一种级联式多电平逆变器的制作方法

本实用新型涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种级联式电平逆变器。

背景技术：

与传统的两电平逆变器相比多电平逆变器具有很多自身优势，其输出电压的总谐波失真随着电平数的增加显著减小；输出相同质量电压波形的条件下，开关损耗小、开关频率较低；在相同的电压等级下，du/dt明显减小，在高压大容量电机驱动中，可有效防止电机转子绕阻绝缘击穿，同时改善装置的电磁干扰特性等。因此逐渐成为电力电子功率变换领域备受关注的重要研究热点，广泛应用于中、高压调速领域和柔性交流输电系统中。

目前主要的多电平逆变器包括二极管钳位式多电平逆变器、飞跨电容钳位式多电平逆变器和级联H桥式多电平逆变器。当需要实现较高的电压等级和电平数目时，二极管钳位式多电平逆变器和飞跨电容钳位式多电平逆变器所需的钳位二极管器件和飞跨电容器件数目将急剧增加，并且存在电容电压平衡控制困难的问题。而级联H桥式多电平逆变器比较容易实现较大的电平数目和电压等级。但是随着电压等级的增加，级联H桥式多电平逆变器级联的单元数目也会增加，开关器件数量随之增加。例如，传统级联H桥七电平逆变器，在实现输出七电平电压时就需要12个功率开关管。因此，如何通过较少的开关器件数目得到更多电平数目和更高的电压等级一直成为在多电平逆变器研究领域中的热点。

技术实现要素：

本实用新型的目的是：提出一种新的级联式多电平逆变器，在相同输出电压等级下减少开关器件数目、提高逆变器效率、简化逆变器的结构、节省系统成本。

实现本实用新型的技术方案如下：一种级联式多电平逆变器，由一个主开关电路和多对开关电源电路并联组成。

本实用新型的主开关电路由第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管构成。

第一开关管的集电极与第三开关管的发射极相连构成第一桥臂，第二开关管的集电极与第四开关管的发射极相连构成第二桥臂，第一桥臂的中点与第二桥臂的中点相连。四个开关管组成一个H桥，通过控制不同桥臂开关管的工作方式使得逆变器能够有输出正电平和负电平。

第一二极管的阳极与第一开关管的发射极相连，第一二极管的阴极与第一开关管集电极相连，所述第二二极管的阳极与第二开关管的发射极相连，第二二极管的阴极与第二开关管集电极相连；所述第三二极管的阳极与第三开关管的发射极相连，第三二极管的阴极与第三开关管集电极相连；所述第四二极管的阳极与第四开关管的发射极相连，第四二极管的阴极与第四开关管集电极相连。

本实用新型的开关电源电路由一个直流电源和两个开关管构成，直流电源的正极与一个开关管的集电极相连，负极与另一个开关管的发射极相连。开关管的发射极和集电极分别与一个二极管的阳极和阴极相连。

本实用新型的开关电源电路以成对的形式依次并联于逆变器的两侧，第一对开关电源电路的直流电源以正极与开关管的集电极相连，负极与开关管的发射极的方式分别并联于主开关电路两侧的第一桥臂和第二桥臂的开关管，而后的开关电源电路以同样的方式依次并联于逆变器两侧前一对开关电源电路的开关管，最后一对开关电源电路两侧的开关管集电极与发射极相连后作为逆变器的输出端。

本实用新型的逆变器包括多对开关电源电路，n大于等于1。

本实用新型的每一对开关电源电路采用电压值相等的直流电源，不同开关电源组之间可采用电压值不等的直流电源。

本实用新型的开关管采用MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管、PowerMosfet电力场效应晶体管、CoolMosfet深结高压场效应管、TGBT绝缘栅双极型晶体管中的任意一种，所述二极管皆为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。

本实用新型的有益之处在于：本实用新型提供了一种级联式多电平逆变器，与传统结构的级联多电平逆变器相比在相同输出电压等级下，减少了功率开关器件的数量和开关损耗，有效降低了逆变器的制造和维护成本，提高了逆变器的效率。

