CN105024532A - 一种单相三电平逆变器及三相三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

一种能够抑制电压尖峰的单相三电平逆变器及三相三电平逆变器，该单相三电平逆变器包括单相三电平逆变电路、第一电阻单元、第二电阻单元、第一电容单元、第二电容单元、第一开关管单元和第二开关管单元，第一电阻单元的一端连接至逆变电路的正直流母线，另一端和第一电容单元的一端、第一开关管单元的第一端相连；第一电容单元的另一端连接至两个直流母线电容间的连接点；第一开关管单元的第二端连接至逆变电路的桥臂中点；第二电阻单元的一端连接至逆变电路的负直流母线，另一端和第二电容单元的一端、第二开关管单元的第二端相连；第二电容单元的另一端连接至两个直流母线电容间的连接点；第二开关管单元的第一端连接至逆变电路的桥臂中点。

Description

一种单相三电平逆变器及三相三电平逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种单相三电平逆变器及三相三电平逆变器。

背景技术

三电平逆变电路因其耐压等级高、电压和电流畸变率低等优点而被业界广泛使用，目前最常使用的三电平逆变电路有中点钳位型三电平逆变电路、T型三电平逆变电路等。

中点钳位型三电平逆变电路包括多种，图1所示的单相二极管钳位型三电平逆变电路即为其中一种。T型三电平逆变电路是由二极管钳位型三电平逆变电路衍生而来的，在低开关频率时，T型三电平逆变电路效率优于二极管钳位型三电平逆变电路。传统的单相T型三电平逆变电路如图2所示，两个直流母线电容C1和C2间的连接点通过两个集电极相连或发射极相连的IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）连接至桥臂的中点。在传统的T型三电平逆变电路基础上进一步改进，两个直流母线电容C1和C2间的连接点通过两个反并联的RB-IGBT（Reverse Blocking Insulated GateBipolar Transistor，反向阻断型绝缘栅双极型晶体管）连接至桥臂的中点，由于RB-IGBT的工艺结构特性，其损耗更低，图3所示即为采用RB-IGBT的改进的单相T型三电平逆变电路。

然而，无论何种三电平逆变电路，工作时均需要控制电路中的开关器件反复导通关断。由于布线等原因，电路中各器件间存在着杂散电感，在电路中的开关器件关断瞬间，因为杂散电感的存在，开关器件两端会产生较高的电压尖峰，很有可能会损坏该开关器件，降低了电路的可靠性。

发明内容

本发明实施例提供一种单相三电平逆变器及三相三电平逆变器，能够抑制开关器件的电压尖峰。

本发明实施例提供一种单相三电平逆变器，包括单相三电平逆变电路、第一电阻单元、第二电阻单元、第一电容单元、第二电容单元、第一开关管单元和第二开关管单元，其中：

第一电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的正直流母线，另一端和第一电容单元的一端、第一开关管单元的第一端相连；第一电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第一开关管单元的第二端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点；

第二电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的负直流母线，另一端和第二电容单元的一端、第二开关管单元的第二端相连；第二电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第二开关管单元的第一端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点。

本发明实施例提供一种三相三电平逆变器，包括三相三电平逆变电路、三个第一电阻单元、三个第二电阻单元、三个第一电容单元、三个第二电容单元、三个第一开关管单元和三个第二开关管单元，其中：

每个第一电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的正直流母线，每个第一电阻单元的另一端和一个第一电容单元的一端、一个第一开关管单元的第一端相连；每个第一电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第一开关管单元的第二端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点；

每个第二电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的负直流母线，每个第二电阻单元的另一端和一个第二电容单元的一端、一个第二开关管单元的第二端相连；每个第二电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第二开关管单元的第一端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点。

本发明的有益效果包括：

本发明实施例提供的三电平逆变器，在三电平逆变电路的基础上增加电阻单元、电容单元和开关管单元，当三电平逆变电路中的开关器件关断时能够构成电容单元的充电回路，通过电容单元吸收尖峰电压，减小开关器件的损耗，从而提高电路的可靠性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为现有技术中的单相二极管钳位型逆变电路的结构示意图；

