一种三相多电平逆变器的制作方法

本发明涉及逆变器领域，特别涉及一种三相多电平逆变器。

背景技术：

三相多电平逆变器在工业领域应用广泛，与两电平逆变器相比，具有如下优点：1)功率器件承受的电压应力低；2)输出波形的谐波含量减小；3)逆变器的dv/dt降低，电磁干扰减小。目前多电平逆变器已经广泛应用于中高压光伏发电系统。然而实际应用中，太阳能电池板、光伏逆变器和电网之间存在共模回路，逆变器产生的高频共模电压将在系统共模回路产生高频谐波电流，导致系统出现电磁干扰问题。为了解决该问题，2010年巴西学者m.c.cavalcanti教授等人在ieeetransactionsonindustrialelectronics发表的论文modulationtechniquestoeliminateleakagecurrentsintransformerlessthree-phasephotovoltaicsystems中，通过改进调制的方法，利用三个oddvectors或三个evenvectors合成参考矢量以解决系统共模电压高频变化的问题，但三相光伏逆变器输出电压矢量受到限制，直流电压利用率较低，工业应用受限。此外，该调制方法采用空间矢量调制，实现较为复杂。另一方面，通过改变逆变器电路结构是减小系统电磁干扰的有效途径。燕山大学郭小强教授课题组在ieeetransactionsonindustrialelectronics和ieeetransactionsonpowerelectronics提出多种改进逆变器，比如three-phaseesiinverter，three-phasecascadedh5inverter,three-phasezvrinverter等，有效地减小了光伏系统的电磁干扰。然而，上述方案中，逆变器均存在桥臂直通的现象，降低了系统的可靠性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三相多电平逆变器，以避免桥臂直通的现象，提高系统的可靠性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三相多电平逆变器，所述三相多电平逆变器包括两个直流侧滤波电容和一个三相桥臂；

两个所述直流侧滤波电容串联连接于o点，串联连接的两个直流侧滤波电容的一端与直流电源的正极连接，串联连接的两个直流侧滤波电容的另一端与所述直流电源的负极连接；

每相桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、中间开关器件、第一钳位管、第二钳位管、第一电感和第二电感；

所述第一开关管的一端与所述直流电源的正极连接，所述第一开关管的另一端与所述第二开关管的一端连接，所述第二开关管的另一端与所述中间开关器件的一端连接，所述中间开关器件的另一端与所述第三开关管的一端连接，所述第三开关管的另一端与所述第四开关管的一端连接，所述第四开关管的另一端与所述直流电源的负极连接；

所述第一钳位管的一端与所述第一开关管的另一端连接，所述第一钳位管的另一端与所述第二钳位管的一端连接于o点，所述第二钳位管的另一端与所述第三开关管的另一端连接；

所述第一电感的一端与所述中间开关器件的一端连接，所述第一电感的另一端与所述第二电感的一端连接，所述第二电感的另一端与所述中间开关器件的另一端连接，所述第一电感与所述第二电感的连接点为所述桥臂的输出端。

可选的，所述多电平逆变器还包括三个交流侧滤波电容，三个所述交流侧滤波电容的一端分别与所述三相桥臂的输出端连接，三个所述交流侧滤波电容的另一端共同连接于m点。

可选的，所述m点与所述直流电源的负极连接。

可选的，所述中间开关器件为开关管。

可选的，所述中间开关器件为碳化硅二极管。

可选的，所述中间开关器件为同步整流器件。

可选的，所述第一电感与所述第二电感相互耦合。

可选的，所述第一钳位管和所述第二钳位管为开关管。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开了一种三相多电平逆变器，所述三相多电平逆变器包括两个直流侧滤波电容和一个三相桥臂；每相桥臂包括第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、中间开关器件、第一钳位管、第二钳位管、第一电感和第二电感；本发明的三相多电平逆变器在每相桥臂额外引入一个中间开关器件，不仅为所述第一电感和所述第二电感的电流续流提供了通道，而且避免了桥臂直通现象，因此开关驱动信号无需死区时间，不存在死区引起的输出波形畸变的问题，提高了系统可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种三相多电平逆变器的一种实施方式的电路图；

图2为本发明提供的一种三相多电平逆变器的另一种实施方式的电路图；

图3为本发明提供的一种三相多电平逆变器的共模回路的等效电路图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种三相多电平逆变器，以避免桥臂直通的现象，提高系统的可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种三相多电平逆变器一种实施方式，所述三相多电平逆变器包括两个直流侧滤波电容和三相桥臂。

两个所述直流侧滤波电容分别为cd1、cd2。

所述多电平逆变还包括三个交流侧滤波电容，分别为cf1、cf2、cf3。

a相桥臂的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、中间开关器件、第一钳位管、第二钳位管、第一电感和第二电感分别为s1、s2、s3、s4、s13、s16、s17、l1和l2。

b相桥臂的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、中间开关器件、第一钳位管、第二钳位管、第一电感和第二电感分别为s5、s6、s7、s8、s14、s18、s19、l3和l4。

c相桥臂的第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、中间开关器件、第一钳位管、第二钳位管、第一电感和第二电感分别为s9、s10、s11、s12、s15、s20、s21、l5和l6。

