CN100499344C

CN100499344C - Zeta式三电平交-交变换器

Info

Publication number: CN100499344C
Application number: CNB2007100209479A
Authority: CN
Inventors: 仲庆龙; 李磊
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: CN101150287A

Abstract

本发明公开了一种Zeta式三电平交-交变换器。该变换器将直流Zeta拓扑单向开关管替换为双向开关管，另外增加一个电源电平模态支路及对其起隔离作用的双向开关管，又结合非互补式控制策略在输出滤波器前增加了零电平模态双向开关管，电源端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电的电路拓扑结构。本发明功率变换级数少，能实现双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好，提高变换效率和功率密度，调压范围宽，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量，有效地防止了功率开关管的共态导通和共态关断，大大提高了变换器的可靠性。

Description

Zeta式三电平交-交变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种Zeta式三电平交-交变换器。

背景技术

交—交(AC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电能转换成同一或另一频率和幅值的交流电能的一种变流技术，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。

传统的交流调压有变压器调压、晶闸管调压、交流斩波调压和带有整流逆变中间环节的变换调压等，综述其特点，虽然各具优点，但是缺陷也比较明显，体积大，重量重，输出谐波畸变高，开关管承受的电压大，还有带有中间直流环节使得电路拓扑过于复杂。多电平变换器的思想最早是由Nabae于80年代初提出的，在DC/AC变换中以台阶式合成阶梯波输出逼近正弦波的理论已经相当的成熟，国内外有很多相关的论文和产品，在DC/DC变换以及AC/DC变换中也有很多的应用。但是在AC/AC无中间直流环节的变换器中，采用多电平变换的目前在国内外还是相当的少。在AC/AC无中间直流环节的变换器中，石勇等人提出了Buck式三电平AC-AC变换器(新型三电平PWM交流斩波器，《电工技术学报》，2003，Vol.18，No.6，pp.7～11.)。该变换器具有拓扑简洁、单级功率变换(低频交流LFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输入侧功率因数高、输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、适用于高压大容量AC-AC变换等优点，但是其只能用于降压调节，对于其中的浮动电容值和平衡控制要求比较严格，而且其电路拓扑结构决定其在三电平模式转换时，宜采取互补式控制策略，从而导致电路工作的可靠性大为降低，并且带不同负载的能力也不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有单级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、输出波形质量高、可升降压变换、可降低开关器件的电压应力等优点的Zeta式三电平交—交变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种Zeta式三电平交—交变换器，该变换器由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到正弦交流电压u_o，即输入高压交流电源u_i的一端与输入滤波电感L₄相连，该输入滤波电感L₄的另一端分别与输入滤波电容C₄和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感L₄和输入滤波电容C₄构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源u_i进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管S₅串联第六功率开关管S₆组成，所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、平衡电容C₁、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄依次串联组成，能量转换电感L₁的一端接于第二功率开关管S₂与平衡电容C₁的连接点，另一端接地，该能量转换电感L₁和平衡电容C₁之间的能量通过由第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容C₁和第三功率开关管S₃的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管S₆和第四功率开关管S₄连接在一起，然后再与组成输出滤波器的滤波电感L₂的前端相连，连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀串联组成的双向功率开关管支路，该第九功率开关管S₉的一端与输出滤波电感L₂的前端相连；该输出滤波电感L₂的后端与输出滤波电容C₂的一端和输出交流负载Z_L的一端相连，输出滤波电容C₂的另一端和输出交流负载Z_L的另一端都接地，所述的输出滤波电感L₂和输出滤波电容C₂构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到正弦交流电压u_o。

本发明Zeta式三电平交—交变换器的第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆、第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈、第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀分别组成五对双向功率开关管支路都能实现交流正负半周变换，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂、平衡电容C₁和第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄依次串联形成一条实现电源电压u_i和平衡电容C₁电压相加输出的支路，第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆组成一条实现电源电压u_i单独输出的支路，第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈组成一条提供实现电感L₁和平衡电容C₁能量相互交换的支路，第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀组成一条实现零电压输出的支路。

