CN103856089A - 一种高频隔离式五电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频隔离式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、分压电容、高频隔离式五电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：该变换器在全桥逆变器基础上，通过在输入直流电压源两端并联四个电容分压，使变压器前端能产生Ui/2、Ui/4、0、—Ui/4、—Ui/2五个电平，在变压副边也能感应出五个电平，减小开关管电压应力，同时改善了输出电压波形质量。本发明的逆变器具有两级功率变换（直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC）、双向功率流、开关器件电压应力低、输出滤波器前端电压频谱特性好、输出滤波器体积小、开关管电压应力低、交流负载与直流电源高频电气隔离的优点，可应用于更高电压、大功率的应用场合。

Description

一种高频隔离式五电平逆变器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种高频隔离式五电平逆变器。

背景技术

直－交（DC-AC）变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种变流技术，简称逆变技术。其广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。随着新能源技术的发展与应用，逆变技术在新能源中的应用也越来越多。

常规的逆变技术通常在逆变器和输出端之间加入一级工频变压器来调整电压比和作为电气隔离，但是工频变压器具有体积大、会产生音频噪声、动态响应特性差及输出滤波器体积大等诸多缺点。1977年Mr.ESPELAGE提出了高频链逆变技术的新概念，利用高频变压器代替传统低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性。同年，德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的A Nabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式多电平逆变电路。

大功率电力电子器件的发展也为多电平逆变装置的研究提供了技术支持。经过几十年的发展，多电平逆变技术目前主要有三类拓扑结构：（1）二极管箝位型逆变器、（2）飞跨电容箝位型逆变器、（3）具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器适用于高输入电压大功率逆变器场合；具有独立直流电源的级联型多电平逆变器则适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平多点平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷；具有独立直流电源的级联型多电平逆变技术存在电路拓扑复杂输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷。

目前所研究的高频隔离型式多电平拓扑结构大多数集中在中间带有直流环节的单向Buck型高频环节逆变器，只是在高频电气隔离的DC/DC变换器中加入了多电平技术，减小了高频电气隔离的DC/DC变换器中开关管的电压应力，而在输出滤波电感前端并没有真正实现多电平，也没有减小逆变桥开关管的电压应力，输出滤波电感电容值亦没有得到减小。因此，对于高频隔离式多电平逆变器的研制开发是逆变技术的必然趋势和需求。

发明内容

本发明目的在于提供一种高频隔离式五电平逆变器，可显著降低逆变器开关管的电压应力，并且在交流负载与直流电源间实现高频电气隔离。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高频隔离式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、分压电容、高频隔离式五电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：

输入直流电源单元与分压电容一端连接，分压电容另一端与高频隔离式五电平变换单元一端连接，高频隔离式五电平变换单元另一端与高频隔离变压器一端连接，高频隔离变压器另一端与周波变换器一端连接，周波变换器另一端与输出滤波器一端连接，输出滤波器另一端与输出交流负载连接。

进一步的实施例中，所述周波变换器为全桥式周波变换器或全波式周波变换器中的一种。

由以上本发明的技术方案可知，本发明所提出的高频隔离式五电平逆变器，与现有技术相比，其显著效果在于：

（1）将箝位型多电平拓扑的构造思路运用于传统桥式逆变电路中，并在输入直流电源与交流负载中插入高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离，同时实现变换器的小型化、轻量化，提高变换器的效率；

（2）与传统两电平逆变器相比，该变换器能在输出滤波器前端获得Ui/2、Ui/4、0、-Ui/4、-Ui/2五个电平，减小了开关管电压应力和输出滤波器体积，同时改善了输出电压波形，更适用于高电压大功率场合；

（3）本发明的功率变换级数少（直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC），具有双向功率流，且在一个输出交流周期内高频隔离变压器磁芯被双向磁化，变压器磁芯的利用率高，输出滤波器前端电压频谱特性好，因此，可显著提高逆变效率和功率密度，减小逆变器的体积和重量。

附图说明

图1为本发明一实施方式高频隔离式五电平逆变器的电路拓扑结构图。

图2为图1实施例中高频隔离式五电平逆变器的一个具体实施方式的电路拓扑图。

图3为图1实施例中高频隔离式五电平逆变器的另一个具体实施方式的电路拓扑图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本发明一实施方式高频隔离式五电平逆变器的电路拓扑结构，其中，一种高频隔离式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、分压电容2、高频隔离式五电平变换单元3、高频隔离变压器4、周波变换器5、输出滤波器6和输出交流负载7构成，其中：输入直流电源单元1与分压电容2一端连接，分压电容2另一端与高频隔离式五电平变换单元3一端连接，高频隔离式五电平变换单元3另一端与高频隔离变压器4一端连接，高频隔离变压器4另一端与周波变换器5一端连接，周波变换器5另一端与输出滤波器6一端连接，输出滤波器6另一端与输出交流负载7连接。

