一种单相七电平逆变电器及其PWM信号调制方法技术

本发明专利技术公开了一种单相七电平逆变器及其调制方法，该电路包括开关电容电路和H桥电路，开关电容电路由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成，控制电路中三个开关管的不同开关状态组合，使该电路可以分别输出0.5Vdc、Vdc和1.5Vdc三种不同的电平，而且两个电容在电路的不同的工作状态下存在串联充电或者并联放电两种模式，该逆变电路总共可以输出‑1.5Vdc、‑Vdc、0.5Vdc、0V、0.5Vdc、Vdc、1.5Vdc七种电平，解决现有多电平逆变电路存在的电容均压问题，并减少了开关管的数目。

【技术实现步骤摘要】
一种单相七电平逆变电器及其PWM信号调制方法
本专利技术属于电力电子技术应用领域，具体涉及一种单相七电平逆变器以及所述逆变器的PWM信号调制方法。
技术介绍
随着风能、太阳能、水能、生物质能、潮汐能以及地热能等可再生能源的快速发展，充分利用此类能源可增加能量供给和减少环境污染。现在对可再生能源的利用主要采用分布式并网发电技术，其关键技术在于采用合理的逆变器拓扑结构和并网控制策略，以便获得稳定的并网系统和高质量的并网电流。相比传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压谐波小、电磁干扰小及可采用小尺寸滤波器等优点。最早的多电平逆变器是由1980年日本学者提出的三电平中点钳位逆变器，经过30多年的发展，很多学者相继提出了具有实际意义的多电平逆变电路及多种多电平逆变器的调制控制方法。当前的多电平逆变器的主要结构有二极管箝位型、飞跨电容型和H桥级联型。其中二极管箝位型电路需要保证直流侧电容均压，这增加了控制复杂度，飞跨电容型同样存在电容电压均衡控制以及冗余开关状态优化问题，而H桥级联型则需要多路独立的直流电源。此外，这三种类型多电平逆变电路随着输出电平数的增加，需要的功率开关管和电容数目迅速增涨，系统体积将变得庞大，成本也将变得不可接受。这违背了电力电子装置要求的高效率、高功率密度、低成本的目标，因此需要提出一种新的多电平逆变电路来满足可再生能源并网发电要求。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种单相七电平逆变器及其PWM调制方法，解决现有多电平逆变电路存在的电容均压问题，并减少了开关管的数目。本专利技术提供一种单相七电平逆变电路，所述单相七电平逆变电路包括开关电容电路和H桥电路；所述开关电容电路包括：直流电源Vdc，开关管S5、S6、S7，二极管D1、D2、D3、D4，以及电容C1、C2；直流电源Vdc的正极与开关管S5的输出端以及S6的输入端连接，而Vdc的负极与开关管S7的输出端连接，S6的输出端和S7的输入端相连接；与S7的输入端连接有二极管D3的阳极和电容C2的负极，而C2的正极与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连接，电容C1的负极连接D3的阴极和D1的阳极；开关管S5的输出端与二极管D4的阳极相连接，D4的阴极则与C1的正极以及D2的阴极相连接。所述H桥电路包括：H桥电路的正负母线连接开关电容电路的输出端口，H桥电路的输出通过滤波电感L连接负载或电网。该方案的特点还在于：所述开关电容电路的功率开关和H桥电路的功率开关均为IGBT或MOSFET全控功率器件。所述二极管D1、D2、D3、D4均为碳化硅二极管或快恢复二极管或是超快恢复二极管。所述电容C1、C2均为参数一致的电解电容。所述单相七电平逆变电路的八种工作模式控制方式为：工作模式1，控制所述的开关管S1、S4和S6导通，开关管S2、S3、S5和S7关断；工作模式2，控制所述的开关管S1、S4、S5和S7导通，开关管S2、S3、S6关断；工作模式3，控制所述的开关管S1、S4导通，开关管S2、S3、S5、S6、S7关断；工作模式4，控制开关管S4、S5、S7导通，开关管S1、S2、S3、S6关断；工作模式5，控制所述的开关管S2、S5、S7导通，开关管S1、S3、S4、S6、关断；工作模式6，控制所述的开关管S2、S3导通，开关管S1、S4、S5、S6、S7关断；工作模式7，控制所述的开关管S2、S3、S5和S7导通，开关管S1、S4、S6关断；工作模式8，控制所述的开关管S2、S3和S6导通，开关管S1、S4、S5和S7关断。根据上述方案，本专利技术的单相七电平逆变电路包括开关电容电路和H桥电路两部分，其中开关电容电路是本专利技术逆变电路实现多电平输出的关键部分。该开关电容电路由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成，依照电路中三个开关管的不同开关状态组合，该电路可以分别输出0.5Vdc、Vdc和1.5Vdc三种不同的电平，而且两个电容在电路的不同的工作状态下存在串联充电或者并联放电两种模式，这也就使得电容自身拥有了自动均压的能力，电容电压也恒定为电源电压的一半，开关电容电路输出端口连接H桥的的正负母线，当H桥电路工作于单极性时，则逆变电路总共可以输出-1.5Vdc、-Vdc、0.5Vdc、0V、0.5Vdc、Vdc、1.5Vdc七种电平。本专利技术的另一个技术方案是，上述单相七电平逆变器PWM信号的调制方法，通过调节正弦调制波信号M的幅值控制逆变器工作模式，当0<M<1时，逆变器输出三电平模式；当1<M<2时，逆变器输出五电平模式；当2<M<3时，逆变器输出七电平模式；正弦调制波信号M进行取绝对值处理后得到信号K，信号K与载波v3通过比较器4进行比较得到输出信号H，当信号K大于等于载波v3时，比较器4的输出信号H为1，反之，输出信号H为0，该输出信号H作为开关管S6的PWM控制信号；信号K与载波v2通过比较器3进行比较得到输出信号I，当信号K大于等于载波v2时，比较器3的输出信号I为1，反之，输出信号I为0，该输出信号I与信号H通过异或门后得到信号P；信号K与载波v1通过比较器2进行比较得到输出信号G，当信号K大于等于载波v1时，比较器2的输出信号G为1，反之，输出信号G为0，该输出信号G通过非门后得到信号N，信号N与信号P通过或门后作为开关管S5的PWM控制信号，而开关管S7的PWM控制信号与S5的PWM控制信号同步；正弦调制波信号M与0通过比较器1进行比较得到输出信号E，信号E与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S1的PWM控制信号；信号E通过非门后得到信号F，信号F与信号G通过与门后得到输出信号作为开关管S3的PWM控制信号；信号F作为开关管S2的PWM控制信号，信号E作为开关管S4的PWM控制信号。本专利技术的单相七电平逆变电路具有以下有益效果：(1)该逆变电路开关数量少，硬件成本低；在H桥逆变电路前级增加一个由三个功率开关管、三个二极管以及两个电容构成的开关电容电路，即可得到七电平逆变电路。(2)该逆变电路中的两个电容的电压自身均压，简化了控制算法，同时它既可以工作在有源逆变模式，也可以工作在无源逆变模式。(3)与传统多电平逆变电路相比，该逆变电路输出电压幅值最大可以达到1.5倍的直流电源电压，使得电压的输入范围变宽。附图说明图1为本专利技术的单相七电平逆变器的电路示意图；图2(a)～(h)为本专利技术单相七电平逆变器的八种不同的工作模式；图3为单相七电路逆变器在不同时刻对应的输出电压变化图；图4为本专利技术的单相七电平逆变器调制驱动信号发生逻辑电路示意图；图5为本专利技术单相七电平逆变器调制驱动信号的波形示意图；图6为本专利技术单相七电平逆变器的实例输出电压波形示意图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步的详细说明，但本专利技术并不限于这些实施方式。图1是本专利技术单相七电平逆变器的电路图，具体描述如下：该逆变器的电路包括：直流电源、开关电容电路、H桥电路、滤波电感L以及交流接入端口；所述开关电容电路包括：开关管S5、S6、S7，二极管D1、D2、D3、D4，以及电容C1、C2；直流电源Vdc的正极与开关管S5的输出端以及S6的输入端连接，而Vdc的负极与开关本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单相七电平逆变器，其特征在于，包括：直流电源、开关电容电路、H桥电路以及滤波电感L；所述开关电容电路包括三个功率开关管S5、S6、S7，四个二极管D1、D2、D3、D4和两个电容C1、C2；所述直流电源Vdc的正极与开关管S5的输出端以及S6的输入端连接，Vdc的负极与开关管S7的发射极连接，S6的输出端和S7的集电极相连接；S7的输入端连接有二极管D3的阳极和电容C2的负极，C2的正极与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连接，电容C1的负极连接D3的阴极和D1的阳极；开关管S5的输出端与二极管D4的阳极相连接，D4的阴极与C1的正极以及D2的阴极相连接；所述H桥电路的正负母线连接所述开关电容电路输出端口，H桥电路的输出通过所述滤波电感L接负载或电网。

