一种七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器的制作方法

本发明涉及逆变器领域，具体为一种七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器。

背景技术：

多电平逆变器由于单个开关管电压应力小，容易提高电压和功率等级，并且在相同开关频率下输出电压和电流波形更接近正弦，谐波含量低，同时电压变化率小，改善了系统电磁特性，因此在高压大功率电能变换领域，引起广泛的关注。常见的多电平逆变器拓扑有二极管箝位型、电容箝位型、级联型和有源中点箝位型。二极管箝位型和电容箝位型拓扑随着电平数的增多，箝位器件数量急剧增加，导致结构复杂，成本高，体积大。级联型拓扑需要多个独立的直流电源，体积大、成本高。而有源箝位型拓扑大大减少了箝位器件数量，并且在增加控制灵活性的同时控制相对简单，因此具有较高的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器，已解决背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：本发明提供一种使用器件数量少、拓扑结构简单、体积小、成本低的七电平逆变拓扑结构及七电平逆变器。

根据本发明的一个方面，提供一种七电平逆变拓扑结构，包括第一分压电容c1和第二分压电容c2、11个开关管t1～t11，与开关管反向并联的11个二极管d1～d11以及中间电容c3和c4，其中，第一直流电容c1和第二直流电容c2串联后并联在第一直流输入端p0和第二直流输入端n0之间；第一开关管t1和第二开关管t2串联后与第一分压电容c1并联；第三开关管t3和第四开关管t4串联后与第二分压电容c2并联；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的输出端与第九开关管t9的输入端和第七开关管t7的输入端相连；第九开关管t9的输出端与第十开关管t10的输入端相连，第十开关管t10的输出端与第十一开关管t11的输入端相连；第十一开关管t11的输出端与第六开关管t6的输入端和第八开关管t8的输出端相连；第九开关管t9和第十开关管t10串联后与中间电容c3并联；第十开关管t10和第十一开关管t11串联后与中间电容c4串联；第七开关管t7的输出端与第八开关管t8的输入端相连。其中，所述第七开关管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。

其中，一种七电平逆变器包括直流电源、滤波部分以及上述所述七电平逆变拓扑结构。

其中，所述直流电源的正电平和负电平分别与第一直流输入端p0和第二直流输入端n0连接。

其中，滤波部分与第一输出端o1和第二输出端o2相连，滤波电感l1和滤波电容c5串联，负载r与滤波电容c5并联。

其中，通过等效箝位电容正向或反向串联接入电路以实现输出七电平电压，等效箝位电容电压为三分之一或三分之二的直流电源电压；由箝位电容c3和c4串并联切换以实现等效箝位电容电压切换。

其中，包含开关管t1～t11，与之反向并联的二极管d1～d11，直流侧电容c1、c2以及中间电容c3和c4。其中，直流侧电容c1和c2的初始电压均为3e，中间电容c3和c4的初始电压均为e，由中间电容c3、c4和直流侧电容c1、c2以及开关管s1～s11来构成不同的通路，从而输出七电平电压。

其中，电容串并联切换部分包括开关管t9～t11、电容c3和c4。通过开关管t9～t11的导通和关断组合，使得等效中间电容电压分别为e和2e，从而维持电容c3和c4电压稳定，保证桥臂输出七电平电压。

其中，将多个单相七电平逆变器电路组合，可应用于多相系统。

有益效果

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明介绍了一种七电平逆变拓扑及七电平逆变器，该拓扑通过箝位电容的串并联切换以及箝位电容正负串联接入电路，实现输出电压电平跳变，更有利于实现箝位电容充放电平衡，从而保证输出七电平电压波形，并且由于增加了冗余开关状态，所以提高了系统可靠性。本发明所提出的七电平逆变拓扑结构简单，开关器件数量少、体积小、成本低。

附图说明

图1是本发明所述有源箝位七电平逆变拓扑结构和七电平逆变器的结构示意图；

图2是利用本发明所述七电平逆变拓扑结构构成三相逆变器的示意图；

图3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4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5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6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7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8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。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1是单相七电平逆变拓扑图。由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2所示，三个所述单相七电平逆变拓扑的三个输出端o2相连作为中性点，三个输出端o1与三相交流负载相连，三个第一直流输入端p1相连后与直流电源正极相连，三个第二直流输入端n2相连后与直流电源负极相连。

如图1所示，本发明提供的七电平逆变拓扑中第一直流电容c1和第二直流电容c2的初始电压均为3e，箝位电容c3和c4的初始电压均为e，通过开关管t9～t11的导通与关断组合使得等效箝位电压在e和2e切换。所有功率开关管t1～t11均可以根据实际电压和功率等级选用功率开关管如mosfet或igbt，各开关管均反向并联一个二极管，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。

开关管t1与开关管t2互补导通，开关管t1与开关管t3同时导通，开关管t2与开关管t4同时导通，开关管t5与开关管t6互补导通，开关管t7与开关管t8互补导通，开关管t9与开关管t10互补导通，开关管t9与开关管t11同时导通。图1所示七电平逆变器拓扑共有4组独立的开关管，分别是开关管t1、开关管t5、开关管t7，开关管t9。

根据不同开关管导通和关断的组合，共有12种不同的工作状态，通过选择合适的开关组合，使得桥臂电压输出3e，2e，e，0，-e，-2e，-3e七种电平电压。图3-图8示出了其中六种工作状态。

如图3所示，第一工作状态：输出电压3e，第一、第三、第五、第七、第九功率开关管导通，电流流向：t1→t5→t7→o1→o2→c1，或者o1→d7→d5→d1→c1→o2，电容c3和c4均旁路。

如图4所示，第二工作状态：输出电压2e，第一、第三、第五、第八、第九、第十一功率开关管导通，电流流向：t1→t5→t9→c4(c3→t11)→d8→o1→o2→c1，电容c3和c4均充电；或者o1→t8→c4→d9(d11→c3)→d5→d1→c1→o2，电容c3和c4均放电。

如图5所示，第三工作状态：输出电压2e，第一、第三、第六、第七、第十功率开关管导通，电流流向：o2→t3→d6→c4→t10→c3→t7→o1，电容c3和c4均放电，或者o1→d7→c4→c3→d10→c4→t6→d3→o2，电容c3和c4均充电。

如图6所示，第四工作状态：输出电压e，第一、第三、第六、第七、第九、第十一功率开关管导通，电流流向：o2→t3→d6→c4→d9(d11→c3)→t7→o1，电容c3和c4均放电,或者o1→d7→t9→c4(c3→t11)→t6→d3→o2，电容c3和c4均充电。

如图7所示，第五工作状态：输出电压e，第一、第三、第五、第八、第十功率开关管导通，电流流向：t1→t5→c3→d10→c4→d8→o1→o2→c1，电容c3和c4均充电；或者o1→t8→c4→t10→c3→d5→d1→c1→o2，电容c3和c4均放电。

如图8所示，第六工作状态：输出电压0，第一、第三、第六、第八、第十功率开关管导通，电流流向：o2→t3→d6→d8→o1，电容c3和c4均旁路,或者o1→t8→t6→d3→o2，电容c3和c4均旁路。

在调制波负半周期，桥臂输出电压0、-e、-2e、-3e的工作状态与正半周期类似。本发明所提出的七电平逆变器拓扑结构简单、开关器件数量少、体积小，成本低。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下。由语句“包括一个......限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素”。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。