[发明专利]一种四电平变换器及其控制方法

说明书

针对现有的多电平变换器存在的不足之处，本发明涉及了一种新型四电平变换器，该变换器为三相共母线结构，每相只需要6个IGBT功率模块和2个飞跨电容即可输出四电平的电压等级，且不需要控制直流母线侧的中点电位，与现有的四电平变换器相比，该变换器不需要钳位二极管，且具有更少的开关管和飞跨电容，装置整体结构更加简单，易于控制，适用于中低压高功率密度场合。

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，涉及一种新型四电平变换器。

背景技术

近些年来，世界范围内日益增长的能源变换需求促进着电力电子开关器件制造技术和电力电子变换器拓扑结构的不断更新和发展。国内外研究人员针对多电平变换器的拓扑结构设计、调制策略研究、控制系统优化及应用技术等方面进行了广泛而深入，使其成为研究热点之一。

多电平变换器因其具有较高的电压输出能力、较低的开关应力和电磁干扰，可适用于中高压大功率场合，例如微电网、电机驱动、分布式发电系统等。同时，多电平变换器也具有较低的开关损耗和较好的电能质量，降低了散热和滤波器的要求，可适用于低压高功率密度场合，例如航空航天、电动汽车和可再生能源等场合，系统的体积小，重量轻。

目前，在工业上应用较为广泛的有三种多电平变换器结构，分别为中点钳位型多电平变换器、飞跨电容型多电平变换器和级联H桥型多电平变换器。而这三种多电平变换器都具有一定的缺陷：中点钳位型多电平变换器随着电平数的增加，钳位二极管的数量急剧增加，且三电平以上的直流母线中点电位难以实现平衡；飞跨电容型多电平变换器飞跨电容的数量随着电平数的增加而增加，造成了装置整体体积庞大，可靠性低；级联H桥型多电平变换器需要多个独立的直流电源给每个模块供电，或者采用多绕组的移相变压器来提供直流电源，系统体积大，成本高。因此，研究新型的多电平变换器拓扑具有重要的意义。

发明内容

发明目的：为本发明的目的在于针对现有的多电平变换器拓扑存在的缺陷，提出一种新型的多电平变换器。

技术方案：一种新型四电平变换器，包括直流母线和三个四电平桥臂，所述直流母线的两端依次并联连接三个四电平桥臂，所述每个四电平桥臂包括6个开关管S_x1、S_x2、S_x3、S_x4、S_x5、S_x6和两个飞跨电容C_x1和C_x2，x代表a，b或c，开关管S_x1的发射极连接开关管S_x2的集电极，开关管S_x2的发射极连接开关管S_x5的集电极，开关管S_x5的发射极连接开关管S_x6的集电极，开关管S_x2的发射极连接开关管S_x4的集电极，开关管S_x4的发射极与开关管S_x3的发射极连接，飞跨电容C_x1的第一端连接开关管S_x1、S_x2的公共端，飞跨电容C_x1的第二端连接飞跨电容C_x2的第一端，飞跨电容C_x2的第二端连接S_x5、S_x6的公共端，开关管S_x3的集电极连接飞跨电容C_x1和C_x2的公共端。

一种新型四电平变换器控制方法，包括以下步骤：

步骤一：确定每种电压等级所对应的开关状态，定义开关管的开关状态如下式所示

则每种电压等级所对应的开关状态如下表1所示：