專利名稱：一種五電平逆變器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種五電平逆變器，屬電力電子變換器技術領域。
背景技術：
逆變器是將直流電變換成交流電以供交流負載使用的功率變換裝置。多電平功率變換技術自1981年由Nabae等人提出以來一直是高壓大功率應用領 域的研究熱點。相對于傳統(tǒng)的兩電平變換器，多電平變換器由于輸出電平數(shù)的增加，其輸出 波形具有更好的諧波頻譜特性和較小的電壓電流變化率，因此電磁兼容性好，且每個開關 器件承受的電壓應力較小，特別適合高壓大功率應用場合，如高壓交流調速、電力系統(tǒng)靜止 無功發(fā)生器、有源電力濾波器等多種場合。多電平逆變器的一般思想是利用獨立的直流電 源或多個電容來產生較小的階梯電壓，從而最終輸出高壓交流波形。多電平逆變器主要有三種類型二極管箝位型、飛跨電容箝位型和級聯(lián)型。傳統(tǒng)的 多電平逆變器隨著輸出電平數(shù)量的增多，其所用的開關管數(shù)量急劇增加，導致變換器結構 及控制復雜，因此目前為止應用最多的是三電平變換器，其它多電平變換器如五電平變換 器、七電平變換器等也有研究和應用，但由于結構及控制復雜，遠不 及三電平變換器的應用 廣泛。因此，研究多電平逆變器的目的之一便是為了簡化拓撲結構，提高裝置性能。針對多電平變換器隨輸出電平數(shù)量的增多而導致的開關管數(shù)量增多、控制復雜等 問題，研究工作者提出了多種技術方案，如文獻“丁凱，鄒云屏，蔡政英，吳智超，劉飛，許湘 蓮· 一種新型單相不對稱五電平逆變器，中國電機工程學報，2004，vol. 24(11) :116_120” 和文獻“張云，孫立，吳鳳江，孫奎.電容箝位型非對稱H橋五電平逆變器正弦脈寬調制控 制，中國電機工程學報，2009，vol. 29(21) :40_45”分別對二極管箝位型和電容箝位型兩種 簡化電路結構的五電平逆變器進行了研究。

發(fā)明內容
發(fā)明目的本發(fā)明針對現(xiàn)有技術的不足，提供一種所用開關管數(shù)量少、電路結構簡單、控制簡 單、變換效率高的新型五電平逆變器。技術方案本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案一種五電平逆變器，包括輸入直流源、輸入分壓電容、三電平橋臂、兩電平橋臂、輸 出濾波電路及負載，其中輸入分壓電容由第一分壓電容和第二分壓電容構成，三電平橋臂 由第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率開關管及第四功率開關管構成，兩電平橋臂 由第五功率開關管和第六功率開關管構成；其中，輸入電源的正極分別連接第一分壓電容的一端、第二功率開關管的漏極及 第五功率開關管的漏極；輸入電源的負極分別連接第二分壓電容的一端、第四功率開關管 的源極及第六功率開關管的源極；第一分壓電容的另一端分別與第二分壓電容的另一端、第三功率開關管的源極相連接；第三功率開關管的漏極與第一功率開關管的漏極相連；第 一功率開關管的源極分別連接第二功率開關管的源極、第四功率開關管的漏極及輸出濾波 電路的輸入端；輸出濾波電路的輸出端分別與負載、兩電平橋臂的中點相連接。進一步地，前述的五電平逆變器中的第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率 開關管及第四功率開關管分別為高頻功率開關管，且在同一時刻其中僅有兩個開關管高頻 開關。進一步地，前述的五電平逆變器中的第五功率開關管及第六功率開關管為低頻功 率開關管，且第五功率開關管及第六功率開關管的開關頻率與逆變器輸出電壓的頻率相寸。