一種五電平逆變器的製造方法
2024-03-07 22:01:15
一種五電平逆變器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種五電平逆變器，包括：逆變器的第一輸入端通過第一開關管與逆變器的第一輸出端連接以及通過第二開關管與逆變器的第二輸出端連接；逆變器的第二輸入端通過依次串聯第七二極體和第三開關管與第一輸出端連接以及通過依次串聯第八二極體和第四開關管與第一輸出端連接；逆變器的第三輸入端通過第五開關管與第一輸出端連接以及通過第六開關管與第二輸出端連接；第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體、第五二極體以及第六二極體分別與對應的各開關管逆並聯連接。本實用新型能夠實現架構簡單的五電平逆變器，從而使其成本較低、功率密度較高和穩定性較好。
【專利說明】一種五電平逆變器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及電力電子【技術領域】，尤其涉及一種五電平逆變器。
【背景技術】
[0002]多電平逆變器與傳統兩電平逆變器相比，可以使用較低耐壓等級的功率開關管組合輸出較高的電壓等級，並且具有輸出諧波小、電磁兼容性好以及轉換效率高等一系列優點，因此得到了廣泛的關注和研究。目前，三電平逆變器拓撲架構已經在各類產品中使用的比較成熟，但是五電平逆變器以及更多電平的逆變器拓撲架構在實際產品中的使用還多處於探索階段。
[0003]目前，多電平逆變器的基本拓撲架構主要分為三類，分別是二極體鉗位型多電平逆變器、飛跨電容型多電平逆變器以及級聯型多電平逆變器。針對五電平逆變器，研究較多的是二極體鉗位型。眾所周知，現有技術的五電平逆變器的拓撲架構中，包括八個帶有體二極體的開關管以及六個獨立的二極體，這使得五電平逆變器的架構複雜，從而使五電平逆變器的成本較高、功率密度較低和穩定性較差。
實用新型內容
[0004]有鑑於此，本實用新型提供一種五電平逆變器，來解決現有技術中的五電平逆變器的架構複雜、成本較高、功率密度較低和穩定性較差的技術問題。
[0005]本實用新型提供了一種五電平逆變器，包括:第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體、第五二極體、第六二極體、第七二極體和第八二極體，其中，
[0006]所述逆變器的第一輸入端通過所述第一開關管與所述逆變器的第一輸出端連接以及通過所述第二開關管與所述逆變器的第二輸出端連接；
[0007]所述逆變器的第二輸入端通過依次串聯所述第七二極體和所述第三開關管與所述第一輸出端連接以及通過依次串聯所述第八二極體和所述第四開關管與所述第一輸出端連接；
[0008]所述逆變器的第三輸入端通過所述第五開關管與所述第一輸出端連接以及通過所述第六開關管與所述第二輸出端連接；
[0009]所述第一二極體、所述第二二極體、所述第三二極體、所述第四二極體、所述第五二極體以及所述第六二極體分別對應於所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管，並與對應的各開關管逆並聯連接。
[0010]進一步地，所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管均為絕緣柵雙極型電晶體；
[0011]所述逆變器的第一輸入端分別與所述第一開關管的集電極、所述第一二極體的陰極、所述第二開關管的集電極和所述第二二極體的陰極連接，所述第一開關管的發射極與所述第一二極體的陽極和所述逆變器的第一輸出端連接，所述第二開關管的發射極與所述第二二極體的陽極和所述逆變器的第二輸出端連接；
[0012]所述逆變器的第二輸入端分別與所述第七二極體的陽極和所述第八二極體的陰極連接，所述第七二極體的陰極分別與所述第三開關管的集電極和所述第三二極體的陰極連接，所述第三開關管的發射極分別與所述第三二極體的陽極和所述第一輸出端連接，所述第八二極體的陽極分別與所述第四開關管的發射極和所述第四二極體的陽極連接，所述第四開關管的集電極分別與所述第四二極體的陰極和所述第一輸出端連接；
[0013]所述逆變器的第三輸入端分別與所述第五開關管的發射極、所述第五二極體的陽極、所述第六開關管的發射極和所述第六二極體的陽極連接，所述第五開關管的集電極分別與所述第五二極體的陰極和所述第一輸出端連接，所述第六開關管的集電極分別與所述第六二極體的陰極和所述第二輸出端連接。
