專利名稱：單相不對稱多電平逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單相不對稱多電平逆變器，屬于電能變換領(lǐng)域，用于將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓。
背景技術(shù)：
多電平功率變換技術(shù)通過將直流電壓轉(zhuǎn)換為多種電平進而實現(xiàn)直流到交流的轉(zhuǎn)換，與兩電平直流-交流變換技術(shù)相比，具有更低的電壓變化率應(yīng)力和更小的電壓諧波含量。隨著全控型開關(guān)器件的成熟應(yīng)用及IECT、IGCT等新型全控型器件的出現(xiàn)，以及以DSP、FPGA以核心的高性能數(shù)字控制技術(shù)的普及，多電平逆變器的研究與應(yīng)用得到了迅猛發(fā)展，近年已經(jīng)成為研究熱點。根據(jù)主電路的拓撲結(jié)構(gòu)，目前可將多電平逆變器分為二極管鉗位、飛跨電容鉗位與單元級聯(lián)三類。單元級聯(lián)型多電平逆變器可以通過采用較低電壓等級的功率開關(guān)器件串聯(lián)的方法實現(xiàn)中高壓的輸出；每個功率單元可以采用比較低的開關(guān)頻率，而串聯(lián)后的等效開關(guān)頻率可以得到成倍數(shù)的提高，可以大大減少開關(guān)損耗、降低和輸出諧波含量。二極管嵌位型多電平逆變器通過二極管將輸出電壓限制在某些特定的電平，進而實現(xiàn)多電平輸出。而飛跨電容鉗位多電平逆變器采用多個電容懸浮的形式，通過控制各個飛跨電容的電壓，進而無需用于電平鉗位的二極管就可以實現(xiàn)多電平電壓輸出。多電平逆變器在獲得較低電壓變化率應(yīng)力，更低的電壓諧波含量的同時，由于其使用的開關(guān)器件和儲能器件數(shù)量較多，一方面造成其成本較高，體積較大，另一方面造成功率器件的總損耗明顯提高，系統(tǒng)效率下降明顯，同時也為系統(tǒng)散熱帶來較大難度。需要研究開發(fā)在獲得多電平輸出電壓的同時，能夠使用更少功率器件的多電平功率變換技術(shù)，以降低系統(tǒng)體積和成本，提聞系統(tǒng)效率，實現(xiàn)系統(tǒng)的聞效率節(jié)能運行。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單相不對稱多電平逆變器，以解決現(xiàn)有多電平逆變器的器件數(shù)量多、效率低等問題。一種單相不對稱多電平逆變器，其組成包括電容Cl (1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容03 (11)，功率開關(guān)管V9(12)，功率開關(guān)管VlO (13)；
所述的電容Cl (I)的一端與外部輸入的直流電源的正極，Vl (3)的功率輸入端以及V9 (12)的功率輸入端相連，電容Cl (I)的另一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負極，V4
(6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連；
Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5 (7)的功率輸入端相連，V3 (5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3
(11)的另一端以及V8 (9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個端口。所述的電容Cl (I)和電容C2 (2)的容值相等。所述的電容C3 (3)兩端電壓等于電容Cl (I)兩端電壓的一半。
本發(fā)明所具有的優(yōu)點在獲得相同電平數(shù)的輸出電壓波形的前提下，本發(fā)明由于采用新的不對稱多電平逆變器拓撲，無需現(xiàn)有方案中的二極管箝位型多電平逆變器中的鉗位二極管，相比于現(xiàn)有方案中的飛跨電容式多電平逆變器，儲能電容和功率開關(guān)器件的數(shù)量均有所降低，因此具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低以及效率較高等優(yōu)點。
圖I是本發(fā)明的原理 圖2為逆變器輸出電壓為O的等效電路；
圖3為逆變器輸出電壓為1/4的等效電路；
圖4為逆變器輸出電壓為1/2的等效電路；
圖5為逆變器輸出電壓為3/4的等效電路；
圖6為逆變器輸出電壓為I的等效電路；
圖7和圖8分別是本發(fā)明的輸出電壓及其頻譜 圖9和圖10分別是本發(fā)明的輸出電流及其頻譜圖。
具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖I至圖10具體說明本實施方式。圖I為單相不對稱九電平逆變器的原理圖，其組成包括電容Cl (1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7
(8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容03 (11)，功率開關(guān)管V9 (12)，功率開關(guān)管 VlO (13)；
所述的電容Cl (I)的一端與外部輸入的直流電源的正極，Vl (3)的功率輸入端以及V9 (12)的功率輸入端相連，電容Cl (I)的另一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負極，V4
(6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連；
Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5 (7)的功率輸入端相連，V3 (5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3的另一端以及V8(9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個端口。所述的電容Cl (I)和電容C2 (2)的容值相等。所述的電容C3 (3)兩端電壓等于電容Cl (I)兩端電壓的一半。