图2为现有技术中的传统的单相T型三电平逆变电路的结构示意图；

图3为现有技术中的采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的单相三电平逆变器的结构示意图；

图5为本发明实施例1提供的单相三电平逆变器的结构示意图；

图6为本发明实施例1提供的三相三电平逆变器的结构示意图；

图7为本发明实施例2提供的单相三电平逆变器的结构示意图；

图8为本发明实施例2提供的三相三电平逆变器的结构示意图；

图9为本发明实施例3提供的单相三电平逆变器的结构示意图；

图10为本发明实施例3提供的三相三电平逆变器的结构示意图。

具体实施方式

为了给出抑制电压尖峰的实现方案，本发明实施例提供了一种单相三电平逆变器及三相三电平逆变器，以下结合说明书附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。并且在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本发明实施例提供了一种单相三电平逆变器，包括单相三电平逆变电路、第一电阻单元、第二电阻单元、第一电容单元、第二电容单元、第一开关管单元和第二开关管单元，其中：

第一电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的正直流母线，另一端和第一电容单元的一端、第一开关管单元的第一端相连；第一电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第一开关管单元的第二端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点；

第二电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的负直流母线，另一端和第二电容单元的一端、第二开关管单元的第二端相连；第二电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第二开关管单元的第一端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点。

上述单相三电平逆变器可以为单相中点钳位型三电平逆变电路，如单相二极管钳位型三电平逆变电路等；上述单相三电平逆变器也可以为单相T型三电平逆变电路，如传统的单相T型三电平逆变电路、采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路等。

以采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路为例，本发明实施例提供的单相三电平逆变器如图4所示。

其中，第一电阻单元和第二电阻单元可以为不同的电阻单元，第一电容单元和第二电容单元可以为不同的电容单元，第一开关管单元和第二开关管单元可以为不同的开关管单元；较佳的，为了保证电路的对称性，第一电阻单元和第二电阻单元为相同的电阻单元，第一电容单元和第二电容单元为相同的电容单元，第一开关管单元和第二开关管单元为相同的开关管单元。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种三相三电平逆变器，包括三相三电平逆变电路、三个第一电阻单元、三个第二电阻单元、三个第一电容单元、三个第二电容单元、三个第一开关管单元和三个第二开关管单元，其中：

每个第一电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的正直流母线，每个第一电阻单元的另一端和一个第一电容单元的一端、一个第一开关管单元的第一端相连；每个第一电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第一开关管单元的第二端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点；

每个第二电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的负直流母线，每个第二电阻单元的另一端和一个第二电容单元的一端、一个第二开关管单元的第二端相连；每个第二电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第二开关管单元的第一端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点。

上述三相三电平逆变器可以为三相中点钳位型三电平逆变电路，如三相二极管钳位型三电平逆变电路等；上述三相三电平逆变器也可以为三相T型三电平逆变电路，如传统的三相T型三电平逆变电路、采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路等。

其中，三个第一电阻单元和三个第二电阻单元可以为六个不同的电阻单元，三个第一电容单元和三个第二电容单元可以为六个不同的电容单元，三个第一开关管单元和三个第二开关管单元可以为六个不同的开关管单元；较佳的，三个第一电阻单元和三个第二电阻单元为六个相同的电阻单元，三个第一电容单元和三个第二电容单元为六个相同的电容单元，三个第一开关管单元和三个第二开关管单元为六个相同的开关管单元。

进一步的，本发明实施例提供的单相三电平逆变器和三相三电平逆变器中，第一电阻单元和第二电阻单元具体可以为一个电阻、或者串联的多个电阻、或者并联的多个电阻、或者串并联的多个电阻。

进一步的，本发明实施例提供的单相三电平逆变器和三相三电平逆变器中，第一电容单元和第二电容单元具体可以为一个电容、或者串联的多个电容、或者并联的多个电容、或者串并联的多个电容。

