CN101677218B

CN101677218B - 组合式三电平交-交变换器

Info

Publication number: CN101677218B
Application number: CN2008101961918A
Authority: CN
Inventors: 李磊; 唐栋材; 杨开明; 仲庆龙; 杨君东; 韦徵
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2028-09-17
Also published as: CN101677218A

Abstract

本发明公开了组合式三电平交-交变换器。该变换器的电路结构由输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中三电平变换器由四个交流基本开关单元和中间电容或储能电感构成，将经过输入滤波器的输入电压转化为三种输出电平；经过基本变换器、输出滤波器，得到输出波形。本发明提高了变换效率和功率密度、不带有变压器使变换器体积减小，重量减轻、并提高输入侧功率因数；可以实现电压等级低的器件完成电压等级高，容量大的交-交电能变换，使得电力电子技术可以应用在高压大功率的场合，并减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量，从而大大地减轻了组合式三电平交-交变换器的体积和重量。

Description

组合式三电平交-交变换器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一类组合式三电平交-交变换器。

背景技术

交-交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交-交变换器的研究，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交-交变换器；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，而对于多电平交-交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于开关单元的简单串-并(并-串)组合思想形成的三电平变换器、中间带有直流环节的交-直-交型多电平交-交变换器和隔离式三电平交-交变换器。基本开关单元的简单串-并(并-串)组合思想形成的三电平变换器电路拓扑形式多样化，灵活多变，但是多数没有给出完整的电路拓扑图，目前主要用应在逆变方面，使用的直流电源太多等缺陷(陈阿莲，何湘宁等，“基于基本单元串-并(并-串)思想生成多电平变换器拓扑的方法”，《电工技术学报》，2004，Vol.19，No.2，PP.41～46；杨旭，石勇等，“一种新的开关拓扑变换方法及新型多电平交一交变流电路”，《中国电机工程学报《，2004，Vol.24，No.9，PP.86～91。)。中间带有直流环节的交-直-交型三电平交-交变换器存在电路拓扑复杂、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。隔离式交流三电平交-交变换器虽然输出波形质量较好，稳定性高，但变换器自身带有交流电压器，使变换器体积增大，成本升高，变换效率降低，经济效益低等缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一类实现电压等级低的器件完成电压等级高、容量大的组合式三电平交-交变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种组合式三电平交-交变换器，由输入交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，该输入滤波器对输入交流电源u_i进行滤波，三电平基本变换器将经输入滤波器滤波后的输入电压通过基本交流开关单元转化为三电平输出电压，经过储能电感L_f进行存储，再经过调节基本变换器中的基本交流开关单元的控制时序，对储能电感L_f中存储的能量进行释

放，最后经过输出滤波器滤除输出电压中的高次谐波，得到稳定的同频、优质正弦交流电。

本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)将基本变换器通过一定的方式组合起来，能够实现电压等级低的器件完成电压等级高，容量大的交-交电能变换，使得电力电子技术可以应用在高压大功率的场合，是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交-交电能变换场合，具有广泛的应用前景。(2)具有拓扑简洁、双向功率传递、输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率高、输出波形质量好、可靠性高等优点，因而相对于传统的两电平交-交变换器，该类变换器可以减小开关管的电压应力，实现更高的电压级别的转换，同时减小滤波器的体积与重量，提高输出波形质量；相对中间带有直流环节的交—直—交型三电平交-交变换器和带有变压器隔离的三电平交-交变换器，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，从而大大拓宽了三电平交-交变换器的应用场合。(3)通过调整开关管的占空比，能够实现电压的升高与降低。(4)能够将不稳定的、劣质正弦交流电直接变换成稳定的同频、优质正弦交流电。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明组合式三电平交-交变换器的电路结构图。

图2是本发明输入输出不共地型组合式三电平交-交变换器拓扑图。

图3是本发明输入输出共地型组合式三电平交-交变换器拓扑图。

具体实施方式

本发明组合式三电平交-交变换器，由输入交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，该输入滤波器对输入交流电源ui进行滤波，三电平基本变换器将经输入滤波器滤波后的输入电压通过基本交流开关单元转化为三电平输出电压，经过储能电感L_f进行存储，再经过调节基本变换器中的基本交流开关单元的控制时序，对储能电感L_f中存储的能量进行释放，最后经过输出滤波器滤除输出电压中的高次谐波，得到稳定的同频、优质正弦交流电。