[0014]進一步地，所述第一二極體、所述第二二極體、所述第三二極體、所述第四二極體、所述第五二極體和所述第六二極體均為獨立的二極體或分別為所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管的體二極體。
[0015]本實用新型提出的五電平逆變器，通過採用六個開關管、與各開關管對應且與其逆並聯的二極體以及兩個獨立的二極體，能夠實現架構簡單的五電平逆變器，從而使該五電平逆變器的成本較低、功率密度較高和穩定性較好。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]通過閱讀參照以下附圖所作的對非限制性實施例所作的詳細描述，本實用新型的其它特徵、目的和優點將會變得更明顯:
[0017]圖1是根據本實用新型的實施例的五電平逆變器的電路圖；
[0018]圖2是根據圖1中五電平逆變器的第一輸出電平的電路圖；
[0019]圖3是根據圖1中五電平逆變器的第二輸出電平的電路圖；
[0020]圖4是根據圖1中五電平逆變器的第三輸出電平的一個電路圖；
[0021]圖5是根據圖1中五電平逆變器的第三輸出電平的另一個電路圖；
[0022]圖6是根據圖1中五電平逆變器的第四輸出電平的電路圖；
[0023]圖7是根據圖1中五電平逆變器的第五輸出電平的電路圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本實用新型作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用於解釋本實用新型，而非對本實用新型的限定。另外還需要說明的是，為了便於描述，附圖中僅示出了與本實用新型相關的部分而非全部內容。
[0025]在圖1-圖7中示出了本實用新型的實施例。
[0026]圖1根據本實用新型的實施例的五電平逆變器的電路圖。如圖1所示，所述五電平逆變器包括:第一開關管S1、第二開關管S2、第三開關管S3、第四開關管S4、第五開關管S5、第六開關管S6、第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4、第五二極體D5、第六二極體D6、第七二極體D7和第八二極體D8，其中，所述第一開關管S1、所述第二開關管S2、所述第三開關管S3、所述第四開關管S4、所述第五開關管S5和所述第六開關管S6均為絕緣柵雙極型電晶體(Insulated Gate Bipolar Transistor,簡稱IGBT);所述逆變器的第一輸入端IPl分別與所述第一開關管SI的集電極、所述第一二極體Dl的陰極、所述第二開關管S2的集電極和所述第二二極體D2的陰極連接，所述第一開關管SI的發射極與所述第一二極體Dl的陽極和所述逆變器的第一輸出端OPl連接，所述第二開關管S2的發射極與所述第二二極體D2的陽極和所述逆變器的第二輸出端0P2連接；所述逆變器的第二輸入端IP2分別與所述第七二極體D7的陽極和所述第八二極體D8的陰極連接，所述第七二極體D7的陰極分別與所述第三開關管S3的集電極和所述第三二極體D3的陰極連接，所述第三開關管S3的發射極分別與所述第三二極體D3的陽極和所述第一輸出端OPl連接，所述第八二極體D8的陽極分別與所述第四開關管S4的發射極和所述第四二極體D4的陽極連接，所述第四開關管S4的集電極分別與所述第四二極體D4的陰極和所述第一輸出端OPl連接；所述逆變器的第三輸入端IP3分別與所述第五開關管S5的發射極、所述第五二極體D5的陽極、所述第六開關管S6的發射極和所述第六二極體D6的陽極連接，所述第五開關管S5的集電極分別與所述第五二極體D5的陰極和所述第一輸出端OPl連接，所述第六開關管S6的集電極分別與所述第六二極體D6的陰極和所述第二輸出端0P2連接。
[0027]在本實施例中，所述第一開關管S1、所述第二開關管S2、所述第三開關管S3、所述第四開關管S4、所述第五開關管S5和所述第六開關管S6均為IGBT。此外，所述第一開關管S1、所述第二開關管S2、所述第三開關管S3、所述第四開關管S4、所述第五開關管S5和所述第六開關管S6也可以均為金屬氧化物半導體場效應電晶體(Metal-Oxide-SemiconductorField Effect Transistor,簡稱M0SFET)、功率金屬氧化物半導體場效應電晶體(PowerMetal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor,簡稱 Power MOSFET)或其它類型的功率半導體器件，能夠實現與採用IGBT時具有相似的開關功能。