下面具體分析本發(fā)明的單相不對稱九電平逆變器的工作原理。首先分析V9關(guān)斷，VlO導通的情況。假設(shè)輸入端的直流電壓為1，由于輸入端的電容Cl和C2串聯(lián)，且容值相等，則兩個電容的電壓值均為1/2，再由電容C3的電壓為1/4，則在功率器件V4，V6，V8，V10導通時，其輸出電壓為0，其等效電路如圖2所示。在V4，V6，V7，V10導通時，其輸出電壓為1/4，其等效電路如圖3所示。在V3，V6，V8，VlO導通時，其輸出電壓為1/2，其等效電路如圖4所示。在VI，V5，V8，VlO導通時，其輸出電壓為3/4，其等效電路如圖5所示。在VI，V5，V7，V10導通時，其輸出電壓為1，其等效電路如圖6所示。以此類推，在V9導通，VlO關(guān)斷時，逆變器輸出為負的四種電平，共有9種輸出電壓，相對應(yīng)的導通的功率器件列于表I。
表I各個輸出電平對應(yīng)的功率器件列表
編號I輸出電平I導通的功率器件 1_I_VI, V5, V7, VlO
23/4VI, V5, V8, VlO—
31/2V3, V6, V8, VlO—
41/4V4, V6, V7, VlO—
5OV4, V6, V8, VlO—
6-1/4VI, V5, V8, V9—
7-1/2V2, V5, V7, V9—
8-3/4V4, V6, V7, V9—
9|-1|V4, V6, V8, V9—
由上述分析可知，通過對相應(yīng)的功率器件進行控制，即可實現(xiàn)將直流電壓轉(zhuǎn)換為多電平輸出電壓，圖7和圖8分別給出了實際的輸出電壓波形及其頻譜分布，由圖7和圖8可知，其輸出電壓為9電平波形，具有較低的諧波含量，帶動阻感性負載時，其輸出電流及電流的頻譜分布分別如圖9和圖10所示，由圖9和圖10可知，輸出電流具有較好的正線性，其諧波含量很低。進一步將本發(fā)明所公開的逆變器與二極管鉗位型逆變器和飛跨電容鉗位型逆變器進行了比較。輸出電壓的電平數(shù)相同，為9電平，三種逆變器所使用的功率器件數(shù)量列于表2，由表2可知，本發(fā)明所公開的逆變器在實現(xiàn)相同的電平數(shù)的輸出電壓的前提下，無論是開關(guān)器件還是儲能電容的使用數(shù)量都是最小的，因此有效降低了體積和成本，提高了系統(tǒng)效率。
表2三種逆變器所使用的功率器件數(shù)量對比
—I開關(guān)器件I鉗位二極管I儲能電容-
本發(fā)明_10_O_3_
二極管鉗位型_ 16123
飛跨電容型 | 6|θ|θ
權(quán)利要求
1.一種單相不對稱多電平逆變器，其特征在于，其組成包括電容Cl (1)，電容C2 (2)，功率開關(guān)管Vl (3)，功率開關(guān)管V2 (4)，功率開關(guān)管V3 (5)，功率開關(guān)管V4 (6)，功率開關(guān)管V5 (7)，功率開關(guān)管V7 (8)，功率開關(guān)管V8 (9)，功率開關(guān)管V6 (10)，電容〇3 (11)，功率開關(guān)管V9 (12)，功率開關(guān)管VlO (13)； 所述的電容Cl (I)的一端與外部輸入的直流電源的正極，Vl (3)的功率輸入端以及V9 (12)的功率輸入端相連，電容Cl (I)的另一端與電容C2 (2)的一端，V2 (4)的功率輸出端以及V3 (5)的功率輸入端相連，C2 (2)的另一端與外部輸入的直流電源的負極，V4(6)的功率輸出端以及VlO (13)的功率輸出端相連； Vl (3)的功率輸出端與V2 (4)的功率輸入端以及V5 (7)的功率輸入端相連，V3 (5)的功率輸出端與V4 (6)的功率輸入端以及V8 (9)的功率輸出端相連，V5 (7)的功率輸出端與電容C3 (11)的一端以及V7 (8)的功率輸入端相連，V6 (10)的功率輸入端與電容C3(11)的另一端以及V8 (9)功率輸出端相連，V7 (8)的功率輸出端與V8 (9)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的一個端口，V9 (12)的功率輸出端和VlO (13)的功率輸入端相連，并作為交流電壓輸出的另一個端口。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相不對稱多電平逆變器，其特征在于，所述的電容Cl(I)和電容C2 (2)的容值相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的單相不對稱多電平逆變器，其特征在于，所述的電容C3(3)兩端電壓等于電容Cl (I)兩端電壓的一半。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種單相不對稱多電平逆變器，屬于電能變換領(lǐng)域，用于直流電壓到交流電壓的變換。其組成包括十個功率開關(guān)器件以及三個電容。直流輸入端的兩個串聯(lián)電容將直流輸入直流電源電壓轉(zhuǎn)換為兩個較低的直流電壓，由八個功率開關(guān)器件和一個懸浮電容構(gòu)成一個多電平橋臂，剩余的兩個功率開關(guān)器件構(gòu)成一個兩電平橋臂，所述的逆變器共可以輸出九個電平，在獲得較多電平的輸出電壓波形的同時，無需鉗位二極管，并顯著降低了電容和功率開關(guān)器件的使用數(shù)量。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)緊湊、成本較低以及效率高、可靠性高等優(yōu)點。
文檔編號H02J15/00GK102891621SQ20121041333
公開日2013年1月23日 申請日期2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月26日
發(fā)明者李宣南, 王錫銅, 李術(shù) 申請人:哈爾濱東方報警設(shè)備開發(fā)有限公司