结合图1，实现上述目的的组合式三电平交-交变换器，由输入高压交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，能够将不稳定的、劣质正弦交流电直接变换成稳定的同频、优质正弦交流电，即输入交流电源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的另一端分别与三电平基本变换器和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入交流电源u_i和三电平基本变换器相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，对输入交流电源u_i进行滤波；三电平基本变换器将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为三电平输出电压，由储能电感L_f、四个串联的第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄构成，其中第一基本交流开关单元S₁与输入滤波电感L_i的另一端连接，第一、第二基本交流开关单元S₁、S₂的连接点与储能电感L_f一端连接，该储能电感L_f另一端与基本变换器一端连接，第三、第四基本交流开关单元S₃、S₄的连接点与基本变换器的另一端相连接，第四基本交流开关单元S₄分别与输入滤波电容C_i的另一端和输入交流电源u_i的另一端连接；基本变换器由两个串联的第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆相连接构成，储能电感L_f的另一端与第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆连接点相连接，第五基本交流开关单元S₅另一端分别与第三、第四基本交流开关单元S₃、S₄连接点、输出滤波电容C₀一端和输出负载连接，第六基本交流开关单元S₆另一端分别与输出滤波电容C₀另一端和输出负载连接；电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除谐波与干扰，提高输入电压的质量，然后经过调节三电平基本变换器中的第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，将滤波后的输入电压信号转换成三种电平信号，经过储能电感L_f进行存储，再经过调节基本变换器中的第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f中存储的能量进行释放，最后经过输出滤波器滤除高次谐波，得到稳定的同频、优质正弦交流电。其中，基本交流开关单元由两个功率开关管分别反并联一个二极管，然后再串联构成。

实施例1：结合图2，本发明组合式三电平交-交变换器输入输出不共地，即由输入高压交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，输入交流电压源u_i与输入滤波电感L_i的一端连接，输入滤波电感L_i的另一端分别与第一分压电容C_d1的一端和第一基本交流开关单元S₁的一端相连接，第一分压电容C_d1的另一端分别与第二分压电容C_d2的一端、第二基本交流开关单元S₂的一端和第三基本交流开关单元S₃的一端相连接，第二分压电容C_d2的另一端分别与输入交流电源u_i的另一端和第四基本交流开关单元S₄的一端相连接，第一基本交流开关单元S₁的另一端分别与第二基本交流开关单元S₂的另一端和储能电感L_f的一端相连接，第三基本交流开关单元S₃的另一端分别与第四基本交流开关单元S₄的另一端、第五基本交流开关单元S₅的一端、输出滤波电容C₀的一端和输出负载R₀的一端相连接，储能电感L_f的另一端分别与第五基本开关单元S₅的另一端、第六基本交流开关单元S₆的一端相连接，第六基本交流开关单元S₆的另一端分别与输出滤波器的另一端和输出负载R₀的另一端相连接；输入滤波电感L_i、第一和第二分压电容C_d1和C_d2构成输入滤波器，对输入交流电源u_i进行滤波；第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄和储能电感L_f构成基本三电平变换器；第五和第六基本交流开关单元S₅和S₆构成基本变换器；输出滤波电容C₀构成输出滤波器，滤除基本变换器输出电压中的高次谐波。

电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除一些谐波与干扰，并且两个分压电容对输入电压进行均分，可以看成是两个电压为u_i/2的电压源，然后经过调节第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，将滤波后的输入电压转换成三种电平信号，经储能电感L_f进行存储，再经过调节第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f存储的能量进行释放，最后经过输出滤波电容C₀滤除高次谐波，可以得到稳定的同频、优质正弦交流电。具体的工作模式和开关管的开通与关断情况如下表1所示：

