三相多电平逆变器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种三相多电平电压型逆变器，属于电力电子变换技术领域。
【背景技术】
[0002] 以三电平为代表的电压型逆变器现已得到广泛的研究，并在交流传动、无功补偿 和谐波消除波等应用领域得到成功地应用。由于半导体开关器件自身功率及耐压等多方面 的限制，这些逆变器往往被局限于中等功率的应用场合中，因此，以混合拓扑结构等为特点 的多电平逆变器结构被提出，并成为研究的热点。多电平逆变器因具有较低的共模电压及 开关管电压应力、更低的dv/dt比率以及输出电压和电流畸变等优点，在电能质量控制、再 生能源发电、交流电机调速等各领域得到广泛关注与应用。
[0003] 目前的多电平逆变器主要有三类：二极管箝位型、飞跨电容型和H桥级联型。二极 管箝位型结构简单，但需要箝位二极管；飞跨电容型逆变器需要跨接电容，电平数越多，需 要的飞跨电容越多，而且直流侧中点的电位很难控制；而H桥级联式多电平逆变拓扑结构 的每一相都采用多个低压小功率的逆变单元，将它们串联以得到高压输出，每个逆变单元 都相互独立，且采用独立的低压直流电源供电，因此开关器件上的电压应力很小，模块化 程度高，易于扩展和控制，可靠性好，除需要一定数量的隔离直流电源外，无需考虑箝位问 题和电压平衡问题，但H桥级联型多电平逆变器需要大量的隔离直流电源，而这些电源一 般通过移相变压器降压不可控整流滤波获得，负载时存在直流母线电压波动问题及线电压 相邻"电平层"交叠现象。随着电平数的增加，上述三种逆变器拓扑结构所需成本与控制复 杂度大幅度增加，于是简化逆变器拓扑结构，提高装置性能成为研究多电平逆变器的原因。 以混合拓扑结构等为代表的多电平逆变器，其基本思想是把多个功率器件按一定的拓扑结 构连接，成为可以提供多种电平输出的电路，然后使用适当的控制逻辑将几个电平台阶合 成阶梯波以输出逼近正弦波的交流电压。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有多电平逆变器存在的结构和控制复杂、成本高等问题，本发明提供 一种控制简单，不需要箝位二极管及飞跨电容，开关管承受电压应力低，能够降低逆变器成 本的三相多电平逆变器。
[0005] 本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种三相多电平逆变器，包括由多 个开关管电连接组成的三相多电平桥臂，以及顺次串联在首端工作状态P接点和末端工作 状态N接点之间的串联分压电容，其中，串联分压电容Q、C 2、C3与输入直流电源V d。形成并 联回路，其特征在于：每相多电平桥臂都由Skl、S'kl、S k2、S'k2、Sk3、S'k3(k = a，b，c)三组开 关管组成，每组开关管由^、5\& = &，13，(3;」=1，2,3)两个开关工作状态相反的开关管 串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。S k2、S' ,2和S k3、 S' k3 (k = a，b，c)两组开关管的串联结点分别与第三组开关管Skl、S' kl (k = a，b，c)的上下 两个端点相联，而Sk2、S' ,2和S k3、S' k3(k = a，b，c)所组成的两组开关管的四个端点分别与 三个串联电容四个联接端P、〇i、〇2、N点相联，三个相同的多电平桥臂均通过各自前端两个 串联开关管Skl、S' kl (k = a，b，c)之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输出的三桥臂四 种工作模式的三相多电平逆变器拓扑结构。
[0006] 本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
[0007] 本发明与相同电平数的传统二极管箝位式及飞跨电容式逆变器拓扑结构相比较， 在使用相同开关管数量的情况下，通过专门设计的特殊拓扑结构，利用开关管的不同工作 状态实现了常规多电平拓扑结构中的箝位作用，故所采用的拓扑结构不需要箝位二极管或 飞跨电容，且开关管所承受电压应力低，控制简单。
[0008] 本发明由于没有箝位二极管或飞跨电容，减少了器件的使用，达到简化逆变器拓 扑结构的目的，降低了逆变器成本，同时还降低了部分开关器件的电压应力，通过简化的调 制策略可实现多电平的输出。
[0009] 本发明适用于中高压、大功率应用场合，在新能源并网发电领域具有广阔应用前 景。
【附图说明】
[0010] 下面结合附图对本发明进一步说明。
[0011] 图1是本发明所述的新型三相多电平逆变器的拓扑结构示意图。
[0012] 图2是图1单桥臂各种工作模式的实施例电路原理示意图。
[0013] 图3为本发明三相多电平逆变器在各工作状态下的等效电路实施例示意图。
【具体实施方式】
[0014] 下面结合附图对技术方案的实施进行详细阐述：
