一种基于逆阻型IGBT反并联的T型多电平逆变电路

摘要

本发明公开了一种基于逆阻型IGBT反并联的T型多电平逆变电路，包括双向可控开关（1）、功率器件（2）和直流电容（3），双向可控开关（1）包括若干逆阻型IGBT，逆阻型IGBT成对反并联；成对反并联的逆阻型IGBT的并联后的连接线一侧与功率开关管相连接，另一侧与直流电容（3）相连接。本发明将逆阻型IGBT反并联构成双向可控开关后，在不增加导通损耗的情况下，通过反并联逆阻型IGBT在多个串联电容中点联接，从而形成多个中点电压钳位电路，实现五电平输出，随着输出电平数目的增加，改善了输出电压的谐波失真，需要的滤波电感更小或者开关频率也可随之降低。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于逆阻型IGBT反并联的 T型多电平逆变电路。

背景技术

普通的IGBT无法实现反向电压阻断，一般需要反并联续流二极管，加装 RC吸收电路来实现多电平电路，增加了电路结构复杂程度，成本高，接线复 杂；例如，专利CN103731057公开了一种本发明公开了T型三电平逆变器， 包括输入电压、开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、开关管Q5、 开关管Q6和输出负载，输入电压上并联有吸收电路，能够通过调节六个开关 管实现将电压分为0、U/2、-U/2三种电平，该申请局限于T型三电平逆变器 的研究，并没有涉及到T型五电平、七电平、九电平等多电平逆变器研究。

对于五电平逆变器研究，现有技术中一般通过调整开关管的工作模态输出 不同的电平，例如专利CN103701345公开了一种五电平逆变器，述逆变器交 替处于第二工作模态和第三工作模态，此时逆变器交替输出正1和正0电平。 逆变器交替处于第一工作模态和第二工作模态，此时逆变器交替输出正1和正 2电平。在第四时段和第六时段，逆变器交替处于第五工作模态和第六工作模 态；此时逆变器交替输出负1和负0电平。在第五时段，逆变器交替处于第 四工作模态和第五工作模态，此时逆变器交替输出负1和负2电平，该申请 虽然实现了五电平输出，但是五电平的输出是相互不独立，为交替输出，在需 要输出相对独立的五电平时，该申请不适用。

例如专利CN103219907公开了一种五电平逆变器能够明显改善常用的五 电平电路的损耗，提高逆变器的效率，但是增加了滤波器、电感等组件，增加 了逆变器的谐波失真，同时设计复杂，不方便扩展。

专利CN103825443A公开了一种3电平以上的多电平逆变器，其避免开 关元件的损坏，并抑制故障造成的安全性下降。本发明的多电平逆变器(100) 具有：串联在与正端子(P1)和负端子(N)之间的开关元件(U1、V1、W1、 X2、Y2、Z2)；分别连接在开关元件彼此的各连接点与中间端子(G)之间的 反向阻断型开关元件(110)；交流输出端子(OU、OV、OW)；生成用于切换 多个开关元件通/断的控制信号的控制部(120)；在有切断交流输出端子的输 出电压的切断信号输入时，无论控制信号的状态如何，分别切断对第1开关元 件(U1、V1、W1)、第2开关元件(X2、Y2、Z2)的控制信号切断电路(140) 和诊断控制信号切断电路的故障的监视部(160)，该专利通过控制单元控制切 换实现多电平产生，控制实现麻烦，电平产生具有滞后性。

综上，现有技术的T型电平逆变器存在着电平输出不独立、容易谐波失真， 进而导致开关频率降低、控制实现复杂、电平产生滞后等技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型基于逆阻型IGBT反并联形成的T型多电 平逆变电路，将逆阻型IGBT反并联构成双向可控开关后，相对于二极管钳位 型三电平电路而言，在不增加导通损耗的情况下，通过反并联逆阻型IGBT在 多个串联电容中点联接，从而形成多个中点电压钳位电路，实现五电平、七电 平、九电平等多电平输出。随着输出电平数目的增加，不仅改善了输出电压的 谐波失真(THD)，需要的滤波电感更小或者开关频率也可随之降低。

本发明技术方案如下：

基于一种逆阻型IGBT反并联的T型多电平逆变电路，包括2n+1个扩展单 元，扩展单元包括双向可控开关、功率器件和直流电容，双向可控开关、功率 器件和直流电容依次串联连接，直流电容与功率器件的远离双向可控开关的连 接端断开作为第一接入端，双向可控开关的两端为第二接入端。

