一種三電平逆變器及其控制方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種三電平逆變器，第一全控型功率器件的正極端子與第一二極管組的陰極連接，第一全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第二、三全控型功率器件的正極端子，第三全控型功率器件的負(fù)極端子與第四全控型功率器件的正極端子，第四全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子與第六全控型功率器件的正極端子，第六全控型功率器件的負(fù)極端子與第二二極管組的陽(yáng)極連接，第二全控型功率器件的負(fù)極端子、第五全控型功率器件的正極端子、第一二極管組的陽(yáng)極與第二二極管組的陰極連接作為三電平逆變器的輸出端；所述第三和四全控型功率器件為Mosfet。此種逆變器的導(dǎo)通損耗低。本發(fā)明還公開(kāi)一種三電平逆變器的控制方法。
【專利說(shuō)明】一種三電平逆變器及其控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種三電平逆變器及其控制方法，尤其涉及一種導(dǎo)通損耗小的三電平逆變器及其控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]如圖1所示，傳統(tǒng)三電平電路包括第一至六二極管D1、D2、D3、D4、D5、D6和第一至四IGBT S3、S4、S5、S6，其與電源及第一、二電解電容C1、C2配合連接，具體來(lái)說(shuō)，所述電源正極分別連接Cl的正極、S3的正極端子與Dl的陰極，S3的負(fù)極端子、Dl的陽(yáng)極、S4的正極端子與D2的陰極連接，并共同連接D5的陰極；所述電源負(fù)極分別連接C2的負(fù)極、S6的負(fù)極端子與D4的陽(yáng)極，S6的正極端子、D4的陰極、S5的負(fù)極端子與D3的陽(yáng)極連接，并共同連接D6的陽(yáng)極，Cl的負(fù)極、C2的正極、D5的陽(yáng)極和D6的陰極分別接地，而S4的負(fù)極端子、D2的陽(yáng)極、S5的正極端子和D3的陰極連接，并作為三電平電路的輸出端。
[0003]所述傳統(tǒng)三電平電路能夠輸出三個(gè)電平，與兩電平電路相比具有較低的損耗，同時(shí)可以減少輸出電流的諧波，減少輸出濾波器尺寸。傳統(tǒng)三電平電路在風(fēng)能發(fā)電、光伏發(fā)電等系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。
[0004]如圖2所示，傳統(tǒng)三電平在電路輸出Vdc/2時(shí)，其中，Vdc表示電源的輸出電壓，虛線表示電流為正，點(diǎn)劃線表示電流為負(fù)，不管電流正或負(fù)，電流都需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)功率器件，具有較高的導(dǎo)通損耗。
如圖3所示，傳統(tǒng)三電平在電路輸出O時(shí)，虛線表示電流為正，點(diǎn)劃線表示電流為負(fù)，不管電流正或負(fù)，電流都需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)功率器件，具有較高的導(dǎo)通損耗。
[0005]如圖4所示，傳統(tǒng)三電平在電路輸出-Vdc/2時(shí)，虛線表示電流為正，點(diǎn)劃線表示電流為負(fù)，不管電流正或負(fù)，電流都需要經(jīng)過(guò)兩個(gè)功率器件，具有較高的導(dǎo)通損耗。
[0006]綜上，傳統(tǒng)的三電平電路具有較高的導(dǎo)通損耗，有待改進(jìn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的，在于提供一種導(dǎo)通損耗低的三電平逆變器。
[0008]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是:
一種三電平逆變器，具有第一至三端和一個(gè)輸出端，第一端分別連接電源正極與第一電解電容的正極，第二端分別連接電源負(fù)極與第二電解電容的負(fù)極，第三端分別連接第一電解電容的負(fù)極與第二電解電容的正極，所述三電平逆變器包括第一、二二極管組和第一至六全控型功率器件，所述第一全控型功率器件的正極端子與第一二極管組的陰極連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第一端；第一全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第二、三全控型功率器件的正極端子，第三全控型功率器件的負(fù)極端子與第四全控型功率器件的正極端子連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第三端；第四全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子與第六全控型功率器件的正極端子，第六全控型功率器件的負(fù)極端子與第二二極管組的陽(yáng)極連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第二端；第二全控型功率器件的負(fù)極端子、第五全控型功率器件的正極端子、第一二極管組的陽(yáng)極與第二二極管組的陰極連接，且該連接點(diǎn)作為三電平逆變器的輸出端；所述第二、五全控型功率器件采用IGBT ;其特征在于:所述第三、四全控型功率器件均采用Mosfet,且每個(gè)Mosfet均帶有一個(gè)反并聯(lián)二極管。
[0009]進(jìn)一步的，所述第一全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且該第一全控型功率器件反向并聯(lián)有一二極管。
[0010]進(jìn)一步的，所述第六全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且該第六全控型功率器件反向并聯(lián)有一二極管。
[0011]進(jìn)一步的，所述Mosfet 為 CoolMosfet。
[0012]進(jìn)一步的，所述第一、二二極管組均包含一個(gè)二極管。
[0013]進(jìn)一步的，所述第一、二二極管組均包含兩個(gè)同向串聯(lián)的二極管，且第一二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第一全控型功率器件的負(fù)極端子，第二二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子。
[0014]為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明還提供一種基于上述三電平逆變器的控制方法，用于控制所述三電平逆變器工作在如下三種狀態(tài):
第一種狀態(tài):打開(kāi)第一和第二全控型功率器件，關(guān)閉第三、四、五和第六全控型功率器件時(shí)，電路輸出Vdc/2，其中，Vdc表示電源電壓；
第二種狀態(tài):打開(kāi)第二、三、四和第五全控型功率器件，關(guān)閉第一和第六全控型功率器件時(shí)，電路輸出O ;
第三種狀態(tài):打開(kāi)第五和第六全控型功率器件，而關(guān)閉第一、二、三和第四全控型功率器件時(shí)，電路輸出-Vdc/2。
[0015]采用上述方案后，本發(fā)明能夠用CoolMosfet與IGBT的結(jié)合代替二極管組與IGBT的結(jié)合，顯著地降低導(dǎo)通損耗，提高效率。尤其是在光伏等新能源系統(tǒng)中，系統(tǒng)通常會(huì)工作于較低的功率范圍，本發(fā)明對(duì)于降低導(dǎo)通損耗的作用將更加明顯。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1是傳統(tǒng)三電平電路圖。
[0017]圖2是傳統(tǒng)三電平電路輸出Vdc/2時(shí)的電流路徑圖。
[0018]圖3是傳統(tǒng)三電平電路輸出O時(shí)的電流路徑圖。
[0019]圖4是傳統(tǒng)三電平電路輸出-Vdc/2時(shí)的電流路徑圖。
[0020]圖5是本發(fā)明實(shí)施例的三電平逆變器電路圖。
[0021]圖6是本發(fā)明實(shí)施例的三電平逆變器輸出Vdc/2時(shí)的電流路徑圖。
[0022]圖7是本發(fā)明實(shí)施例的三電平逆變器輸出O時(shí)的電流路徑圖。
[0023]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的三電平逆變器輸出-Vdc/2時(shí)的電流路徑圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]以下將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
