專利名稱：一種新型電壓型多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)直流-交流變換器領(lǐng)域的一種逆變器，尤其涉及一種多輸入電源電壓型多電平逆變器。
背景技術(shù)：
逆變器是指通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷作用，把直流電能變換成交流電能的一種電力電子變換器，其作用是把從蓄電池、太陽能電池、燃料電池等得到的電能質(zhì)量較差的直流原始電能，變換為電能質(zhì)量較高、能滿足用戶負(fù)載對(duì)電壓和頻率要求的交流電能。多電平逆變器通過輸出多個(gè)電平擬合輸出波型，減小輸出波形的失真，降低了功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，因此中大容量場(chǎng)合，多電平逆變器得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的中點(diǎn)箝位式<NPC>多電平逆變器，如圖7所示，中點(diǎn)箝位式<NPC>七電平逆變器，包括I個(gè)輸入電源U， 6個(gè)輸入直流電容Q、C2......C6, 30個(gè)箝位二極管D2......D30,12個(gè)功
率開關(guān)管Si、S2......S1 ;飛跨電容式<FCs>多電平逆變器，如圖8所示，飛跨電容式
<FCs>七電平逆變器，包括I個(gè)輸入電源U，6個(gè)輸入直流電容Q、C2......C6,15個(gè)
飛跨電容Q、C2......C15,12個(gè)功率開關(guān)管Sp S2......S12 ;級(jí)聯(lián)H橋式<CHB>
多電平逆變器，如圖9所示，級(jí)聯(lián)H橋式<CHB>七電平逆變器，包括3個(gè)輸入電源UpU2、U3，
3個(gè)輸入直流電容Cp C2, C3,12個(gè)功率開關(guān)管Sp S2......S120增加輸出電平數(shù)時(shí)需
要增加的功率器件較多。隨著世界能源的短缺和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，清潔的可再生能源的發(fā)展和應(yīng)用越來越受到世界各國的廣泛關(guān)注，大量的可再生能源都是直流電，必須使用逆變器把它變換成工頻交流電才能大量應(yīng)用。因此，逆變技術(shù)的研究和使用有著至關(guān)重要的作用。
發(fā)明內(nèi)容
為了解決傳統(tǒng)電壓型多電平逆變器功率開關(guān)管數(shù)多和電平數(shù)少的問題，本發(fā)明提供了一種新型電壓型多電平逆變器，與現(xiàn)有經(jīng)典多電平逆變器相比，在輸出電平數(shù)相同的情況下，新型電壓型多電平逆變器使用功率開關(guān)管和隔離驅(qū)動(dòng)均少，無需箝位二極管、飛跨電容等，部分功率開關(guān)管處于低頻工作狀態(tài)，開關(guān)次數(shù)少，降低了開關(guān)損耗。為了解決上述存在的技術(shù)問題，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的一種新型電壓型多電平逆變器，包括η個(gè)輸入電源，2η+2個(gè)功率開關(guān)管，電源自上向下順序排列，第一電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；第二電源正極在右側(cè)，負(fù)極在左側(cè)；第三電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；依此類推，電源極性方向交替變化；功率開關(guān)管分列電源兩側(cè)，左側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“一、三、五、…”等奇數(shù)編號(hào)，右側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“二、四、六、…”等偶數(shù)編號(hào)；兩個(gè)濾波電感，第一濾波電感的一端與第一功率開關(guān)管的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的正極與第一功率開關(guān)管的集電極和第三功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的負(fù)極與第二功率開關(guān)管的發(fā)射極和第四功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第二電源的正極與第四功率開關(guān)管的集電極和第六功率開關(guān)管的集電極相連，第二電源的負(fù)極與第三功率開關(guān)管的發(fā)射極和第五功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第三電源的正極與第五功率開關(guān)管的集電極和第七功率開關(guān)管的集電極相連，第三電源的負(fù)極與第六功率開關(guān)管的發(fā)射極和第八功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，當(dāng)η為大于3的偶數(shù)時(shí)，依次順序連接后續(xù)電源與功率開關(guān)管的組合結(jié)構(gòu)，第η個(gè)電源的正極與第2η功率開關(guān)管的集電極和第2η+2功率開關(guān)管的集電極相連，第η電源的負(fù)極與第2η_1功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+1功率開關(guān)管的發(fā)射極相連,第η+1個(gè)電源的正極與第2η+1功率開關(guān)管的集電極和第2η+3功率開關(guān)管的集電極相連，第η+1電源的負(fù)極與第2η+2功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第二濾波電感的一端與第2η+3功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的集電極相連，各功率開關(guān)管的柵極分別接各自的控制信號(hào)，控制功率開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作；采用電源與功率開關(guān)管的組合擴(kuò)展，構(gòu)成新型電壓型多電平逆變電路，輸入電源個(gè)數(shù)從η到η+1擴(kuò)展時(shí)，功率開關(guān)管個(gè)數(shù)從2η+2到2η+4，規(guī)律遞增，(其中n ^ I的整數(shù))。