進一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路包括濾波電感和濾波電容；其 中輸出濾波電感的一端分別連接第一功率開關管的源極、第二功率開關管的源極以及第四 功率開關管的漏極；輸出濾波電感的另一端分別連接輸出濾波電容的一端及負載的一端； 負載的另一端分別與輸出濾波電容的另一端、第五功率開關管的源極及第六功率開關管的 漏極相連接。進一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路還包括隔離變壓器，其中隔離 變壓器原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感的另一端連接，隔離變壓器原邊繞組的另一端 分別與第五功率開關管的源極及第六功率開關管的漏極連接；隔離變壓器副邊繞組的一端 分別連接輸出濾波電容的一端及負載的一端；隔離變壓器副邊繞組的另一端分別連接輸出 濾波電容的另一端及負載的另一端。進一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電路中，隔離變壓器原邊繞組的一 端分別與第一功率開關管的源極、第二功率開關管的源極以及第四功率開關管的漏極連 接；隔離變壓器原邊繞組的另一端分別與第五功率開關管的源極及第六功率開關管的漏極 連接；隔離變壓器副邊繞組的一端與輸出濾波電感的一端連接；輸出濾波電感的另一端分 別與輸出濾波電容的一端及負載的一端連接；隔離變壓器副邊繞組的另一端分別與負載的 另一端、輸出濾波電容的另一端連接。進一步地，前述的五電平逆變器中的輸出濾波電感可以由隔離變壓器的漏感代替。有益效果(1)所用開關管數(shù)量少，拓撲結構簡潔、控制簡單；(2)開關管電壓應力低、同一時刻僅有兩個開關管高頻開關，開關損耗小，變換效 率聞；(3)輸出電壓及電流諧波含量少，所需濾波器體積?。?


圖1是本發(fā)明一種五電平逆變器主電路原理圖；圖2為本發(fā)明一種五電平逆變器采用電壓瞬時值反饋控制時的控制框圖；圖3為本發(fā)明一種五電平逆變器采用電壓瞬時值反饋控制時的原理波形；圖4為本發(fā)明一種五電平逆變器輸出電壓正半周期的各開關模態(tài)等效電路；圖5為本發(fā)明一種五電平逆變器輸出電壓負半周期的各開關模態(tài)等效電路；
圖6為本發(fā)明一種五電平逆變器實施例二的電路原理圖；圖7為本發(fā)明一種五電平逆變器實施例三的電路原理圖。圖中符號說明Vin-輸入直流源；101、輸入分壓電容；102、三電平橋臂；103、兩電平橋臂；104、
輸出濾波電路；R。、負載；ν。、輸出電壓A、第一分壓電容；C2、第二分壓電容^ S6-第 一 第六功率開關管；L。、輸出濾波電感；C。、輸出濾波電容化、誤差放大器輸出電壓；Vtl vt4-三角載波1 三角載波4 ;Vesi ves6-第一 第六功率開關管的驅動電壓；t、時間。
具體實施方案下面結合附圖對技術方案的實施作進一步的詳細描述實施例一如圖1所示，其結構包括輸入直流源Vin、輸入分壓電容101、三電平橋臂102、兩電 平橋臂103、輸出濾波電路104及負載R。，其中，輸入分壓電容由第一分壓電容C1和第二分 壓電容C2構成，三電平橋臂102由第一、第二、第三及第四功率開關管S1 S4構成，兩電平 橋臂103由第五功率開關管S5和第六功率開關管S6構成，輸出濾波電路104由濾波電感L。 和濾波電容C。構成；其電路連接關系為輸入電源Vin的正極分別連于第一分壓電容C1的 一端、第二功率開關管S2的漏極及第五功率開關管S5的漏極；輸入電源Vin的負極分別連 于第二分壓電容C2的一端、第四功率開關管S4的源極及第六功率開關管S6的源極；第一分 壓電容C1的另一端與第二分壓電容C2的另一端相連，并連于第三功率開關管S3的源極；第 三功率開關管S3的漏極與第一功率開關管S1的漏極相連；第一功率開關管S1的源極分別 連于第二功率開關管S2的源極、第四功率開關管S4的漏極及輸出濾波電感L。