直流电源的正极与cd1的一端连接于“p”点，“p”点与a相桥臂的第一开关管s1的一端、b相桥臂的第一开关管s5的一端以及c相桥臂的第一开关管s9的一端连接。

直流电源的负极与cd2的另一端连接于“n”点，“n”点与a相桥臂的第四开关管s4的另一端、b相桥臂的第四开关管s8的另一端以及c相桥臂的第四开关管s12的另一端连接。

cd1的另一端与cd2的一端连接于“o”点。

a相桥臂的第一开关管s1与第二开关管s2、中间开关器件s13、第三开关管s3、第四开关管s4顺次连接，第一电感l1的一端与第二开关管s2的另一端、中间开关器件s13的一端连接，第二电感l2的一端与中间开关器件s13的另一端、第三开关管s3的一端连接，第一钳位管的一端与第一开关管s1的另一端、第二开关管s2的一端连接，第二钳位管s17的另一端与第三开关管s3的另一端、第四开关管s4的一端连接，第一钳位管s16的另一端与第二钳位管s17的一端连接于“o”点。

第一电感l1的另一端与第二电感l2的另一端、cf1的一端连接于“a”点。

b相桥臂的第一开关管s5与第二开关管s6、中间开关器件s14、第三开关管s7、第四开关管s8顺次连接，第一电感l3的一端与第二开关管s6的另一端、中间开关器件s14的一端连接，第二电感l4的一端与中间开关器件s14的另一端、第三开关管s7的一端连接，第一钳位管的一端与第一开关管s5的另一端、第二开关管s6的一端连接，第二钳位管s19的另一端与第三开关管s7的另一端、第四开关管s8的一端连接，第一钳位管s18的另一端与第二钳位管s19的一端连接于“o”点。

第一电感l3的另一端与第二电感l4的另一端、cf2的一端连接于“b”点。

c相桥臂的第一开关管s9与第二开关管s10、中间开关器件s15、第三开关管s11、第四开关管s12顺次连接，第一电感l5的一端与第二开关管s10的另一端、中间开关器件s15的一端连接，第二电感l6的一端与中间开关器件s15的另一端、第三开关管s11的一端连接，第一钳位管s20的一端与第一开关管s9的另一端、第二开关管s10的一端连接，第二钳位管s21的另一端与第三开关管s11的另一端、第四开关管s12的一端连接，第一钳位管s20的另一端与第二钳位管s21的一端连接于“o”点。

第一电感l5的另一端与第二电感l6的另一端、cf3的一端连接于“c”点。

cf1的另一端与cf2的另一端、cf3的另一端连接于“m”点。

“a”点、“b”点和“c”点为所述三相多电平逆变器的输出端。

其中，a相桥臂的第一电感l1和第二电感l2是相互耦合的，b相桥臂的第一电感l3和第二电感l4是相互耦合的，c相桥臂的第一电感l5和第二电感l6是相互耦合的，可以减小电感量。

通过选择合适的器件替代中间开关器件s13、中间开关器件s14以及中间开关器件s15或者是对中间开关器件s13、中间开关器件s14以及中间开关器件s15施加合适的控制信号，可以避免桥臂直通现象，驱动信号不需要死区时间，因此可以避免死区时间对输出波形的影响。

从电路结构上看，由于传统的滤波电感被相互耦合的第一电感和第二电感代替，并且耦合电感两端分别与中间开关器件连接，在图1中分别为中间开关器件s13、中间开关器件s14和中间开关器件s15，因此电感电流续流时，可以通过中间开关器件s13、中间开关器件s14和中间开关器件s15进行续流，降低了系统的损耗提高系统整体效率。如图1所示，由于第一钳位管s16、s18、s20、第二钳位管s17、s19、s21的存在，使a相桥臂、b相桥臂、c相桥臂的输出电压有三个电平：+e、0、-e。因此，在相同开关频率下，输出波形的谐波含量降低，功率器件承受的电压应力为直流侧的一半。

本发明的中间开关器件s13、s14、s15正常状态下不触发控制，利用其反并联二极管实现器件的导通和续流。当其他器件出现故障时，旁路掉故障器件，控制触发动作，实现系统容错控制，提高系统可靠性。

如图2所示，本发明的三相多电平逆变器的另一种实施方式。该实施方式的电路结构与本发明的第一种实施方式的电路结构基本相同，区别在于该实施方式中的“n”点与“m”点连接。

系统的共模漏电流主要取决于共模电压和共模回路阻抗，由于本发明所述另一种实施方式中“n”点与“m”点连接，在所述三相多电平逆变器的输出端引入了旁路电容，改变了共模回路的阻抗。根据图3所示，交流侧电感在共模回路中的等效电感用l表示，太阳能电池板对地的寄生电容用cpv表示，共模电压用ucm表示，与传统电路拓扑的共模回路相比，本发明的三相多电平逆变器的共模回路中引入了与寄生电容cpv并联的等效电容(cf1+cf2+cf3)，增大了共模回路的阻抗，在共模回路中共模电压变化幅值一定的情况下，共模漏电流的幅值降低，从而达到抑制共模漏电流的目的。通过cf1、cf2和cf3的合理取值，使共模电压的高频分量衰减，共模漏电流减小，cf1、cf2和cf3的具体容值根据实际需要来定。

所述中间开关器件为开关管时，所述中间开关器件为碳化硅二极管时，及所述中间开关器件为同步整流器件又可构成三种不同的方案。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明的三相多电平逆变器在每相桥臂额外引入一个中间开关器件，不仅为电感电流续流提供了通道，而且避免了桥臂直通现象，因此开关驱动信号无需死区时间，不存在死区引起的输出波形畸变的问题，系统可靠性高。同时，通过增大系统共模回路的阻抗，有效降低共模漏电流的幅值，系统共模特性得到改善，在提高系统效率的同时解决了系统电磁干扰问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。