CN108599604B - 一种单相七电平逆变电器及其pwm信号调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单相七电平逆变器及其调制方法，该电路包括开关电容电路和H桥电路，开关电容电路由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成，控制电路中三个开关管的不同开关状态组合，使该电路可以分别输出0.5V_dc、V_dc和1.5V_dc三种不同的电平，而且两个电容在电路的不同的工作状态下存在串联充电或者并联放电两种模式，该逆变电路总共可以输出‑1.5V_dc、‑V_dc、0.5V_dc、0V、0.5V_dc、V_dc、1.5V_dc七种电平，解决现有多电平逆变电路存在的电容均压问题，并减少了开关管的数目。

Description

一种单相七电平逆变电器及其PWM信号调制方法

技术领域

本发明属于电力电子技术应用领域，具体涉及一种单相七电平逆变器以及所述逆变器的PWM信号调制方法。

背景技术

随着风能、太阳能、水能、生物质能、潮汐能以及地热能等可再生能源的快速发展，充分利用此类能源可增加能量供给和减少环境污染。现在对可再生能源的利用主要采用分布式并网发电技术，其关键技术在于采用合理的逆变器拓扑结构和并网控制策略，以便获得稳定的并网系统和高质量的并网电流。

相比传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压谐波小、电磁干扰小及可采用小尺寸滤波器等优点。最早的多电平逆变器是由1980年日本学者提出的三电平中点钳位逆变器，经过30多年的发展，很多学者相继提出了具有实际意义的多电平逆变电路及多种多电平逆变器的调制控制方法。当前的多电平逆变器的主要结构有二极管箝位型、飞跨电容型和H桥级联型。其中二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，这增加了控制复杂度，飞跨电容型同样存在电容电压均衡控制以及冗余开关状态优化问题，而H桥级联型则需要多路独立的直流电源。此外，这三种类型多电平逆变电路随着输出电平数的增加，需要的功率开关管和电容数目迅速增涨，系统体积将变得庞大，成本也将变得不可接受。这违背了电力电子装置要求的高效率、高功率密度、低成本的目标，因此需要提出一种新的多电平逆变电路来满足可再生能源并网发电要求。

发明内容

本发明的目的是提供一种单相七电平逆变器及其PWM调制方法，解决现有多电平逆变电路存在的电容均压问题，并减少了开关管的数目。

本发明提供一种单相七电平逆变电路，所述单相七电平逆变电路包括开关电容电路和H桥电路；

所述开关电容电路包括：直流电源V_dc，开关管S₅、S₆、S₇，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，以及电容C₁、C₂；直流电源V_dc的正极与开关管S₅的输出端以及S₆的输入端连接，而V_dc的负极与开关管S₇的输出端连接，S₆的输出端和S₇的输入端相连接；与S₇的输入端连接有二极管D₃的阳极和电容C₂的负极，而C₂的正极与二极管D₁的阴极、二极管D₂的阳极相连接，电容C₁的负极连接D₃的阴极和D₁的阳极；开关管S₅的输出端与二极管D₄的阳极相连接，D₄的阴极则与C₁的正极以及D₂的阴极相连接。

所述H桥电路包括：H桥电路的正负母线连接开关电容电路的输出端口，H桥电路的输出通过滤波电感L连接负载或电网。

该方案的特点还在于：

所述开关电容电路的功率开关和H桥电路的功率开关均为IGBT或MOSFET全控功率器件。

所述二极管D₁、D₂、D₃、D₄均为碳化硅二极管或快恢复二极管或是超快恢复二极管。

所述电容C₁、C₂均为参数一致的电解电容。

所述单相七电平逆变电路的八种工作模式控制方式为：

工作模式1，控制所述的开关管S₁、S₄和S₆导通，开关管S₂、S₃、S₅和S₇关断；

工作模式2，控制所述的开关管S₁、S₄、S₅和S₇导通，开关管S₂、S₃、S₆关断；

工作模式3，控制所述的开关管S₁、S₄导通，开关管S₂、S₃、S₅、S₆、S₇关断；

工作模式4，控制开关管S₄、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₂、S₃、S₆关断；

工作模式5，控制所述的开关管S₂、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₃、S₄、S₆、关断；