【技术特征摘要】
1.一种单相七电平逆变器，其特征在于，包括：直流电源、开关电容电路、H桥电路以及滤波电感L；所述开关电容电路包括三个功率开关管S5、S6、S7，四个二极管D1、D2、D3、D4和两个电容C1、C2；所述直流电源Vdc的正极与开关管S5的输出端以及S6的输入端连接，Vdc的负极与开关管S7的发射极连接，S6的输出端和S7的集电极相连接；S7的输入端连接有二极管D3的阳极和电容C2的负极，C2的正极与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极相连接，电容C1的负极连接D3的阴极和D1的阳极；开关管S5的输出端与二极管D4的阳极相连接，D4的阴极与C1的正极以及D2的阴极相连接；所述H桥电路的正负母线连接所述开关电容电路输出端口，H桥电路的输出通过所述滤波电感L接负载或电网。2.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述开关电容电路的功率开关和H桥电路的功率开关均为IGBT或MOSFET全控功率器件。3.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述二极管D1、D2、D3、D4均为碳化硅二极管或快恢复二极管或是超快恢复二极管。4.根据权利要求1所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述电容C1、C2均为参数一致的电解电容。5.根据权利要求1-4任意一项所述的单相七电平逆变器，其特征在于，所述单相七电平逆变电路的八种工作模式控制方式为：工作模式1，控制所述的开关管S1、S4和S6导通，开关管S2、S3、S5和S7关断；工作模式2，控制所述的开关管S1、S4、S5和S7导通，开关管S2、S3、S6关断；工作模式3，控制所述的开关管S1、S4导通，开关管S2、S3、S5、S6、S7关断；工作模式4，控制开关管S4、S5、S7导通，开关管S1、S2、S3、S6关断；工作模式5，控制所述的开关管S2、S5、S7导通，开关管S1、S3、S4...

【专利技术属性】
技术研发人员：张琦，李江江，孙向东，任碧莹，安少亮，杨惠，许江涛，
申请(专利权)人：西安理工大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61