一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构

1.本实用新型涉及电力电子领域，具体涉及一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构。


背景技术：

2.近些年来，功率半导体器件及控制技术得到快速的发展，并在电力电子领域得到泛应用，随着技术的不断革新，各种电力电子设备应运而生。逆变器是从直流电源产生交流电源的这类电源转化器，包括电压源逆变器（vsi）和电流源逆变器（csi），产生的输出将是恒定的电压和频率。随着逆变技术的发展，在一些关键技术领域已经有了很大的进步，但是传统的逆变电路有很多的缺点。
3.在vsi情况下，输出电压取决于源电压，而在csi中，负载电流取决于源电流。对于欠阻尼负载，vsi是负载交换，并使用反馈二极管提供回负载消耗的无功功率。它采用igbt开关，适用于大功率应用。
4.由于常规方波和半方波逆变器的高总谐波失真和损耗，标志着它们不能用于高功率应用。三个单相半(或全)桥可并联连接形成三相逆变器，可在高功率条件下应用。当今的多电平逆变器已经在电力行业产生了更大的影响，多电平逆变器输出电压更接近纯正弦波形，它具有较小的总谐波失真，从而实现较小的功率损失。级联 h 桥型（chb）逆变器是由全桥结构的单元级联而成，其变换器不含二极管和悬浮电容，可以根据功率和电压等级确定级联模块的数目。由于级联 h 桥型拓扑结构所需功率器件最少，控制方法简单，易于实现冗余设计，适合于多电平场合，目前随着对功耗要求提高，该类电路越来越受到关注。
5.随着逆变技术的迅猛发展，传统的逆变器拓扑已不能满足要求。因此，对于产生的能量更低，功率损失更小，降低开关间的电压应力，适用于低开关频率的逆变器的研究逐渐成为了趋势。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术中的不足，本实用新型提供一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构。此电路的输出电压能产生较少的谐波波形，输出电压更接近纯正弦波形，产生无功功率更低，功率损失更小，降低开关间的电压应力，适用于低开关频率，更适合于高功率的应用。本实用新型的实施例采用如下技术方案，具体如下。
7.本实用新型提供了一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：包括三相级联h桥逆变器（q）和一个三桥臂逆变器（e），总计18个igbt，直流电压源v1、v2、v3、v4、负载r1、r2、r3。所述的三相级联h桥逆变器（q）由12个igbt组成包括第七个igbt（s7）、第八个igbt（s8）、第九个igbt（s9）、第十个igbt（s10）、第十一个igbt（s11）、第十二个igbt（s12）、第十三个igbt（s13）、第十四个igbt（s14）、第十五个igbt（s15）、第十六个igbt（s16）、第十七个igbt（s17）、第十八个igbt（s18）；其连接方式为第七个igbt（s7）的发射极与第八个igbt（s8）的集电极连接构成一个桥臂；第九个igbt（s9）的发射极与第十个igbt
（s10）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v2的一端分别与第七个igbt（s7）、第九个igbt（s9）的集电极连接；直流电压源v2的另一端分别与第八个igbt（s8）、第十个igbt（s10）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第一相；第十一个igbt（s11）的发射极与第十二个igbt（s12）的集电极连接构成一个桥臂；第十三个igbt（s13）的发射极与第十四个igbt（s14）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v3的一端分别与第十一个igbt（s11）、第十三个igbt（s13）的集电极连接；直流电压源v3的另一端分别与第十二个igbt（s12）、第十四个igbt（s14）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第二相；第十五个igbt（s15）的发射极与第十六个igbt（s16）的集电极连接构成一个桥臂；第十七个igbt（s17）的发射极与第十八个igbt（s18）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v4的一端分别与第十五个igbt（s15）、第十七个igbt（s17）的集电极连接；直流电压源v3的另一端分别与第十六个igbt（s16）、第十八个igbt（s18）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第三相。
8.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的一个三桥臂逆变器（e）由6个igbt组成包括第一个igbt（s1）、第二个igbt（s2）、第三个igbt（s3）、第四个igbt（s4）、第五个igbt（s5）、第六个igbt（s6）；其连接方式为第一个igbt（s1）的发射极与第二igbt（s2）的集电极连接构成第一个桥臂；第三个igbt（s3）的发射极与第四个igbt（s4）的集电极连接构成第二个桥臂；第五个igbt（s5）的发射极与第六个igbt（s6）的集电极连接构成第三个桥臂；直流电压源v1的一端分别与第一个igbt（s1）、第三个igbt（s3）、第五个igbt（s5）的集电极连接；直流电压源v1的另一端分别与第二个igbt（s2）、第四个igbt（s4）、第六个igbt（s6）的发射极连接。
9.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的一个三桥臂逆变器（e）的第一个桥臂与第九个igbt（s9）与第十个igbt（s10）构成桥臂级联；第二个桥臂与第十三个igbt（s13）与第十四个igbt（s14）构成的桥臂级联；第三个桥臂与第十七个igbt（s17）与第十八个igbt（s18）构成的桥臂级联。
10.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的负载r1一端连接在第七个igbt（s7）的发射极与第八个igbt（s8）的集电极之间；负载r2一端连接在第十一个igbt（s11）的发射极与第十二个igbt（s12）的集电极之间；负载r3一端连接在第十五个igbt（s15）的发射极与第十六个igbt（s16）的集电极之间；三个负载的另一端相互并联后接地。
11.优选的，所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于采用独立的隔离直流电源实现三相级联h桥逆变器（q），它能产生接近正弦的输出电压，解决了传统多脉冲逆变器的尺寸和重量问题，可被用于高电压、高功率的应用。