工作模式6，控制所述的开关管S₂、S₃导通，开关管S₁、S₄、S₅、S₆、S₇关断；

工作模式7，控制所述的开关管S₂、S₃、S₅和S₇导通，开关管S₁、S₄、S₆关断；

工作模式8，控制所述的开关管S₂、S₃和S₆导通，开关管S₁、S₄、S₅和S₇关断。

根据上述方案，本发明的单相七电平逆变电路包括开关电容电路和H桥电路两部分，其中开关电容电路是本发明逆变电路实现多电平输出的关键部分。该开关电容电路由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成，依照电路中三个开关管的不同开关状态组合，该电路可以分别输出0.5V_dc、V_dc和1.5V_dc三种不同的电平，而且两个电容在电路的不同的工作状态下存在串联充电或者并联放电两种模式，这也就使得电容自身拥有了自动均压的能力，电容电压也恒定为电源电压的一半，开关电容电路输出端口连接H桥的的正负母线，当H桥电路工作于单极性时，则逆变电路总共可以输出-1.5V_dc、-V_dc、0.5V_dc、0V、0.5V_dc、V_dc、1.5V_dc七种电平。

本发明的另一个技术方案是，上述单相七电平逆变器PWM信号的调制方法，通过调节正弦调制波信号M的幅值控制逆变器工作模式，当0<M<1时，逆变器输出三电平模式；当1<M<2时，逆变器输出五电平模式；当2<M<3时，逆变器输出七电平模式；

正弦调制波信号M进行取绝对值处理后得到信号K，信号K与载波v₃通过比较器4进行比较得到输出信号H，当信号K大于等于载波v₃时，比较器4的输出信号H为1，反之，输出信号H为0，该输出信号H作为开关管S₆的PWM控制信号；信号K与载波v₂通过比较器3进行比较得到输出信号I，当信号K大于等于载波v₂时，比较器3的输出信号I为1，反之，输出信号I为0，该输出信号I与信号H通过异或门后得到信号P；信号K与载波v₁通过比较器2进行比较得到输出信号G，当信号K大于等于载波v₁时，比较器2的输出信号G为1，反之，输出信号G为0，该输出信号G通过非门后得到信号N，信号N与信号P通过或门后作为开关管S₅的PWM控制信号，而开关管S₇的PWM控制信号与S₅的PWM控制信号同步；正弦调制波信号M与0通过比较器1进行比较得到输出信号E，信号E与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₁的PWM控制信号；信号E通过非门后得到信号F，信号F与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₃的PWM控制信号；信号F作为开关管S₂的PWM控制信号，信号E作为开关管S₄的PWM控制信号。

本发明的单相七电平逆变电路具有以下有益效果：

(1)该逆变电路开关数量少，硬件成本低；在H桥逆变电路前级增加一个由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成的开关电容电路，即可得到七电平逆变电路。

(2)该逆变电路中的两个电容的电压自身均压，简化了控制算法，同时它既可以工作在有源逆变模式，也可以工作在无源逆变模式。

(3)与传统多电平逆变电路相比，该逆变电路输出电压幅值最大可以达到1.5倍的直流电源电压，使得电压的输入范围变宽。

附图说明

图1为本发明的单相七电平逆变器的电路示意图；

图2(a)～(h)为本发明单相七电平逆变器的八种不同的工作模式；

图3为单相七电路逆变器在不同时刻对应的输出电压变化图；

图4为本发明的单相七电平逆变器调制驱动信号发生逻辑电路示意图；

图5为本发明单相七电平逆变器调制驱动信号的波形示意图；

图6为本发明单相七电平逆变器的实例输出电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但本发明并不限于这些实施方式。

图1是本发明单相七电平逆变器的电路图，具体描述如下：

该逆变器的电路包括：直流电源、开关电容电路、H桥电路、滤波电感L以及交流接入端口；

所述开关电容电路包括：开关管S₅、S₆、S₇，二极管D₁、D₂、D₃、D₄，以及电容C₁、C₂；直流电源V_dc的正极与开关管S₅的输出端以及S₆的输入端连接，而V_dc的负极与开关管S₇的输出端连接，S₆的输出端和S₇的输入端相连接；与S₇的输入端相连接有二极管D₃的阳极和电容C₂的负极，而C₂的正极与二极管D₁的阴极、二极管D₂的阳极相连接，电容C₁的负极连接D₃的阴极和D₁的阳极；开关管S₅的输出端与二极管D₄的阳极相连接，D₄的阴极则与C₁的正极以及D₂的阴极相连接。

