CN102801348A - 三相五电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三相五电平逆变器，该逆变器的每一相均包括：供电电路，包括两个独立的整流桥，每个整流桥包括三个输入端接三相交流电，以用于将三相交流电转换为直流电压；钳位电路，包括一钳位开关与四个钳位二极管，每两个钳位二极管串联后并联接于该钳位开关的集电极与发射极之间，相互串联的钳位二极管的中点分别连接至两个整流桥及H桥电路；以及H桥电路，包括左半桥与右半桥，左右半桥各包含两个串联并接于两个整流桥之间的钳位开关，左半桥的两个钳位开关中点与该钳位电路连接，右半桥的两个钳位开关中点作为三相输出，本发明可以使用较少的元件达到以往很多元件才能达到的效果。

Description

三相五电平逆变器

技术领域

本发明涉及一种多电平逆变器，特别是涉及一种三相五电平逆变器，涉及电力电子变换装置。 

背景技术

经过十几年的发展，多电平变换器已经在多个方面得到了比较成功的应用。电力系统中的无功补偿和高压变频调速是多电平变换器的主要应用领域。多电平变换器一般应用于高压大功率场合，其不仅可以提高变频器的电压等级，更主要是减少变频器输出的谐波含量，降低开关损耗，提高设备的功率因数等。 

如前所述，多电平变换器具有功率大(MW级)、输出谐波低优点，但往往需要很多开关元件和被动元件。例如对于五电平变换器来说，传统的二极管箝位型需要的开关数量为8个，二极管数量为14个，电容数量为4个，独立直流电源数为1个，传统的飞跨电容型需要的开关数量为8个，二极管数量为8个，电容数量为4个，独立直流电源数为1个，表1则为现有技术中几种不同的五电平变换器拓扑结构的比较结果： 

表1 

然而，如今，大功率半导体器件已经达到6.5kV和2.5kA，则使得人们更关注于使用较少的器件达到传统多电平拓扑的效果。 

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种三相五电平逆变器，其可以使用较少的元件达到以往很多元件才能达到的效果。 

为达上述及其它目的，本发明提供一种三相五电平逆变器，该逆变器的每一相均包括： 

供电电路，包括两个独立的整流桥，每个整流桥包括三个输入端接三相交流电，以用于将三相交流电转换为直流电压； 

钳位电路，包括一钳位开关与四个钳位二极管，每两个钳位二极管串联后并联接于该钳位开关的集电极与发射极之间，相互串联的钳位二极管的中点分别连接至两个整流桥及H桥电路；以及 

H桥电路，包括左半桥与右半桥，左右半桥各包含两个串联并接于两个整流桥之间的钳位开关，左半桥的两个钳位开关中点与该钳位电路连接，右半桥的两个钳位开关中点作为三相输出； 

其中，每一相的左半桥中点相连。 

进一步地，每个整流桥包括六个二极管，每两个二极管相互串联后并联，相互串联的两二极管中间结点接三相交流电。 

进一步地，该供电电路还包括两个滤波电容，该两个滤波电容串联接于该 两个整流桥之间。 

进一步地，该两个滤波电容的中点连接于该钳位电路的两个钳位二极管的中点。 

进一步地，该H桥电路的相互串联的两个钳位开关集电极分别接两个整流桥，发射极相连。 

进一步地，该H桥电路的每个钳位开关的集电极与发射极之间连接一钳位二极管，该钳位二极管阳极接钳位开关的发射极，阴极接钳位开关的集电极。 

进一步地，该钳位开关为IGBT。 

与现有技术相比，本发明一种三相五电平逆变器通过采用三电平A-NPC(中点钳位)与右半桥组成H桥五电平，与传统的五电平逆变器相比，本发明具有开关器件少、逆变器损耗少、成本低、输出谐波畸变小等优点。 

附图说明

图1为本发明一种三相五电平逆变器之较佳实施例的拓扑结构图； 

图2为本发明较佳实施例中单相五电平工作模态的电路示意图； 

图3为根据图2产生的三相九电平波形图。 

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基 于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。 

图1为本发明一种三相五电平逆变器之较佳实施例的拓扑结构图。如图1所示，本发明一种三相五电平逆变器，其每一相包括：供电电路101、钳位电路102以及H桥电路103。 

