CN101039078A

CN101039078A - 非隔离式交－交型三电平ac－ac变换器

Info

Publication number: CN101039078A
Application number: CN 200710019816
Authority: CN
Inventors: 李磊
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2007-01-30
Filing date: 2007-01-30
Publication date: 2007-09-19
Anticipated expiration: 2027-01-30
Also published as: CN100490289C

Abstract

本发明公开了一种非隔离式交－交型三电平AC－AC变换器。该变换器的电路结构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，其中多电平变换器由两个电容箝位的基本构成单元、储能电感和储能电容等构成将输入电压转化为三种输出电平；该基本构成单元由两个四象限功率开关和箝位电容组成。经过输入滤波器、基本构成单元以及输出滤波器等不同组合，得到包括Boost型、Buck－Boost型、Cuk型、Sepic型和Zeta型的非隔离式交－交型三电平AC－AC变换器的电路拓扑族。本发明提高了变换效率和功率密度、减小体积和重量、并提高输入侧功率因数；能够适用于高压AC－AC电能变换场合，并减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量，而且大大拓宽了三电平AC－AC变换器的应用场合。

Description

非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器。

背景技术

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。

迄今为止，国内外电力电子研究人员对于AC-AC变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平AC-AC变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直流变换器、多电平逆变器和多电平整流器，而对于多电平AC-AC变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式交-直-交型多电平AC-AC变换器和Buck型交-交型三电平AC-AC变换器。交-直-交型多电平AC-AC变换器存在拓扑复杂、功率变换级数多、输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低、控制复杂等缺点。

西安交通大学的石勇等提出了Buck型交-交型三电平AC-AC变换器拓扑(“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.)。该拓扑由四象限功率开关S₁～S₄和均压电容C等构成，可以通过脉宽调制(PWM)控制，采用较多的电平数来减小输出滤波器、提高输出波形的质量。该变换器具有拓扑简洁、单级功率变换(LFAC-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、控制较简单、适用于高压大容量AC-AC变换等优点，但存在拓扑形式单一、且只能实现降压变换等缺陷。

发明内容

本发明的发明目的在于提供一种具有拓扑简洁、单级功率变换、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的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种非隔离式交-交型三电平AC-AC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组成将不稳定的高压、劣质交流电直接变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电，并降低功率变换级数、实现单级功率变换的电路结构，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i的一端连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与多电平变换器、输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i、多电平变换器相连接，所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为多电平输出电压，由两个基本构成单元、储能电感L组成；在该多电平变换器中，储能电感L的一端和输入滤波器连接，另一端分别与第一四象限功率开关S₁和第三四象限功率开关S₃相连接；该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1连接；该第二四象限功率开关S₂的另一端和输入滤波器连接；该第一箝位电容C_c1的另一端与第二箝位电容C_c2连接；该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与第二箝位电容C_c2的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L一端连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o，该输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与多电平变换器相连接；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成第一基本构成单元，第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成第二基本构成单元。

本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器中，依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升压AC-AC变换场合的Boost型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与储能电感L和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接；所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，该输入滤波器对输入的输入高压交流电源u_i进行滤波；所述的储能电感L的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和第三四象限功率开关S₃连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，第三四象限功率开关S₃的另一端分别与均压箝位电容C_c的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L一端相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端与第二四象限功率开关S₂相连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成该多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成该多电平变换器中的第二基本构成单元，第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器中，依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Buck-boost型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i、第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和储能电感L一端连接，该输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；第二四象限功率开关S₂的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和均压箝位电容C_c相连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与储能电感L的另一端和第三四象限功率开关S₃连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与均压箝位电容C_c的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端分别与储能电感L一端相连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器中，依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Cuk型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与储能电感L和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接，所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的储能电感L的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和储能电容C连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与储能电容C的另一端和输出滤波电感L_f连接，该输出滤波电感L_f的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端与第二四象限功率开关S₂相连接；所述的输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f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，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器中，依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Sepic型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与第一储能电感L₁和输入滤波电容C_i连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的第一储能电感L₁的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和储能电容C连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄连接，所述的储能电容C的另一端分别与该第三四象限功率开关S₃的另一端和第二储能电感L₂相连接，该第二储能电感L₂的另一端分别与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端分别与第四四象限功率开关S₄的另一端连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、第一储能电感L₁、第二储能电感L₂、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器中，依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Zeta型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i和第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和储能电感L连接；所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的第二四象限功率开关S₂的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和均压箝位电容C_c相连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与储能电感L的另一端和储能电容C连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄相连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与储能电容C的另一端和输出滤波电感L_f连接，该输出滤波电感L_f的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与储能电感L、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端相连接，该输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f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，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明是实现新型电力电子变压器和正弦交流调压器等的关键技术基础，在民用、国防和工业等领域的高压AC-AC电能变换场合，具有广泛的应用前景。由于具有拓扑简洁、单级功率变换(LFAC-LFAC)、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而相对于交-直-交型三电平AC-AC变换器，该类变换器可以提高变换效率和功率密度、减小体积和重量、并提高输入侧功率因数；相对于两电平AC-AC变换器，可以适用于高压AC-AC电能变换场合，并可以大大减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量；而且解决了Buck型交-交型三电平AC-AC变换器拓扑形式单一、只能降压变换等缺陷，从而大大拓宽了三电平AC-AC变换器的应用场合。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的电路结构图。

