[发明专利]一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法

说明书

本发明涉及一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法，所述的九电平变频器功率电路由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、称为悬浮电容、端电压均为E，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7，通过适当的开通和开关相关的开关获得12种工作模态，并使得负载上获得4E、3E、2E、E、0、E、2E、3E、4E九种电压，本发明以较少的开关器件实现了九电平变频器，并通过工作模态的合理切换能够实现悬浮电容电压的平衡控制。

技术领域

本发明涉及多电平变频器设计技术，尤其涉及一种九电平变频器功率电路及其悬浮电容平衡控制方法。

背景技术

变频器是一种通过改变电机供电电源的电源频率实现电机调速控制的设备，广泛地应用于各种工业生产现场中。变频器的主要核心部件是功率电路，主要由直流母线、逆变桥和滤波器组成。传统的变频器采用将直流母线电压直接进行逆变，输出方波PWM信号，驱动电机运行，并节约电能。但这类变频器存在许多问题，且在高压大容量的场合暴露的更加明显。这些问题主要包括：变频器产生的电动机冲击电压引起的电动机绝缘劣化、漏泄电流和轴电流带来的电动机轴承的损坏、传导噪声和辐射噪声过大，等等。

为了解决上述问题，多电平变频器技术得到了高度地重视和充分地肯定。和两电平变频器相比，多电平变频器主要有以下优点：

1、降低对功率开关器件的耐压要求。

2、变频器输出的多级电压阶梯波形，减少了dV/dt对电机绝缘、变压器绕组、电力电缆和其他电力设备的冲击，因而在使用时可以省去或减小外围滤波器。

3、逆变电路的单桥能输出多种电平的相电压，从而使输出电压波形更接近于正弦波，电压的失真度减小，谐波小。

4、降低了EMI辐射水平，对现场的其他设备干扰减小。

当然，多电平变频器也同样存在一些缺点：

1、开关器件多，控制复杂。

2、存在中点电压和悬浮电容电压不平衡的问题。

因此，目前成熟的技术方案和产品主要有三电平和五电平变频器。由于其开关器件过多，难以设计和制造，更多电平数的变频器在世界上尚未被推向市场。

发明内容

为了解决上述技术问题，提供一种开关器件少、悬浮电容电压平衡易控制的九电平变频器，本发明提供以下技术方案：

一种九电平变频器功率电路，由四个电容、四个单向阻断开关、三个双向阻断开关组成，其中,四个电容分别为C1、C2、C3、C4，且C1和C2串联、端电压均为4E，C3和C4串联、为悬浮电容、端电压均为E，电容C1的负极和电容C2的正级均接地，四个单向阻断开关分别为S1、S4、S5、S6,三个双向阻断开关分别为S2、S3、S7；S1串联于C1的正极与C3的正极之间、S4串联于C2的负极与C4的负极之间、S5串联于C3的正极与负载之间、S6串联于C4的负极与负载之间、S7串联于C3的负极与负载之间，C3的正极通过S2接地、C4的负极通过S3接地。

上述的功率电路存在12种工作模态，分别为：

模态P4：开关S1和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为4E；

模态P3：开关S1和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为3E；

模态P2P：开关S1和S6开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P2N：开关S3和S5开通、其他开关断开时，负载端电压为2E；

模态P1：开关S3和S7开通、其他开关断开时，负载端电压为E；