一种级联多电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开一种新型级联多电平逆变器，该逆变器拓扑由一种双T型多电平单元拓扑依次串联级联构成。该双T型多电平逆变器由两个三电平T型桥臂采用背靠背组合而成，两个三电平T型桥臂共用一个直流母线，直流母线由两个电解电容串联构成，减少了独立供电的直流电源数量，节约了体积和成本。与传统的级联多电平逆变器相比，由新型双T型多电平逆变器串联构成的级联多电平逆变器采用较少的功率器件，可以输出更多的电压电平数，输出电压中谐波含量较低，具有较好的电磁兼容性能、较低的功率开关损耗及较高的可靠性。该新型级联多电平逆变器拓扑还具有易于模块化和采用软开关技术等优点，较适合于并网系统逆变器应用中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子直流-交流多电平逆变器领域，具体涉及一种新型级联多电 平逆变器。
技术介绍
随着世界能源的紧缺和环境污染的日益严重，清洁的可再生能源备受人们的青 睐，可再生能源的发展和应用依赖于性能优良的直流-交流逆变器装置。因此，亟需研究 结构简单，输出电能质量较好，效率较高的逆变器装置。逆变器是用于实现直流-交流电 能转换的电子装置，按照直流侧电源性质的不同，逆变器可以分为电压源型逆变器和电流 源型逆变器。传统的两电平逆变器通常应用于低压小功率的用电领域。未来电力电子技 术研究的目标为高功率密度、高效率、高性能。在实现大功率变换的解决方案中，多电平逆 变器因其控制方式多样、输出波形谐波畸变率低、功率器件电压应力低、电磁干扰（Electro MagneticInterference，EMI)少、逆变效率高等良好的特性已成为高压大功率应用的 热点，例如高压电机变频调速、柔性交流输电、高压直流输电、统一电能质量调节器等领 域。R.H.Baker于1975年最早提出了级联Η桥多电平变流器的概念；日本学者A.Nabae、 H.Akagi等人于1983年提出了中点箝位型多电平PWM逆变器；T.A.Meynard于1992年提出 了飞跨电容型多电平逆变器。图1(a)和图1(b)所示分别为二极管箝位型和飞跨电容箝位 型多电平逆变器拓扑。图1(a)所示的二极管箝位型多电平逆变器在直流侧由（n-1)个电 容串联产生η电平的相电压，每相桥臂包括2(n-l)个串联连接的功率开关管，每个功率开 关管两端反向并联有一个快速恢复二极管，还包括并联在功率开关管支路上的（n-1) (n-2) 个箝位二极管，用于为各个功率开关管进行电压箝位。图1(b)所示为飞跨电容箝位型多电 平逆变器拓扑，在直流侧由（n-1)个电容串联产生N电平相电压，每相桥臂包括2(n-l)个 串联连接的功率开关管，每个功率开关管两端反向并联有一个快速恢复二极管，每相桥臂 还需要（n-1) (n-2)/2个箝位电容，用来实现各个功率开关管的均压。图2所示为级联Η桥 型多电平逆变器拓扑，由η个全桥相互级联构成，包括4η个功率开关管及相应的反并联二 极管、η个独立的直流电源及η个直流电容构成。前两种多电平逆变器拓扑虽然能够实现 多电平电压输出，但是需要大量的箝位二极管或者飞跨电容，从而会使系统体积庞大，可靠 性降低，成本增加。级联Η桥多电平逆变器拓扑结构具有使用器件少、不需要箝位二极管和 飞跨电容、易于模块化和采用软开关技术等优点，被认为是比较适合于并网系统的逆变器。 近年来，在传统级联Η桥多电平逆变器基础上，大量的新型级联多电平逆变器拓 扑相继被提出，旨在实现更高电平数的电压输出、改善输出电能质量。
技术实现思路
专利技术目的：为了解决目前传统多电平逆变器结构复杂，体积较大，可靠性较低的问 题，本专利技术公开了一种新型双Τ型多电平逆变器单元拓扑及新型级联多电平逆变器，同时 提出在单元拓扑中采用直流侧电压混合不对称的算法，构成新型混合级联不对称多电平逆 变器，使一部分单元模块运行于高频模式，另一部分单元模块运行于低频模式，提高输出电 压电平数的同时降低了开关损耗，从而进一步减少EMI，改善输出电能质量。 技术方案：一种新型级联多电平逆变器，其特征在于，该新型级联多电平逆变器由 模块1至模块η的η个双T型多电平逆变器单元拓扑依次串联级联构成。所述的双T型多 电平逆变器单元拓扑，其特征在于，包括左侧桥臂、上半桥臂、下半桥臂、直流母线、右侧桥 臂。 