图2是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的Boost型拓扑图。

图3是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的Buck-boost型拓扑图。

图4是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的Cuk型拓扑图。

图5是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的Sepic型拓扑图。

图6是本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的Zeta型拓扑图。

具体实施方式

结合图1，本发明非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的电路结构，由输入高压交流电源、输入滤波器、多电平变换器、输出滤波器、以及输出交流负载构成。该电路结构，能够将不稳定的高压、劣质交流电直接变换成稳定(或可调)的同频、优质正弦交流电。输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i的一端连接，该输入滤波电感L_i的另一端与多电平变换器、输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、多电平变换器相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入高压交流电源u_i进行滤波；多电平变换器由两个基本构成单元、储能电感L构成，可将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为多电平输出电压；该多电平变换器中储能电感L的一端和输入滤波器连接，另一端与第一四象限功率开关S₁(每个虚线框内的为一个四象限功率开关，每个四象限功率开关均由两个功率开关反向串联而成，可承受正向、反向的电压应力和电流应力)和第三四象限功率开关S₃相连接；第一四象限功率开关S₁的另一端与第二四象限功率开关S₂、第一箝位电容C_c1(每个箝位电容均为无极性电容，可抑制功率开关两端的电压尖峰)连接；第二四象限功率开关S₂的另一端和输入滤波器连接；第一箝位电容C_c1的另一端与第二箝位电容C_c2连接；第三四象限功率开关S₃的另一端与第二箝位电容C_c2的另一端、第四四象限功率开关S₄连接；第四四象限功率开关S₄的另一端再与输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L连接；输出滤波电容C_f可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与多电平变换器相连接；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成基本构成单元1(第一基本构成单元)；所述的第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成基本构成单元2(第二基本构成单元)。相对于传统的交-直-交型AC-AC变换器所具有的两级功率变换级数(低频交流LFAC-DC直流-低频交流LFAC)，该电路结构仅具有单级功率变换级数(低频交流LFAC-低频交流LFAC)，因而该类变换器可提高输入侧功率因数、变换效率、功率密度和可靠性。由于该电路结构采用四象限功率开关来取代单个的功率开关，因而可实现双向功率流、并且其每个单个的功率开关所承受的电压应力为两电平AC-AC变换器的一半，从而可以广泛应用于高压AC-AC变换场合。同时相对于两电平AC-AC变换器，由于多电平变换器的输出电压为多电平的电压波形，改善了频谱特性，因而可减小输出滤波器的体积和重量、并提高输出波形质量。

非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器的基本工作原理如下：根据不同输出电压的要求，采用脉宽调制(PWM)控制的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器可以利用输入电压电平u_i、二分之一的输入电压电平u_i/2、0等开关转换电平进行不同模式下的斩波。当不稳定的高压、劣质交流电源u_i向交流负载Z_L传递功率时，经多电平变换器不同模式下的PWM斩波，可得到单极性、多电平(u_i、u_i/2、0、-u_i/2、-u_i等)的低频脉冲电压，再经输出滤波器滤波后可得到稳定(或可调)的同频、优质正弦交流电压。

本发明所提出的、具有上述电路结构的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器经过输入滤波器、基本构成单元、储能电感、储能电容以及输出滤波器等的组合可得到不同的电路拓扑族，包括Boost型、Buck-Boost型、Cuk型、Sepic型和Zeta型五种电路拓扑，但是该电路拓扑族中的所有拓扑均具有相同的电路结构。在上述电路拓扑族中，如Cuk型和Zeta型电路拓扑具有输出滤波电感L_f，而Boost型、Buck-Boost型和Sepic型电路拓扑不具有输出滤波电感L_f。