H桥电路包括四个功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄，H桥电路中开关管的S₁、S₃的输入端与开关电容电路中D₂的阴极相连接，开关管的S₂、S₄的输出端与V_dc的负极以及开关管S₇的输出端连接；功率开关管S₁的输出端、功率开关管S₂的输入端连接到滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接交流端口，功率开关管S₃的输出端、功率开关管S₄的输入端连接交流端口。

需要说明，开关管可以是金属氧化物半导体管或结型场效应管(MOSFET)或绝缘栅双极型晶体管(IGBT)；当所述开关管为金属氧化物半导体管时，所述开关管的输入端为源极，所述的开关管的输出端为漏极，所述的控制端为栅极；当所述开关管为绝缘栅双极型晶体管时，所述开关管的输入端为集电极，所述的开关管的输出端为发射极，所述的控制端为基极。可以理解的是以上八个开关管也可以选择其他类型的开关管。还需要说明，所述二极管可以是碳化硅二极管或是快恢复二极管，抑或是超快恢复二极管。可以理解的是所述的二极管也可以选择其他类型的二极管。在本发明的实施例中，新型单相七电平逆变电路所包含的L滤波电路也可以是LC滤波器或是LCL滤波器或是其他滤波器。

本发明所述七电平逆变电路可以工作在七电平输出模式、五电平输出模式和三电平输出模式，七电平输出模式是本发明的要点，因此在此仅叙述七电平工作模式对应的八个电路模态如下：

第一电路模态，控制所述的开关管S₁、S₄和S₆导通，开关管S₂、S₃、S₅和S₇关断，此时电路工作状态如图2(a)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁截止，D₂和D₃导通，电容C₁与C₂处于并联状态，其并联端电压为直流电源电压的一半，直流电源通过开关管S₆与电容C₁、C₂串联；使得所述逆变电路输出电压为1.5V_dc。

第二电路模态，控制所述的开关管S₁、S₄、S₅和S₇导通，开关管S₂、S₃、S₆关断，此时电路工作状态如图2(b)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁导通，D₂和D₃截止，电容C₁与C₂处于串联状态，其串联端电压为直流电源电压，直流电源通过开关管S₅与电容C₁、C₂并联；使得所述逆变电路输出电压为V_dc。

第三电路模态，控制所述的开关管S₁、S₄导通，开关管S₂、S₃、S₅、S₆、S₇关断，此时电路工作状态如图2(c)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁截止，D₂和D₃导通，电容C₁与C₂处于并联状态，其并联端电压为直流电源电压的一半；使得所述逆变电路输出电压为0.5V_dc。

第四电路模态，控制所述的开关管S₄、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₂、S₃和S₆关断，此时电路工作状态如图2(d)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁导通，D₂和D₃截止，电容C₁与C₂处于串联状态，其串联端电压为直流电源电压；所述逆变电路输出电压为0V。

第五电路模态，控制所述的开关管S₂、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₃、S₄和S₆关断，此时电路工作状态如图2(e)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁导通，D₂和D₃截止，电容C₁与C₂处于串联状态，其串联端电压为直流电源电压；所述逆变电路输出电压为0V。

第六电路模态，控制所述的开关管S₂、S₃导通，开关管S₁、S₄、S₅、S₆、S₇关断，此时电路工作状态如图2(f)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁截止，D₂和D₃导通，电容C₁与C₂处于并联状态，其并联端电压为直流电源电压的一半；使得所述逆变电路输出电压为-0.5V_dc。

第七电路模态，控制所述的开关管S₂、S₃、S₅和S₇导通，开关管S₁、S₄、S₆关断，此时电路工作状态如图2(g)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁导通，D₂和D₃截止，电容C₁与C₂处于串联状态，其串联端电压为直流电源电压，直流电源通过开关管S₅与电容C₁、C₂并联；使得所述逆变电路输出电压为-V_dc。

第八电路模态，控制所述的开关管S₂、S₃和S₆导通，开关管S₁、S₄、S₅和S₇关断，此时电路工作状态如图2(h)所示，图中箭头为电流为正的流动方向。二极管D₁截止，D₂和D₃导通，电容C₁与C₂处于并联状态，其并联端电压为直流电源电压的一半，直流电源通过开关管S₆与电容C₁、C₂串联；使得所述逆变电路输出电压为-1.5V_dc。