濾波電感構(gòu)成的濾波器是L型濾波器結(jié)構(gòu)、LC型濾波器結(jié)構(gòu)或LCL型濾波器結(jié)構(gòu)。 由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的新型電壓型多電平逆變器，與現(xiàn)有經(jīng)典多電平逆變器(中點(diǎn)箝位式<NPC>多電平逆變器、飛跨電容式<FCs>多電平逆變器、級(jí)聯(lián)H橋式<CHB>多電平逆變器)相比，使用功率開關(guān)管和隔離驅(qū)動(dòng)均少(共發(fā)射極的功率開關(guān)管共用一個(gè)隔離驅(qū)動(dòng))，無需箝位二極管、飛跨電容等，部分功率開關(guān)管處于低頻工作狀態(tài)，開關(guān)次數(shù)少，降低了開關(guān)損耗，電源與功率開關(guān)管組合成的基本擴(kuò)展電路方便提高輸出電平數(shù)；表I為電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器與經(jīng)典七電平逆變器使用器件對(duì)比；新型電壓型多電平逆變器采用一維空間矢量調(diào)制，調(diào)制方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，合理利用冗余矢量，提高了逆變器輸出電能質(zhì)量，符合可再生能源和新能源發(fā)電技術(shù)需要的，適用于多輸入電源場(chǎng)合的新型逆變器。表I新型電壓型七電平逆變器與經(jīng)典七電平逆變器使用器件對(duì)比
電f 器件 _經(jīng)，七電f逆-,器_新型電樂型七電
數(shù)__中點(diǎn)箝位式I 6跨電容式I級(jí)聯(lián)η橋式
7 輸入直流電容 6__6__3__3
舒份—-極輯；30———
I Li "抒-15—
功率幵義竹__12__12__12__8_
_難動(dòng)1212128從表I可以看出，新型電壓型七電平逆變器與現(xiàn)有經(jīng)典七電平逆變器(參見附圖7到9)相比，使用的輸入直流電容、功率開關(guān)管、隔離驅(qū)動(dòng)均少，無需箝位二極管、飛跨電容。
圖I是電源級(jí)數(shù)為η+1時(shí)的新型電壓型多電平逆變器電路圖
圖2是電源級(jí)數(shù)n=3時(shí)的新型電壓型七電平逆變器電路3是電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器一維控制矢量4是電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器一維空間矢量控制框5是電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器輸出波形6是電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器驅(qū)動(dòng)波形7是中點(diǎn)箝位式<NPC>七電平逆變器電路8是飛跨電容式<FCs>七電平逆變器電路圖 圖9是級(jí)聯(lián)H橋式<CHB>七電平逆變器電路圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述如圖I所示，本發(fā)明的一種新型電壓型多電平逆變器，包括η個(gè)輸入電源，2η+2個(gè)功率開關(guān)管，電源自上向下順序排列，第一電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；第二電源正極在右側(cè)，負(fù)極在左側(cè)；第三電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；依此類推，電源極性方向交替變化；功率開關(guān)管分列電源兩側(cè)，左側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“一、三、五、…”等奇數(shù)編號(hào)，右側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“二、四、六、…”等偶數(shù)編號(hào)；兩個(gè)濾波電感，第一濾波電感的一端與第一功率開關(guān)管的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的正極與第一功率開關(guān)管的集電極和第三功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的負(fù)極與第二功率開關(guān)管的發(fā)射極和第四功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第二電源的正極與第四功率開關(guān)管的集電極和第六功率開關(guān)管的集電極相連，第二電源的負(fù)極與第三功率開關(guān)管的發(fā)射極和第五功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第三電源的正極與第五功率開關(guān)管的集電極和第七功率開關(guān)管的集電極相連，第三電源的負(fù)極與第六功率開關(guān)管的發(fā)射極和第八功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，當(dāng)η為大于3的偶數(shù)時(shí)，依次順序連接后續(xù)電源與功率開關(guān)管的組合結(jié)構(gòu)，第η個(gè)電源的正極與第2η功率開關(guān)管的集電極和第2η+2功率開關(guān)管的集電極相連，第η電源的負(fù)極與第2η_1功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+1功率開關(guān)管的發(fā)射極