其中，Boost型电路拓扑如图2所示，其具体电路连接如下：输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，输入滤波电感L_i的另一端与储能电感L、输入滤波电容C_i相连接，输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、第二四象限功率开关S₂相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入的输入高压交流电源u_i进行滤波；储能电感L的另一端和第一四象限功率开关S₁、第三四象限功率开关S₃连接，第一四象限功率开关S₁的另一端与第二四象限功率开关S₂的另一端、均压箝位电容C_c相连接，第三四象限功率开关S₃的另一端与均压箝位电容C_c的另一端、第四四象限功率开关S₄连接，第四四象限功率开关S₄的另一端和输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L相连接；C_f可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与第二四象限功率开关S₂相连接；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、均压箝位电容C_c构成多电平变换器；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元1；第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元2；第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为图中所示的均压箝位电容C_c。Boost型拓扑适用于升压AC-AC变换场合。

Buck-boost型电路拓扑如图3所示，其具体电路连接如下：输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，输入滤波电感L_i的另一端与输入滤波电容C_i、第二四象限功率开关S₂相连接，输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、储能电感L连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入高压交流电源u_i进行滤波；第二四象限功率开关S₂的另一端与第一四象限功率开关S₁、均压箝位电容C_c相连接，第一四象限功率开关S₁的另一端和储能电感L的另一端、第三四象限功率开关S₃连接，第三四象限功率开关S₃的另一端与均压箝位电容C_c的另一端、第四四象限功率开关S₄连接，第四四象限功率开关S₄的另一端与输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L相连接，输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端与储能电感L相连接；输出滤波电容C_f可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与第二四象限功率开关S₂相连接；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、均压箝位电容C_c构成多电平变换器；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元1(第一基本构成单元)；第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元2(第二基本构成单元)；第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为图中所示的均压箝位电容C_c。Buck-boost型拓扑适用于升、降压AC-AC变换场合。

Cuk型电路拓扑如图4所示，其具体电路连接如下：输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，输入滤波电感L_i的另一端与储能电感L、输入滤波电容C_i相连接，输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、第二四象限功率开关S₂相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入高压交流电源u_i进行滤波；储能电感L的另一端和第一四象限功率开关S₁、储能电容C连接，第一四象限功率开关S₁的另一端与第二四象限功率开关S₂的另一端、均压箝位电容C_c相连接，均压箝位电容C_c的另一端与第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄连接，第四四象限功率开关S₄的另一端与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L连接，第三四象限功率开关S₃的另一端与储能电容C的另一端、输出滤波电感L_f连接，输出滤波电感L_f的另一端与输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端相连接；输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f构成输出滤波器，可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与第二四象限功率开关S₂相连接；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C、均压箝位电容C_c构成多电平变换器；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元1(第一基本构成单元)；第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元2(第二基本构成单元)；第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为图中所示的均压箝位电容C_c。Cuk型拓扑适用于升、降压AC-AC变换场合。

Sepic型电路拓扑如图5所示，其具体电路连接如下：输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，输入滤波电感L_i的另一端与第一储能电感L₁、输入滤波电容C_i连接，输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、第二四象限功率开关S₂相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入高压交流电源u_i进行滤波；第一储能电感L₁的另一端和第一四象限功率开关S₁、储能电容C连接，第一四象限功率开关S₁的另一端与第二四象限功率开关S₂的另一端、均压箝位电容C_c相连接，均压箝位电容C_c的另一端与第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄连接，储能电容C的另一端与第三四象限功率开关S₃的另一端、第二储能电感L₂相连接，第二储能电感L₂的另一端与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L连接，第四四象限功率开关S₄的另一端再与输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端连接；C_f可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、第一储能电感L₁、第二储能电感L₂、储能电容C、均压箝位电容C_c构成多电平变换器；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元1(第一基本构成单元)；第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元2(第二基本构成单元)；第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为图中所示的均压箝位电容C_c。Sepic型拓扑适用于升、降压AC-AC变换场合。

Zeta型电路拓扑如图6所示，其具体电路连接如下：输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，输入滤波电感L_i的另一端与输入滤波电容C_i、第二四象限功率开关S₂相连接，输入滤波电容C_i的另一端与输入高压交流电源u_i、储能电感L连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，可对输入高压交流电源u_i进行滤波；第二四象限功率开关S₂的另一端与第一四象限功率开关S₁、均压箝位电容C_c相连接，第一四象限功率开关S₁的另一端和储能电感L的另一端、储能电容C连接，均压箝位电容C_c的另一端与第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄相连接，第三四象限功率开关S₃的另一端与储能电容C的另一端、输出滤波电感L_f连接，输出滤波电感L_f的另一端与输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L连接，第四四象限功率开关S₄的另一端与储能电感L、输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端相连接；输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f构成输出滤波器，可滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C、均压箝位电容C_c构成多电平变换器；第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元1(第一基本构成单元)；第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2(图中未画出)构成多电平变换器中的基本构成单元2(第一基本构成单元)；第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为图中所示的均压箝位电容C_c。Zeta型拓扑适用于升、降压AC-AC变换场合。