本发明Zeta式三电平交—交变换器的输出交流负载Z_L为阻性、感性或者容性。

本发明与现有技术相比，其具有显著优点：(1)将直流Zeta拓扑单向开关管替换为双向开关管，另外增加一个电源电平模态支路及对其起隔离作用的双向开关管，又结合非互补式控制策略在输出滤波器前增加了零电平模态双向开关管，电源端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电的电路拓扑结构，实现了新型电力电子变压器、多电平在交流调压器中的应用和非互补控制策略在多电平模态转换中的应用的关键技术基础，在交流稳压和交流连续调压的民用、工业、国防等高压大容量交—交变换场合，具有广泛的应用前景。(2)具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量，适用于高压AC-AC变换场合，调压范围宽，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量。(3)在多电平模态转换时采取非互补式控制策略，有效地防止了功率开关管的共态导通和共态关断，大大提高了变换器的可靠性。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明Zeta式三电平交—交变换器的电路拓扑结构图。

图2是本发明Zeta式三电平交—交变换器的非互补式控制策略的原理波形图。

具体实施方式

结合图1，本发明Zeta式三电平交—交变换器，由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压u_o，即输入高压交流电源u_i的一端与输入滤波电感L₄相连，该输入滤波电感L₄的另一端分别与输入滤波电容C₄和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感L₄和输入滤波电容C₄构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源u_i进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管S₅串联第六功率开关管S₆组成，所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、平衡电容C₁、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄依次串联组成，能量转换电感L₁的一端接于第二功率开关管S₂与平衡电容C₁的连接点，另一端接地，该能量转换电感L₁和平衡电容C₁之间的能量通过由第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容C₁和第三功率开关管S₃的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管S₆和第四功率开关管S₄连接在一起，然后再与组成输出滤波器的滤波电感L₂的前端相连，连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀串联组成的双向功率开关管支路，输出滤波电感L₂的前端与第九功率开关管S₉的一端相连；该输出滤波电感L₂的后端与输出滤波电容C₂的一端和输出交流负载Z_L的一端相连，输出滤波电容C₂的另一端和输出交流负载Z_L的另一端都接地，所述的输出滤波电感L₂和输出滤波电容C₂构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o。其中，输出交流负载Z_L为阻性、感性或者容性。

本发明的Zeta式三电平交—交变换器中，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆、第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈、第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀分别组成五对双向功率开关管支路都能实现交流正负半周变换，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂、平衡电容C₁和第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄依次串联形成一条实现电源电压u_i和平衡电容C₁电压相加输出的支路，第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆组成一条实现电源电压u_i单独输出的支路，第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈组成一条提供实现电感L_i和平衡电容C₁能量相互交换的支路，第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀组成一条实现零电压输出的支路。

Zeta式三电平交—交变换器的基本工作过程如下：1)第一电平的产生，第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃(或第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄)同时闭合，第五功率开关管S₅(或第六功率开关管S₆)断开，此时有回路输入高压交流电源u_i—输入滤波电感L₄—第一功率开关管S₁—第二功率开关管S₂—能量转换电感L₁和回路输入高压交流电源u_i—输入滤波电感L₄—第一功率开关管S₁—第二功率开关管S₂—平衡电容C₁—第三功率开关管S₃—第四功率开关管S₄—输出滤波电感L₂—交流负载Z_L，点B的电压为u_B＝u_i+u_c1，u_c1的大小视能量转换电感L₁和平衡电容C₁振荡回路而定，此时电感中电流随电源变化，电容C₁放电；2)第二电平的产生，第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃(或第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄)同时断开，第五功率开关管S₅(或第六功率开关管S₆)闭合，此时有输入高压交流电源u_i—输入滤波电感L₄—第五功率开关管S₅—第六功率开关管S₆—输出滤波电感L₂—交流负载Z_L和回路能量转换电感L₁—第七功率开关管S₇—第八功率开关管S₈—平衡电容C₁，点B的电压为u_B＝u_i，电感中电流大于电容中的负载电流，故此工作模式一开始电感就和电容交换能量，由于此振荡回路有固有周期，所以此模式工作时间将决定电容两端电势的极性和大小；3)零电平的产生，第三功率开关管S₃、第五功率开关管S₅(第四功率开关管S₄、第六功率开关管S₆)断开，第十功率开关管S₁₀(第九功率开关管S₉)闭合，负载两端的电压为零。此变换电路两个非零电平交替输出，它们之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，从而达到调节输出电压的目的，输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压u_o。

