七电平逆变器及七电平逆变拓扑结构的制作方法

本发明涉及电力电子变换器技术领域，更具体地，涉及一种七电平逆变器及七电平逆变拓扑结构。

背景技术：

新能源发电技术的快速发展给电力电子技术提出了更高要求，大功率逆变器作为电能变换部分的核心部件，其性能的好坏直接影响电能输出的质量。多电平逆变器因具有输出电平数多、输出电压谐波小、输出功率大、开关频率低、损耗小、效率高等优点受到了学者们的青睐。现有研究的多电平逆变器主要包括：二极管钳位型多电平逆变器、电容型多电平逆变器和级联型多电平逆变器。其中，二极管钳位型多电平逆变器为获得较高的电平数，需要大量的二极管，增加了拓扑结构的复杂度，大量的二极管也提高了发生故障的可能性和整体成本。电容型多电平逆变器亦是如此，以牺牲电容数量为代价来提高电平数。而级联型多电平逆变器工作需要配置独立直流电源，或采用多绕组移相变压器，导致器件本身体积大，级联型多电平逆变器的成本亦不容乐观。

技术实现要素：

本发明提供一种结构简单、输出电平数多、开关器件数量少，成本低的七电平逆变器及七电平逆变拓扑结构。

根据本发明的一个方面，提供一种七电平逆变拓扑结构，包括DC/AC单元和DC/DC单元，其中：所述DC/AC单元包括第一直流电容C1和第二直流电容C2、8个开关管T1～T8、与开关管反向并联的8个二极管D1～D8以及中间电容C3，其中，第一直流电容C1和第二直流电容C2串联，分别具有初始电压；中间电容C3具有初始电压；第一开关管T1和第二开关管T2串联后与第一直流电容C1并联，第一开关管T1的输入端为第一直流输入端P0；第三开关管T3和第四开关管T4串联后与第二直流电容C2并联，第四开关管T4的输出端为第二直流输入端N0；第五开关管T5的输入端与第一开关管T1的输出端和第二开关管T2的输入端相连，第五开关管T5的输出端与第七开关管T7的输入端相连于中间电容C3的第一端P1；第六开关管T6的输入端与第八开关管T8的输出端相连于中间电容C3的第二端N1，第六开关管T6的输出端与第三开关管T3的输出端和第四开关管T4的输入端相连；第七开关管T7和第八开关管T8串联后与中间电容C3并联；其中，第七开关管T7的输出端和第八开关管T8的输入端与第一输出端O1相连，所述第二开关管T2的输出端和第三开关管T3的输入端与第二输出端O2相连；所述DC/DC单元的输入端为第一直流输入端P0和第二直流输入端N0，所述DC/DC单元的输出端为第一端P1和第二端N1，用于补充七电平逆变拓扑结构中间电容C3的功率差额，维持所述中间电容C3的电压稳定。

根据本发明的另一个方面，提供一种七电平逆变器，包括至少一个上述七电平逆变拓扑结构。

上述七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器中DC/AC单元，由中间电容C3和直流侧的第一直流电容C1和第二直流电容C2以及开关管T1～T8来构成不同的通路，且采用DC/DC单元来补充中间电容C3的功率差额，进而维持中间电容C3电压稳定，从而输出七电平电压，与二极管钳位型七电平拓扑相比，减少了钳位二极管数量；与飞跨电容型七电平拓扑相比，减少了飞跨电容数量；与级联型七电平拓扑相比，减少了独立电源数量，因此，本发明所述七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器使用开关器件数量少，且各开关管之间的连接简单，体积小，成本低，具有较高的工程应用价值。

附图说明

通过参考以下具体实施方式内容并且结合附图，本发明的其它目的及结果将更加明白且易于理解。在附图中：

图1是本发明所述七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器的结构示意图；

图2是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第一工作状态的示意图；

图3是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第二工作状态的示意图；

图4是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第三工作状态的示意图；

图5是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第四工作状态的示意图；

图6是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第五工作状态的示意图；

图7是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第六工作状态的示意图；

图8是本发明所述七电平逆变拓扑结构的第七工作状态的示意图。

图9是本发明所述七电平逆变拓扑结构中DC/DC单元另一个实施例的示意图；

图10是本发明所述三相七电平逆变器的等效示意图。

在附图中，相同的附图标记指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

下面将参照附图来对根据本发明的各个实施例进行详细描述。

图1是本发明所述七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器的结构示意图，如图1所示，所述七电平逆变拓扑结构由DC/AC单元1和DC/DC单元2构成，其中：