所述2n+1个扩展单元依次顺序连接，对2n+1个扩展单元进行了序号标注， 2n+1个扩展单元依次顺序连接时，电路端部第一接入端空接的扩展单元为第 2n+1扩展单元，电路另一端第二接入端空接的扩展单元为第1扩展单元。n为 自然数。

第2n+1扩展单元的第二接入端与第2n扩展单元的第一接入端相连接，第 2扩展单元的第二接入端与第1扩展单元的第一接入端相连接，第1扩展单元 的第二扩展接入端串联连接端点直流电容和端点功率器件形成回路，第2n+1 扩展单元的第一接入端直接相连接形成回路。端点直流电容与扩展单元中的直 流电容结构相同，端点功率器件与扩展单元的功率器件结构相同。第2n+1扩 展单元指T型多电平逆变电路中对2n+1个扩展单元进行了序号标注，从下倒 上或者从右到左依次为第1扩展单元、第2扩展单元……第2n扩展单元、第 2n+1扩展单元。

双向可控开关包括两个逆阻型IGBT，两个逆阻型IGBT成对反并联；逆阻 型IGBT的成对反并联连接方式为一个逆阻型IGBT的发射极、集电极分别与 另一个逆阻型IGBT的集电极、发射极相连接。

功率器件包括功率开关管和二极管，功率开关管和二极管相并联构成功率 器件；功率开关管的发射极与二极管的正极相连接，功率开关管的集电极与二 极管的负极相连接。

双向可控开关的一侧与直流电容的负极相连接，双向可控开关的另一侧与 功率器件的功率开关管的发射极相连接。

2n+1个扩展单元的直流电容依次串联连接，2n+1个扩展单元的功率器件依 次串联连接。

直流侧正负极间母线电压(输入电压)的两端分别连接2n+1个扩展单元的 依次串联连接的直流电容的两端；输出电平为处于2n+1个扩展单元的中心位 置的双向可控开关的两侧的电平。

当n等于1时，包括3个扩展单元，形成基于逆阻型IGBT反并联的T型 五电平逆变电路，基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路结构为：

双向可控开关包括由第一逆阻型IGBT、第二逆阻型IGBT反并联构成的第 一双向可控开关，第三逆阻型IGBT、第四逆阻型IGBT反并联构成的第二双 向可控开关，第五逆阻型IGBT、第六逆阻型IGBT(Q10)反并联构成的第 三双向可控开关；

功率器件包括由第一功率开关管和第一二极管并联构成的第一功率器件、 第二功率开关管和第二二极管并联构成的第二功率器件、第三功率开关管和第 三二极管并联构成的第三功率器件、第四功率开关管和第四二极管并联构成的 第四功率器件；第一功率开关管的发射极与第二功率开关管的集电极相连，第 二功率开关管的发射极与第三功率开关管的集电极相连，第三功率开关管的发 射极与第四功率开关管的集电极相连；

直流电容包括第一直流电容、第二直流电容、第三直流电容、第四直流电 容；第一直流电容负极与第二直流电容正极相连，第二直流电容负极与第三直 流电容正极相连，第三直流电容负极与第四直流电容正极相连；

第一双向可控开关的一端连接第一功率开关管的发射极和第二功率开关管 的集电极，另一端连接第一直流电容负极和第二直流电容正极；第二双向可控 开关的一端连接第二功率开关管的发射极和第三功率开关管的集电极，另一端 连接第二直流电容负极和第三直流电容正极；第三双向可控开关的一端连接第 三功率开关管的发射极和第四功率开关管的集电极，另一端连接第三直流电容 负极和第四直流电容正极。

基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路在纯感性负载时的电流续 流过程包括以下步骤：

(1)同时开通第二功率开关管、第一逆阻型IGBT，其他功率开关管和 IGBT管全部关断，此时输出正向电平，其中，U_d为直流侧正负极间母线电 压；电流方向为负，流经第二二极管以及第一逆阻型IGBT，此时第一逆阻型 IGBT(Q5)承受反向电压；当电流由负向减小至零，变换为正向时，关闭第 一逆阻型IGBT(Q5)，开通第二逆阻型IGBT，电流流经第二功率开关管、 第二逆阻型IGBT；

