三相多電平逆變器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種三相多電平電壓型逆變器，屬于電力電子變換技術領域。
【背景技術】
[0002] 以三電平為代表的電壓型逆變器現(xiàn)已得到廣泛的研究，并在交流傳動、無功補償 和諧波消除波等應用領域得到成功地應用。由于半導體開關器件自身功率及耐壓等多方面 的限制，這些逆變器往往被局限于中等功率的應用場合中，因此，以混合拓撲結構等為特點 的多電平逆變器結構被提出，并成為研究的熱點。多電平逆變器因具有較低的共模電壓及 開關管電壓應力、更低的dv/dt比率以及輸出電壓和電流畸變等優(yōu)點，在電能質(zhì)量控制、再 生能源發(fā)電、交流電機調(diào)速等各領域得到廣泛關注與應用。
[0003] 目前的多電平逆變器主要有三類：二極管箝位型、飛跨電容型和H橋級聯(lián)型。二極 管箝位型結構簡單，但需要箝位二極管；飛跨電容型逆變器需要跨接電容，電平數(shù)越多，需 要的飛跨電容越多，而且直流側(cè)中點的電位很難控制；而H橋級聯(lián)式多電平逆變拓撲結構 的每一相都采用多個低壓小功率的逆變單元，將它們串聯(lián)以得到高壓輸出，每個逆變單元 都相互獨立，且采用獨立的低壓直流電源供電，因此開關器件上的電壓應力很小，模塊化 程度高，易于擴展和控制，可靠性好，除需要一定數(shù)量的隔離直流電源外，無需考慮箝位問 題和電壓平衡問題，但H橋級聯(lián)型多電平逆變器需要大量的隔離直流電源，而這些電源一 般通過移相變壓器降壓不可控整流濾波獲得，負載時存在直流母線電壓波動問題及線電壓 相鄰"電平層"交疊現(xiàn)象。隨著電平數(shù)的增加，上述三種逆變器拓撲結構所需成本與控制復 雜度大幅度增加，于是簡化逆變器拓撲結構，提高裝置性能成為研究多電平逆變器的原因。 以混合拓撲結構等為代表的多電平逆變器，其基本思想是把多個功率器件按一定的拓撲結 構連接，成為可以提供多種電平輸出的電路，然后使用適當?shù)目刂七壿媽讉€電平臺階合 成階梯波以輸出逼近正弦波的交流電壓。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決現(xiàn)有多電平逆變器存在的結構和控制復雜、成本高等問題，本發(fā)明提供 一種控制簡單，不需要箝位二極管及飛跨電容，開關管承受電壓應力低，能夠降低逆變器成 本的三相多電平逆變器。
[0005] 本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到，一種三相多電平逆變器，包括由多 個開關管電連接組成的三相多電平橋臂，以及順次串聯(lián)在首端工作狀態(tài)P接點和末端工作 狀態(tài)N接點之間的串聯(lián)分壓電容，其中，串聯(lián)分壓電容Q、C 2、C3與輸入直流電源V d。形成并 聯(lián)回路，其特征在于：每相多電平橋臂都由Skl、S'kl、S k2、S'k2、Sk3、S'k3(k = a，b，c)三組開 關管組成，每組開關管由^、5\& = &，13，(3;」=1，2,3)兩個開關工作狀態(tài)相反的開關管 串聯(lián)而成，當其中一個開關管導通/截止時，另一個開關管則截止/導通。S k2、S' ,2和S k3、 S' k3 (k = a，b，c)兩組開關管的串聯(lián)結點分別與第三組開關管Skl、S' kl (k = a，b，c)的上下 兩個端點相聯(lián)，而Sk2、S' ,2和S k3、S' k3(k = a，b，c)所組成的兩組開關管的四個端點分別與 三個串聯(lián)電容四個聯(lián)接端P、〇i、〇2、N點相聯(lián)，三個相同的多電平橋臂均通過各自前端兩個 串聯(lián)開關管Skl、S' kl (k = a，b，c)之間的結點作為輸出端，形成a、b、c三相輸出的三橋臂四 種工作模式的三相多電平逆變器拓撲結構。
[0006] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術具有如下有益效果：
