一種單相三電平逆變器制造技術

本發明專利技術公開了一種單相三電平逆變器，包括輸入電容，六個功率開關，兩個續流二極管以及單相輸出濾波器。本發明專利技術利用六個功率開關以及續流二極管協調進行開關動作，使得逆變器輸出電壓為零電平時，逆變器輸出交流側和輸入直流側處于解耦狀態，從而確保了逆變器輸出電壓在實現三電平的同時，其共模電壓維持為一個常量，進而完全消除了共模電流；本發明專利技術電路不存在功率開關器件寄生電容導致的電容電壓不平衡問題，因此不會破壞無漏電流工作機制，且控制方式簡單；本發明專利技術電路且死區工作機制可靠，電路工作穩定性高。本發明專利技術采用單極性脈沖寬度調制方式，逆變器的輸出電流紋波小，濾波電感上產生的銅損和磁損小，輸出電能質量高。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及電力電子技術直流-交流變換器領域的一種逆變器，尤其是涉及一種單相三電平無變壓器型逆變器。
技術介紹
隨著世界能源短缺和環境污染問題的日益嚴重，能源和環境已經成為二十一世紀人類所面臨的最重大問題之一，清潔的可再生能源的發展和應用越來越受到世界各國的廣泛關注。大量的可再生能源發出的都是直流電，需要通過逆變器把它變換成工頻交流電才能大量應用。因此，逆變技術在可再生能源的開發和利用領域有著至關重要的作用。逆變器是指通過半導體功率開關器件的開通和關斷作用，把直流電能轉換為交流電能的一種電力電子變換器。早期的逆變電路通常為方波電路，由于脈沖寬度調制(PWM) 技術在電力電子中的成功應用，發展產生了兼具調壓變頻功能的PWM逆變電路。常見的采用PWM調制的逆變器電路拓撲包括全橋電路，半橋電路，半橋中點箝位電路以及各種多電平電路等。按照輸出電平的不同，可以將PWM逆變電路系統分為兩電平電路、三電平電路以及多電平電路。兩電平電路是指在PWM調制控制方式下，每個主電路開關周期內輸出電壓波形都會出現正負兩種極性的電平，與傳統的方波逆變或者移相調壓全橋逆變電路相比， 兩電平逆變電路輸出電壓調節方便，輸出諧波性能較好。三電平電路是指每個開關周期內逆變器輸出電壓只有零點平和一個正或負電平，與兩電平電路相比，三電平逆變電路輸出電壓和電流諧波性能上表現更好，同時由于每個開關周期逆變輸出電壓的變化是兩電平電路的一半，因此其輸出濾波器的參數將明顯減小，使整個電路裝置的體積和重量也明顯減小。多電平電路則主要應用于高壓大功率場合，由于功率開關器件的電壓阻斷能力和電流輸出能力有限，運用功率器件串并聯擴容擴壓等方式的多電平電路運用在高壓大功率場合就比較適合。根據逆變器應用場合和控制方式不同，可以將逆變器系統分為獨立型逆變器和并網型逆變器；根據逆變器中變壓器配置不同，可以將逆變器系統分為帶工頻變壓器型逆變器，帶高頻變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器。帶工頻變壓器或高頻變壓器的逆變器均可以實現升壓和隔離的功能，然而，帶工頻變壓器型逆變器體積龐大，重量增加，價格較貴， 系統安裝不便；帶高頻變壓器型逆變器雖然體積和重量大大減小，但這類逆變器系統往往由多級組成，導致系統結構復雜，系統效率降低。而無變壓器型逆變器由于系統結構簡單， 效率高，體積小，成本低等優點，在世界范圍內得到了快速的發展。
技術實現思路
本專利技術提供一種結構簡單，能夠在消除共模電流的同時，采用單極性脈沖寬度調制方式的無變壓器型單相三電平逆變器。本專利技術的一種單相三電平逆變器，包括輸入電容，第一功率開關，第二功率開關，CN 102185514 A說明書2/5頁 第三功率開關，第四功率開關，第五功率開關，第六功率開關，第一續流二極管，第二續流二極管以及濾波器；第一功率開關的漏極、第三功率開關的漏極、輸入電容的正端與輸入直流端的正極相連；第一功率開關的源極、第二功率開關的漏極、第一續流二極管的陽極、第二續流二極管的陰極與濾波器的第一輸入端相連；第二功率開關的源極、第六功率開關的源極、輸入電容的負端與輸入直流端的負極相連；第三功率開關的源極、第一續流二極管的陰極與第四功率開關的漏極相連；第六功率開關的漏極、第二續流二極管的陽極與第五功率開關的源極相連；第四功率開關的源極、第五功率開關的漏極與濾波器的第二輸入端相連。