(2)开通第一功率开关管、第二功率开关管，其他功率开关管和逆阻型 IGBT全部关断，此时输出正向电平；电流反向变正并增大，流经第一功率 开关管、第二功率开关管；

(3)开通第二功率开关管、第二逆阻型IGBT，其他功率开关管和逆阻型 IGBT全部关断，此时输出正向电平；电流正向减小，流经第一功率开关管、 第二功率开关管；

(4)开通第四逆阻型IGBT，其他功率开关管全部关断，此时输出0电平； 电流正向慢慢减小，流经第四逆阻型IGBT；

(5)开通第三功率开关管、第五逆阻型IGBT，其他功率开关管和逆阻型 IGBT全部关断，此时输出负向电平，电流正向减小，流经第五逆阻型 IGBT、第三二极管；当电流从正向减小至零并反向时，关闭第五逆阻型IGBT， 开通第六逆阻型IGBT Q10，此时电流方向为负，流经第三功率开关管、第 六逆阻型IGBT Q10；

(6)开通第三功率开关管、第四功率开关管，其他功率开关管和逆阻型 IGBT全部关断，此时输出负向电平；电流反向变正并增大，流经功率开关 管第三功率开关管、第四功率开关管；

(7)开通第三功率开关管、第六逆阻型IGBT，其他功率开关管和逆阻型 IGBT全部关断，此时输出负向电平；电流反向减小，流经第三功率开关管、 第五逆阻型IGBT。

当n等于2时，包括5个扩展单元，形成基于逆阻型IGBT反并联的T型 七电平逆变电路，5个扩展单元中，前一个扩展单元的第二接入端连接相邻扩 展单元的第一接入端，第2扩展单元的第二接入端与第1扩展单元的第一接入 端相连接，第1扩展单元的第二扩展接入端串联连接端点直流电容和端点功率 器件形成回路，第5扩展单元的第一接入端直接相连接形成回路。

当n等于3，包括7个扩展单元，形成基于逆阻型IGBT反并联的T型九电 平逆变电路，7个扩展单元中，前一个扩展单元的第二接入端连接相邻扩展单 元的第一接入端，第2扩展单元的第二接入端与第1扩展单元的第一接入端相 连接，第1扩展单元的第二扩展接入端串联连接端点直流电容和端点功率器件 形成回路，第7扩展单元的第一接入端直接相连接形成回路。

本发明的技术方案有益效果包括：

(1)、本发明能够方便扩展，能够产生2n+1个电平，将逆阻型IGBT反 并联构成双向可控开关后，相对于二极管钳位型三电平电路而言，在不增加导 通损耗的情况下，通过反并联逆阻型IGBT在多个串联电容中点联接，从而形 成多个中点电压钳位电路，实现五电平、七电平、九电平等多电平输出。随着 输出电平数目的增加，不仅改善了输出电压的谐波失真(THD)，需要的滤波 电感更小或者开关频率也可随之降低。

(2)、逆阻型IGBT(Reverse blocking Insulated Gate Bipolar Transistor，简 称RB-IGBT)利用腐蚀技术在器件的切割面和耗尽层之间形成隔离，切断了反 向漏电流的流通途径，所以能够实现反向电压阻断从而承受反向电压。经过长 期的试验和研究，发现逆阻型IGBT运用于逆变器中，能够减小导通压降、导 降低通损耗低。

(3)、本申请将逆阻型IGBT反并联构成双向可控开关后，相对于二极管 钳位型三电平电路而言，在不增加导通损耗的情况下，通过反并联逆阻型IGBT 在多个串联电容中点联接，从而形成多个中点电压钳位电路，实现五电平输出。 随着输出电平数目的增加，不仅改善了输出电压的谐波失真(THD)，需要的 滤波电感更小或者开关频率也可随之降低。

附图说明

图1为本发明基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路拓扑图；

图2为本发明基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路电流方向示 意图；

图3为本发明扩展单元结构示意图；

图4为本发明基于逆阻型IGBT反并联的T型电路多电平拓展连接方式示 意图；

图5为本发明基于逆阻型IGBT反并联的T型七电平逆变电路拓扑图；

图6为本发明基于逆阻型IGBT反并联的T型九电平逆变电路拓扑图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实 施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅 仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图3和图4所示，基于一种逆阻型IGBT反并联的T型多电平逆变电路， 包括2n+1个扩展单元，扩展单元包括双向可控开关1、功率器件2和直流电 容3，双向可控开关1、功率器件2和直流电容3依次串联连接，直流电容3 与功率器件2的远离双向可控开关1的连接端断开作为第一接入端，即图3中 扩展单元直流电容3的正极与功率器件2的接口端，双向可控开关的两端为第 二接入端，即图3中双向可控开关1的两侧。

