一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器的制作方法

本公开属于多电平逆变器，具体涉及一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器。

背景技术：

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

2、逆变器按照直流侧电源形式，可被分为电压源逆变器(voltage source inverter,vsi)和电流源逆变器(current source inverter,csi)。在电路可靠性和抵抗直流短路故障等方面，电流源逆变器相较于电压源逆变器拥有更加优秀的表现，在中压驱动、电机控制等工业领域，电流源逆变器获得了许多应用。在此基础上，为降低功率器件的电流应力，同时提升逆变器的输出电能质量，大功率场景下常采用多电平电流源逆变器。

3、传统的单相五电平电流源逆变器的拓扑结构如图1所示。该电路总体上，包含一个直流电压源和两个并联的变流子模块。每个变流子模块由一个电感和一个单相桥式电路构成。单相桥式电路集成有四个igbt和四个功率二极管，其中各igbt均与一个功率二极管串联。这种传统拓扑方案面临一些固有的弊端：一方面，对于开路较为敏感，电感容易因igbt的误操作或开路故障而在两端感生出高电压，继而损坏电路；另一方面，igbt和功率二极管的数量较多，因而电路的功率密度和构造成本的均不够理想。

4、电感具有能够抑制电流突变的物理特性，因而可以允许电路存在瞬态的短路现象，但相对应地，其所在支路对于开路现象非常敏感。传统电流源逆变器在换流过程中，一旦电路出现开路工作状态，电感两侧将产生超高的电压尖峰，进而造成电路损毁。针对该问题，传统单相五电平电流源逆变器通常依靠设置igbt的叠流时间(overlap time)，从软件调制方面防止桥臂发生开路，但对于开关误动作或损坏等异常工况，电路目前仍然缺少简便有效的应对手段。

技术实现思路

1、本公开为了解决上述问题，提出了一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，一方面拥有更少的igbt器件，降低了生产成本的同时减少了开关误动作或损坏的可能性，另一方面拥有开路故障的容错能力，具备更高的可靠性。

2、为了实现上述目的，本公开提供了如下技术方案：

3、一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，包括多个电感子模块，每个电感子模块包括一个电感，每个电感反向并联一个功率二极管；

4、每个电感子模块的一端和电源正极连接，另一端串联一个功率开关和功率二极管；

5、多个电感子模块并联后串联一个h桥式变流电路后连接至电源负极；

6、h桥式变流电路桥臂之间连接负载，通过基于功率开关的开关组合策略，为负载提供电流。

7、优选的，h桥式变流电路由四个igbt和四个功率二极管构成，一个igbt和一个功率二极管串联在一起为一个组合，每个h桥式变流电路的桥臂上串联两个igbt和功率二极管的组合；

8、每个桥臂上在igbt和功率二极管的组合之间连接有负载。

9、优选的，开关组合策略，具体包括：

10、当某一电感子模块内的功率开关闭合导通时，电源通过该电感子模块的电感，经由该功率开关对滤波器与负载组件进行供能，电流返回至直流电源；当功率开关断开时，该电感子模块的电感通过反向并联的功率二极管形成闭合回路，进入续流状态。

11、优选的，单相多电平电流源逆变器根据并联的电感子模块数量不同逆变器的电平数不同；

12、当为两个电感子模块的并联结构时，单相多电平电流源逆变器为单相五电平电流源逆变器，当为三个电感子模块的并联结构时，单相多电平电流源逆变器为单相七电平电流源逆变器。

