一种多电平混合钳位型逆变器

1.本发明涉及逆变器拓扑，尤其是涉及一种多电平混合钳位型逆变器。


背景技术：

2.多电平逆变器，作为高效节能电力电子变换技术中的一个重要环节，相较于传统的两电平逆变器，具有更低的开关损耗、更少的输出电压谐波含量等优点，因而被广泛应用于工业电源、新能源发电、轨道交通和大型舰船等中压大功率场合。针对中压大功率场合，四电平逆变器具有如下四个优点：
3.(1)与三电平逆变器相比，四电平逆变器可选择更低电压等级的功率器件；
4.(2)与五电平逆变器相比，四电平逆变器拓扑更加简单，所需功率器件数量更少；
5.(3)四电平逆变器的电容电压平衡控制难度，高于三电平逆变器，而低于含三个中性点的五电平逆变器。
6.因而，相较于三电平逆变器和五电平逆变器，四电平逆变器在器件数量、器件应力和电压平衡控制等方面取得了良好平衡，在中压大功率场合具有显著性能优势和重要应用价值。
7.在交流线电压3.3kv、4.16kv和6.6kv的中压变频器领域，目前主要以含器件串联的三电平逆变器和五电平逆变器为主，尽管阿尔斯通公司基于图1中的四电平飞跨电容(4l-fc)逆变器拓扑实现了4.16kv中压变频器，但是4l-fc逆变器中的飞跨电容，尤其是靠近直流侧的高压飞跨电容，不可避免地增加了系统体积和成本，无法满足人们对高功率密度和高可靠性等性能指标的持续追求。
8.2014年，加拿大瑞尔森大学的mehdi narimani博士(现为加拿大麦克马斯特大学副教授)和加拿大罗克韦尔公司联合提出了如图2所示的4l-nnpc逆变器拓扑，并基于冗余开关状态选择方法平衡每相电路中的飞跨电容电压，使得靠近直流侧飞跨电容电压应力大的问题。这个优势使得4l-nnpc逆变器拓扑受到了学术界的极大关注，并陆续有与之相关的电压平衡控制、低频电压波动抑制和死区电压尖峰消除等研究报道。然而，4l-nnpc逆变器存在一个问题，即在电压平衡调制策略作用下，部分开关管和二极管的电压应力增加，丧失了其原本宣称的器件电压应力小的优势，具体原因分析如下：如图3所示，以a相电路为例，当开关管s
a4
、s
a5
、s
a6
导通时，二极管d
a1
关断，开关管s
a2
无法被钳位在电压u
fa1
，即无法被钳位在1/3u
dc
，致使开关管s
a2
、s
a3
直接串联并承受u
fa1
、u
fa2
之和2/3u
dc
，由于s
a2
、s
a3
不是同时导通与同时关断，所以s
a2
、s
a3
存在开关管直接串联的问题，二者之间无法实现电压应力自动均衡，进而影响二极管d
a1
的电压应力均衡；同理，s
a4
、s
a5
和d
a2
的电压应力分布严重不均衡。因此，现有的4l-nnpc逆变器存在的器件电压应力分布不均衡问题，使得该电路拓扑不具有实际应用价值。


技术实现要素：

9.本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
10.一种多电平混合钳位型逆变器，基于4l-nnpc逆变器，包括由s
x1
至s
x6
组成的冗余开关组件以及二极管d
x1
和d
x2
，其特征在于，将两个控制二极管d
x1
和d
x2
更换为开关组件，其中x为a、b、c三相。
11.在上述的一种多电平混合钳位型逆变器，开关组件为s
x7
和s
x8
，采用开关管。
12.在上述的一种多电平混合钳位型逆变器，开关组件为s
x7
和s
x8
，且s
x1
、s
x2
、s
x3
、s
x4
、s
x7
、s
x8
工作在开关频率，采用宽禁带器件，s
x3
、s
x4
工作在基波频率，为igbt器件。
13.在上述的一种多电平混合钳位型逆变器，开关组件为s
x7
和s
x8
，且s
x2
、s
x5
、s
x7
、s
x8
工作在基波频率，采用igbt器件，s
x1
、s
x3
、s
x4
、s
x6
工作在开关频率，选用宽禁带器件。
14.在上述的一种多电平混合钳位型逆变器，开关组件为s
x7
和s
x8
，且s
x3
、s
x4
、s
x7
、s
x8
工作在软开关状态，采用igbt器件，s
x1
、s
x2
、s
x5
、s
x6
工作在硬开关状态，选用宽禁带器件。
15.在上述的一种多电平混合钳位型逆变器，开关组件为s
x7
和s
x8
，开关管s
x9
至开关管s
x12
以及电容c
fa1
组成h型结构后与开关管s
x3
和开关管s
x4
；所有开关管工作在开关频率且都采用igbt器件或都采用宽禁带器件。
16.因此，本发明具有如下优点：
17.1.本发明公布了四电平混合钳位型逆变器拓扑和基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑。igbt器件和宽禁带器件相结合，有利于进一步降低四电平混合钳位型逆变器拓扑的成本。
附图说明
18.图1为现有的4l-fc逆变器拓扑；
19.图2为现有的4l-nnpc逆变器拓扑：
20.图3为本发明提出的四电平混合钳位型逆变器拓扑；
21.图4为本发明提出的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑i；
22.图5为本发明提出的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑ii；
23.图6为本发明提出的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑iii；
具体实施方式
24.下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
25.实施例：
26.本发明专利提出了如图3所示的四电平混合钳位型逆变器拓扑，通过合理控制开关管s
x7
与s
x8
(x＝a、b、c)开关序列，可有效钳位开关管s
x2
、s
x3
、s
x4
、s
x5
(x＝a、b、c)的端电压，从而使得四电平混合钳位型逆变器中各个开关管的电压应力分布均衡。同时，开关管s
x7
、s
x8
(x＝a、b、c)的加入，增大了四电平混合钳位型逆变器的调制自由度，有利于进一步优化四电平混合钳位型逆变器的工作性能。需要说明的是，图3中的开关管可都为igbt器件，也可以都为宽禁带器件，如sic mosfet器件或gan器件。
27.在图3所示的四电平混合钳位型逆变器拓扑基础上，进一步提出三种基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑，具体表现为：
28.1.提出如图4所示的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑i，
其中s
x3
、s
x4
(x＝a、b、c)工作在基波频率，选用igbt器件，其它开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件；
29.2.提出如图5所示的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑ii，其中s
x2
、s
x5
、s
x7
、s
x8
(x＝a、b、c)工作在基波频率，选用igbt器件，其它开关管工作在开关频率，选用宽禁带器件；
30.3.提出如图6所示的基于“igbt 宽禁带器件”的四电平混合钳位型逆变器拓扑iii，其中s
x3
、s
x4
、s
x7
、s
x8
(x＝a、b、c)工作在软开关状态，选用igbt器件，其它开关管工作在硬开关状态，选用宽禁带器件。
31.本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。