第2n+1扩展单元指T型多电平逆变电路中对扩展单元进行了序号标注，从 下倒上或者从右到左依次为第1扩展单元、第2扩展单元……，第2n+1扩展 单元的第二接入端与第2n扩展单元的第一接入端相连接，第2扩展单元的第 二接入端与第1扩展单元的第一接入端相连接，第1扩展单元的第二扩展接入 端串联连接端点直流电容和端点功率器件形成回路，第2n+1扩展单元的第一 接入端直接相连接形成回路。第1扩展单元和第2n+1扩展单元表示的是本发 明T型多电平逆变电路中处于两端的扩展单元，第1扩展单元表示的是电路最 端出的第一接入端连接了前一个扩展单元的第二接入端的扩展单元，第2n+1 扩展单元表示的是电路最端出的第二接入端连接了前一个扩展单元的第一接 入端的扩展单元。

双向可控开关1包括两个逆阻型IGBT，两个逆阻型IGBT成对反并联；逆 阻型IGBT的成对反并联连接方式为一个逆阻型IGBT的发射极、集电极分别 与另一个逆阻型IGBT的集电极、发射极相连接。

功率器件2包括功率开关管和二极管，功率开关管和二极管相并联构成功 率器件；功率开关管的发射极与二极管的正极相连接，功率开关管的集电极与 二极管的负极相连接。

双向可控开关1的一侧与直流电容3的负极相连接，双向可控开关1的另 一侧与功率器件2的功率开关管的发射极相连接。

2n+1个扩展单元的直流电容3依次串联连接，2n+1个扩展单元的功率器件 2依次串联连接。

直流侧正负极间母线电压(输入电压)的两端分别连接2n+1个扩展单元的 依次串联连接的直流电容3的两端；输出电平为处于2n+1个扩展单元的中心 位置的双向可控开关的两侧的电平。

实施例1，基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路。

如图1和图2所示，当n等于1时，包括3个扩展单元，形成基于逆阻型 IGBT反并联的T型五电平逆变电路，基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平 逆变电路结构为：

由于基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路包括3个扩展单元、1 个端点直流电容和1个端点功率器件，所以双向可控开关有3个、直流电容有 4个和功率器件4个，具体结构如下描述。

双向可控开关1包括由第一逆阻型IGBT Q5、第二逆阻型IGBT Q6反并联 构成的第一双向可控开关，第三逆阻型IGBT Q7、第四逆阻型IGBT Q8反并 联构成的第二双向可控开关，第五逆阻型IGBT Q9、第六逆阻型IGBT Q10 反并联构成的第三双向可控开关；

功率器件2包括由第一功率开关管Q1和第一二极管D1并联构成的第一功 率器件、第二功率开关管Q2和第二二极管D2并联构成的第二功率器件、第 三功率开关管Q3和第三二极管D3并联构成的第三功率器件、第四功率开关 管Q4和第四二极管D4并联构成的第四功率器件；第一功率开关管Q1的发射 极与第二功率开关管Q2的集电极相连，第二功率开关管Q2的发射极与第三 功率开关管Q3的集电极相连，第三功率开关管Q3的发射极与第四功率开关 管Q4的集电极相连；第一功率开关管Q1的发射极与第一二极管D1的正极相 连接，第一功率开关管Q1的集电极与第一二极管D1的负极相连接，相同的， Q2与D2、Q3与D3、Q4与D4的连接方式与Q1、D1相同。

直流电容3包括第一直流电容C1、第二直流电容C2、第三直流电容C3、 第四直流电容C4；第一直流电容C1负极与第二直流电容C2正极相连，第二 直流电容C2负极与第三直流电容C3正极相连，第三直流电容C3负极与第四 直流电容C4正极相连；

第一双向可控开关的一端连接第一功率开关管Q1的发射极和第二功率开 关管Q2的集电极，另一端连接第一直流电容C1负极和第二直流电容C2正极； 第二双向可控开关的一端连接第二功率开关管Q2的发射极和第三功率开关管 Q3的集电极，另一端连接第二直流电容C2负极和第三直流电容C3正极；第 三双向可控开关的一端连接第三功率开关管Q3的发射极和第四功率开关管 Q4的集电极，另一端连接第三直流电容C3负极和第四直流电容C4正极，第 四直流电容C4、第四功率开关管Q4与第四二极管D4并联构成的第四功率器 件即为基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路的端点直流电容和端点 功率器件。