的一端；輸出 濾波電感L。的另一端分別連于輸出濾波電容C。的一端及負載R。的一端；負載R。的另一端 分別與輸出濾波電容C。的另一端、第五功率開關管S5的源極及第六功率開關管S6的漏極 相連。本發(fā)明一種五電平逆變器中，第一、第二、第三及第四功率開關管S1 、為高頻功 率開關管，且在同一時刻僅有兩個開關管高頻開關，在具體實施時，第一、第二、第三和第四 功率開關管S1 S4可以根據(jù)具體電壓及功率等級選用高頻功率開關管如MOSFET和IGBT ； 第五功率開關管S5及第六功率開關管S6為低頻功率開關管，其開關頻率與逆變器輸出電壓 V0的頻率相等，且在輸出電壓V。的正半周期，第五功率開關管S5 —直關斷，第六功率開關管 S6 一直導通，在輸出電壓ν。的負半周期，第五功率開關管S5 —直導通，第六功率開關管S6 一直關斷，在具體實施時，第五開關管S5、第六功率開關管S6可選用可控硅等低頻功率開關 管，也可以選用MOSFET、IGBT等高頻開關管?？刂圃砗凸ぷ鬟^程下面結合附圖2 附圖5說明本發(fā)明一種五電平逆變器在具體實施時的控制原理 和工作過程。本發(fā)明一種五電平逆變器的一個具體實施例中，逆變器采用電壓瞬時值反饋控制 策略，其控制框圖和原理波形分別如圖2和圖3所示。第一 第四功率開關管S1 S4的驅動信號由誤差放大器輸出電壓分別與四路 三角載波比較并經(jīng)過相應的邏輯比較電路得到，其中各三角載波的峰峰值相等，且三角載波1最小值和三角載波3的最大值為0，三角載波2的最小值等于三角載波1的最大值，三 角載波4的最大值等于三角載波3的最小值；經(jīng)過比較及相應的邏輯電路期望達到的控制 效果為第一、第四功率開關管SpS4互補導通，第二、第三功率開關管S2、S3互補導通；ve大 于零時，當\大于三角載波1時，第一功率開關管S1導通，反之則第一功率開關管S1關斷， 當\大于三角載波2時，第二功率開關管S2導通，反之則第二功率開關管S2關斷 小于 零時，當Ve小于于三角載波3時，第三功率開關管S3導通，反之則第三功率開關管S3關斷， 當\小于三角載波4時，第四功率開關管S4導通，反之則第四功率開關管S4關斷。第五、第六功率開關管S5、S6的驅動信號由誤差放大器輸出電壓Ne與零電平信號 比較得到，當大于0時，S6導通，S5關斷，當ve小于0時，S6關斷，S5導通。在輸出電壓ν。的正半周，逆變器共有三種工作模態(tài)，各模態(tài)等效電路如圖4所示。模態(tài)1 等效電路如圖4(a)所示，第一、第三及第六功率開關管Sp S3及S6導通， 其它功率開關管關斷；模態(tài)2 等效電路如圖4(b)所示，第三、第四及第六功率開關管S3、S4及S6導通， 其它功率開關管關斷，第三功率開關管S3雖然導通，但沒有電流流過，因此第三功率開關管 S3等效于關斷狀態(tài)；模態(tài)3 等效電路如圖4(c)所示，第二、第三及第六功率開關管S2、S3及S6導通， 其它功率開關管關斷，第三功率開關管S3雖然導通，但沒有電流流過，因此第三功率開關管 S3等效于關斷狀態(tài)。當誤差放大器輸出電壓Ve大于0而小于三角載波Ivtl的峰值時，逆變器在開關管 模態(tài)1和模態(tài)2之間切換；當誤差放大器輸出電壓Ne大于三角載波Ivtl的峰值時，逆變器 在開關模態(tài)1和模態(tài)3之間切換。在輸出電壓V。的負半周，逆變器共有三種工作模態(tài)，各模態(tài)等效電路如圖5所示。