Claims

1、一种非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组成将不稳定的高压、劣质交流电直接变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电，并降低功率变换级数、实现单级功率变换的电路结构，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i的一端连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与多电平变换器、输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i、多电平变换器相连接，所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为多电平输出电压，由两个基本构成单元、储能电感L组成；在该多电平变换器中，储能电感L的一端和输入滤波器连接，另一端分别与第一四象限功率开关S₁和第三四象限功率开关S₃相连接；该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1连接；该第二四象限功率开关S₂的另一端和输入滤波器连接；该第一箝位电容C_c1的另一端与第二箝位电容C_c2连接；该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与第二箝位电容C_c2的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L一端连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o，该输出滤波电容C_f、输出交流负载Z_L的另一端再与多电平变换器相连接；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成第一基本构成单元，第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成第二基本构成单元。

2、根据权利要求1所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升压AC-AC变换场合的Boost型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与储能电感L和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接；所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，该输入滤波器对输入的输入高压交流电源u_i进行滤波；所述的储能电感L的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和第三四象限功率开关S₃连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，第三四象限功率开关S₃的另一端分别与均压箝位电容C_c的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L一端相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端与第二四象限功率开关S₂相连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成该多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成该多电平变换器中的第二基本构成单元，第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

3、根据权利要求1所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Buck-boost型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i、第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和储能电感L一端连接，该输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；第二四象限功率开关S₂的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和均压箝位电容C_c相连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与储能电感L的另一端和第三四象限功率开关S₃连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与均压箝位电容C_c的另一端和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端分别与储能电感L一端相连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

4、根据权利要求1所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Cuk型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与储能电感L和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接，所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的储能电感L的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和储能电容C连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与储能电容C的另一端和输出滤波电感L_f连接，该输出滤波电感L_f的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端相连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端与第二四象限功率开关S₂相连接；所述的输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f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，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

5、根据权利要求1所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Sepic型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与第一储能电感L₁和输入滤波电容C_i连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的第一储能电感L₁的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和储能电容C连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与第二四象限功率开关S₂的另一端和均压箝位电容C_c相连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄连接，所述的储能电容C的另一端分别与该第三四象限功率开关S₃的另一端和第二储能电感L₂相连接，该第二储能电感L₂的另一端分别与第二四象限功率开关S₂、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端分别与第四四象限功率开关S₄的另一端连接，该输出滤波电容C_f滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、第一储能电感L₁、第二储能电感L₂、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

6、根据权利要求1所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器组合成适用于升、降压AC-AC变换场合的Zeta型电路拓扑，即输入高压交流电源u_i与输入滤波电感L_i连接，该输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i和第二四象限功率开关S₂相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入高压交流电源u_i和储能电感L连接；所述的输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i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；所述的第二四象限功率开关S₂的另一端分别与第一四象限功率开关S₁和均压箝位电容C_c相连接，该第一四象限功率开关S₁的另一端分别与储能电感L的另一端和储能电容C连接，该均压箝位电容C_c的另一端分别与第三四象限功率开关S₃和第四四象限功率开关S₄相连接，该第三四象限功率开关S₃的另一端分别与储能电容C的另一端和输出滤波电感L_f连接，该输出滤波电感L_f的另一端分别与输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L连接，该第四四象限功率开关S₄的另一端分别与储能电感L、输出滤波电容C_f和输出交流负载Z_L的另一端相连接，该输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f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，从而在交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o；所述的第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂、第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄、储能电感L、储能电容C和均压箝位电容C_c构成多电平变换器，该第一四象限功率开关S₁、第二四象限功率开关S₂和第一箝位电容C_c1构成多电平变换器中的第一基本构成单元，该第三四象限功率开关S₃、第四四象限功率开关S₄和第二箝位电容C_c2构成多电平变换器中的第二基本构成单元，该第一箝位电容C_c1和第二箝位电容C_c2合并为均压箝位电容C_c。

7、根据权利要求1至6任一项所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：每个四象限功率开关均由两个功率开关反向串联而成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关。

8、根据权利要求1至6任一项所述的非隔离式交-交型三电平AC-AC变换器，其特征在于：每个箝位电容均为抑制功率开关两端的电压尖峰的无极性电容。