进一步的，本发明实施例提供的单相三电平逆变器和三相三电平逆变器中，第一开关管单元和第二开关管单元具体可以为一个开关管、或者串联的多个开关管、或者并联的多个开关管、或者串并联的多个开关管。第一开关管单元的第一端为第一开关管单元导通时电流输出的一端，第一开关管单元的第二端为第一开关管单元导通时电流输入的一端；第二开关管单元的第一端为第二开关管单元导通时电流输出的一端，第二开关管单元的第二端为第二开关管单元导通时电流输入的一端。

较佳的，构成第一开关管单元和第二开关管单元的开关管具体为二极管；第一开关管单元的第一端和第二开关管单元的第一端具体为二极管的阴极对应的一端，第一开关管单元的第二端和第二开关管单元的第二端具体为二极管的阳极对应的一端。

较佳的，上述二极管具体可以为快恢复二极管。

在实际应用中，对二极管进行选型时，选择反向恢复越快的二极管越好。

上述二极管仅为一个示例，并不用于限定本发明。在本发明的其它实施例中，第一开关管单元和第二开关管单元也可以由其它功率开关器件构成，如IGBT、MOS管等。

下面结合附图，用具体实施例对上述单相三电平逆变器及三相三电平逆变器进行详细说明。

实施例1：

本发明实施例1提供的单相三电平逆变器如图5所示，具体包括采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路、两个电阻Rs1和Rs2、两个电容Cs1和Cs2、两个二极管Ds1和Ds2，其中：

电阻Rs1的一端连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的正直流母线，另一端和电容Cs1的一端、二极管Ds1的阴极相连；电容Cs1的另一端连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的两个直流母线电容C1和C2间的连接点；二极管Ds1的阳极连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的桥臂的中点；

电阻Rs2的一端连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的负直流母线，另一端和电容Cs2的一端、二极管Ds2的阳极相连；电容Cs2的另一端连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的两个直流母线电容C1和C2间的连接点；二极管Ds2的阴极连接至采用RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路的桥臂的中点。

图5所示的单相三电平逆变器中，在桥臂中的IGBT T1关断瞬间，IGBT T1两端的尖峰电压可以通过电阻Rs1、电容Cs1、导通的RB-IGBT T2为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收IGBT T1关断时产生的尖峰电压；

在RB-IGBT T2关断瞬间，RB-IGBT T2两端的尖峰电压可以通过电容Cs2、导通的二极管Ds2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收RB-IGBT T2关断时产生的尖峰电压；

在RB-IGBT T3关断瞬间，RB-IGBT T3两端的尖峰电压可以通过导通的二极管Ds1为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收RB-IGBT T3关断时产生的尖峰电压；

在桥臂中的IGBT T4关断瞬间，IGBT T4两端的尖峰电压可以通过导通的RB-IGBT T3、电容Cs2、电阻Rs2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收IGBTT4关断时产生的尖峰电压。

开关器件关断后，电容Cs1和Cs2可以通过电阻Rs1和Rs2进行放电。

与图5所示的单相三电平逆变器对应的三相三电平逆变器如图6所示，包括采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路、六个电阻、六个电容和六个二极管，其中：

六个电阻中的三个电阻的一端均连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的正直流母线，该三个电阻中的每一个电阻的另一端和一个电容的一端、一个二极管的阴极相连；分别和该三个电阻相连的三个电容的另一端均连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；分别和该三个电阻相连的三个二极管中的每个二极管的阳极连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的一个桥臂的中点；

六个电阻中的另外三个电阻的一端均连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的负直流母线，该三个电阻中的每一个电阻的另一端和一个电容的一端、一个二极管的阳极相连；分别和该三个电阻相连的三个电容的另一端均连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；分别和该三个电阻相连的三个二极管中的每个二极管的阴极连接至采用RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路的一个桥臂的中点。

图6所示的三相三电平逆变器的电压尖峰抑制原理与图5所示的单相三电平逆变器相同，在此不再赘述。

在本发明上述实施例1提供的三电平逆变器中，采用的是采用RB-IGBT的T型三电平逆变电路，在本发明其它实施例中，三电平逆变器也可以采用其它形式的T型三电平逆变电路，例如下述实施例2。