相連,第η+1個(gè)電源的正極與第2η+1功率開關(guān)管的集電極和第2η+3功率開關(guān)管的集電極相連，第η+1電源的負(fù)極與第2η+2功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的發(fā)射極相連,第二濾波電感的一端與第2η+3功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的集電極相連，各功率開關(guān)管的柵極分別接各自的控制信號(hào)，控制功率開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作；采用電源與功率開關(guān)管的組合擴(kuò)展，構(gòu)成新型電壓型多電平逆變電路，輸入電源個(gè)數(shù)從η到η+1擴(kuò)展時(shí)，功率開關(guān)管個(gè)數(shù)從2η+2到2η+4，規(guī)律遞增，(其中n ^ I的整數(shù))。如圖2所示，電源級(jí)數(shù)η=3時(shí)的新型電壓型七電平逆變器，包括3個(gè)輸入電源U1'
U2> U3,8個(gè)功率開關(guān)管Sp S2......S8，兩個(gè)濾波電感Lp L2，第一濾波電感L1的一端
與第一功率開關(guān)管S1的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管S2的集電極相連,第一電源U1的正極與第一功率開關(guān)管S1的集電極和第三功率開關(guān)管S3的集電極相連，第一電源Ul的負(fù)極與第二功率開關(guān)管S2的發(fā)射極和第四功率開關(guān)管S4的發(fā)射極相連，第二電源U2的正極與第四功率開關(guān)管S4的集電極和第六功率開關(guān)管S6的集電極相連，第二電源U2的負(fù)極與第三功率開關(guān)管S3的發(fā)射極和第五功率開關(guān)管S5的發(fā)射極相連，第三電源U3的正極與第五功率開關(guān)管S5的集電極和第七功率開關(guān)管S7的集電極相連，第三電源U3的負(fù)極與第六功率開關(guān)管S6的發(fā)射極和第八功率開關(guān)管S8的發(fā)射極相連，第二濾波電感L2的一端與第七功率開關(guān)管S7的發(fā)射極和第八功率開關(guān)管S8的集電極相連，各功率開關(guān)管的柵極分別接各自的控制信號(hào)，控制功率開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作。如圖3所示，電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器一維控制矢量圖，橫線下方標(biāo)注的是輸出電平電壓(_2E、-E、0、E、2E)，橫線上方標(biāo)注的是輸出電壓對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)(數(shù)字對(duì)應(yīng)功率開關(guān)管序號(hào))，表2為新型電壓型七電平逆變器開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓及功率開關(guān)管所受電壓應(yīng)力。表2七電平逆變器開關(guān)狀態(tài)、輸出電壓及功率開關(guān)管所受電壓應(yīng)力
Si I S2 I S3 I S4I S5 I S6 I S71 Sg I U0 — Qn U1 Ui+U2 On On U2+U3 U3 On Ui+U2+U3 "Ο ΓΤΙΓ U|+U2 Qn " On U2+lF On U3 Ut+U2
"ΟτΓΙΙΓ U1+U2 On "U2+U3 On— On U3UrU3
On - On U2+1F U3 On — U2+U3
"oiTUT UI+U2 On"U2+U3 bn— U3 On U1IjTWlwF On—On U2+U3—On U3 — U2 "OrT......U1........................On.....................Ui+U2.. —......On....................U2+U7 U3...........On.........................................U3........................................
On U,+U3' On Jh+lhl5nlJi 0 —
UT ~0rT TvkF ...............On............... T)2+U3.....................On..........—......U3............On.. —......................0.........................................
UT^nJh+UT On —U2+U1 On — On U3 — -U3
On U1 On U1+U3 U2+Ui On U,i On__-U2
_____ 認(rèn)+認(rèn)-Q11 u2+U3— On U3 — -U1 On ~Ο Γ~ U,+U2 _U2+U3 On—"ΟιΓ~ Γ~ -(U2+U3)"
UT-OnΟ Γ~ U|+U2 _ On U2+lI7 U3 On — -(UrU3)
On U1IU2 "U2+U3 On— U3 On -(UiIU2)
U1 I On I On——U)+U21U2+U3 On I On 丨 U3 I -(Ut+U2+U3)八開關(guān)最多有十TK種開關(guān)狀態(tài)，每組橋臂(S1' S2)> (S3、S4)> (S5、S6)> (S7、S8)同一時(shí)間只能有一個(gè)開通，另一個(gè)關(guān)斷，三個(gè)電源電壓均為E時(shí)，Sp S2、S7、S8功率開關(guān)承受一倍輸入電壓E，中間S3、S4、S5、S6功率開關(guān)承受兩倍輸入電壓2E。如圖4所示，電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器一維空間矢量控制框圖，首先計(jì)算電平作用時(shí)間，用基準(zhǔn)正弦電壓除以電源電壓E減去基準(zhǔn)正弦電壓除以電源電壓E向下取整值得到作用時(shí)間t1; I減h得到t2作用時(shí)間；其次選擇作用電平及控制矢量，根據(jù)基準(zhǔn)正弦電壓除以電源電壓E向下取整值選擇作用電平；最后輸出驅(qū)動(dòng)進(jìn)行調(diào)制。如圖5所示，電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器輸出波形圖，其中上中下波形圖分別為負(fù)載電流波形圖、未經(jīng)濾波器逆變電壓、經(jīng)過濾波器后輸出正弦電壓。如圖6所示，電源級(jí)數(shù)n=3、電源電壓均為E時(shí)的新型電壓型七電平逆變器驅(qū)動(dòng)波形圖，其中從上到下八個(gè)波形分別是Si、S2......S8功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形，可以明