所述的第一功率開關由第一開關晶體管和第一反并二極管并聯組成，第二功率開關由第二開關晶體管和第二反并二極管并聯組成，第三功率開關由第三開關晶體管和第三反并二極管并聯組成，第四功率開關由第四開關晶體管和第四反并二極管并聯組成，第五功率開關由第五開關晶體管和第五反并二極管并聯組成，第六功率開關由第六開關晶體管和第六反并二極管并聯組成；開關晶體管與反并二極管的并聯方式為開關晶體管的漏極或集電極與反并二極管的陰極相連構成功率開關的漏極，開關晶體管的源極或發射極與反并二極管的陽極相連構成功率開關的源極。所述的續流二極管為獨立二極管，或為自帶反并二極管的開關晶體管。所述的輸入電容為一個電容或由多個電容串并聯構成的電容組合。所述的濾波器是單電感型濾波器、電感-電容型濾波器或電感-電容-電感型濾波器。所述的開關晶體管為高壓金屬氧化物硅場效應晶體管或者絕緣雙極晶體管。所述的反并二極管為獨立二極管或開關晶體管內部自帶的二極管。本專利技術的逆變器的調制方式有以下兩種，單極性脈沖寬度調制方式1和單極性脈沖寬度調制方式2。在單極性脈沖寬度調制方式1中，第一開關晶體管、第二開關晶體管、第三開關晶體管和第六開關晶體管交替以工頻周期(例如50Hz)和高頻周期(例如20kHz)進行開關動作。在工頻正半周期，第一開關晶體管與第六開關晶體管同步高頻動作，第二開關晶體管與第三開關晶體管常閉，第四開關晶體管常閉，第五開關晶體管常開；在工頻負半周期，第一開關晶體管與第六開關晶體管常閉，第二開關晶體管與第三開關晶體管同步高頻動作， 第四開關晶體管常開，第五開關晶體管常閉。在單極性脈沖寬度調制方式2中，第一開關晶體管、第二開關晶體管、第三開關晶體管、第四開關晶體管、第五開關晶體管和第六開關晶體管交替以工頻周期(例如50Hz)和高頻周期(例如20kHz)進行開關動作。在工頻正半周期，第一開關晶體管與第六開關晶體管同步高頻動作，第二開關晶體管與第三開關晶體管常閉，第四開關晶體管與第一開關晶體管互補開通，第五開關晶體管常開；在工頻負半周期，第一開關晶體管與第六開關晶體管常閉，第二開關晶體管與第三開關晶體管同步高頻動作，第四開關晶體管常開，第五開關晶體管與第二開關晶體管互補開通。本專利技術的單相三電平逆變器工作時，由六個帶反并二極管的功率開關與兩個續流二極管協調進行開關動作，使得逆變器輸出電壓在零電平時，逆變器輸出交流側和輸入直流側處于解耦狀態，從而確保了在整個調制過程中，逆變器輸出電壓實現三電平的同時，逆變器輸出側的共模電壓保持為一個常量，進而完全消除了共模電流。4本專利技術的逆變器在采用上述兩種單極性脈沖寬度調制方式下，當電路的工作模式切換時，功率開關的寄生結電容電壓始終保持平衡，因此無須額外的脈沖寬度調制策略或者硬件電路來補償寄生結電容的電壓平衡問題，因此它的控制方式比較簡單；本專利技術的逆變器輸出電壓為三電平，從而可以大大減小輸出濾波器的體積，降低濾波器上的損耗；本專利技術的逆變器只有在輸出電流處于工頻過零點附近時需要設置死區，因此電路輸出電能質量好，電路的穩定性高。本專利技術的逆變器可適用于獨立型逆變器和并網型逆變器系統，并特別適合應用于分布式光伏并網發電系統中。本專利技術利用六個帶有反并二極管的功率開關和兩個續流二極管協調進行開關動作，完全消除了共模電流；該電路在合適的調制方式下，控制方式簡單，且死區工作機制可靠。本專利技術采用單極性脈沖寬度調制方式，輸出電流紋波減小，從而提高了逆變器的輸出電能質量，減小了濾波器的體積和重量，降低了濾波電感上產生的銅損和磁損。本專利技術結構簡單，能夠在消除共模電流的同時，實現三電平的輸出電壓。附圖說明圖1是本專利技術單相三電平逆變器的電路示意圖。圖2是本專利技術采用單極性脈沖寬度調制方式1的波形示意圖。圖3是本專利技術采用單極性脈沖寬度調制方式2的波形示意圖。圖4a_圖4j是本專利技術單相三電平逆變器的十種工作模式示意圖。具體實施例方本文檔來自技高網...

