一种单相三电平逆变电路及其控制方法

本发明属于电力电子领域，尤其涉及一种单相三电平逆变电路及其控制方法。

背景技术：

1、本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

2、随着电力电子技术的发展，光伏逆变器对效率、功率密度和可靠性的追求更高。与传统三电平逆变器相比，单相三电平逆变器在输出电压和电流谐波性能上表现更优，兼顾了系统性能与复杂程度，是实现高效率、高可靠性、低谐波的理想选择。

3、随着碳化硅(silicon carbide，sic)器件的生产工艺逐渐成熟，其高开关频率、低开关损耗和高阻断电压等优势都给逆变器的效率和功率密度带来了更大的提升空间，但与传统硅(silicon，si)器件相比，sic器件的成本相对高昂，现有单相三电平逆变器采用传统si igbt器件，在高频应用中开关损耗高，效率较低。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的至少一项技术问题，本发明的第一方面提供一种单相三电平逆变电路及其控制方法，其采用了一种混合应用sic mosfet和si igbt的单相三电平逆变器，通过特定的优化调制策略降低通态损耗，同时使电路中的高频硬开关动作全部集中在sic mosfet上，从而实现降低开关损耗提高效率的目的。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种单相三电平逆变电路,包括：多个开关管和二极管，每个开关管反并联一个二极管；

4、第一开关管和第五开关管的第一端接母线正极，第四开关管和第八开关管的第二端接母线负极；第一开关管的第二端接第二开关管和第五二极管的第一端，第五开关管的第二端接第六开关管和第九开关管的第一端；

5、第四开关管和第八开关管的第一端分别接第三开关管、第六二极管和第七开关管、第十开关管的第二端，第五二极管和第九开关管的第二端、第六二极管和第十开关管的第一端均接入母线中点；

6、第二开关管的第二端、第三开关管的第一端连接在一起形成第一桥臂端，第六开关管的第二端和第七开关管的第一端连接在一起形成第二桥臂端；其中，所述第五开关管和第八开关管由sic mosfet构成；

7、所述第一开关管～第四开关管、第六开关管、第七开关管、第九开关管和第十开关管由si igbt构成。

8、作为一种实施方式，将母线正极端记为p端，母线负极记为n端，母线中点记为o端，则换流过程包括pn、po、pp、nn、no、np六个主要状态和五个过渡状态。

9、作为一种实施方式，正半周期电路存在两种换流pn-po-pn和po-pp-po，通过pn-po-pn换流用于输出电压vdc-1/2vdc-vdc的切换，通过po-pp-po换流用于输出电压1/2vdc-0-1/2vdc的切换；

10、负半周期电路存在两种换流np-no-np和no-nn-no，通过np-no-np换流用于输出电压-vdc向-1/2vdc再向-vdc的切换，通过no-nn-no换流用于输出电压-1/2vdc向0再向-1/2vdc的切换。

11、作为一种实施方式，所述通过pn-po-pn换流用于输出电压vdc-1/2vdc-vdc的切换，具体包括：

12、电路为pn状态时，第一开关管、第二开关管、第七开关管和第八开关管导通，电流通过第一开关管和第二开关管流出，通过第七开关管和第八开关管流入，输出电压vab为vdc；

13、随后第八开关管关断，第十开关管并联的二极管自然导通，原本流过第八开关管的电流通过第十开关管并联的二极管进行续流，此时电路输出电压vab为1/2vdc；

14、然后第十开关管零电压开通，电路输出电压为1/2vdc；

15、然后第六开关管和第九开关管零电压开通，进入po状态；

16、电流通过第一开关管、第二开关管流出，通过第六开关管并联的二极管、第九开关管和第七开关管、第十开关管并联的二极管两并联回路流入，电路输出电压为1/2vdc；

17、电路由po状态向pn状态切换时，与上述过程对称，首先第六开关管和第九开关管零电压关断，然后第十开关管零电压关断，随后第八开关管导通，继而完成po到pn状态的切换。

18、作为一种实施方式，所述通过po-pp-po换流用于输出电压1/2vdc-0-1/2vdc的切换，具体包括：

19、电路由po向pp状态切换时，第九开关管零电压关断，第五开关管导通；第七开关管和第十开关管零电流关断，进入pp状态，此时第一开关管、第二开关管、第五开关管和第六开关管导通，电流通过第一开关管和第二开关管流出，通过第六开关管、第五开关管流入，电路输出电压为0；

20、电路由pp状态向po状态切换时，与上述过程对称，第七开关管和第十开关管零电流导通，第五开关管关断，第九开关管零电压导通，进入po状态；

21、在输出电压过零点，电路需要完成pp-nn的切换；首先使第四开关管和第八开关管零电流导通，然后第一开关管和第五开关管关断，第三开关管和第七开关管导通，第二开关管和第六开关管零电流关断，进入nn状态；此时电流通过第三开关管和第四开关管反并联的二极管流出，通过第七开关管和第八开关管流入，电路输出电压为0。

22、作为一种实施方式，所述通过np-no-np换流用于输出电压-vdc向-1/2vdc再向-vdc的切换，通过no-nn-no换流用于输出电压-1/2vdc向0再向-1/2vdc的切换，具体包括

23、电路由nn向no状态切换时，第八开关管关断，第十开关管反并联的二极管自然导通续流，此时电路输出电压为-1/2vdc；

24、在此基础上第十开关管零电压导通，此时电路输出电压为-1/2vdc；

25、然后第六开关管和第九开关管零电压开通，进入no状态，此时电流通过第四二极管和第三二极管流出，通过第二二极管、第九开关管和第七开关管、第十二极管两并联回路流入；

26、电路由no状态像nn状态切换时，与上述过程对称，首先第六开关管、第九开关管零电压关断，然后第十开关管零电压关断；随后第八开关管导通，继而完成no到nn状态的切换；

27、no向np状态切换时，第七开关管和第十开关管零电压关断；第五开关管导通；第九开关管零电流关断，进入np状态，电路由np状态像no状态切换时，与上述过程对称，第七开关管和第十开关管零电流导通，第五开关管关断，第九开关管零电流导通，进入no状态。

28、作为一种实施方式，硬开关损耗只存在于第五开关管和第八开关管上，no和po状态右侧桥臂采用两电路并联的模式通流。

29、为了解决上述问题，本发明的第二方面提供一种单相三电平逆变电路控制方法，其采用了一种混合应用sic mosfet和si igbt的单相三电平逆变器，通过对应的优化调制策略降低通态损耗，同时使电路中的高频硬开关动作全部集中在sic mosfet上，从而实现降低开关损耗提高效率的目的。

30、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：所述控制方法应用于第一方面中任一所述的一种单相三电平逆变电路，其用于基于混合应用sic mosfet和si igbt的单相三电平逆变器，通过对应的优化调制策略降低通态损耗，同时使电路中的高频硬开关动作全部集中在sic mosfet上。

31、本发明的有益效果是：

32、本发明采用了一种混合应用sic mosfet和si igbt的单相三电平逆变器，通过对应的优化调制策略降低通态损耗，同时使电路中的高频硬开关动作全部集中在sic mosfet上，从而实现降低开关损耗提高效率的目的。

33、本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。