[发明专利]基于桥式开关电容模块的五电平自平衡逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及多电平逆变器，尤其是涉及一种基于桥式开关电容模块的五电平自平衡逆变器。

背景技术

随着电力电子装置等非线性负载和时变性负载在电力系统、工业、轨道交通以及家电中的大量应用，电网的无功与谐波损耗也日益严重。电网中的无功与谐波损耗不仅导致了发电、输配电和用电效率降低，还影响了电器设备的可靠性，严重时可能造成设备损坏，危及电网的安全运行。而采用高压大容量多电平逆变器构成的综合潮流控制器(UPFC)和电力有源滤波器则成为了解决上述问题的一种最直接有效的治理方法。

在中高压大容量变频调速器和电力有源滤波器大量应用的促使下，多电平逆变器已成为当前电力电子技术中备受人们关注的重要研究热点。它具有以下优点：在电平数为n的多电平电路中，每个功率器件的电压应力仅为直流母线电压的1/(n-1)；电平数的增加可有效减小输出电压的总谐波失真；输出相同质量电压波形的条件下，开关频率较低，开关损耗小；相比于两电平变流器，在相同的电压等级下，du/dt应力大大减小，在高压大容量电机驱动中，可有效防止电机转子绕阻绝缘击穿，同时改善装置的电磁干扰特性。基于以上优点，多电平逆变器在中高压交流电机调速、分布式发电、静止无功补偿、新型直流输电等领域有良好的应用前景。

目前的多电平变换器，按主电路拓扑结构主要可划分为三类基本拓扑结构：二极管钳位型多电平变换器、飞跨电容型多电平变换器和级联型多电平变换器。其中飞跨型电容钳位拓扑利用钳位电容实现器件钳位，需要大量的钳位电容；另该种拓扑存在电容电压不平衡的问题，因而其推广应用受到限制。2000年彭方正综合多种钳位多电平变换器提出了电容钳位自平衡式多电平逆变器，又称通用式多电平逆变器，该种逆变器拓扑具备了电容电压自平衡功能，无需特殊的均压电路或复杂的电容均压控制，就可以实现有效的中点电压控制。这种电路可以方便的应用于无磁路连接、高效紧凑、低电磁干扰的电能变换装置，如DC-DC变换器、电压型DC-AC逆变电源等。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于桥式开关电容模块的五电平自平衡逆变器。

本发明设有桥式开关电容模块与两组半桥电路；

所述桥式开关电容模块设有H桥和开关电容模块，所述H桥设有第一高频开关S₁、第二高频开关S₂、第三高频开关S₃、第四高频开关S₄；所述开关电容模块设有第一电容网络串联连接的第一电容C_1a和第二电容C_1b、第二电容网络串联连接的第三电容C_2a和第四电容C_2b，以及4个全控器件MOSFET开关管S_1a、S_1b、S_2a、S_2b；

桥式开关电容模块通过控制第一高频开关S₁、第二高频开关S₂、第三高频开关S₃、第四高频开关S₄与4个全控器件MOSFET开关管S_1a、S_1b、S_2a、S_2b的通断实现第一电容网络串联连接的第一电容C_1a和第二电容C_1b两端电压U_C1a、U_C1b为输入电压U_i，第二电容网络串联连接的第三电容C_2a和第四电容C_2b两端电压U_C2a、U_C2b为2U_i；

所述两组半桥电路由4个全控器件MOSFET开关管S₅、S₆、S₇、S₈构成，全控器件MOSFET开关管S₅、S₆串联构成第一半桥网络并与第一电容网络并联；全控器件MOSFET开关管S₇、S₈串联构成第二半桥网络并与第二电容网络并联。

所述基于桥式开关电容模块的五电平自平衡逆变器可通过控制开关工作状态输出0、±2U_i、±4U_i五种电平，在多电平输出的同时实现了升压输出。