【技術保護點】
１．一種單相三電平逆變器，包括輸入電容（Ｃｄｃ），第一功率開關（Ｓ１），第二功率開關（Ｓ２），第三功率開關（Ｓ３），第四功率開關（Ｓ４），第五功率開關（Ｓ５），第六功率開關（Ｓ６），第一續流二極管（Ｄ７），第二續流二極管（Ｄ８）以及濾波器（Ｆ）；第一功率開關（Ｓ１）的漏極、第三功率開關（Ｓ３）的漏極、輸入電容（Ｃｄｃ）的正端與輸入直流端的正極相連；第一功率開關（Ｓ１）的源極、第二功率開關（Ｓ２）的漏極、第一續流二極管（Ｄ７）的陽極、第二續流二極管（Ｄ８）的陰極與濾波器（Ｆ）的第一輸入端相連；第二功率開關（Ｓ２）的源極、第六功率開關（Ｓ６）的源極、輸入電容（Ｃｄｃ）的負端與輸入直流端的負極相連；第三功率開關（Ｓ３）的源極、第一續流二極管（Ｄ７）的陰極與第四功率開關（Ｓ４）的漏極相連；第六功率開關（Ｓ６）的漏極、第二續流二極管（Ｄ８）的陽極與第五功率開關（Ｓ５）的源極相連；第四功率開關（Ｓ４）的源極、第五功率開關（Ｓ５）的漏極與濾波器（Ｆ）的第二輸入端相連；通過向第一功率開關（Ｓ１）、第二功率開關（Ｓ２）、第三功率開關（Ｓ３）、第四功率開關（Ｓ４）、第五功率開關（Ｓ５）和第六功率開關（Ｓ６）的控制端輸入脈沖寬度調制信號，本逆變器將輸入直流電能轉換為交流電能。...

【技術特征摘要】
1.一種單相三電平逆變器，包括輸入電容(cd。)，第一功率開關(S1),第二功率開關 (S2),第三功率開關(S3),第四功率開關(S4),第五功率開關(S5),第六功率開關( )，第一續流二極管(D7),第二續流二極管(D8)以及濾波器(F)；第一功率開關(S1)的漏極、第三功率開關(S3)的漏極、輸入電容(Cd。)的正端與輸入直流端的正極相連；第一功率開關(S1) 的源極、第二功率開關(S2)的漏極、第一續流二極管(D7)的陽極、第二續流二極管(D8)的陰極與濾波器(F)的第一輸入端相連；第二功率開關(S2)的源極、第六功率開關(S6)的源極、輸入電容(Cd。)的負端與輸入直流端的負極相連；第三功率開關(S3)的源極、第一續流二極管(D7)的陰極與第四功率開關(S4)的漏極相連；第六功率開關(S6)的漏極、第二續流二極管(D8)的陽極與第五功率開關(S5)的源極相連；第四功率開關(S4)的源極、第五功率開關(S5)的漏極與濾波器(F)的第二輸入端相連；通過向第一功率開關(S》、第二功率開關(S2)、第三功率開關(S3)、第四功率開關(S4)、第五功率開...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊波，何湘寧，崔文峰，梅燁，
申請(專利權)人：浙江大學，
類型：發明
國別省市：86