DC/AC单元1包括第一直流电容C1和第二直流电容C2、8个开关管T1～T8、与开关管反向并联的8个二极管D1～D8以及中间电容C3，其中，

第一直流电容C1和第二直流电容C2串联，分别具有初始电压，可以由直流电源提供，也可以由具有初始电压的电容提供；

中间电容C3具有初始电压；

第一开关管T1和第二开关管T2串联后与第一直流电容C1并联，第一开关管T1的输入端为第一直流输入端P0，第一开关管T1的输出端与第二开关管T2的输入端相连；

第三开关管T3和第四开关管T4串联后与第二直流电容C2并联，第四开关管T4的输出端为第二直流输入端N0，第三开关管T3的输出端与第四开关管T4的输入端相连；

第五开关管T5的输入端与第一开关管T1的输出端和第二开关管T2的输入端相连，第五开关管T5的输出端与第七开关管T7的输入端相连于中间电容C3的第一端P1；

第六开关管T6的输入端与第八开关管T8的输出端相连于中间电容C3的第二端N1，第六开关管T6的输出端与第三开关管T3的输出端和第四开关管T4的输入端相连；

第七开关管T7和第八开关管T8串联后与中间电容C3并联；

其中，第七开关管T7的输出端和第八开关管T8的输入端与第一输出端O1相连，所述第二开关管T2的输出端和第三开关管T3的输入端与第二输出端O2相连。

所述DC/DC单元2的输入端为第一直流输入端P0和第二直流输入端N0，所述DC/DC单元的输出端为中间电容C3的第一端P1和第二端N1，用于补充七电平逆变拓扑结构中间电容C3的功率差额，维持所述中间电容C3的电压稳定。

上述七电平逆变拓扑结构开关管数量少，电容数少，体积小，成本低，结构简单，控制简单。

优选地，每一对开关管互补导通，也就是说，第一开关管T1和第二开关管T2的驱动信号逻辑相反，第三开关管T3和第四开关管T4的驱动信号逻辑相反，第五开关管T5和第六开关管T6的驱动信号逻辑相反，第七开关管T7和第八开关管T8的驱动信号逻辑相反，进一步优选地，第一开关管T1和第三开关管T3驱动信号逻辑相同，所述第二开关管T2和第四开关管T4的驱动信号逻辑相同，这样上述DC/AC单元1共有3组独立的开关管，分别是第一开关管T1、第五开关管T5、第七开关管T7，使得开关管的控制更加简单。

上述七电平逆变拓扑结构的各开关管的不同导通与关断的组合，可以使得七电平逆变拓扑结构处于不同工作状态，图2～图8示出了七种工作状态，其中：

如图2所示，第一工作状态：第一开关管T1、第五开关管T5和第七开关管T7的驱动信号均为高电平，第二开关管T2、第六开关管T6和第八开关管T8的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：P0→T1→T5→T7→O1→O2→C1，或者O2→O1→D7→D5→D1→P0→C1；

如图3所示，第二工作状态：第三开关管T3、第六开关管T6和第七开关管T7的驱动信号均为高电平，第四开关管T4、第五开关管T5和第八开关管T8的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：O2→T3→D6→C3→T7→O1,或者O2→O1→D7→C3→T6→D3；

如图4所示，第三工作状态：第一开关管T1、第五开关管T5和第八开关管T8的驱动信号均为高电平，第二开关管T2、第六开关管T6和第七开关管T7的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：P0→T1→T5→C3→D8→O1→O2→C1，或者O2→O1→T8→C3→D5→D1→P0→C1；

如图5所示，第四工作状态：第二开关管T2、第五开关管T5和第七开关管T7的驱动信号均为高电平，第一开关管T1、第六开关管T6和第八开关管T8的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：O2→D2→T5→T7→O1，或者O2→O1→D7→D5→T2；

