[发明专利]一种具有耦合电感的多电平级联逆变器

说明书

本发明公开了一种具有耦合电感的多电平级联逆变器，其中，有N个逆变单元并联，每个单相H桥对应一个耦合电感，N≥2，且N为自然数；同一个单相H桥逆变单元的左桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管，同一个逆变单元的左桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂侧的上桥臂是第三功率开关管，同一个单相H桥单元的右桥臂的下桥臂是第四功率开关管，第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管均为绝缘栅双极性晶体管IGBT；N个耦合电感以循环对称的结构连接。本发明在无需复杂的均流控制方法的条件下，可有效抑制各支路之间的环路电流，并且在相同并联共模电感的条件下，具有差模均流电感大、均流效果好、装置体积小等诸多优点。

技术领域

本发明属于电力电子领域，更具体地，设计一种大功率快速控制电源技术，用于实现对电流或电压信号进行快速的跟踪与响应，设计一种利用耦合电感抑制环路电流的新方法。

背景技术

在受控聚变研究中，为了维持等离子体的稳定性，需要对等离子体进行快速跟踪与有效控制。一种大功率、高性能的电能转换技术可以将其产生的电流通过线圈与等离子体耦合进行控制，逆变电源是其中重要的组成部分。逆变电源的发展和电力电子器件的发展息息相关，受限于现有的制造工艺，电力电子器件的功率处理能力和开关频率之间是存在矛盾的。功率越大时，功率器件的开关频率越低。而在大功率逆变器中，提高功率器件开关频率意味着降低系统谐波畸变率，但开关频率过高则导致器件开关损耗增加且输出电压谐波增大，从而影响了输出电能的质量。如何在提高逆变装置容量的同时改善其输出电能的质量，已成为现代逆变技术为解决应用问题而必须关注的重要发展方向之一。H桥级联型多电平逆变技术结合载波移相PWM技术是在研究高压大功率逆变器的容量与质量问题的过程中所取得的突破性成果，它将低压器件成功应用于高压场合，并在较低的器件开关频率下得到了较高的等效开关频率，降低开关损耗，提高输出电压和电流等级。

但是，逆变器的输出端接在一起，共同为同一个负载供电即为逆变单元并联，因各逆变单元自身性能差异、电路参数分散性、抗扰动能力不同等因素，在逆变单元并联时，可能会出现个单元输出电压的幅值或相位不一致的情况，这必然会造成并联的各逆变单元之间存在不均流与环路电流的问题。如果在相互并联的逆变单元之间流动着较大的环流，这不仅会导致逆变单元并联的失败，严重时还会造成逆变器损坏。因此，环路电流问题是级联逆变技术需要解决的关键问题之一。

目前得到广泛应用的逆变电源并联控制方法可以分为电流跟踪控制法、功率误差控制法、串联限流电感法和频率电压下垂特性控制法，其中外加限流电感是一种十分有效的逆变器并联系统环流抑制方法。但是用普通电感抑制环流时电感上会有一定的压降，过大的直流偏置会导致电感的体积和质量过大。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种具有耦合电感的多电平逆变器，将相邻两条支路的电流通过耦合电感反向耦合，不仅提高了系统抑制环路电流的能力，而且解决了电感上压降过大和直流偏置导致的电感体积和质量过大的问题。

本发明提供了一种具有耦合电感的多电平逆变器，包括N个逆变单元和N个耦合电感，第一耦合电感的一次侧异名端连接第一逆变单元的输出端，第一耦合电感的一次侧同名端与第N耦合电感的二次侧同名端连接；第二耦合电感的一次侧异名端连接第二逆变单元的输出端，第二耦合电感的一次侧同名端与所述第一耦合电感的二次侧同名端连接，……第i个耦合电感的一次侧异名端连接第i个逆变单元的输出端，第i+1个耦合电感的一次侧同名端与第i个耦合电感的二次侧同名端连接，第i个耦合电感的二次侧异名端均连接负载；N为大于等于2的正整数。

更进一步的，所述的每个逆变单元的第一功率管、第二功率管、第三功率管和第四功率管均为绝缘栅双极性晶体管IGBT；绝缘双极性晶体管的内部具有反并联二极管D。

更进一步的，所述的多电平逆变器，同一个逆变单元的左桥臂与右桥臂载波相位错开180°；各逆变单元载波频率相同、载波相位互相错开π/N；各单相H桥逆变单元的调制波相同，这样能够输出多电平从而减弱输出波形中的谐波。