[0028]在本實施例中，所述第一二極體D1、所述第二二極體D2、所述第三二極體D3、所述第四二極體D4、所述第五二極體D5和所述第六二極體D6分別為所述第一開關管S1、所述第二開關管S2、所述第三開關管S3、所述第四開關管S4、所述第五開關管S5和所述第六開關管S6的體二極體。此外，可選的，所述第一二極體D1、所述第二二極體D2、所述第三二極體D3、所述第四二極體D4、所述第五二極體D5和所述第六二極體D6均為獨立的二極體。如果IGBT沒有體二極體，在本實施例中作為開關管時，需要相應逆並聯獨立的二極體。但是，因為第三二極體D3和第四二極體D4並不參與逆變器電路的正常工作，因此，在IGBT沒有體二極體的情況下，第三二極體D3和第四二極體D4可以從圖1所示的電路中去掉；如果從開關管選型一致的角度考慮，在圖1的電路中保留第三二極體D3和第四二極體D4較好。
[0029]在本實施例中，當五電平逆變器正常工作時，逆變器的三個輸入端分別對應有三個輸入電平，然而，逆變器的輸出電平為逆變器的第一輸出端OPl的輸出電平與逆變器的第二輸出端0P2的輸出電平的差值。假設第一輸入端IPl的輸入電平為VI,第二輸入端IP2的輸入電平為V2以及第三輸入端IP3的輸入電平為V3。下面結合圖2-圖7來說明本實施例的五電平逆變器實現五個輸出電平的具體原理，其中，五個輸出電平分別為第一輸出電平、第二輸出電平、第三輸出電平、第四輸出電平和第五輸出電平。
[0030]圖2是根據本實施例的五電平逆變器的第一輸出電平的電路圖。參見圖2，五電平逆變器的第一輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當對第一開關管Si的基極和第六開關管S6的基極同時施加控制信號分別使第一開關管SI導通和第六開關管S6導通時，第一輸出端OPl的輸出電平為第一輸入端IPl的輸入電平VI，第二輸出端0P2的輸出電平為第三輸入端IP3的輸入電平V3,此時,五電平逆變器的輸出電平即第一輸出電平為V1-V3。
[0031]圖3是根據本實施例的五電平逆變器的第二輸出電平的電路圖。參見圖3，五電平逆變器的第二輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當第七二極體D7導通並且對第三開關管S3的基極和第六開關管S6的基極同時施加控制信號分別使第三開關管S3導通和第六開關管S6導通時,第一輸出端OPl的輸出電平為第二輸入端IP2的輸入電平V2,第二輸出端0P2的輸出電平為第三輸入端IP3的輸入電平V3,此時,五電平逆變器的輸出電平即第二輸出電平為V2-V3。
[0032]圖4是根據本實施例的五電平逆變器的第三輸出電平的一個電路圖。參見圖4，五電平逆變器的第三輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當對第一開關管Si的基極和第二開關管S2的基極同時施加控制信號分別使第一開關管SI導通和第二開關管S2導通時，第一輸出端OPl的輸出電平為第一輸入端IPl的輸入電平VI,第二輸出端0P2的輸出電平為第一輸入端IPI的輸入電平VI，此時，五電平逆變器的輸出電平即第三輸出電平為零電平。
[0033]圖5是根據本實施例的五電平逆變器的第三輸出電平的另一個電路圖。參見圖5，五電平逆變器的第三輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當對第五開關管S5的基極和第六開關管S6的基極同時施加控制信號分別使第五開關管S5導通和第六開關管S6導通時，第一輸出端OPl的輸出電平為第三輸入端IP3的輸入電平V3,第二輸出端0P2的輸出電平為第三輸入端IP3的輸入電平V3，此時，五電平逆變器的輸出電平即第三輸出電平為零電平。在五電平逆變器工作時，可以使圖4和圖5中任一個電路工作來實現第三輸出電平。
[0034]圖6是根據本實施例的五電平逆變器的第四輸出電平的電路圖。參見圖6，五電平逆變器的第四輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當第八二極體D8導通並且對第二開關管S2的基極和第四開關管S4的基極同時施加控制信號分別使第二開關管S2導通和第四開關管S4導通時,第一輸出端OPl的輸出電平為第二輸入端IP2的輸入電平V2,第二輸出端0P2的輸出電平為第一輸入端IPl的輸入電平Vl，此時，五電平逆變器的輸出電平即第四輸出電平為V2-V1。