如图6所示，第五工作状态：第四开关管T4、第六开关管T6和第七开关管T7的驱动信号均为高电平，第三开关管T3、第五开关管T5和第八开关管T8的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：N0→D4→D6→C3→T7→O1→O2→C2，或者O2→O1→D7→C3→T6→T4→N0→C2；

如图7所示，第六工作状态：第二开关管T2、第五开关管T5和第八开关管T8的驱动信号均为高电平，第一开关管T1、第六开关管T6和第七开关管T7的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：O2→D2→T5→C3→D8→O1，或者O2→O1→T8→C3→D5→T2；

如图8所示，第七工作状态：第四开关管T4、第六开关管T6和第八开关管T8的驱动信号均为高电平，第三开关管T3、第五开关管T5和第七开关管T7的驱动信号均为低电平，其余互补开关管的驱动信号可以为高电平也可以为低电平，电流流向为：N0→D4→D6→D8→O1→O2→C2，或者O2→O1→T8→T6→T4→N0→C2。

本发明所述七电平逆变拓扑结构中，通过中间电容C3和直流侧的第一直流电容C1和第二直流电容C2的电压组合可以输出多种电平电压，例如，第一直流电容C1与第二直流电容C2参数相同，初始电压均为3E，所述中间电容C3的初始电压为2E，所述第一输出端O1和第二输出端O2在上述七种工作状态下的压差分别为：3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E，又如，第一直流电容C1和第二直流电容C2初始电压均为3E，所述中间电容C3的初始电压为E，所述第一输出端O1和第二输出端O2在上述七种工作状态下的压差分别为：3E、E、2E、0、-2E、-E、-3E。另外，在各输出电平值情况下，中间电容C3充/放电状态只能为充电/放电/旁路三者之一，在C3的初始电压为E情况下，在第一工作状态、第四工作状态和第七工作状态，中间电容C3处于旁路状态；在第二工作状态，由中间电容C3的电压输出+E电平，中间电容C3只充电或者只放电；在第三工作状态，由第一直流电容C1的电压与中间电容C3的电压相减输出+2E电平，此时中间电容C3只充电或者只放电；在第五工作状态，由第二直流电容C2的电压与中间电容C3的电压相加输出-2E电平，此时中间电容C3只充电或者只放电；在第六工作状态，由中间电容C3的电压输出-E电平，中间电容C3只充电或者只放电。

上述七电平逆变拓扑结构DC/AC单元1的中间电容C3在一个调制波周期内，充电功率和放电功率不相等导致难以维持其电压稳定，DC/DC单元2用于补充七电平逆变拓扑结构中间电容C3的功率差额，维持所述中间电容C3的电压稳定，在一个优选实施例中，所述DC/DC单元2包括4个开关管T9～T12、与开关管反向并联的二极管D9～D12以及第二电感L2组成，其中：

第九开关管T9的输入端与第一直流输入端P0相连，第九开关管T9的输出端与第十二开关管T12的输入端相连；

第十开关管T10的输入端与第十一开关管T11的输出端相连，第十开关管T10的输出端与第二直流输入端N0相连；

第十一开关管T11、第二电感L2和第十二开关管T12串联；

第十一开关管T11的输入端与中间电容的第一端P1相连，第十一开关管T11的输出端与第二电感L2相连；

第十二开关管T12的输入端与第二电感L2相连，第十二开关管T12的输出端与中间电容的第二端N1相连。

优选地，第九开关管T9与第十开关管T10同时导通，第十一开关管T11与第十二开关管T12同时导通，第九开关管T9与第十一开关管T11互补导通，这样上述DC/DC单元2有1组独立的开关管，即第九开关管T9，从而七电平逆变拓扑结构可以共有4组独立的开关管，分别是第一开关管T1、第五开关管T5、第七开关管T7和第九开关管T9。

上述DC/DC单元可以克服中间电容C3在一个调制波周期内难以维持电压稳定的缺点，其工作过程如下：

⑴第九开关管T9和第十开关管T10同时导通，第十一开关管T11和第十二开关管T12同时关断，第二电感L2通过第九开关管T9和第十开关管T10储存能量；

⑵第九开关管T9和第十开关管T10同时关断，第十一开关管T11和第十二开关管T12同时开通，第二电感L2的电流方向由下向上保持不变，第二电感L2释放能量给电容C3充电；