[0025]如圖5所示，一種三電平逆變器，與電源、第三、四電解電容C3、C4連接，包括第七、八二極管D7、D8和第一至六全控型功率器件，下面分別介紹。[0026]在電力電子范圍內(nèi)，全控型功率器件一般都指IGBT或者M(jìn)osfet。在本實(shí)施例中，所述第二、五全控型功率器件S2、Slc采用IGBT，所述第三和四全控型功率器件采用Mosfet，且分別帶有反并聯(lián)二極管，如圖5中的Snpcl、Snpc2所示，而第一和第六全控型功率器件可采用Mosfet或IGBT，且在同一電路結(jié)構(gòu)中，第一、六全控型功率器件采用的類(lèi)型可以不同，所述第一、六全控型功率器件分別帶有一個(gè)反并聯(lián)二極管，如圖5中的S1、S2c。特別的，本實(shí)施例中的Mosfet選用CoolMosfet,可使逆變器損耗更低。
[0027]需要說(shuō)明的是，下文中Sl、Snpcl、Snpc2、S2c的正、負(fù)極端子是指其中包含的全控型功率器件的正、負(fù)極。
[0028]如圖5所示，所述電源正極分別連接C3的正極、SI的正極端子與D7的陰極，SI的負(fù)極端子分別連接S2的正極端子與Snpcl的正極端子；所述電源負(fù)極分別連接C4的負(fù)極、S2c的負(fù)極端子與D8的陽(yáng)極，S2c的正極端子、Slc的負(fù)極端子與Snpc2的負(fù)極端子連接，C3的負(fù)極、C4的正極、Snpcl的負(fù)極端子和Snpc2的正極端子連接,而S2的負(fù)極端子、D7的陽(yáng)極、Slc的正極端子和D8的陰極連接，并作為三電平逆變器的輸出端。
[0029]本發(fā)明還提供一種基于前述三電平逆變器的控制方法，通過(guò)調(diào)節(jié)第一至第六全控型功率器件的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)所述三電平逆變器輸出電壓的變化，下面將詳細(xì)說(shuō)明。
[0030]如圖6所示，電流在正半周時(shí)，電路可以輸出Vdc/2，其中，Vdc表示電源的輸出電壓。當(dāng)打開(kāi)S1、S2，而關(guān)閉Snpcl、Snpc2、Slc、S2c時(shí)，電路輸出Vdc/2，此時(shí)，如果電流方向?yàn)檎?，則如圖6中虛線所示，電流經(jīng)過(guò)SI和S2從第三電解電容C3正極流向負(fù)載，經(jīng)過(guò)負(fù)載后回到電容中點(diǎn)；如果電流方向?yàn)樨?fù)，如圖6中點(diǎn)劃線所示，電流則經(jīng)過(guò)SI和S2并聯(lián)的D7從負(fù)載側(cè)回到正母線。
[0031]如圖7所示，而當(dāng)打開(kāi)Snpcl、Snpc2、S2和Slc，并關(guān)閉Sl、S2c時(shí)，電路輸出O。此時(shí)，如果電流方向?yàn)檎?，則如圖7中虛線所示，電流反向流過(guò)SnpcI和S2，從電容中點(diǎn)流向負(fù)載；如果電流方向?yàn)樨?fù)，則如圖7中點(diǎn)劃線所示，電流經(jīng)過(guò)Slc和反向流過(guò)Snpc2，從負(fù)載流向電容中點(diǎn)。這里Snpcl，Snpc2都是不走內(nèi)部反并聯(lián)二極管的，否則就沒(méi)有意義了，不如傳統(tǒng)的方案，直接連接二極管即可。
[0032]如圖8所示，電流在負(fù)半周時(shí)，電路可以輸出-Vdc/2。當(dāng)打開(kāi)S2c、Slc，而關(guān)閉S即Cl、S即c2、SI和S2時(shí)，電路輸出-Vdc/2，此時(shí)，如果電流方向?yàn)檎龝r(shí)，則如圖8中虛線所示，電流則經(jīng)過(guò)S2c和Slc并聯(lián)的D8，從第四電解電容C4負(fù)極流向負(fù)載，經(jīng)過(guò)負(fù)載后回到電容中點(diǎn)；如果電流方向?yàn)樨?fù)，如圖8中點(diǎn)劃線所示，電流經(jīng)過(guò)S2c和Slc從負(fù)載側(cè)回到負(fù)母線。
[0033]在其他實(shí)施例中，第一、二二極管均可換成二極管組，包含兩個(gè)同向串聯(lián)的二極管，且第一二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第一全控型功率器件的負(fù)極端子，第二二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子。
[0034]與傳統(tǒng)三電平電路不同，本發(fā)明的三電平逆變器在輸出O時(shí)，沒(méi)有二極管參與導(dǎo)通。本發(fā)明的一種三電平逆變器通過(guò)IGBT和Mosfet的混合結(jié)構(gòu)，適應(yīng)風(fēng)電、光伏等具有功率波動(dòng)性的系統(tǒng)。在功率大小的場(chǎng)合均能達(dá)到優(yōu)化系統(tǒng)效率的目的?？偟膩?lái)說(shuō)，所述三電平逆變器能夠明顯改善損耗，提高效率，尤其是新能源系統(tǒng)。
