D2——功率二極管。drv1～drv4——功率開關(guān)管S1～S4的驅(qū)動波形。ir——電壓環(huán)輸出即電流基準。il1——濾波電感L1電流波形。il2——濾波電感L2電流波形。L1～L2——輸出濾波電感。R——負載阻抗。S1～S4——功率開關(guān)管。Ud1～Ud4——逆變器輸入電壓即直流側(cè)母線電壓。Uo——逆變器輸出電壓。
五具體實施例方式
如圖1所示，本實施例的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器包括第一壓降電路2和第二降壓電路3，其中，第一壓降電路2包括第一功率開關(guān)管S1、第一功率二極管D1和第一電感L1，第一功率開關(guān)管S1、第一功率二極管D1串聯(lián)連接，第一功率開關(guān)管S1的陰極與第一功率二極管D1的陰極連接，第一電感L1的一端與第一功率開關(guān)管S1的陰極連接；第二降壓電路3包括第二功率開關(guān)管S2、第二功率二極管D2和第二電感L2，第二功率開關(guān)管S2、第二功率二極管D2串聯(lián)連接，第二功率開關(guān)管S2的陽極與第二功率二極管D2的陽極連接，第二電感L2的一端與第二功率開關(guān)管S2的陽極連接，第一電感L1另一端與第二電感L2的另一端連接，它還包括第二電源電路4和工頻開關(guān)電路5，其中，第二電源電路4包括相串聯(lián)的第三電源Ud3和第四電源Ud4，第三電源Ud3和第四電源Ud4之間的連接點接入第一壓降電路2中第一電感L1和第二降壓電路3中第二電感L2之間；工頻開關(guān)電路5包括第三功率開關(guān)管S3和第四功率開關(guān)管S4，第三功率開關(guān)管S3的陽極接第三電源Ud3的正極，第四功率開關(guān)管S4的陽極接第四電源Ud4的負極，第三功率開關(guān)管S3的陰極和第四功率開關(guān)管S4的陰極連接，濾波電路及負載電路6接入第三功率開關(guān)管S3的陰極和第四開關(guān)管S4的陰極之間，其中，濾波電容Cf的正端接入第三功率開關(guān)管S3的陰極和第四開關(guān)管S4的陰極之間，負端接地，負載R與濾波電容Cf并聯(lián)。
本實施例的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器工作時，外接第一電源電路1的結(jié)構(gòu)為相串聯(lián)的第一電源Ud1和第二電源Ud2，第一電源Ud1和第二電源Ud2之間的連接點接地；第一功率開關(guān)管S1的陽極接第一電源Ud1的正極，第二功率二極管S2的負極與第一電源Ud2的負極連接。
下面以附圖1為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合附圖2來敘述本發(fā)明的級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器的具體工作原理和工作模態(tài)，對應的電路關(guān)鍵波形見附圖3。
在輸出電流大于零的正半周，第一降壓式電路(2)工作，第二降壓式電路(3)不工作，功率開關(guān)管S3常開。此時變換器輸出電平(濾波前)為圖3中C點電平抬高了Ud3。此時電路包括兩個工作模態(tài)(1)工作模態(tài)I如附圖2(a)所示，功率開關(guān)管S1開通，電感L1的電流iL1線性上升，變換器輸出電平(濾波前)為Ud1+Ud3，當Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud，變換器輸出電平(濾波前)為2Ud。
(2)工作模態(tài)II如附圖2(b)所示，功率開關(guān)管S1關(guān)斷，iL1從功率二極管D1續(xù)流，線性下降，變換器輸出電平(濾波前)為-Ud1+Ud3，當Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud，變換器輸出電平(濾波前)為0。
在輸出電流小于零的負半周，第二降壓式電路(3)工作，第一降壓式電路(2)不工作，功率開關(guān)管S4常開。此時變換器輸出電平(濾波前)為圖3中C點電平降低了Ud4。此時電路包括兩個工作模態(tài)(3)工作模態(tài)III如附圖2(c)所示，功率開關(guān)管S3開通，電感L2的電流iL2線性上升，變換器輸出電平(濾波前)為-Ud2-Ud4，當Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud，變換器輸出電平(濾波前)為-2Ud。
(4)工作模態(tài)IV如附圖2(d)所示，功率開關(guān)管S3關(guān)斷，iL2從功率二極管D2續(xù)流，線性下降，變換器輸出電平(濾波前)為Ud1-Ud4，當Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud，變換器輸出電平(濾波前)為0。