13、优选的，与电感反向并联的功率二极管为电感提供续流通路，其余的功率二极管均与igbt串联，为各个igbt提供反向阻断能力。

14、优选的，单相多电平电流源逆变器为单相五电平电流源逆变器，逆变器输出电流为五电平电流，分别为±2id，±id和0。

15、优选的，单相多电平电流源逆变器为单相五电平电流源逆变器，逆变器输出电流为五电平电流，设定每个电感子模块所在支路的电流为id，逆变器的开关工作状态如下：

16、当第一功率开关、第四功率开关、第五功率开关和第六功率开关导通，其余断开时，输出的电流为2id；

17、当第五功率开关或第六功率开关导通，且第一功率开关和第四功率开关导通，其余断开时，输出的电流为id；

18、当第五功率开关或第六功率开关导通，且第二功率开关和第三功率开关导通，其余断开时，输出的电流为-id；

19、当第二功率开关、第三功率开关、第五功率开关和第六功率开关导通，其余断开时，输出的电流为-2id；

20、当第一功率开关和第三功率开关导通或者第二功率开关和第四功率开关导通或者第五功率开关和第六功率开关断开时，输出电流为0。

21、优选的，逆变器的交流电压幅值始终小于直流电源电压值。

22、优选的，与电感反向并联的功率二极管具有相同的额定参数。

23、优选的，多个电感子模块配置为相同的额定参数，为各自支路提供恒定的直流电流。

24、与现有技术相比，本公开的有益效果为：

25、(1)本公开提供了一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，通过电感和功率二极管的反并联结构，能够从硬件结构方面直接解决防止电感开路的难题，可有效提升设备应对开路故障的容错能力。

26、(2)本公开所提出的一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其功率半导体器件数量显著少于传统拓扑方案。在同样输出2k+1电平的条件下，传统拓扑方案需要4k个igbt和4k个功率二极管，而本公开所提的单相多电平电流源逆变器仅需要4+k个igbt和4+2k个功率二极管。功率半导体器件少，发生开路故障可能性降低的同时由于功率半导体器件是电力电子逆变器的核心硬件，直接影响整体设备的成本和工作可靠性，因此本公开所提方案在设备成本和可靠性方面具有积极意义。

技术特征：

1.一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，包括多个电感子模块，每个电感子模块包括一个电感，每个电感反向并联一个功率二极管；

2.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述h桥式变流电路由四个igbt和四个功率二极管构成，一个igbt和一个功率二极管串联在一起为一个组合，每个h桥式变流电路的桥臂上串联两个igbt和功率二极管的组合；

3.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述开关组合策略，具体包括：

4.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述单相多电平电流源逆变器根据并联的电感子模块数量不同逆变器的电平数不同；

5.如权利要求2所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述与电感反向并联的功率二极管为电感提供续流通路，其余的功率二极管均与i gbt串联，为各个i gbt提供反向阻断能力。

6.如权利要求4所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述单相多电平电流源逆变器为单相五电平电流源逆变器，逆变器输出电流为五电平电流，分别为±2i d，±i d和0。

7.如权利要求6所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述单相多电平电流源逆变器为单相五电平电流源逆变器，逆变器输出电流为五电平电流，设定每个电感子模块所在支路的电流为id，所述逆变器的开关工作状态如下：

8.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述逆变器的交流电压幅值始终小于直流电源电压值。

9.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，所述与电感反向并联的功率二极管具有相同的额定参数。

10.如权利要求1所述的防电感开路的单相多电平电流源逆变器，其特征在于，多个所述电感子模块配置为相同的额定参数，为各自支路提供恒定的直流电流。

技术总结
本公开提供了一种防电感开路的单相多电平电流源逆变器，涉及多电平逆变器技术领域，包括多个电感子模块，每个电感子模块包括一个电感，每个电感反向并联一个功率二极管；每个电感子模块的一端和电源正极连接，另一端串联一个功率开关和功率二极管；多个电感子模块并联后串联一个H桥式变流电路后连接至电源负极；H桥式变流电路桥臂之间连接负载，通过基于功率开关的开关组合策略，为负载提供电流。一方面拥有更少的I GBT器件，降低了生产成本，另一方面拥有开路故障的容错能力，具备更高的可靠性。

技术研发人员：芮树玲,齐仁磊,张振,史先好,张健磊,秦志龙,鞠雪强,文玉杰,夏天宇,魏良才,王超,高岩,刘玡朋,杨超,牛欢,孙小涵
受保护的技术使用者：国网山东省电力公司青岛供电公司
技术研发日：
技术公布日：2025/2/20