[0035]以上實(shí)施例僅為說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動(dòng)，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種三電平逆變器，具有第一至三端和一個(gè)輸出端，第一端分別連接電源正極與第三電解電容的正極，第二端分別連接電源負(fù)極與第四電解電容的負(fù)極，第三端分別連接第三電解電容的負(fù)極與第四電解電容的正極，所述三電平逆變器包括第一、二二極管組和第一至六全控型功率器件，所述第一全控型功率器件的正極端子與第一二極管組的陰極連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第一端；第一全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第二、三全控型功率器件的正極端子，第三全控型功率器件的負(fù)極端子與第四全控型功率器件的正極端子連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第三端；第四全控型功率器件的負(fù)極端子分別連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子與第六全控型功率器件的正極端子，第六全控型功率器件的負(fù)極端子與第二二極管組的陽(yáng)極連接，且該連接點(diǎn)作為所述三電平逆變器的第二端；第二全控型功率器件的負(fù)極端子、第五全控型功率器件的正極端子、第一二極管組的陽(yáng)極與第二二極管組的陰極連接，且該連接點(diǎn)作為三電平逆變器的輸出端；所述第二、五全控型功率器件采用IGBT ;其特征在于:所述第三、四全控型功率器件均采用Mosfet,且每個(gè)Mosfet均帶有一個(gè)反并聯(lián)二極管。
2.如權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器，其特征在于:所述第一全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且該第一全控型功率器件反向并聯(lián)有一二極管。
3.如權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器，其特征在于:所述第六全控型功率器件采用Mosfet或IGBT，且該第六全控型功率器件反向并聯(lián)有一二極管。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項(xiàng)所述的一種三電平逆變器,其特征在于:所述Mosfet為 CoolMosfet。
5.如權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器，其特征在于:所述第一、二二極管組均包含一個(gè)二極管。
6.如權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器，其特征在于:所述第一、二二極管組均包含兩個(gè)同向串聯(lián)的二極管，且第一二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第一全控型功率器件的負(fù)極端子，第二二極管組中兩個(gè)二極管之間的連接點(diǎn)還連接第五全控型功率器件的負(fù)極端子。
7.一種基于如權(quán)利要求1所述的一種三電平逆變器的控制方法，其特征在于:用于控制所述三電平逆變器工作在如下三種狀態(tài): 第一種狀態(tài):打開(kāi)第一和第二全控型功率器件，關(guān)閉第三、四、五和第六全控型功率器件時(shí)，電路輸出Vdc/2，其中，Vdc表示電源電壓； 第二種狀態(tài):打開(kāi)第二、三、四和第五全控型功率器件，關(guān)閉第一和第六全控型功率器件時(shí)，電路輸出O ; 第三種狀態(tài):打開(kāi)第五和第六全控型功率器件，而關(guān)閉第一、二、三和第四全控型功率器件時(shí)，電路輸出-Vdc/2。
【文檔編號(hào)】H02M7/537GK103701344SQ201310692620
【公開(kāi)日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月16日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月16日
【發(fā)明者】王勇, 黃金偉, 湯小琪, 林 建, 韓建華 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)無(wú)錫研究院