⑶第九开关管T9和第十开关管T10同时关断，第十一开关管T11和第十二开关管T12同时开通，电容C3释放能量，通过第十一开关管T11和第十二开关管T12给第二电感L2储存能量；

⑷第九开关管T9和第十开关管T10同时开通，第十一开关管T11和第十二开关管T12同时关断，第二电感L2释放能量。

图1中仅仅示出了DC/DC单元的一个实施例，但是本发明并不限于此，实际电路中也可以采用其他DC/DC电路拓扑结构，例如全桥型双有源桥DC/DC电路拓扑结构，如图9所示，此拓扑结构的输入输出由两个全桥单元经变压器T连接而成，采用桥间移相的控制方式可以实现功率流的双向传输，以维持电容C3的电压稳定。

上述七电平逆变拓扑结构包括DC/AC单元和DC/DC单元，其中，DC/AC单元通过中间电容C3和直流侧的第一直流电容C1和第二直流电容C2的电压组合进而通过开关管T1～T8输出七电平电压，但是由于在一个调制波周期内，中间电容C3充电功率和放电功率难以保持相等，中间C3电压难以稳定，针对此问题，本发明采用DC/DC单元来补充DC/AC单元的功率差额，进而维持中间电容C3电压稳定，中间电容C3充电和放电的功率差额即为DC/DC电路的传输功率，因此所需DC/DC单元的电路容量小。

上述开关管T1～T12可以根据实际电压和功率等级选用功率开关管，如MOSFET或IGBT，附图中以IGBT为例进行说明，二极管的阳极与功率开关管的发射极连接，二极管的阴极与功率开关管的集电极相连接，但是本发明并不限于此。

在本发明的一个可选实施例中，上述七电平逆变拓扑结构还包括滤波单元，设置在所述第一输出端O1和第二输出端O2之间，所述滤波单元可以为滤波器，优选地，如图1所示，所述滤波单元为串联的滤波电容C4和第一电感L1，滤波电容C4和负载电阻R并联后与滤波电感L串联，所述第一电感L1连接到第一输出端O1，所述滤波电容C4连接到第二输出端O2。

图1示出了本发明所述七电平逆变器，如图1所示，所述七电平逆变器包括至少一个上述七电平逆变拓扑结构，还可以包括控制单元(未示出)，所述控制单元，生成触发脉冲控制七电平逆变器拓扑结构中各开关管的通断，通过不同开关管导通与关断的组合，实现所述七电平逆变拓扑结构的不同工作状态。

图1示出的七电平逆变拓扑结构为单相七电平逆变拓扑结构，图1示出的包括一个单相七电平逆变拓扑结构的七电平逆变器为单相七电平逆变器，但是本发明并不限于此，优选地，所述七电平逆变器包括多个所述七电平逆变拓扑结构，所述多个七电平逆变拓扑结构电路组合，形成多相逆变器，例如：三相逆变器，如图10所示，三个所述单相七电平逆变拓扑的三个第二输出端O2相连作为中性点，三个第一输出端O1与三相交流负载相连，三个第一直流输入端P0相连后与直流电源正极相连，三个第二直流输入端N0相连后与直流电源负极相连。

在本发明的实施例中，反向并联二极管D1～D12可以是独立的二极管，也可以是与开关管T1～T12集成封装在一起的二极管。

上述七电平逆变器相对于传统七电平逆变器而言，二极管、开关管及电容器数量减少很多，使得逆变器损耗小、效率高，且连接结构简单从而简化了七电平逆变器的拓扑，使得控制简单，且降低了成本，同时在保证中间电容C3电压稳定的基础上，DC/DC单元的电路容量小，适用于中高压、大功率应用场合，且在新能源并网发电领域也具有广阔的应用前景。

尽管前面公开的内容示出了本发明的示例性实施例，但是应当注意，在不背离权利要求限定的范围的前提下，可以进行多种改变和修改。此外，尽管本发明的元素可以以个体形式描述或要求，但是也可以设想具有多个元素，除非明确限制为单个元素。