表1输入输出不共地组合式三电平交-交变换器工作模态

其中：“0”表示开关关断；

“1”表示开关开通；

“↑”表示升高；

“—”表示不变；

“↓”表示降低。

实施例2：结合图3，本发明组合式三电平交-交变换器输入输出共地，由输入高压交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，输入交流电源u_i的一端与输入滤波电感L_i的一端连接，输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i的一端和第四基本交流开关单元S₄的一端相连接，输入滤波电容C_i的另一端分别与输入电源u_i的另一端、第三基本交流开关单元S₃的一端、第五基本交流开关单元S₅的一端、输出滤波电容C₀的一端和交流负载R₀的一端相连接，第四基本交流开关单元S₄的另一端分别与第一基本交流开关单元S₁的一端和中间电容C_b的一端相连接，第一基本交流开关单元S₁的另一端分别与第二基本交流开关单元S₂的另一端和储能电感L_f的一端相连接，第二基本交流开关单元S₂的另一端分别与第三基本交流开关单元S₃的另一端和中间电容C_b的另一端相连接，储能电感L_f的另一端分别与第五基本交流开关单元S₅的另一端和第六基本交流开关单元S₆的一端相连接，第六基本交流开关单元S₆的另一端与输出滤波电容C₀的另一端和交流负载R₀的另一端相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器；第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄，中间电容C_b和储能电感L_f构成三电平基本变换器；第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆构成基本变换器；输出滤波电容C₀构成输出滤波器，滤除基本变换器输出电压中的高次谐波。

电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除一些谐波与干扰，然后经过调节第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，使中间电容C_b上的电压始终为输入电压u_i的一半，并将滤波后的输入电压信号转换成三种电平信号，经储能电感L_f进行存储，再通过调节第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f存储的能量进行释放，最后经过输出滤波电容C₀滤除高次谐波，得到稳定的同频、优质正弦交流电。具体的工作模式和开关管的开通与关断情况如下表2所示：

表2输入输出共地组合式三电平交-交变换器工作模态

其中：“0”表示开关关断；

“1”表示开关开通；

“↑”表示升高；

“—”表示不变；

“↓”表示降低。

Claims

1.一种组合式三电平交-交变换器，其特征在于：由输入交流电源、输入滤波器、三电平基本变换器、基本变换器和输出滤波器依次连接构成，该输入滤波器对输入交流电源u_i进行滤波，三电平基本变换器将经输入滤波器滤波后的输入电压通过基本交流开关单元转化为三电平输出电压，经过储能电感L_f进行存储，再经过调节基本变换器中的基本交流开关单元的控制时序，对储能电感L_f中存储的能量进行释放，最后经过输出滤波器滤除输出电压中的高次谐波，得到稳定的同频正弦交流电。

2.根据权利要求1所述的组合式三电平交-交变换器，其特征在于：输入交流电源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的另一端分别与三电平基本变换器和输入滤波电容C_i相连接，该输入滤波电容C_i的另一端分别与输入交流电源u_i和三电平基本变换器相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器，对输入交流电源u_i进行滤波；三电平基本变换器将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为三电平输出电压，由储能电感L_f、四个串联的第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄构成，其中第一基本交流开关单元S₁与输入滤波电感L_i的另一端连接，第一、第二基本交流开关单元S₁、S₂的连接点与储能电感L_f一端连接，该储能电感L_f另一端与基本变换器一端连接，第三、第四基本交流开关单元S₃、S₄的连接点与基本变换器的另一端相连接，第四基本交流开关单元S₄分别与输入滤波电容C_i的另一端和输入交流电源u_i的另一端连接；基本变换器由两个串联的第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆相连接构成，储能电感L_f的另一端与第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆连接点相连接，第五基本交流开关单元S₅另一端分别与第三、第四基本交流开关单元S₃、S₄连接点、输出滤波电容C₀一端和输出负载连接，第六基本交流开关单元S₆另一端分别与输出滤波电容C₀另一端和输出负载连接；电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除谐波与干扰，提高输入电压的质量，然后经过调节三电平基本变换器中的第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，将滤波后的输入电压信号转换成三种电平信号，经过储能电感L_f进行存储，再经过调节基本变换器中的第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f中存储的能量进行释放，最后经过输出滤波器滤除高次谐波，得到稳定的同频正弦交流电。