[0035]圖7是根據本實施例的五電平逆變器的第五輸出電平的電路圖。參見圖7，五電平逆變器的第五輸出電平的電路圖用加黑的電路圖表示。當對第二開關管S2的基極和第五開關管S5的基極同時施加控制信號分別使第二開關管S2導通和第五開關管S5導通時，第一輸出端OPl的輸出電平為第三輸入端IP3的輸入電平V3,第二輸出端0P2的輸出電平為第一輸入端IPl的輸入電平VI,此時,五電平逆變器的輸出電平即第五輸出電平為V3-V1。
[0036]綜上所述，通過選擇性地控制各個開關管並使其導通，可以實現五電平逆變器的五個輸出電平，即第一輸出電平為V1-V3，第二輸出電平為V2-V3，第三輸出電平為零電平，第四輸出電平為V2-V1以及第五輸出電平為V3-V1。與現有技術相比，實現五電平逆變器所使用的開關管和獨立的二極體的個數較少，能夠使得五電平逆變器的架構簡單，從而使該逆變器的成本較低、功率密度較高和穩定性較好。
[0037]本實用新型的實施例提出的五電平逆變器，通過六個採用絕緣柵雙極型電晶體的開關管、與各開關管對應且與其逆並聯的二極體以及兩個獨立的二極體，能夠實現架構簡單的五電平逆變器，從而使該五電平逆變器的成本較低、功率密度較高和穩定性較好。
[0038]注意，上述僅為本實用新型的較佳實施例及所運用技術原理。本領域技術人員會理解，本實用新型不限於這裡所述的特定實施例，對本領域技術人員來說能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本實用新型的保護範圍。因此，雖然通過以上實施例對本實用新型進行了較為詳細的說明，但是本實用新型不僅僅限於以上實施例，在不脫離本實用新型構思的情況下，還可以包括更多其他等效實施例，而本實用新型的範圍由所附的權利要求範圍決定。
【權利要求】
1.一種五電平逆變器，其特徵在於，包括: 第一開關管、第二開關管、第三開關管、第四開關管、第五開關管、第六開關管、第一二極體、第二二極體、第三二極體、第四二極體、第五二極體、第六二極體、第七二極體和第八二極體，其中， 所述逆變器的第一輸入端通過所述第一開關管與所述逆變器的第一輸出端連接以及通過所述第二開關管與所述逆變器的第二輸出端連接； 所述逆變器的第二輸入端通過依次串聯所述第七二極體和所述第三開關管與所述第一輸出端連接以及通過依次串聯所述第八二極體和所述第四開關管與所述第一輸出端連接; 所述逆變器的第三輸入端通過所述第五開關管與所述第一輸出端連接以及通過所述第六開關管與所述第二輸出端連接； 所述第一二極體、所述第二二極體、所述第三二極體、所述第四二極體、所述第五二極體以及所述第六二極體分別對應於所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管，並與對應的各開關管逆並聯連接。
2.根據權利要求1所述的五電平逆變器，其特徵在於，所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管均為絕緣柵雙極型電晶體； 所述逆變器的第一輸入端分別與所述第一開關管的集電極、所述第一二極體的陰極、所述第二開關管的集電極和所述第二二極體的陰極連接，所述第一開關管的發射極與所述第一二極體的陽極和所述逆變器的第一輸出端連接，所述第二開關管的發射極與所述第二二極體的陽極和所述逆變器的第二輸出端連接； 所述逆變器的第二輸入端分別與所述第七二極體的陽極和所述第八二極體的陰極連接，所述第七二極體的陰極分別與所述第三開關管的集電極和所述第三二極體的陰極連接，所述第三開關管的發射極分別與所述第三二極體的陽極和所述第一輸出端連接，所述第八二極體的陽極分別與所述第四開關管的發射極和所述第四二極體的陽極連接，所述第四開關管的集電極分別與所述第四二極體的陰極和所述第一輸出端連接； 所述逆變器的第三輸入端分別與所述第五開關管的發射極、所述第五二極體的陽極、所述第六開關管的發射極和所述第六二極體的陽極連接，所述第五開關管的集電極分別與所述第五二極體的陰極和所述第一輸出端連接，所述第六開關管的集電極分別與所述第六二極體的陰極和所述第二輸出端連接。
3.根據權利要求2所述的五電平逆變器，其特徵在於，所述第一二極體、所述第二二極體、所述第三二極體、所述第四二極體、所述第五二極體和所述第六二極體均為獨立的二極體或分別為所述第一開關管、所述第二開關管、所述第三開關管、所述第四開關管、所述第五開關管和所述第六開關管的體二極體。
【文檔編號】H02M7/483GK203660915SQ201320788068
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】胡高宏, 陳永華 申請人:廣東易事特電源股份有限公司