一种三电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种三电平逆变器，包括：第一直流源、第二直流源、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管以及第六开关管，其中，第一开关管和第四开关管为高速IGBT，第二开关管、第三开关管、第五开关管及第六开关管为低速IGBT。该发明专利技术的有益效果为：通过配置不同开关特性参数的IGBT，降低系统损耗，提高逆变器的转换效率；此外，外管使用MOSFET承受主要的开关损耗，从而提高了开关速度，降低了开关损耗，通过附加二极管解决MOSFET自带体二极管反向恢复特性较差的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种三电平逆变器
本专利技术涉及电力电子
，尤其涉及一种三电平逆变器。
技术介绍
随着电力电子技术的不断发展，PWM(PulseWidthModulation)调制已经逐渐成为主流的电力电子变换器控制方式，在UPS(UninterruptiblePowerSupply不间断供电设备)、光伏逆变器、风能变流器以及电机变流器等方面应用越来越广泛。从逆变器输出相电压的电平数量划分为两电平变换器、三电平变换器、五电平变换器以及多电平变换器。从实现的复杂度上，五电平及更多电平的多电平变换器实现起来比较困难，目前业界应用较多的是两电平和三电平逆变器。两电平变换器实现起来比较简单，成本较低，但是由于开关器件要承受整个母线电压应力。因此必须选择耐压等级较高的开关器件，另外开关损耗较大，限制了PWM开关频率的提高，由于两电平输出电压谐波含量较高，导致输出滤波器的体积和损耗都比较大。三电平变换器比两电平变换器输出电平多，开关器件承受的电压应力为两电平的一半，因此可以选择耐压等级较低的开关器件，开关管的开关损耗较低，输出电压的谐波含量低于两电平，因此输出滤波器的体积可以减小。目前常用的是传统二极管箝位三电平逆变器(3Level-NeturalPointClamped3L-NPC)。传统的二极管中点箝位型三电平拓扑如下图所示：图1传统二极管中点箝位三电平电路拓扑，由于箝位二极管和内层箝位开关器件的存在，每相电路可以输出Vdc/2、0、-Vdc/2三个电平，线电压可以获得5电平的电压输出。图2a-2c是3L-NPC拓扑的开关状态，由图中可知3L-NPC存在唯一的零电平开关状态，根据负载电流的方向，当电流方向为正的时候只能通过上侧中间的开关管和二极管流过电流，当电流方向为负的时候，只能通过下侧的开关管和二极管流过电流。由于电流的方向被负载电流唯一确定，因此输出零电平时的电流是不可控的，这就会导致功率器件的损耗不平衡问题，这是3L-NPC拓扑固有的问题。3L-NPC拓扑开关器件不同条件下损耗分布如下表所示：表1传统二极管箝位三电平拓扑开关器件损耗分布功率因数调制比损耗最大器件条件111.15S1和S2c条件210D11和D12条件3-11.15D1和D2c条件4-10S1c和S2另外，当输出Vdc/2电平的时候，S1C和S2C串联承受整个母线电压，如果由于器件差异性或其它因素导致两个开关器件不均压，可能会导致一个开关器件承受大于Vdc/2的母线电压或更高，严重时会使器件两端电压过高导致过压损坏，特别是在高压应用的场合，要增加辅助的均压电路，增加了系统成本。在传统3L-NPC电路中的箝位二极管上并联有源可控器件而构成的有源中点箝位三电平(3L-ANPC)变换器拓扑，如图3所示。这种拓扑可以从根本上解决在二极管箝位多电平拓扑中，由于内层开关器件是间接箝位导致内外层开关器件阻断电压不相等的问题。但这种拓扑结构最大的优点是可以有效地改善NPC电路中开关器件功耗不平衡问题。图4a-4d是3L-ANPC的开关状态图，由于二极管并联了有源器件，输出0电平可以通过0U实现，也可以通过0L实现，可切换的0电平开关状态对于功率器件的损耗平衡非常有益，当输出电平Vdc/2时，开关管器件S1、S1c和S2c同时开通，S2c虽然对输出电平没有影响，但是S2c将开关器件S3c箝位到Vdc/2，这样对于器件阻断电压的平均分配非常有利，可以去掉3L-NPC拓扑中的辅助钧压电路。上述的三电平逆变器拓扑在电力电子领域已经被广泛的应用。拓扑中的开关器件应用最广泛的三电平逆变器中采用绝缘栅双极性晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT)但IGBT的缺点是开关速度慢、损耗大，因此PWM开关频率的提高受到限制。另外也有一些厂商的三电平逆变器拓扑采用金属氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，MOSFET)作为开关器件，但由于MOSFET内部寄生二极管的反向恢复特性非常差，在电流通过寄生二极管续流时，会导致相关的电气问题，进而影响产品的可靠性。如果采用IGBT和MOSFET混合的方式，将3L-NPC的S1和S4或3L-ANPC的S1和S3c采用MOSFET，其它器件采用IGBT的方式实现，那么可以发挥各自开关器件的优点，但是仍然存在MOSFET体二极管反向恢复带来的电气问题，因此如何能够提高3L-NPC或3L-ANPC的效率仍然是非常关键的技术问题。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于，针对上述3L-NPC或3L-ANPC效率低的问题，提供一种三电平逆变器。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一方面，构造一种三电平逆变器，包括：第一直流源；第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；第一开关管，所述第一开关管为高速IGBT，其集电极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；第二开关管，所述第二开关管为低速IGBT，其集电极与所述第一开关管的发射极连接作为第三节点；第三开关管，所述第三开关管为低速IGBT，其集电极与所述第二开关管的发射极连接作为第四节点；第四开关管，所述第四开关管为高速IGBT，其集电极与所述第三开关管的发射极连接作为第五节点，其发射极与所述第二直流源的负极连接作为第六节点；第五开关管，所述第五开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第三节点，其发射极连接于所述第一节点；第六开关管，所述第六开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第一节点，其发射极连接于所述第五节点；所述高速IGBT的开关特性参数不同于所述低速IGBT的开关特性参数。