12.优选的，所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于包括一个三桥臂逆变器（e）和三相级联h桥逆变器（q），该模型能产生五电平的相电压波形。
13.本实用新型有以下有益效果：采用该技术方案后，输出电压产生较少的谐波波形，输出电压更接近纯正弦波形，产生无功功率更低，功率损失更小，降低开关间的电压应力，适用于低开关频率，更适合于高功率的应用。可产生更多电平的电压，功率处理能力在不增加单个设备额定值的情况下得到提高，具有重大的理论和现实意义。
附图说明
14.为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
15.图1为一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构图。
16.图2为一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构的第一相等效图。
17.图3为一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构的第一相的开关状态表。
具体实施方式
18.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当注意，在此所述的实施例仅为本实用新型的部分实施例，而非本实用新型的全部实现方式，所述实施例只有示例性。
19.本实用新型提供了一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于：包括三相级联h桥逆变器（q）和一个三桥臂逆变器（e），总计18个igbt，直流电压源v1、v2、v3、v4、负载r1、r2、r3；根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的三相级联h桥逆变器（q）由12个igbt组成包括第七个igbt（s7）、第八个igbt（s8）、第九个igbt（s9）、第十个igbt（s10）、第十一个igbt（s11）、第十二个igbt（s12）、第十三个igbt（s13）、第十四个igbt（s14）、第十五个igbt（s15）、第十六个igbt（s16）、第十七个igbt（s17）、第十八个igbt（s18）；其连接方式为第七个igbt（s7）的发射极与第八个igbt（s8）的集电极连接构成一个桥臂；第九个igbt（s9）的发射极与第十个igbt（s10）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v2的一端分别与第七个igbt（s7）、第九个igbt（s9）的集电极连接；直流电压源v2的另一端分别与第八个igbt（s8）、第十个igbt（s10）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第一相；第十一个igbt（s11）的发射极与第十二个igbt（s12）的集电极连接构成一个桥臂；第十三个igbt（s13）的发射极与第十四个igbt（s14）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v3的一端分别与第十一个igbt（s11）、第十三个igbt（s13）的集电极连接；直流电压源v3的另一端分别与第十二个igbt（s12）、第十四个igbt（s14）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第二相；第十五个igbt（s15）的发射极与第十六个igbt（s16）的集电极连接构成一个桥臂；第十七个igbt（s17）的发射极与第十八个igbt（s18）的集电极连接构成另一个桥臂；直流电压源v4的一端分别与第十五个igbt（s15）、第十七个igbt（s17）的集电极连接；直流电压源v3的另一端分别与第十六个igbt（s16）、第十八个igbt（s18）的发射极连接，构成三相级联h桥逆变器（q）的第三相。
20.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的一个三桥臂逆变器（e）由6个igbt组成包括第一个igbt（s1）、第二个igbt（s2）、第三个igbt（s3）、第四个igbt（s4）、第五个igbt（s5）、第六个igbt（s6）；其连接方式为第一个igbt（s1）的发射极与第二igbt（s2）的集电极连接构成第一个桥臂；第三个igbt（s3）的发射极与第四个igbt（s4）的集电极连接构成第二个桥臂；第五个igbt（s5）的发射极与第六个igbt（s6）的集电极连接构成第三个桥臂；直流电压源v1的一端分别与第一个igbt（s1）、第三个igbt（s3）、第五个igbt（s5）的集电极连接；直流电压源v1的另一端分别与第二个igbt（s2）、第四
个igbt（s4）、第六个igbt（s6）的发射极连接。
21.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的一个三桥臂逆变器（e）的第一个桥臂与第九个igbt（s9）与第十个igbt（s10）构成桥臂级联；第二个桥臂与第十三个igbt（s13）与第十四个igbt（s14）构成的桥臂级联；第三个桥臂与第十七个igbt（s17）与第十八个igbt（s18）构成的桥臂级联。
22.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于所述的负载r1一端连接在第七个igbt（s7）的发射极与第八个igbt（s8）的集电极之间；负载r2一端连接在第十一个igbt（s11）的发射极与第十二个igbt（s12）的集电极之间；负载r3一端连接在第十五个igbt（s15）的发射极与第十六个igbt（s16）的集电极之间；三个负载的另一端相互并联后接地。
23.根据所述的一种三相改进型混合级联多电平逆变器拓扑结构，其特征在于以三相中的第一相为例，如图2所示。假设一个三桥臂逆变器（e）的第一相桥臂输出电压为v1，三相级联h桥逆变器（q）的第一相输出电压为v1则有：
24.v0=v1+v2
25.其中，v0为输出电压，假设直流电压源v1=e，直流电压源v2=e，则半桥逆变器将产生
±
e的电压，全桥逆变器将产生
±
e，0，所以产生五级电压输出
±
2e，
±
e，0，开关状态如图3所示。
26.以上对本实用新型的实施例进行了描述，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是所述技术方案的限制，所以本实用新型并不局限于上述的具体实施方式，所有本领域普通技术人员在不脱离本实用新型宗旨和构思的前提下，及其它对本实用新型技术方案的简单替换和各种变化，都属于本实用新型的保护范围。