3.根据权利要求1或2所述的组合式三电平交-交变换器，其特征在于：组合式三电平交-交变换器的输入输出不共地，输入交流电压源u_i与输入滤波电感L_i的一端连接，输入滤波电感L_i的另一端分别与第一分压电容C_d1的一端和第一基本交流开关单元S₁的一端相连接，第一分压电容C_d1的另一端分别与第二分压电容C_d2的一端、第二基本交流开关单元S₂的一端和第三基本交流开关单元S₃的一端相连接，第二分压电容C_d2的另一端分别与输入交流电源u_i的另一端和第四基本交流开关单元S₄的一端相连接，第一基本交流开关单元S₁的另一端分别与第二基本交流开关单元S₂的另一端和储能电感L_f的一端相连接，第三基本交流开关单元S₃的另一端分别与第四基本交流开关单元S₄的另一端、第五基本交流开关单元S₅的一端、输出滤波电容C₀的一端和输出负载R₀的一端相连接，储能电感L_f的另一端分别与第五基本开关单元S₅的另一端、第六基本交流开关单元S₆的一端相连接，第六基本交流开关单元S₆的另一端分别与输出滤波器的另一端和输出负载R₀的另一端相连接；输入滤波电感L_i、第一和第二分压电容C_d1和C_d2构成输入滤波器，对输入交流电源u_i进行滤波；第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄和储能电感L_f构成基本三电平变换器；第五和第六基本交流开关单元S₅和S₆构成基本变换器；输出滤波电容C₀构成输出滤波器，滤除基本变换器输出电压中的高次谐波；电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除一些谐波与干扰，并且两个分压电容对输入电压进行均分，可以看成是两个电压为u_i/2的电压源，然后经过调节第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，将滤波后的输入电压转换成三种电平信号，经储能电感L_f进行存储，再经过调节第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f存储的能量进行释放，最后经过输出滤波电容C₀滤除高次谐波，可以得到稳定的同频正弦交流电。

4.根据权利要求1或2所述的组合式三电平交-交变换器，其特征在于：组合式三电平交-交变换器的输入输出共地，输入交流电源u_i的一端与输入滤波电感L_i的一端连接，输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i的一端和第四基本交流开关单元S₄的一端相连接，输入滤波电容C_i的另一端分别与输入电源u_i的另一端、第三基本交流开关单元S₃的一端、第五基本交流开关单元S₅的一端、输出滤波电容C₀的一端和交流负载R₀的一端相连接，第四基本交流开关单元S₄的另一端分别与第一基本交流开关单元S₁的一端和中间电容C_b的一端相连接，第一基本交流开关单元S₁的另一端分别与第二基本交流开关单元S₂的另一端和储能电感L_f的一端相连接，第二基本交流开关单元S₂的另一端分别与第三基本交流开关单元S₃的另一端和中间电容C_b的另一端相连接，储能电感L_f的另一端分别与第五基本交流开关单元S₅的另一端和第六基本交流开关单元S₆的一端相连接，第六基本交流开关单元S₆的另一端与输出滤波电容C₀的另一端和交流负载R₀的另一端相连接；输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i构成输入滤波器；第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄，中间电容C_b和储能电感L_f构成三电平基本变换器；第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆构成基本变换器；输出滤波电容C₀构成输出滤波器，滤除基本变换器输出电压中的高次谐波；电能从高压交流电源u_i输入，经输入滤波器滤除一些谐波与干扰，然后经过调节第一至第四基本交流开关单元S₁、S₂、S₃、S₄的控制时序，使中间电容C_b上的电压始终为输入电压u_i的一半，并将滤波后的输入电压信号转换成三种电平信号，经储能电感L_f进行存储，再通过调节第五、第六基本交流开关单元S₅、S₆的控制时序，对储能电感L_f存储的能量进行释放，最后经过输出滤波电容C₀滤除高次谐波，得到稳定的同频正弦交流电。