左侧桥臂包括功率开关管和功率开关管，功率开关管和功率开关管的发射极与发 射极相连后连接至直流侧电容Cm的负极性端。上半桥臂中点箝位双向功率开关管由两个 功率开关管米用共发射极接法构成，两个功率开关管的发射极与发射极相连，一端接至直 流母线电容的中点，另一端接至正极性输出端A。下半桥臂中点箝位双向功率开关管由两个 功率开关管米用共发射极接法构成，两个功率开关管的发射极与发射极相连，一端接至直 流母线的中点，另一端接至负极性输出端B。右侧桥臂包括功率开关管和功率开关管，功率 开关管和功率开关管的集电极与集电极相连后连接至直流侧电容Cde2的正极性端。左侧上 半桥臂功率开关管的集电极、上半桥臂中点箝位双向功率开关管的集电极及右侧上半桥臂 功率开关管的发射极相连后接至正极性输出端A。左侧下半桥臂功率开关管的集电极、下半 桥臂中点箝位双向功率开关管的集电极及右侧下半桥臂功率开关管的发射极相连后接至 负极性输出端B。直流母线由两个电解电容Cm和C^串联构成，C&的负极性端连接至左 侧桥臂的中点，Cdel的正极性端与Cde2的负极性端相连，Cde2的正极性端连接至右侧桥臂的 中点。 新型双T型多电平逆变器单元拓扑，单元模块中直流测电容电压取值相同时构成 对称多电平逆变器；直流侧电容电压取值不同时构成不对称多电平逆变器。在直流母线电 容电压对称和不对称两种模式下，逆变器的开关状态和相应的输出电压电平为： (1)直流母线电容电压对称模式：vdcl=vdc2=Vdc 表1对称模式下开关状态和输出电压 (2)直流母线电容电压不对称模式：Vdc2= 2V2Vd。 表2不对称模式下开关状态和输出电压 在输出相同电平数7电平情况下，新型双T型不对称多电平逆变器与二极管箝位 型、飞跨电容箝位型及级联Η桥型三种传统多电平逆变器的参数对比如表3所示。 表3新型双Τ型多电平逆变器与传统多电平逆变器的对比 本专利技术公开的一种新型单相级联多电平逆变器由η个双Τ型多电平逆变器单元模 块依次串联级联构成。单元模块1的负极性输出端接至单元模块2的正极性输出端，单元 模块2的负极性输出端接至单元模块3的正极性输出端，…单元模块η-1的负极性输出端 接至单元模块η的正极性输出端。 新型单相级联多电平逆变器中各个单元模块的直流测电容电压取值相同时构成 级联对称多电平逆变器；各个单元模块中直流侧电容电压取值不相同时构成混合级联不对 称多电平逆变器。混合级联不对称多电平逆变器可以由η个直流侧电压不相等的对称单元 模块级联构成，也可以由η个不对称的单元模块级联构成。表4所示为单元模块中直流侧 电容电压三种不对称模式下的相应参数。其中，NleTCl为输出电平数，V_(n)为η个单元模 块中最大的输出电压，V_为新型级联多电平逆变器总的最大输出电压，VblcKk为所有功率开 关管承受的最大反向峰值电压之和。 表4不对称模式及相应的参数 有益效果：相比于传统多电平逆变器，本专利技术公开的一种新型单相级联多电平逆 变器具有以下优势： (1)与二极管箝位型和飞跨电容箝位型两种多电平逆变器相比，在输出相同电平 数的情况下，使用的功率开关管数量和隔离驱动数量均大大减少，不需要额外增加箝位二 极管或者飞跨电容，因此，减小的系统体积和复杂度，降低了成本。 (2)与传统的级联Η桥型多电平逆变器相比，该新型混合级联不对称多电平逆变 器，输出相同电平数的情况下，使用的功率开关管数量、直流侧电容数量均大大减少，而且 部分单元模块运行于低频状态，降低了开关损耗，从而节约了系统成本。 (3)双Τ型多电平单元模块有14种不同的电流流通路径，含有大量的冗余开关矢 量，相比于传统的多电平逆变器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联多电平逆变器，其特征在于：所述逆变器由至少两个双T型多电平逆变器单元拓扑依次串联级联构成，所述的双T型多电平逆变器单元拓扑由左侧桥臂(1)、上半桥臂(2)、下半桥臂(3) 、直流母线(4)、右侧桥臂(5)构成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张建忠，徐帅，胡省，姜永将，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32