[0015] 参阅图1。在以下描述的实施例中，三相多电平逆变器，包括由18只开关管组成的 三相多电平桥臂，以及顺次串联在首端工作状态P接点和末端工作状态N接点之间的串联 分压电容C 1、C2、C3。其中，分压电容C1、分压电容C2，分压电容Cj_次串联，与输入直流电源 Vd。形成的并联回路和三个多电平桥臂。每相多电平桥臂都由S kl、S' kl、Sk2、S' k2、Sk3、S' k3 (k =&，13，(：）三组开关管组成，每组开关管由^、5'1^& = &，13，(3;」=1，2,3)两个开关工作状 态相反的开关管串联而成，当其中一个开关管导通/截止时，另一个开关管则截止/导通。 Sk2、S' ,2和S k3、S' k3 (k = a，b，c)两组开关管的串联结点分别与第三组开关管Skl、S' kl (k = a，b，c)的上下两个端点相联，而Sk2、S' ,2和S k3、S' k3(k = a，b，c)所组成的两组开关管的四 个端点分别与三个串联电容四个联接端P、〇i、〇2、N点相联，三个相同的多电平桥臂均通过 各自前端两个串联开关管S kl、S' kl (k = a，b，c)之间的结点作为输出端，形成a、b、c三相输 出。三个多电平桥臂由 18 个 IGBT 开关管 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构成，其中，开关管 S al、S' al，Sa2、S' 32及 S a3、S' a3组成 A 相桥臂，开关管 Sbl、S' bl、Sb2、S' 旧及 S b3、S' b3组成 B 相桥臂，S cl、S。' p Sc2、S'。2及 S。3、S' c3 组成C相桥臂，从而构成三相多电平逆变器拓扑结构。C1XpC3分压电容从两两相邻接点分 得三相多电平逆变器的V&/3的电压。18个开关管组成9组开关管，S al、S' al为第1组开关 管，Sa2、S' a2为第2组开关管，S a3、S' a3为第3组开关管，S bl、S' bl为第4组开关管，S b2、S' b2 为第5组开关管，Sb3、S' b3为第6组开关管，S ^ S' ^为第7组开关管，S。2、S'。2为第8组开 关管，Sm S'。3为第9组开关管。同一时刻每组开关管中只能有一个开关管导通。
[0016] 在三相多电平逆变器拓扑结构中，开关管Sal的集电极连接Sa2发射极以及S' 32集 电极；开关管Sbl的集电极连接S b2发射极以及S'，2集电极；开关管S ^的集电极连接S。2发 射极以及S'。2集电极；开关管Sal发射极连接开关管S' 31集电极；开关管Sbl发射极连接开关 管S' [^集电极；开关管S d发射极连接开关管V ^集电极；开关管V al的发射极连接S a3 发射极以及s' 33集电极；开关管S' bl的发射极连接S b3发射极以及s'，3集电极；开关管s' d 的发射极连接Stl3发射极以及S'。3集电极；开关管Sa3发射极连接开关管s' 33集电极；开关 管Sb3发射极连接开关管S' [^集电极；开关管S。3发射极连接开关管V 。3集电极。开关管 Sal和S' 31中间引出a相输出电压，开关管Sbl和S' ^中间引出b相输出电压，开关管 ^中间引出c相输出电压。开关管Sa2集电极与直流电源Vd。正极（P端）相连，开关管 S' a3发射极与直流电源V d。负极（N端）相连；开关管S b2集电极与直流电源V d。正极（P端） 相连，开关管S'b3发射极与直流电源V d。负极（N端）相连；开关管S。2集电极与直流电源V d。 正极（P端）相连，开关管S\3发射极与直流电源Vd。负极（N端）相连；开关管S' a2、S'bjP S'。2的发射极与分压电容0力相连，开关管S a3、Sb3和S。3的集电极与分压电容0 2点相连。
[0017] 在三相多电平逆变器拓扑结构中，当Sal导通时，S' al关断；当Sa2导通时，S' 32关 断；当Sa3导通时，S' a3关断；当Sbl导通时，S' bl关断；当Sb2导通时，S' b2关断；当Sb3导通 时，5\3关断；当3。1导通时，5。' 1关断；当3。2导通时，5'。2关断；当5。3导通时，5'。 3关断。当 Sal关断时，S' al导通；当Sa2关断时，S' a2导通；当Sa3关断时，S' a3导通；当Sbl关断时，S' bl 导通；当Sb2关断时，S' b2导通；当Sb3关断时，S' b3导通；当S ^关断时，S' ε1导通；当、关 断时，S^2导通；当13关断时，S'。 3导通。
[0018] 每个桥臂由 3 对开关管构成，即 Skl，S' kl、Sk2, S' kjP S k3, S' k3(k = a, b, c)。开关 管Sk2, Sk3和S' k2, S'k3所承受的反向压降为直流侧电压的1/3,而开关管Skl和S' kl所承受 最大反向压降等于直流侧电压。
[0019] 参阅图2。图2描述了每一桥臂的8种工作模式的实施例。通过3对开关管的不 同组合，每个桥臂有8种工作模式，可以输出VpV cil,Vc^VJ种不同的电平。当直流侧电容 电压相等时，输出的4个电平也可以表示为3^，2v。，\，0。以a相为例，有8个不同实施例 的工作模式。
[0020] 当开关管Sal，Sa2, Sa3导通时，桥臂工作于模式1，此时V a= V p，在该模式下，开关管 S' a2, S' a3承受1/3的直流端电压，开关管S' al承受2/3的直流端电压；当开关S al，Sa2, S' 33导 通时，桥臂工作于模式2,此时Va= v p，在该模式下，开关管S' a2, Sa3承受1/3的直流端电压， 开关管S' al承受全部的直流端电压；当开关S al，S' a2, Sa3导通时，桥臂工作于模式3,此时V a =、，在该模式下，开关管S' al，Sa2, S' 33均只承受1/3的直流端电压；当开关管Sal，S' a2, S' a3 导通时，桥臂工作于模式4,此时Va= v &，在该模式下，开关管Sa2, Sa3承受1/3的直流端电 压，开关管S'al承受2/3的直流端电压；当开关管S' al，Sa2, Sa3导通时，桥臂工作于模式5,此 时va= V。2，在该模式下，开关管S' a2, S' a3承受1/3的直流端电压，开关管S al承受2/3的直 流端电压；当开关S'al, Sa2, S'a3导通时，桥臂工作于模式6,此时Va= Vn。在该模式下，开关 管S'a2, Sa3承受1/3的直流端电压，开关管Sal承受全部的直流端电压；当开关S' al，S'a2, Sa3 导通时，桥臂工作于模式7,此时Va= v &a