[发明专利]单相九电平变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平电力电子变换器。

背景技术

为了提高电压耐受等级，减小输出电压的谐波含量，以及减小由于较高的dv/dt（电压上升率）而造成的电磁干扰等目的，多电平电力电子变换器一直以来都获得了广泛的关注和研究，也产生了大量的实际应用装置。国内外相关的研究机构及研发企业和单位也提出了多种拓扑结构的多电平变换器。

然而，目前几乎所有的多电平电力电子变换器都是通过采用多个直流电源来实现输出电压的多个（三个以上）电平。例如，传统的级联H桥型多电平变换器需要采用多个独立的直流电源；而二极管箝位型多电平变换器和飞跨电容型多电平变换器均通过分裂电容来获得多个电平的直流电压，间接地得到了多个直流电源。在已有专利中，美国专利US6005788、US7219673、US20060044857和US20090237962以及中专利200610019724、200710062642、200520044611.2、200720083744.X、200810204472、200710064575.X、200710114460.7、200710144523.3、200810105139.7、200810118834.7、200810118835.1、200910045506.3等等均是采用了多个变压器获得独立直流电源或者通过分裂直流电容电压的方式来获得多个电平的输出电压。对于单相多电平的变换器来说，为了实现九个电平的输出电压传统的电路拓扑，如级联H桥型、二极管箝位型、飞跨电容型等都需要四个直流电源（或四个分裂的直流电容）和至少十六只全控型电力电子器件。然而，采用多个变压器获得独立直流电源时会增加变换器的体积和重量；而采用多个分裂的直流电容时由于多个电容电压均需要控制和相互均衡，因此会使得变换器的控制系统变得复杂，从而降低了系统运行的可靠性。

发明内容

本发明旨在克服现有单相九电平变换器的缺点，减少直流电压和直流电容，在降低输出电压谐波含量的同时提高多电平变换器运行的可靠性。

本发明由一个传统的二极管箝位型三电平三相桥和两个耦合电感构成。所述的二极管箝位型三电平三相桥的三个桥臂由电力电子功率器件构成。三相桥中的一个桥臂的输出端作为本发明单相九电平电压型变换器输出端的一个端子；三相桥中的另外两个桥臂的输出端分别与两个耦合电感的两个非公共连接点相连，耦合电感的公共连接点作为本发明单相九电平变换器输出端的另外一个端子。同时，两个耦合电感的连接方式为顺接连接，即两个耦合电感的公共连接点为一个耦合电感的同名端与另外一个耦合电感非同名端的公共连接点。

本发明单相九电平变换器具有以下特点和优势：

1.只需要两个直流电源和十二个全控型电力电子开关器件就可以产生九电平的输出电压。相对于传统的单相九电平变换器，本发明所需全控型器件的数量少，结构简单，可靠性高。

2.每个电力电子功率器件的直流电压应力均相同，便于器件的设计和选择。

3.输出电压的最小电平值为直流母线电压的1/4，与单相全桥型变换器相比可以大大降低谐波含量和输出电压的dv/dt，也就可以降低系统运行时的电磁干扰。

4.只需要在常见的二极管箝位型三电平三相桥基础上加入两个耦合电感即可实现，结构简单，十分便于生产制造。

5.本发明配置灵活，适用范围广，既可以用于单相系统也可以用于三相系统，例如整流器、逆变器等。当模块进行级联时也可以应用于高压系统，例如高压直流输电系统、高压交流变频系统等。

附图说明

图1为本发明单相九电平变换器的电路原理图；

图2为本发明单相九电平变换器输出电压u_ab的仿真波形图；

图3为负载电流i_b的仿真计算波形图；

图4为u_ab的频谱分析图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。