实施例2：

本发明实施例2提供的单相三电平逆变器如图7所示，具体包括传统的单相T型三电平逆变电路、两个电阻Rs1和Rs2、两个电容Cs1和Cs2、两个二极管Ds1和Ds2，结构连接不再详述。

图7所示的单相三电平逆变器中，在桥臂中的IGBT T1关断瞬间，IGBT T1两端的尖峰电压可以通过电阻Rs1、电容Cs1、IGBT T3中的体二极管、导通的IGBT T2为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收IGBT T1关断时产生的尖峰电压；

在IGBT T2关断瞬间，IGBT T2两端的尖峰电压可以通过导通的IGBT T3、电容Cs2、导通的二极管Ds2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收IGBT T2关断时产生的尖峰电压；

在IGBT T3关断瞬间，IGBT T3两端的尖峰电压可以通过导通的IGBT T2、导通的二极管Ds1为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收IGBT T3关断时产生的尖峰电压；

在桥臂中的IGBT T4关断瞬间，IGBT T4两端的尖峰电压可以通过IGBTT2中的体二极管、导通的RB-IGBT T3、电容Cs2、电阻Rs2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收IGBT T4关断时产生的尖峰电压。

开关器件关断后，电容Cs1和Cs2可以通过电阻Rs1和Rs2进行放电。

与图7所示的单相三电平逆变器对应的三相三电平逆变器如图8所示，包括传统的三相T型三电平逆变电路、六个电阻、六个电容和六个二极管，其电压尖峰抑制原理与图7所示的单相三电平逆变器相同。

在本发明上述实施例1和实施例2提供的三电平逆变器中，采用的均是T型三电平逆变电路，在本发明其它实施例中，三电平逆变器也可以采用其它形式的三电平逆变电路，如中点钳位型三电平逆变电路。

实施例3：

本发明实施例3提供的单相三电平逆变器如图9所示，具体包括单相二极管钳位型三电平逆变电路、两个电阻Rs1和Rs2、两个电容Cs1和Cs2、两个二极管Ds1和Ds2，结构连接不再详述。

图9所示的单相三电平逆变器中，在桥臂中的IGBT T1关断瞬间，IGBT T1两端的尖峰电压可以通过电阻Rs1、电容Cs1、导通的二极管D1为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收IGBT T1关断时产生的尖峰电压；

在桥臂中的IGBT T2关断瞬间，由于二极管的动态特性，导通的二极管D1不能立即关断，IGBT T2两端的尖峰电压可以通过二极管D1、电容Cs2、导通的二极管Ds2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收IGBT T2关断时产生的尖峰电压；

在桥臂中的IGBT T3关断瞬间，由于二极管的动态特性，导通的二极管D2不能立即关断，IGBT T3两端的尖峰电压可以通过导通的二极管Ds1、电容Cs1、二极管D2为电容Cs1充电，即电容Cs1能够吸收IGBT T3关断时产生的尖峰电压；

在桥臂中的IGBT T4关断瞬间，IGBT T4两端的尖峰电压可以通过导通的二极管D2、电容Cs2、电阻Rs2为电容Cs2充电，即电容Cs2能够吸收IGBTT4关断时产生的尖峰电压。

开关器件关断后，电容Cs1和Cs2可以通过电阻Rs1和Rs2进行放电。

与图9所示的单相三电平逆变器对应的三相三电平逆变器如图10所示，包括三相二极管钳位型三电平逆变电路、六个电阻、六个电容和六个二极管，其电压尖峰抑制原理与图9所示的单相三电平逆变器相同。

综上所述，采用了本发明实施例提供的单相三电平逆变器及三相三电平逆变器，开关器件关断时，能够抑制开关器件两端产生的电压尖峰，减小开关器件的损耗，从而提高电路的可靠性。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种单相三电平逆变器，其特征在于，包括单相三电平逆变电路、第一电阻单元、第二电阻单元、第一电容单元、第二电容单元、第一开关管单元和第二开关管单元，其中：

第一电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的正直流母线，另一端和第一电容单元的一端、第一开关管单元的第一端相连；第一电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第一开关管单元的第二端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点；