如图3所示，该图为不同时刻单相七电平逆变器对应的输出电压变化图。在一个电网电压周期内，在不同的时间段内，逆变器工作在不同的模态，并且输出电压随着逆变器工作模态的变换而变化：

t₀-t₁时间段内所述单相七电平逆变器输出0电平或者0.5V_dc电平，当输出0电平时，逆变器工作在第四电路模态；当输出0.5V_dc电平时，逆变器工作在第三电路模态。

t₁-t₂时间段内所述单相七电平逆变器输出0.5V_dc电平或者V_dc电平，当输出0.5V_dc电平时，逆变器工作在第三电路模态，当输出V_dc电平时，逆变器工作在第二电路模态。

t₂-t₃时间段内所述单相七电平逆变器输出V_dc电平或者1.5V_dc电平，当输出V_dc电平时，逆变器工作在第二电路模态，当输出1.5V_dc电平时，逆变器工作在第一电路模态。

逆变器工作在t₃-t₄时间段时，所处的工作状态与t₁-t₂时间段类似，工作在t₄-t₅₄时间段时，所处的工作状态与t₀-t₁时间段类似，在此不再赘述。

t₅-t₆时间段内所述单相七电平逆变器输出0电平或者-0.5V_dc电平，当输出0电平时，逆变器工作在第五电路模态，当输出-0.5V_dc电平时，逆变器工作在第六电路模态。

t₆-t₇时间段内所述单相七电平逆变器输出-0.5V_dc电平或者-V_dc电平，当输出-0.5V_dc电平时，逆变器工作在第六电路模态，当输出-V_dc电平时，逆变器工作在第七电路模态。

t₇-t₈时间段内所述单相七电平逆变器输出-V_dc电平或者-1.5V_dc电平，当输出-V_dc电平时，逆变器工作在第七电路模态，当输出-1.5V_dc电平时，逆变器工作在第八电路模态。

逆变器工作在t₈-t₉时间段时，所处的工作状态与t₆-t₇时间段类似，工作在t₉-t₁₀时间段时，所处的工作状态与t₅-t₆时间段类似，在此不再赘述。

对应上述的单相三电平逆变电路工作状态，S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆和S₇功率开关的脉冲宽度调制(PWM)信号发生方法如图4所示，具体说明如下：

正弦调制波信号M为工频的正弦信号(例如50Hz)，载波v₁、v₂、v₃是完全相同的高频三角载波，其频率即为功率开关工作频率，例如选择其频率在10kHz～20kHz范围。载波v₁、v₂、v₃是从低到高依次层叠。

正弦调制波信号M的幅值在不同范围决定了逆变器工作在几电平模式，即当0<M<1时，逆变器输出三电平模式；当1<M<2时，逆变器输出五电平模式；当2<M<3时，逆变器输出七电平模式。正弦调制波信号M进行取绝对值处理后得到信号K，信号K与载波v₃通过比较器4进行比较得到输出信号H，当信号K大于等于载波v₃时，比较器4的输出信号H为1，反之，输出信号H为0，该输出信号H作为开关管S₆的PWM控制信号；信号K与载波v₂通过比较器3进行比较得到输出信号I，当信号K大于等于载波v₂时，比较器3的输出信号I为1，反之，输出信号I为0，该输出信号I与信号H通过异或门后得到信号P；信号K与载波v₁通过比较器2进行比较得到输出信号G，当信号K大于等于载波v₁时，比较器2的输出信号G为1，反之，输出信号G为0，该输出信号G通过非门后得到信号N，信号N与信号P通过或门后作为开关管S₅的PWM控制信号，而开关管S₇的PWM控制信号与S₅的PWM控制信号同步；正弦调制波信号M与0通过比较器1进行比较得到输出信号E，信号E与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₁的PWM控制信号；信号E通过非门后得到信号F，信号F与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₃的PWM控制信号；信号F作为开关管S₂的PWM控制信号，信号E作为开关管S₄的PWM控制信号。

根据上述调制方法得到的各个开关管的PWM控制信号的波形如图5所示。图6为上述单相七电平逆变器的实例输出电压波形图，随着调制波幅值变化，七电平逆变器的实例输出电压由七电平变为五电平再到三电平。本发明的逆变器只使用了电容C₁和C₂，减少了电容的数量，且由于电路工作特点，电容电压在每个开关周期都能够实现一次均压，这保证了两个电容电压可以保持几乎一致的电压值，降低了逆变器的复杂度，提高了逆变器的可靠性。同样输出七电平的二极管钳位型逆变器需要12个开关管、6个二极管以及三个电容，输出七电平的飞跨电容型逆变器需要12个开关管和6个电容，而本发明电路只需要7个开关管、4个二极管和2个电容，可以大幅减小系统体积，降低成本。