在本专利技术所述的三电平逆变器中，所述开关特性参数包括关断损耗、开通损耗、关断时间以及开通时间。在本专利技术所述的三电平逆变器中，所述高速IGBT的关断损耗小于所述低速IGBT的关断损耗和/或高速IGBT的开通损耗小于所述低速IGBT的开通损耗和/或高速IGBT的关断时间小于所述低速IGBT的关断时间和/或高速IGBT的开通时间小于所述低速IGBT的开通时间。在本专利技术所述的三电平逆变器中，所述高速IGBT的关断损耗小于所述低速IGBT的关断损耗和高速IGBT的开通损耗大于所述低速IGBT的开通损耗。在本专利技术所述的三电平逆变器中，还包括：第一二极管，其阴极连接于所述第一开关管的集电极，其阳极连接于所述第一开关管的发射极；第二二极管，其阴极连接于所述第二开关管的集电极，其阳极连接于所述第二开关管的发射极；第三二极管，其阴极连接于所述第三开关管的集电极，其阳极连接于所述第三开关管的发射极；第四二极管，其阴极连接于所述第四开关管的集电极，其阳极连接于所述第四开关管的发射极；第五二极管，其阴极连接于所述第五开关管的集电极，其阳极连接于所述第五开关管的发射极；第六二极管，其阴极连接于所述第六开关管的集电极，其阳极连接于所述第六开关管的发射极。另一方面，提供另一种三电平逆变器，包括：第一直流源；第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；第一开关管，所述第一开关管为MOSFET，其集电极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；第二开关管，所述第二开关管为IGBT，其集电极与所述本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种三电平逆变器，其特征在于，包括：第一直流源；第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；第一开关管，所述第一开关管为高速IGBT，其集电极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；第二开关管，所述第二开关管为低速IGBT，其集电极与所述第一开关管的发射极连接作为第三节点；第三开关管，所述第三开关管为低速IGBT，其集电极与所述第二开关管的发射极连接作为第四节点；第四开关管，所述第四开关管为高速IGBT，其集电极与所述第三开关管的发射极连接作为第五节点，其发射极与所述第二直流源的负极连接作为第六节点；第五开关管，所述第五开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第三节点，其发射极连接于所述第一节点；第六开关管，所述第六开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第一节点，其发射极连接于所述第五节点；所述高速IGBT的开关特性参数不同于所述低速IGBT的开关特性参数。

【技术特征摘要】
1.一种三电平逆变器，其特征在于，包括：第一直流源；第二直流源，其正极与所述第一直流源的负极连接作为第一节点；第一开关管，所述第一开关管为高速IGBT，其集电极与所述第一直流源的正极连接作为第二节点；第二开关管，所述第二开关管为低速IGBT，其集电极与所述第一开关管的发射极连接作为第三节点；第三开关管，所述第三开关管为低速IGBT，其集电极与所述第二开关管的发射极连接作为第四节点；第四开关管，所述第四开关管为高速IGBT，其集电极与所述第三开关管的发射极连接作为第五节点，其发射极与所述第二直流源的负极连接作为第六节点；第五开关管，所述第五开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第三节点，其发射极连接于所述第一节点；第六开关管，所述第六开关管为低速IGBT，其集电极连接于所述第一节点，其发射极连接于所述第五节点；所述高速IGBT的开关特性参数不同于所述低速IGBT的开关特性参数。2.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，所述开关特性参数包括关断损耗、开通损耗、关断时间以及开通时间。3.根据权利要求2所述的三电平逆变器，其特征在于，所述高速IGBT的关断损耗小于所述低速IGBT的关断损耗和/或高速IGBT的开通损耗小于所述低速IGBT的开通损耗和/或高速IGBT的关断时间小于所述低速IGBT的关断时间和/或高速IGBT的开通时间小于所述低速IGBT的开通时间。4.根据权利要求2所述的三电平逆变器，其特征在于，所述高速IGBT的关断损耗小于所述低速IGBT的关断损耗和高速IGBT的开通损耗大于所述低速IGBT的开通损耗。5.根据权利要求1所述的三电平逆变器，其特征在于，还包括：第一二极管，其阴极连接于所述第一开关管的集电极，其阳极连接于所述第一开关管的发射极；第二二极管，其阴极连接于所述第二开关管的集电极，其阳极连接于所述第二开关管的发射极；第三二极管，其阴极连接于所述第三开关管的集电极，其阳极连接于所述第三开关管的发射极；第四二极管，其阴极连接于所述第四开关管的集电极，其阳极连接于所述第四开关管的发射极；第五二极管，其阴极连接于所述第五开关管的集电极，其阳极连接于所述第五开关管的发射极；第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张永辉，
申请(专利权)人：艾默生网络能源有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44