模態(tài)1 等效電路如圖5(a)所示，第一、第三及第五功率開關管S1, S3及S5導通， 其它功率開關管關斷；模態(tài)2 等效電路如圖5(b)所示，第一、第二及第五功率開關管S” S2及S5導通， 其它功率開關管關斷，第一功率開關管S1雖然導通，但沒有電流流過，因此第一功率開關管 S1等效于關斷狀態(tài)；模態(tài)3 等效電路如圖5(c)所示，第一、第四及第五功率開關管Sp S4及S5導通， 其它功率開關管關斷，第一功率開關管S1雖然導通，但沒有電流流過，因此第一功率開關管 S1等效于關斷狀態(tài)。當誤差放大器輸出電壓Ve小于0而大于三角載波3vt3的峰值時，逆變器在開關管 模態(tài)1和模態(tài)2之間切換；當誤差放大器輸出電壓Ve小于三角載波3vt3的峰值時，逆變器 在開關模態(tài)1和模態(tài)3之間切換。本發(fā)明一種五電平逆變器的實施例二及實施例三的電路原理圖分別如圖6和圖7 所示，在實施例二和實施例三中，逆變器的控制電路以及各功率開關管的開通關斷邏輯與 實施例一完全相同，實施例二和是實例三是本發(fā)明一種五電平逆變器引入隔離變壓器T后 的電路形式，隔離變壓器τ的兩種連接方式分別如圖6和圖7所示。如圖6所示，隔離變壓器T原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感L。的另一端連接， 隔離變壓器T原邊繞組的另一端分別與第五功率開關管S5的源極及第六功率開關管S6的漏極連接；隔離變壓器T副邊繞組的一端分別連接輸出濾波電容C。的一端及負載R。的一 端；隔離變壓器T副邊繞組的另一端分別連接輸出濾波電容C。的另一端及負載R。的另一 端。如圖7所示，其中隔離變壓器T原邊繞組的一端分別與第一功率開關管S1的源極、 第二功率開關管S2的源極以及第四功率開關管S4的漏極連接；隔離變壓器T原邊繞組的另 一端分別與第五功率開關管S5的源極及第六功率開關管S6的漏極連接；隔離變壓器T副邊 繞組的一端與輸出濾波電感L。的一端連接；輸出濾波電感L。的另一端分別與輸出濾波電容 C0的一端及負載R。的一端連接；隔離變壓器T副邊繞組的另一端分別與負載R。的另一端、 輸出濾波電容C。的另一端連接。引入隔離變壓器后，原來的濾波電感Lo也可以用隔離變壓器T的漏感代替。
權利要求
一種五電平逆變器，包括輸入直流源(Vin)、輸入分壓電容(101)、輸出濾波電路(104)及負載(Ro)，其特征在于所述五電平逆變器還包括三電平橋臂(102)、兩電平橋臂(103)；其中，輸入分壓電容(101)由第一分壓電容(C1)和第二分壓電容(C2)構成，三電平橋臂(102)由第一功率開關管(S1)、第二功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3)及第四功率開關管(S4)構成，兩電平橋臂(103)由第五功率開關管(S5)和第六功率開關管(S6)構成；其中，輸入電源(Vin)的正極分別連接第一分壓電容(C1)的一端、第二功率開關管(S2)的漏極及第五功率開關管(S5)的漏極；輸入電源(Vin)的負極分別連接第二分壓電容(C2)的一端、第四功率開關管(S4)的源極及第六功率開關管(S6)的源極；第一分壓電容(C1)的另一端分別與第二分壓電容(C2)的另一端、第三功率開關管(S3)的源極相連接；第三功率開關管(S3)的漏極與第一功率開關管(S1)的漏極相連；第一功率開關管(S1)的源極分別連接第二功率開關管(S2)的源極、第四功率開關管(S4)的漏極及輸出濾波電路(104)的輸入端；輸出濾波電路(104)的輸出端分別與負載(Ro)、兩電平橋臂(103)的中點相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述第一功率開關管(S1)、第二 功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3)及第四功率開關管(S4)分別為高頻功率開關管，且 在同一時刻其中僅有兩個開關管高頻開關。