第二电阻单元的一端连接至单相三电平逆变电路的负直流母线，另一端和第二电容单元的一端、第二开关管单元的第二端相连；第二电容单元的另一端连接至单相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；第二开关管单元的第一端连接至单相三电平逆变电路的桥臂的中点。

2.如权利要求1所述的单相三电平逆变器，其特征在于，第一电阻单元具体为一个电阻、或者串联的多个电阻、或者并联的多个电阻、或者串并联的多个电阻；第二电阻单元具体为一个电阻、或者串联的多个电阻、或者并联的多个电阻、或者串并联的多个电阻；

第一电容单元具体为一个电容、或者串联的多个电容、或者并联的多个电容、或者串并联的多个电容；第二电容单元具体为一个电容、或者串联的多个电容、或者并联的多个电容、或者串并联的多个电容；

第一开关管单元具体为一个开关管、或者串联的多个开关管、或者并联的多个开关管、或者串并联的多个开关管；第二开关管单元具体为一个开关管、或者串联的多个开关管、或者并联的多个开关管、或者串并联的多个开关管。

3.如权利要求2所述的单相三电平逆变器，其特征在于，所述开关管具体为二极管；

第一开关管单元的第一端具体为二极管的阴极对应的一端，第一开关管单元的第二端具体为二极管的阳极对应的一端；

第二开关管单元的第一端具体为二极管的阴极对应的一端，第二开关管单元的第二端具体为二极管的阳极对应的一端。

4.如权利要求1-3任一所述的单相三电平逆变器，其特征在于，所述单相三电平逆变电路具体为单相T型三电平逆变电路。

5.如权利要求4所述的单相三电平逆变器，其特征在于，所述单相T型三电平逆变电路具体为采用反向阻断型绝缘栅双极型晶体管RB-IGBT的单相T型三电平逆变电路。

6.一种三相三电平逆变器，其特征在于，包括三相三电平逆变电路、三个第一电阻单元、三个第二电阻单元、三个第一电容单元、三个第二电容单元、三个第一开关管单元和三个第二开关管单元，其中：

每个第一电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的正直流母线，每个第一电阻单元的另一端和一个第一电容单元的一端、一个第一开关管单元的第一端相连；每个第一电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第一开关管单元的第二端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点；

每个第二电阻单元的一端均连接至三相三电平逆变电路的负直流母线，每个第二电阻单元的另一端和一个第二电容单元的一端、一个第二开关管单元的第二端相连；每个第二电容单元的另一端均连接至三相三电平逆变电路的两个直流母线电容间的连接点；每个第二开关管单元的第一端连接至三相三电平逆变电路的一个桥臂的中点。

7.如权利要求6所述的三相三电平逆变器，其特征在于，第一电阻单元具体为一个电阻、或者串联的多个电阻、或者并联的多个电阻、或者串并联的多个电阻；第二电阻单元具体为一个电阻、或者串联的多个电阻、或者并联的多个电阻、或者串并联的多个电阻；

第一电容单元具体为一个电容、或者串联的多个电容、或者并联的多个电容、或者串并联的多个电容；第二电容单元具体为一个电容、或者串联的多个电容、或者并联的多个电容、或者串并联的多个电容；

第一开关管单元具体为一个开关管、或者串联的多个开关管、或者并联的多个开关管、或者串并联的多个开关管；第二开关管单元具体为一个开关管、或者串联的多个开关管、或者并联的多个开关管、或者串并联的多个开关管。

8.如权利要求7所述的三相三电平逆变器，其特征在于，所述开关管具体为二极管；

第一开关管单元的第一端具体为二极管的阴极对应的一端，第一开关管单元的第二端具体为二极管的阳极对应的一端；

第二开关管单元的第一端具体为二极管的阴极对应的一端，第二开关管单元的第二端具体为二极管的阳极对应的一端。

9.如权利要求6-8任一所述的三相三电平逆变器，其特征在于，所述三相三电平逆变电路具体为三相T型三电平逆变电路。

10.如权利要求9所述的三相三电平逆变器，其特征在于，所述三相T型三电平逆变电路具体为采用反向阻断型绝缘栅双极型晶体管RB-IGBT的三相T型三电平逆变电路。