Claims (6)

1.一种单相七电平逆变器，其特征在于，包括：直流电源、开关电容电路、H桥电路以及滤波电感L；

所述开关电容电路包括三个功率开关管S₅、S₆、S₇，四个二极管D₁、D₂、D₃、D₄和两个电容C₁、C₂；所述直流电源的正极与开关管S₅的输入端以及S₆的输入端连接，直流电源的负极与开关管S₇的输出端连接，S₆的输出端和S₇的输入端相连接；S₇的输入端连接有二极管D₃的阳极和电容C₂的负极，C₂的正极与二极管D₁的阴极、二极管D₂的阳极相连接，电容C₁的负极连接D₃的阴极和D₁的阳极；开关管S₅的输出端与二极管D₄的阳极相连接，D₄的阴极与C₁的正极以及D₂的阴极相连接；

所述H桥电路的正负母线连接所述开关电容电路输出端口，H桥电路的输出通过所述滤波电感L接负载或电网；

所述H桥电路包括四个功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄，H桥电路中开关管的S₁、S₃的输入端与开关电容电路中D₂的阴极相连接，开关管的S₂、S₄的输出端与V_dc的负极以及开关管S₇的输出端连接；功率开关管S₁的输出端、功率开关管S₂的输入端连接到滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接交流端口，功率开关管S₃的输出端、功率开关管S₄的输入端连接交流端口。

2.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述开关电容电路的功率开关管和H桥电路的功率开关管均为IGBT或MOSFET全控功率器件。

3.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述二极管D₁、D₂、D₃、D₄均为碳化硅二极管或快恢复二极管或是超快恢复二极管。

4.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述电容C₁、C₂均为参数一致的电解电容。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述单相七电平逆变电路的八种工作模式控制方式为：

工作模式1，控制所述的开关管S₁、S₄和S₆导通，开关管S₂、S₃、S₅和S₇关断；

工作模式2，控制所述的开关管S₁、S₄、S₅和S₇导通，开关管S₂、S₃、S₆关断；

工作模式3，控制所述的开关管S₁、S₄导通，开关管S₂、S₃、S₅、S₆、S₇关断；

工作模式4，控制开关管S₄、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₂、S₃、S₆关断；

工作模式5，控制所述的开关管S₂、S₅、S₇导通，开关管S₁、S₃、S₄、S₆、关断；

工作模式6，控制所述的开关管S₂、S₃导通，开关管S₁、S₄、S₅、S₆、S₇关断；

工作模式7，控制所述的开关管S₂、S₃、S₅和S₇导通，开关管S₁、S₄、S₆关断；

工作模式8，控制所述的开关管S₂、S₃和S₆导通，开关管S₁、S₄、S₅和S₇关断。

6.根据权利要求1-4任意一项所述的单相七电平逆变器PWM信号的调制方法，其特征在于，通过调节正弦调制波信号M的幅值控制逆变器工作模式，当0<M<1时，逆变器输出三电平模式；当1<M<2时，逆变器输出五电平模式；当2<M<3时，逆变器输出七电平模式；

正弦调制波信号M进行取绝对值处理后得到信号K，信号K与载波v₃通过比较器4进行比较得到输出信号H，当信号K大于等于载波v₃时，比较器4的输出信号H为1，反之，输出信号H为0，该输出信号H作为开关管S₆的PWM控制信号；信号K与载波v₂通过比较器3进行比较得到输出信号I，当信号K大于等于载波v₂时，比较器3的输出信号I为1，反之，输出信号I为0，该输出信号I与信号H通过异或门后得到信号P；信号K与载波v₁通过比较器2进行比较得到输出信号G，当信号K大于等于载波v₁时，比较器2的输出信号G为1，反之，输出信号G为0，该输出信号G通过非门后得到信号N，信号N与信号P通过或门后作为开关管S₅的PWM控制信号，而开关管S₇的PWM控制信号与S₅的PWM控制信号同步；正弦调制波信号M与0通过比较器1进行比较得到输出信号E，信号E与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₁的PWM控制信号；信号E通过非门后得到信号F，信号F与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S₃的PWM控制信号；信号F作为开关管S₂的PWM控制信号，信号E作为开关管S₄的PWM控制信号。

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