3.根據(jù)權利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述第五功率開關管(S5)及第 六功率開關管(S6)為低頻功率開關管，且第五功率開關管(S5)及第六功率開關管(S6)的 開關頻率與逆變器輸出電壓(V。)的頻率相等。
4.根據(jù)權利要求1所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)包括 濾波電感(L。)和濾波電容(C。)；其中輸出濾波電感(L。)的一端分別連接第一功率開關管 (S1)的源極、第二功率開關管(S2)的源極以及第四功率開關管(S4)的漏極；輸出濾波電感 (L0)的另一端分別連接輸出濾波電容(C。)的一端及負載(R。)的一端；負載(R。)的另一端 分別與輸出濾波電容(C。)的另一端、第五功率開關管(S5)的源極及第六功率開關管(S6)的 漏極相連接。
5.根據(jù)權利要求4所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)還包 括隔離變壓器(T)，其中隔離變壓器(T)原邊繞組的一端與所述輸出濾波電感(L。)的另一 端連接，隔離變壓器(T)原邊繞組的另一端分別與第五功率開關管(S5)的源極及第六功率 開關管(S6)的漏極連接；隔離變壓器(T)副邊繞組的一端分別連接輸出濾波電容(C。)的一 端及負載(R。)的一端；隔離變壓器⑴副邊繞組的另一端分別連接輸出濾波電容(C。)的另 一端及負載(R。)的另一端。
6.根據(jù)權利要求4所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電路(104)還包 括隔離變壓器(T)，其中隔離變壓器(T)原邊繞組的一端分別與第一功率開關管(S1)的源 極、第二功率開關管(S2)的源極以及第四功率開關管(S4)的漏極連接；隔離變壓器(T)原 邊繞組的另一端分別與第五功率開關管(S5)的源極及第六功率開關管(S6)的漏極連接；隔 離變壓器⑴副邊繞組的一端與輸出濾波電感(L。)的一端連接；輸出濾波電感(L。)的另一 端分別與輸出濾波電容(C。)的一端及負載(R。)的一端連接；隔離變壓器⑴副邊繞組的另 一端分別與負載(R。)的另一端、輸出濾波電容(C。)的另一端連接。
7.根據(jù)權利要求5或6所述的五電平逆變器，其特征在于所述輸出濾波電感(L。)由隔離變壓器(T)的漏感代替。
全文摘要
本發(fā)明提供一種五電平逆變器，屬變換器技術領域，其結構包括輸入直流源、輸入分壓電容、三電平橋臂、兩電平橋臂、輸出濾波電路及負載。三電平橋臂由四個開關管構成，且同一時刻僅有兩個開關管高頻開關；兩電平橋臂由兩個開關管構成，且兩個開關管的開關頻率與輸出電壓的頻率相等；變換器同一時刻只有兩個開關管高頻開關，開關損耗小、變換效率高；該變換器所有開關管最大電壓應力均等于輸入電壓，開關管電壓應力低，相對于傳統(tǒng)五電平逆變器所用開關管數(shù)量少、拓撲結構簡潔、控制簡單；由于能夠輸出多個電平，大大減小了輸出濾波器的體積。本發(fā)明適用于中高壓、大功率應用場合，此外，在新能源并網(wǎng)發(fā)電等領域具有廣闊的應用前景。
文檔編號H02M7/483GK101917133SQ201010266320
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月30日 優(yōu)先權日2010年8月30日
發(fā)明者吳紅飛, 張君君, 邢巖 申請人:南京航空航天大學