该变换器的非互补式控制策略的原理波形，如图2所示(以感性负载为例)。实现三电平的非互补控制策略，有效地防止了开关管的共态导通和共态关断，大大提高了变换器工作的可靠性。即当电源给负载输送功率为正时，实现两电平的支路轮流导通(比如此例中的第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃先同时导通，然后再和第五功率开关管S₅交替导通)，可输出两电平模态，而要实现实时调压的功能就需要控制这两个电平模态的输出时间宽度，则必须在它们停止的中间输出零电平，零电平的支路是一直有触发信号的(比如此例中的第十功率开关管S₁₀)，当输出上述两电平时，由于零电平支路开关管承受反压而不会导通，从而避免了开关管的共态导通，当两电平模态支路关断时，零电平支路自动导通实现续流和调压，也就解决了开关管的共态关断；当电源给负载输送功率为负时，实现两电平模态支路的触发信号也是相互交替产生，但是它们有交叠(比如电源电压由正变负时，开关管第三功率开关管S₃和第五功率开关管S₅的触发信号)，交叠的时间内正好是零电平支路的触发脉冲时间(此例中的第十功率开关管S₁₀)，这样在负载反馈功率时，也防止了开关管的共态关断。

Claims

1、一种Zeta式三电平交—交变换器，其特征在于：该变换器由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到正弦交流电压[u_o]，即输入高压交流电源[u_i]的一端与输入滤波电感[L₄]相连，该输入滤波电感[L₄]的另一端分别与输入滤波电容[C₄]和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感[L₄]和输入滤波电容[C₄]构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源[u_i]进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管[S₅]串联第六功率开关管[S₆]组成，所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管[S₁]、第二功率开关管[S₂]、平衡电容[C₁]、第三功率开关管[S₃]和第四功率开关管[S₄]依次串联组成，能量转换电感[L₁]的一端接于第二功率开关管[S₂]与平衡电容[C₁]的连接点，另一端接地，该能量转换电感[L₁]和平衡电容[C₁]之间的能量通过由第七功率开关管[S₇]和第八功率开关管[S₈]串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容[C₁]和第三功率开关管[S₃]的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管[S₆]和第四功率开关管[S₄]连接在一起，然后再与组成输出滤波器的滤波电感[L₂]的前端相连，连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管[S₉]和第十功率开关管[S₁₀]串联组成的双向功率开关管支路，该第九功率开关管[S₉]的一端与输出滤波电感[L₂]的前端相连；该输出滤波电感[L₂]的后端与输出滤波电容[C₂]的一端和输出交流负载[Z_L]的一端相连，输出滤波电容[C₂]的另一端和输出交流负载[z_L]的另一端都接地，所述的输出滤波电感[L₂]和输出滤波电容[C₂]构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到正弦交流电压[u_o]。

2、根据权利要求1所述的Zeta式三电平交—交变换器，其特征在于：第一功率开关管[S₁]和第二功率开关管[S₂]、第三功率开关管[S₃]和第四功率开关管[S₄]、第五功率开关管[S₅]和第六功率开关管[S₆]、第七功率开关管[S₇]和第八功率开关管[S₈]、第九功率开关管[S₉]和第十功率开关管[S₁₀]分别组成五对双向功率开关管支路都能实现交流正负半周变换，第一功率开关管[S₁]和第二功率开关管[S₂]、平衡电容[C₁]和第三功率开关管[S₃]和第四功率开关管[S₄]依次串联形成一条实现电源电压[u_i]和平衡电容[C₁]电压相加输出的支路，第五功率开关管[S₅]和第六功率开关管[S₆]组成一条实现电源电压[u_i]单独输出的支路，第七功率开关管[S₇]和第八功率开关管[S₈]组成一条提供实现电感[L₁]和平衡电容[C₁]能量相互交换的支路，第九功率开关管[S₉]和第十功率开关管[S₁₀]组成一条实现零电压输出的支路。

3、根据权利要求1所述的Zeta式三电平交—交变换器，其特征在于：输出交流负载[Z_L]为阻性、感性或者容性。