[0007] 本發(fā)明與相同電平數(shù)的傳統(tǒng)二極管箝位式及飛跨電容式逆變器拓撲結構相比較， 在使用相同開關管數(shù)量的情況下，通過專門設計的特殊拓撲結構，利用開關管的不同工作 狀態(tài)實現(xiàn)了常規(guī)多電平拓撲結構中的箝位作用，故所采用的拓撲結構不需要箝位二極管或 飛跨電容，且開關管所承受電壓應力低，控制簡單。
[0008] 本發(fā)明由于沒有箝位二極管或飛跨電容，減少了器件的使用，達到簡化逆變器拓 撲結構的目的，降低了逆變器成本，同時還降低了部分開關器件的電壓應力，通過簡化的調(diào) 制策略可實現(xiàn)多電平的輸出。
[0009] 本發(fā)明適用于中高壓、大功率應用場合，在新能源并網(wǎng)發(fā)電領域具有廣闊應用前 景。
【附圖說明】
[0010] 下面結合附圖對本發(fā)明進一步說明。
[0011] 圖1是本發(fā)明所述的新型三相多電平逆變器的拓撲結構示意圖。
[0012] 圖2是圖1單橋臂各種工作模式的實施例電路原理示意圖。
[0013] 圖3為本發(fā)明三相多電平逆變器在各工作狀態(tài)下的等效電路實施例示意圖。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖對技術方案的實施進行詳細闡述：
[0015] 參閱圖1。在以下描述的實施例中，三相多電平逆變器，包括由18只開關管組成的 三相多電平橋臂，以及順次串聯(lián)在首端工作狀態(tài)P接點和末端工作狀態(tài)N接點之間的串聯(lián) 分壓電容C 1、C2、C3。其中，分壓電容C1、分壓電容C2，分壓電容Cj_次串聯(lián)，與輸入直流電源 Vd。形成的并聯(lián)回路和三個多電平橋臂。每相多電平橋臂都由S kl、S' kl、Sk2、S' k2、Sk3、S' k3 (k =&，13，(：）三組開關管組成，每組開關管由^、5'1^& = &，13，(3;」=1，2,3)兩個開關工作狀 態(tài)相反的開關管串聯(lián)而成，當其中一個開關管導通/截止時，另一個開關管則截止/導通。 Sk2、S' ,2和S k3、S' k3 (k = a，b，c)兩組開關管的串聯(lián)結點分別與第三組開關管Skl、S' kl (k = a，b，c)的上下兩個端點相聯(lián)，而Sk2、S' ,2和S k3、S' k3(k = a，b，c)所組成的兩組開關管的四 個端點分別與三個串聯(lián)電容四個聯(lián)接端P、〇i、〇2、N點相聯(lián)，三個相同的多電平橋臂均通過 各自前端兩個串聯(lián)開關管S kl、S' kl (k = a，b，c)之間的結點作為輸出端，形成a、b、c三相輸 出。三個多電平橋臂由 18 個 IGBT 開關管 Sal、S' al、Sa2、S' a2、Sa3、S' 心和 S bl、S' bl、Sb2、S' b2、 Sb3、S' S cl、S。' ^ Sc2、S'。2、Sc3、S'。3構成，其中，開關管 S al、S' al，Sa2、S' 32及 S a3、S' a3組成 A 相橋臂，開關管 Sbl、S' bl、Sb2、S' 舊及 S b3、S' b3組成 B 相橋臂，S cl、S。' p Sc2、S'。2及 S。3、S' c3 組成C相橋臂，從而構成三相多電平逆變器拓撲結構。C1XpC3分壓電容從兩兩相鄰接點分 得三相多電平逆變器的V&/3的電壓。18個開關管組成9組開關管，S al、S' al為第1組開關 管，Sa2、S' a2為第2組開關管，S a3、S' a3為第3組開關管，S bl、S' bl為第4組開關管，S b2、S' b2 為第5組開關管，Sb3、S' b3為第6組開關管，S ^ S' ^為第7組開關管，S。2、S'。2為第8組開 關管，Sm S'。3為第9組開關管。同一時刻每組開關管中只能有一個開關管導通。