其中供电电路101包括两个独立的整流桥，每个整流桥一端接H桥电路103，另一端接钳位电路102，每个整流桥包括六个二极管，每两个二极管相互串联后并联，相互串联的两二极管中间结点接380V的三相交流电，较佳的，供电电路101还包括两个滤波电容E1/E2，两个滤波电容串联接于两个整流桥之间；钳位电路102包括一钳位开关S15(S25或S35)与四个箝位二极管D1/D2/D3/D4，其中钳位二极管D1/D2、钳位二极管D3/D4分别串联后连接于钳位开关S15的集电极与发射极之间，钳位二极管D1/D2的中点与滤波电容E1/E2的中点相连，较佳的，钳位开关S15为IGBT管(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)；H桥电路包括四个钳位开关S11/S12/S21/S22(S31/S32/S41/S42或S51/S52/S61/S62)，其中钳位开关S11/S12为左半桥，钳位开关S21/S22为右半桥，钳位开关S11与S12、钳位开关S21与S22分别串联接于两个整流桥之间，左半桥的中点与钳位二极管D3/D4的中点连接，每一相的左半桥中点相连，右半桥中点作为U、V、W三相输出，较佳的，每个钳位开关的集电极与发射极之间还连接一钳位二极管，每个钳位二极管阳极接钳位开关的发射极，阴极接钳位开关的集电极，在本发明较佳实施例中，钳位开关均为IGBT。可见，本发明较佳实施例中的IGBT与二极管钳位式逆变器的直流母线电压通过串联的两 个电容器分压细分为多个电平，逆变器上单个开关管承受的电压为串联电容器组中某一电容的分压。 

图2为本发明较佳实施例中单相五电平工作模态的电路示意图。以下将配合图2进一步说明本发明之原理。如图2所示，单相逆变器的直流侧电容相等，Vdc=2E。如图2所示，左半桥输出E，右半桥输出-E，UAB=+2E。如图2所示，左半桥输出0V，右半桥输出-E，UAB=+E。如图2所示，左右半桥同时输出0V。如图2所示，左半桥输出0V，右半桥输出+E，UAB=-E。如图2所示，左半桥输出-E，右半桥输出+E，UAB=-2E。这样UAB就可以输出+2E、E、0、-E、-2E五个电平。那么，三相线电压则可以达到九电平。 

图3为根据图2产生的三相九电平波形图。从图3九电平(线电压)输出中可以看到输出的PWM(脉冲宽度调制)波形以及逆变器输出的电压呈台阶逐级错开，本发明实现了高质量的功率输出，减小了输出电压du/dt对电机绕组的冲击。 

表2为本发明与现有技术的五电平逆变器拓扑结构的比较结果： 

表2 

可见，本发明一种三相五电平逆变器通过采用三电平A-NPC(中点钳位) 与右半桥组成H桥五电平，与传统的五电平拓扑结构相比，本发明具有开关器件少、逆变器损耗少、成本低、输出谐波畸变小等优点。因此，本发明有着广泛的应用前景，尤其适合中压(典型6000v)、谐波含量小、功率大的场合，有较强的经济性和创新性。 

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。 

Claims (7)

1.一种三相五电平逆变器，其特征在于，该逆变器的每一相均包括：

供电电路，包括两个独立的整流桥，每个整流桥包括三个输入端接三相交流电，以用于将三相交流电转换为直流电压；

钳位电路，包括一钳位开关与四个钳位二极管，每两个钳位二极管串联后并联接于该钳位开关的集电极与发射极之间，相互串联的钳位二极管的中点分别连接至两个整流桥及H桥电路；以及

H桥电路，包括左半桥与右半桥，左右半桥各包含两个串联并接于两个整流桥之间的钳位开关，左半桥的两个钳位开关中点与该钳位电路连接，右半桥的两个钳位开关中点作为三相输出；

其中，每一相的左半桥中点相连。

2.如权利要求1所述的三相五电平逆变器，其特征在于：每个整流桥包括六个二极管，每两个二极管相互串联后并联，相互串联的两二极管中间结点接三相交流电。

3.如权利要求2所述的三相五电平逆变器，其特征在于：该供电电路还包括两个滤波电容，该两个滤波电容串联接于该两个整流桥之间。

4.如权利要求3所述的三相五电平逆变器，其特征在于：该两个滤波电容的中点连接于该钳位电路的两个钳位二极管的中点。

5.如权利要求1所述的三相五电平逆变器，其特征在于：该H桥电路的相互串联的两个钳位开关集电极分别接两个整流桥，发射极相连。

6.如权利要求5所述的三相五电平逆变器，其特征在于：该H桥电路的每个钳位开关的集电极与发射极之间连接一钳位二极管，该钳位二极管阳极接钳位开关的发射极，阴极接钳位开关的集电极。

7.如权利要求1所述的三相五电平逆变器，其特征在于：该钳位开关为IGBT。

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