顯看出S3、S4、S5、S6功率開關(guān)管開關(guān)次數(shù) 低，降低了開關(guān)損耗。
權(quán)利要求
1.一種新型電壓型多電平逆變器，包括η個(gè)輸入電源，2η+2個(gè)功率開關(guān)管，電源自上向下順序排列，第一電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；第二電源正極在右側(cè)，負(fù)極在左側(cè)；第三電源正極在左側(cè)，負(fù)極在右側(cè)；依此類推，電源極性方向交替變化；功率開關(guān)管分列電源兩偵牝左側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“一、三、五、…”等奇數(shù)編號(hào)，右側(cè)功率開關(guān)管自上向下編號(hào)分別為“二、四、六、…”等偶數(shù)編號(hào)；兩個(gè)濾波電感，第一濾波電感的一端與第一功率開關(guān)管的發(fā)射極和第二功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的正極與第一功率開關(guān)管的集電極和第三功率開關(guān)管的集電極相連，第一電源的負(fù)極與第二功率開關(guān)管的發(fā)射極和第四功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第二電源的正極與第四功率開關(guān)管的集電極和第六功率開關(guān)管的集電極相連，第二電源的負(fù)極與第三功率開關(guān)管的發(fā)射極和第五功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第三電源的正極與第五功率開關(guān)管的集電極和第七功率開關(guān)管的集電極相連，第三電源的負(fù)極與第六功率開關(guān)管的發(fā)射極和第八功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，當(dāng)η為大于3的偶數(shù)時(shí)，依次順序連接后續(xù)電源與功率開關(guān)管的組合結(jié)構(gòu)，第η個(gè)電源的正極與第2η功率開關(guān)管的集電極和第2η+2功率開關(guān)管的集電極相連，第η電源的負(fù)極與第2η_1功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+1功率開關(guān)管的發(fā)射極相連,第η+1個(gè)電源的正極與第2η+1功率開關(guān)管的集電極和第2η+3功率開關(guān)管的集電極相連，第η+1電源的負(fù)極與第2η+2功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的發(fā)射極相連，第二濾波電感的一端與第2η+3功率開關(guān)管的發(fā)射極和第2η+4功率開關(guān)管的集電極相連，各功率開關(guān)管的柵極分別接各自的控制信號(hào)，控制功率開關(guān)的開關(guān)動(dòng)作；采用電源與功率開關(guān)管的組合擴(kuò)展，構(gòu)成新型電壓型多電平逆變電路，輸入電源個(gè)數(shù)從η到η+1擴(kuò)展時(shí)，功率開關(guān)管個(gè)數(shù)從2η+2到2η+4，規(guī)律遞增，(其中n ^ I的整數(shù))。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的新型電壓型多電平逆變器，其特征在于所述濾波電感(U、L2)構(gòu)成的濾波器是L型濾波器結(jié)構(gòu)、LC型濾波器結(jié)構(gòu)或LCL型濾波器結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明公開的一種新型電壓型多電平逆變器，輸入電源個(gè)數(shù)n到n+1擴(kuò)展時(shí)，功率開關(guān)管個(gè)數(shù)從2n+2到2n+4規(guī)律遞增，當(dāng)輸入電源電壓相同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出電平數(shù)從2n+1到2n+3變化，即增加一個(gè)電源則增加兩個(gè)功率開關(guān)管及兩個(gè)電平數(shù)，與現(xiàn)有經(jīng)典多電平逆變器相比，新型電壓型多電平逆變器使用的功率開關(guān)管和隔離驅(qū)動(dòng)均少，無需箝位二極管、飛跨電容等，部分功率開關(guān)管處于低頻工作狀態(tài)，開關(guān)次數(shù)少，降低了開關(guān)損耗；新型電壓型多電平逆變器采用一維空間矢量調(diào)制，調(diào)制方法簡(jiǎn)單，運(yùn)算速度快，合理利用冗余矢量，提高了逆變器輸出電能質(zhì)量，符合可再生能源和新能源發(fā)電技術(shù)需要的，適用于多輸入電源場(chǎng)合的新型逆變器，(其中n≧1的整數(shù))。
文檔編號(hào)H02M7/49GK102969924SQ20121044226
公開日2013年3月13日 申請(qǐng)日期2012年11月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月7日
發(fā)明者郭小強(qiáng), 彭勇鋼, 王立喬 申請(qǐng)人:燕山大學(xué)