[发明专利]一种使用三端开关网络的多电平逆变器功率拓扑、控制方式及逆变器系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种多电平逆变器，尤其是一种使用三端开关网络的多电平功率拓扑逆变器系统及其控制方式。

背景技术

逆变器将直流电转换为交流电，是电机驱动变频器、感应加热装置、不间断电源(UPS)，及风能、太阳能光伏、与燃料电池等新能源发电系统中的重要组成部分。转换效率、输出谐波是逆变器最重要的电气指标之一，高转换效率可降低能量损失，低谐波能改进电能质量。

逆变器内部功率器件和输出滤波电感的功率损耗限制了逆变器效率的进一步提高，同时市场竞争的日剧激烈、功率开关管、及钢铁铜等原材料价格的上涨，给逆变器厂家带来了很大的成本压力。当前受限于功率器件的性能，传统逆变器拓扑中功率器件和滤波电感的功率损耗已经很难进一步降低，研制高性能、低成本的逆变器成为各个逆变器厂家的关键目标之一。

传统半桥两电平拓扑逆变器使用高耐压的功率开关器件，存在较大通态损耗和开关损耗，从而降低了整个系统的转换效率。同时输出滤波电感体积较大，进一步影响了效率与成本，并且输出电能质量较差。近年来多电平逆变器拓扑得到了越来越多的实际应用，可使用低耐压功率开关管以降低损耗，同时减小电感体积、并改进电能质量。其中，中点箝位型NPC多电平拓扑由于电路结构简洁，从而大量应用在UPS与光伏逆变器中。但NPC多电平拓扑中功率开关管数量太多，系统控制变得更加复杂，同时钳位二极管增加了总损耗、降低了效率。

工业界期望更佳性能的逆变器出现，可降低功率开关器件的通态损耗与开关损耗，并降低输出滤波电感损耗和成本，这种新型逆变器可改进传统两电平与NPC多电平拓扑的限制与不足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种开关器件损耗小、输出电流谐波小的，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种使用三端开关网络的多电平功率拓扑逆变器系统，其逆变器电路包括输入电压、电源开关、输入滤波电容、变压器、输出滤波电容和输出滤波电感，所述电源开关包括功率开关管和二极管，所述变压器是反相耦合变压器；输入电压分别连接电源开关和输入滤波电容，输入滤波电容连接电源开关，电源开关依次通过变压器和输出滤波电感连接输出滤波电容。

所述使用三端开关网络的多电平功率拓扑逆变器系统的控制方式，利用输出电压Va0与功率开关管 S1的占空比D之间的线性函数关系，采用SPWM调制策略进行统一的电平输出数据信号控制；SPWM调制策略工作原理是利用基准正弦波Vsin正、负半周信号分别与三角载波Vtri比较后产生s1驱动信号，相同的基准正弦波信号正、负半周信号分别与移相180°的三角波载波比较s3产生驱动信号为s3，其中s2 驱动信号与s1驱动信号互补，s4驱动信号与s3驱动信号互补，s1驱动信号、s2驱动信号、s3驱动信号与 s4驱动信号之间交错并联。

作为本发明再进一步的方案：所述使用三端开关网络的多电平功率拓扑逆变器系统，滤波电感L1具有两种形式，一种是一个反相耦合变压器T1和一个输出滤波电感L1的常规结构，另一种是将独立的输出滤波电感集成到反相耦合的两绕组变压器中；所述滤波电感中的磁芯结构是E型磁芯结构或环形混合磁芯结构，所述滤波电感中的磁芯材质是铁氧体、非晶或粉芯材质；所述功率开关管是绝缘栅双极型晶体管、金属氧化物半导体场效应晶体管、门极可断晶闸管。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明与传统二极管箝位型多电平逆变拓扑相比，可在逆变中点实现多电平输出，从而改进输出电压谐波、减小输出滤波电感的尺寸与体积、降低开关器件损耗，因此降低系统材料成本、提高逆变器的电气性能。

附图说明

图1为本发明中逆变器电路的电路结构示意图。

图2为本发明中单相半桥逆变器电路的电路图。

图3为本发明中输出滤波电感L1的常规结构示意图。

图4为本发明中输出滤波电感L1集成到反向耦合的两绕组变压器的结构示意图。

图5为本发明中功率开关管S1的占空比D<0.5时的工作状态图。

图6为本发明中功率开关管S1的占空比D>0.5时的工作状态图。

图7为本发明中逆变中点电压Va0与功率开关管S1的占空比D之间数学关系图。

图8为本发明中多电平输出数据控制信号产生结构图。

图9为本发明中多电平输出数据控制信号SPWM调制策略原理图。

图10为本发明中一个反相耦合的两绕组变压器的单相全桥逆变器电路的电路图。