附图说明

图1为本实用新型一种级联式电平逆变器的级联式多电平逆变器的电路图；

图2为本实用新型一种级联式电平逆变器的级联式多电平逆变器的电路图中n＝2时的一种拓扑结构示意图；

图3为本实用新型一种级联式电平逆变器的级联式多电平逆变器的电路图中n＝2时的另一种拓扑结构示意图。

具体实施方式

以下参考附图，给出了本实用新型的可选实施方式的具体描述。

图1示出本实用新型的级联式多电平逆变器结构示意图。所述逆变器由一个主开关电路SW和多对开关电源电路SW1～SWn并联组成。

本实施例逆变器的所述主开关电路SW由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管构成D4。

本实施例逆变器主开关电路SW的第一开关管S1的集电极与第三开关管S3的发射极相连构成第一桥臂，第二开关管S2的发射极与第四开关管S4的集电极相连构成第二桥臂，第一桥臂的中点与第二桥臂的中点相连。

本实施例逆变器主开关电路SW的第一二极管D1的阳极与第一开关管S1的发射极相连，第一二极管D1的阴极与第一开关管S1集电极相连，所述第二二极管D2的阳极与第二开关管S2的发射极相连，第二二极管D2的阴极与第二开关管S2集电极相连；所述第三二极管D3的阳极与第三开关管S3的发射极相连，第三二极管D3的阴极与第三开关管S3集电极相连；所述第四二极管D4的阳极与第四开关管S4的发射极相连，第四二极管D4的阴极与第四开关管S4集电极相连。

本实施例逆变器的第多对开关电源电路SWAn和SWBn分别由一个直流电源和两个开关管Sa2n+1和Sb2n+1构成，开关电源电路SWAn的直流电源的正极与开关管Sa2n+1的集电极相连，负极与开关管Sa2n+2的发射极相连，开关电源电路SWBn的直流电源的正极与开关管Sb2n+1的集电极相连，负极与开关管Sb2n+2的发射极相连。

本实施例逆变器的第1对开关电源电路SWA1的直流电源正极与主开关电路开关管S2的集电极相连，负极与开关管S1的发射极相连，开关电源电路SWB1的直流电源正极与主开关电路开关管S3的集电极相连，负极与开关管S4的发射极相连。

本实施例逆变器的第n对(n>1)开关电源电路SWAn的直流电源正极与主前一级开关电源电路SWAn-1的开关管Sa2n-3的集电极相连，负极与开关管Sa2n-2的发射极相连，开关电源电路SWBn的直流电源正极与与主前一级开关电源电路SWBn-1的开关管Sb2n-3的集电极相连，负极与开关管Sb2n-2的发射极相连。

本实施例逆变器的最后一对开关电源电路SWAn的开关管Sa2n-1的发射极与开关管Sa2n集电极相连后作为逆变器输出端的正极，开关电源电路SWBn的开关管Sb2n-1的集电极与开关管Sb2n发射极相连后作为逆变器的输出端的负极。

图2是图1所示逆变器n＝2时的一种拓扑结构示意图，此时逆变器由一个主开关电路SW和两对开关电源电路SWA1、SWB1、SWA2、SWB2组成，所有开关电源电路的直流电源电压相同。

图2是图1所示逆变器n＝2时的一种拓扑结构示意图，此时逆变器由一个主开关电路SW和两对开关电源电路SWA1、SWB1、SWA2、SWB2组成，所有开关电源电路的直流电源电压相同。

表1为一种级联式电平逆变器的级联式多电平逆变器的电路图中n＝2时，不同组的开关电源电路直流电源电压相同时的开关状态和输出电压对应表。

表2为一种级联式电平逆变器的级联式多电平逆变器的电路图中n＝2时，不同组的开关电源电路直流电源电压不同时的开关状态和输出电压对应表。

如上所述，不同组的开关电源电路直流电源电压相同时，n＝2时的逆变器拓扑结构可以输出4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E、-4E九种电压电平。不同组的开关电源电路直流电源电压不同时，n＝2时的逆变器拓扑结构可以输出6E、5E、4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E、-4E、-5E、-6E十三种电压电平。

本实施例的逆变器由多对开关电源电路组成时，不同组的开关电源电路直流电源电压相同时总共可输出4n+1种电平，不同组的开关电源电路直流电源电压不同时总共可输出4n+1种电平，需要的开关器件数量为4n+4个。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个功率开关管有多种选择，可采用MOSFET金属-氧化层半导体场效晶体管、PowerMosfet电力场效应晶体管、CoolMosfet深结高压场效应管、TGBT绝缘栅双极型晶体管管中的任意一种。

应当理解的是，上述实施方式结构中的各个反并联二极管为独立二极管或功率开关管内部自带的二极管。