基于逆阻型IGBT反并联的T型五电平逆变电路在纯感性负载时的电流续 流过程包括以下步骤：

1、同时开通第二功率开关管Q2、第一逆阻型IGBT Q5，其他功率开关 管(Q1、Q3、Q4)和IGBT管(Q6、Q7、Q8、Q9、Q10)全部关断，此 时输出正向电平(N和U₀之间电平)；电流方向为负，流经第二二极管D2 以及第一逆阻型IGBT Q5，此时第一逆阻型IGBT Q5承受反向电压；当电流 由负向减小至零，变换为正向时，关闭第一逆阻型IGBT Q5，开通第二逆阻型 IGBT Q6，电流流经第二功率开关管Q2、第二逆阻型IGBT Q6；

2、开通第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2，其他功率开关管和逆 阻型IGBT全部关断，此时输出正向电平；电流反向变正并增大，流经第一 功率开关管Q1、第二功率开关管Q2；其中U_d为直流侧正负极间母线电压，表 示的是C1、C4两端的电压，输出电平表示的是第三逆阻型IGBT Q7、第四逆 阻型IGBT Q8反并联构成的第二双向可控开关两端的电压，即N和U0之间的 电压；

3、开通第二功率开关管Q2、第二逆阻型IGBT Q6，其他功率开关管和逆 阻型IGBT全部关断，此时输出正向电平；电流正向减小，流经第一功率开 关管Q1、第二功率开关管Q2；

4、开通第四逆阻型IGBT Q8，其他功率开关管全部关断，此时输出0电 平；电流正向慢慢减小，流经第四逆阻型IGBT Q8；

5、开通第三功率开关管Q3、第五逆阻型IGBT Q9，其他功率开关管和逆 阻型IGBT全部关断，此时输出负向电平，电流正向减小，流经第五逆阻 型IGBT Q9、第三二极管D3；当电流从正向减小至零并反向时，关闭第五逆 阻型IGBT Q9，开通第六逆阻型IGBT Q10，此时电流方向为负，流经第三功 率开关管Q3、第六逆阻型IGBT Q10；

6、开通第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，其他功率开关管和逆 阻型IGBT全部关断，此时输出负向电平；电流反向变正并增大，流经功 率开关管第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4；

7、开通第三功率开关管Q3、第六逆阻型IGBT Q10，其他功率开关管和 逆阻型IGBT全部关断，此时输出负向电平；电流反向减小，流经第三功 率开关管Q3、第五逆阻型IGBT Q9。

实施例2，形成基于逆阻型IGBT反并联的T型七电平逆变电路。

如图5所示，当n等于2时，包括5个扩展单元，形成基于逆阻型IGBT 反并联的T型七电平逆变电路，5个扩展单元中，前一个扩展单元的第二接入 端连接相邻扩展单元的第一接入端，第2扩展单元的第二接入端与第1扩展单 元的第一接入端相连接，第1扩展单元的第二扩展接入端串联连接端点直流电 容C6和端点功率器件Q6-D6形成回路，第5扩展单元的第一接入端直接相连 接形成回路。直流侧正负极间母线(电压输入电压)为C1、C6两端的电压， 输出电平表示的是逆阻型IGBT Q9、逆阻型IGBT Q10反并联构成的双向可控 开关两端的电压，即N和U0之间的电压；

如图5所示，5个扩展单元中，前一个扩展单元的第二接入端连接相邻扩 展单元的第一接入端，最顶端的扩展单元的第一接入端直接相连，最底端的扩 展单元的双向可控开关的两端串联连接端点直流电容和端点功率器件，端点直 流电容和端点功率器件分别为与扩展单元中的直流电容、功率器件组件结构相 同。

本实施例2是在实施例1的连接关系的基础上扩展了两个扩展单元，连接 方式与实施例1相同，不再重述。

实施例3，形成基于逆阻型IGBT反并联的T型九电平逆变电路。

如图6所示，当n等于3，包括7个扩展单元，形成基于逆阻型IGBT反 并联的T型九电平逆变电路，7个扩展单元中，前一个扩展单元的第二接入端 连接相邻扩展单元的第一接入端，第2扩展单元的第二接入端与第1扩展单元 的第一接入端相连接，第1扩展单元的第二扩展接入端串联连接端点直流电容 C8和端点功率器件Q8-D8形成回路，第7扩展单元的第一接入端直接相连接 形成回路。直流侧正负极间母线(电压输入电压)为C1、C8两端的电压，输 出电平表示的是逆阻型IGBT Q11、逆阻型IGBT Q112反并联构成的双向可控 开关两端的电压，即N和U0之间的电压；

本实施例3是在实施例1的连接关系的基础上扩展了4个扩展单元，连接 方式与实施例1相同，不再重述。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。