以上四個工作模態(tài)可用表1來表示，可見該級聯(lián)型多電平逆變器有四種可能的輸出電平Ud1+Ud3、-Ud2+Ud3、-Ud2-Ud4、Ud1-Ud4，特別的，當Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud1＝Ud，該級聯(lián)型多電平逆變器有三種可能的輸出電平2Ud、0、-2Ud。
表1級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器的功率管開關(guān)組合狀態(tài)與橋臂輸出電壓狀態(tài)的關(guān)系

本實施例的控制方案如附圖4所示輸出電壓與電壓基準經(jīng)電壓環(huán)運算得到電流基準ir。電感L1電流iL1與ir經(jīng)滯環(huán)比較器和驅(qū)動電路得到功率開關(guān)管S1的驅(qū)動信號drv1。drv1為一個在電流基準ir的正半周調(diào)制的PWM信號。電感L2電流iL2與ir經(jīng)滯環(huán)比較器和驅(qū)動電路得到功率開關(guān)管S2的驅(qū)動信號drv2。drv2為一個在電流基準ir的負半周調(diào)制的PWM信號。電流基準ir經(jīng)過過零比較器和驅(qū)動電路得到開關(guān)管S3和S4的驅(qū)動信號drv3和drv4。drv3和drv4為互補180°的方波信號。控制的效果使得在電流基準大于零的正半周，功率開關(guān)管S3常開，功率開關(guān)管S1調(diào)制工作，功率開關(guān)管S2和S34不工作；在電流基準小于零的負半周，開關(guān)管S4常開，功率開關(guān)管S2調(diào)制工作，功率開關(guān)管S1和S3不工作。
權(quán)利要求
1.一種級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一壓降電路(2)和第二降壓電路(3)，其中，第一壓降電路(2)包括第一功率開關(guān)管(S1)、第一功率二極管(D1)和第一電感(L1)，第一功率開關(guān)管(S1)、第一功率二極管(D1)串聯(lián)連接，第一功率開關(guān)管(S1)的陰極與第一功率二極管(D1)的陰極連接，第一電感(L1)的一端與第一功率開關(guān)管(S1)的陰極連接；第二降壓電路(3)包括第二功率開關(guān)管(S2)、第二功率二極管(D2)和第二電感(L2)，第二功率開關(guān)管(S2)、第二功率二極管(D2)串聯(lián)連接，第二功率開關(guān)管(S2)的陽極與第二功率二極管(D2)的陽極連接，第二電感(L2)的一端與第二功率開關(guān)管(S2)的陽極連接，第一電感(L1)另一端與第二電感(L2)的另一端連接，其特征在于，還包括第二電源電路(4)和工頻開關(guān)電路(5)，其中，第二電源電路(4)包括相串聯(lián)的第三電源(Ud3)和第四電源(Ud4)，第三電源(Ud3)和第四電源(Ud4)之間的連接點接入第一壓降電路(2)中第一電感(L1)和第二降壓電路(3)中第二電感(L2)之間；工頻開關(guān)電路(5)包括第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)，第三功率開關(guān)管(S3)的陽極接第三電源(Ud3)的正極，第四功率開關(guān)管(S4)的陽極接第四電源(Ud4)的負極，第三功率開關(guān)管(S3)的陰極和第四功率開關(guān)管(S4)的陰極連接，濾波電路及負載接入第三功率開關(guān)管(S3)的陰極和第四功率開關(guān)管(S4)的陰極之間。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種級聯(lián)型多電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一壓降電路(2)和第二降壓電路(3)，還包括第二電源電路(4)和工頻開關(guān)電路(5)，其中，第二電源電路(4)包括相串聯(lián)的第三電源(Ud3)和第四電源(Ud4)，工頻開關(guān)電路(5)包括第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)，第三功率開關(guān)管(S3)的陽極接第三電源(Ud3)的正極，第四功率開關(guān)管(S4)的陽極接第四電源(Ud4)的負極，第三功率開關(guān)管(S3)的陰極和第四功率開關(guān)管(S4)的陰極連接。其優(yōu)點是有助于減小濾波器體積，降低開關(guān)損耗，提高效率；開關(guān)管應力低；整個電路結(jié)構(gòu)和控制方案簡單易于實現(xiàn)；整個電路無橋臂直通問題，可靠性高。
文檔編號H02M7/505GK1929278SQ20061004133
公開日2007年3月14日 申請日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者洪峰, 單任仲, 王慧貞, 嚴仰光 申請人:南京航空航天大學