[0016] 在三相多電平逆變器拓撲結構中，開關管Sal的集電極連接Sa2發(fā)射極以及S' 32集 電極；開關管Sbl的集電極連接S b2發(fā)射極以及S'，2集電極；開關管S ^的集電極連接S。2發(fā) 射極以及S'。2集電極；開關管Sal發(fā)射極連接開關管S' 31集電極；開關管Sbl發(fā)射極連接開關 管S' [^集電極；開關管S d發(fā)射極連接開關管V ^集電極；開關管V al的發(fā)射極連接S a3 發(fā)射極以及s' 33集電極；開關管S' bl的發(fā)射極連接S b3發(fā)射極以及s'，3集電極；開關管s' d 的發(fā)射極連接Stl3發(fā)射極以及S'。3集電極；開關管Sa3發(fā)射極連接開關管s' 33集電極；開關 管Sb3發(fā)射極連接開關管S' [^集電極；開關管S。3發(fā)射極連接開關管V 。3集電極。開關管 Sal和S' 31中間引出a相輸出電壓，開關管Sbl和S' ^中間引出b相輸出電壓，開關管 ^中間引出c相輸出電壓。開關管Sa2集電極與直流電源Vd。正極（P端）相連，開關管 S' a3發(fā)射極與直流電源V d。負極（N端）相連；開關管S b2集電極與直流電源V d。正極（P端） 相連，開關管S'b3發(fā)射極與直流電源V d。負極（N端）相連；開關管S。2集電極與直流電源V d。 正極（P端）相連，開關管S\3發(fā)射極與直流電源Vd。負極（N端）相連；開關管S' a2、S'bjP S'。2的發(fā)射極與分壓電容0力相連，開關管S a3、Sb3和S。3的集電極與分壓電容0 2點相連。
[0017] 在三相多電平逆變器拓撲結構中，當Sal導通時，S' al關斷；當Sa2導通時，S' 32關 斷；當Sa3導通時，S' a3關斷；當Sbl導通時，S' bl關斷；當Sb2導通時，S' b2關斷；當Sb3導通 時，5\3關斷；當3。1導通時，5。' 1關斷；當3。2導通時，5'。2關斷；當5。3導通時，5'。 3關斷。當 Sal關斷時，S' al導通；當Sa2關斷時，S' a2導通；當Sa3關斷時，S' a3導通；當Sbl關斷時，S' bl 導通；當Sb2關斷時，S' b2導通；當Sb3關斷時，S' b3導通；當S ^關斷時，S' ε1導通；當、關 斷時，S^2導通；當13關斷時，S'。 3導通。
[0018] 每個橋臂由 3 對開關管構成，即 Skl，S' kl、Sk2, S' kjP S k3, S' k3(k = a, b, c)。開關 管Sk2, Sk3和S' k2, S'k3所承受的反向壓降為直流側(cè)電壓的1/3,而開關管Skl和S' kl所承受 最大反向壓降等于直流側(cè)電壓。
[0019] 參閱圖2。圖2描述了每一橋臂的8種工作模式的實施例。通過3對開關管的不 同組合，每個橋臂有8種工作模式，可以輸出VpV cil,Vc^VJ種不同的電平。當直流側(cè)電容 電壓相等時，輸出的4個電平也可以表示為3^，2v。，\，0。以a相為例，有8個不同實施例 的工作模式。
[0020] 當開關管Sal，Sa2, Sa3導通時，橋臂工作于模式1，此時V a= V p，在該模式下，開關管 S' a2, S' a3承受1/3的直流端電壓，開關管S' al承受2/3的直流端電壓；當開關S al，Sa2, S' 33導 通時，橋臂工作于模式2,此時Va= v p，在該模式下，開關管S' a2, Sa3承受1/3的直流端電壓， 開關管S' al承受全部的直流端電壓；當開關S al，S' a2, Sa3導通時，橋臂工作于模式3,此時V a =、，在該模式下，開關管S' al，Sa2, S' 33均只承受1/3的直流端電壓；當開關管Sal，S' a2, S' a3 導通時，橋臂工作于模式4,此時Va= v &，在該模式下，開關管Sa2, Sa3承受1/3的直流端電 壓，開關管S'al承受2/3的直流端電壓；當開關管S' al，Sa2, Sa3導通時，橋臂工作于模式5,此 時va= V。2，在該模式下，開關管S' a2, S' a3承受1/3的直流端電壓，開關管S al承受2/3的直 流端電壓；當開關S'al, Sa2, S'a3導通時，橋臂工作于模式6,此時Va= Vn。在該模式下，開關 管S'a2, Sa3承受1/3的直流端電壓，開關管Sal承受全部的直流端電壓；當開關S' al，S'a2, Sa3 導通時，橋臂工作于模式7,此時Va= v &a