如图2所示为根据图1实现的高频隔离式五电平逆变器的一个示例性电路拓扑图，其中，分压电容2包括第一分压电容C1，第二分压电容C2，第三分压电容C3以及第四分压电容C4；其中：第一分压电容C1的正极与输入直流电源单元1的参考正极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极连接，第二分压电容C2的负极与第三分压电容C3的正极连接，第三分压电容C3的负极与第四分压电容C4的正极连接，第四分压电容C4的负极与输入直流电源1的参考负极连接。

所述高频隔离式五电平变换单元3包括第一功率开关管S1，第一二极管D1，第二功率开关管S2，第二二极管D2，第三功率开关管S3，第三二极管D3，第四功率开关管S4，第四二极管D4，第五功率开关管S5，第五二极管D5，第六功率开关管S6，第六二极管D6，第七功率开关管S7，第七二极管D7，第八功率开关管S8以及第八二极管D8；其中：第一功率开关管S1的漏极与第一分压电容C1的正极相连接，第一二极管D1反并联于第一功率开关管S1两端，即第一二极管D1的阴极与第一功率开关管S1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第一功率开关管S1的源极与第七功率开关管S7的源极连接，第七功率开关管S7的漏极与第二分压电容C2的正极连接，第七二极管D7反并联于第七功率开关管S7两端，即第七二极管D7的阴极与第七功率开关管S7的漏极连接，第七二极管D7的阳极与第七功率开关管S7的源极连接，第四功率开关管S4的漏极与第一功率开关管S1的源极、第七功率开关管S7的源极连接，第四功率开关管S4的源极与第六功率开关管S6的漏极相连，第四二极管D4反并联于第四功率开关管S4两端，即第四二极管D4的阴极与第四功率开关管S4的漏极连接，第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极连接，第三功率开关管S3的漏极与第一功率开关管S1的源极、第七功率开关管S7的源极、第四功率开关管S4的漏极相连接，第三功率开关管S3的源极与第五功率开关管S5的漏极连接，第三二极管D3反并联于第三功率开关管S3两端，即第三二极管D3的阴极与第三功率开关管S3的漏极连接，第三二极管D3的阳极与第三功率开关管S3的源极连接，第五功率开关管S5的漏极与第三分压电容C3的正极、第三功率开关管S3的源极连接，第五二极管D5反并联于第五功率开关管S5两端，即第五二极管D5的阴极与第五功率开关管S5的漏极连接，第五二极管D5的阳极与第五功率开关管S5的源极连接，第八功率开关管S8的源极与第四分压电容C4的正极连接，第八二极管D8反并联于第八功率开关管S8两端，即第八二极管D8的阴极与第八功率开关管S8的漏极连接，第八二极管D8的阳极与第八功率开关管S8的源极连接，第六功率开关管S6的漏极与第四功率开关管S4的源极连接，第六功率开关管S6的源极与第五功率开关管S5的源极、第八功率开关管S8的漏极连接，第六二极管D6反并联于第六功率开关管S6两端，即第六二极管D6的阴极与第六功率开关管S6的漏极连接，第六二极管D6的阳极与第六功率开关管S6的源极连接，第二功率开关管S2的源极与第四分压电容C4的负极连接，第二功率开关管S2的漏极与第五功率开关管S5的源极、第八功率开关管S8的漏极、第六功率开关管S6的源极连接，第二二极管D2反并联于第二功率开关管S2两端，即第二二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的漏极连接，第二二极管D2的阳极与第二功率开关管S2的源极连接。

所述高频隔离变压器4包括第一原边绕组N1和第一副边绕组N2；高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的同名端与第四功率开关管S4的源极、第六功率开关管S6的漏极、第四二极管D4的阳极、第六二极管D6的阴极连在一起，高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的非同名端与第二输入电容C2的负极、第三输入电容C3的正极、第三功率开关管S3的源极、第五功率开关管S5的漏极、第三二极管D3的阳极、第五二极管D5的阴极连在一起。

所述周波变换器5为一全桥式周波变换器，其包括第一双向开关管SA，第二双向功率开关管SB，第三双向开关管SC和第四双向功率开关管SD，所述的第一双向开关管SA，第二双向功率开关管SB，第三双向开关管SC和第四双向功率开关管SD都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管SA包括第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第九二极管D9、第十二极管D10，第二双向功率开关管SB包括第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十一二极管D11，第十二二极管D12，第三双向功率开关管SC包括第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14、第十三二极管D13、第十四二极管D14，第四双向功率开关管SD包括第十五功率开关管S15、第十六功率开关管S16、第十五二极管D15、第十六二极管D16；第一双向功率开关管SA的一端与高频隔离变压器4第一副边绕组N2的同名端相连，第一双向功率开关管SA的另一端与第三双向功率开关管SC的一端连接，第三双向功率开关管SC的另一端与高频隔离变压器4第一副边绕组N2的非同名端相连，第二双向功率开关管SB的一端与高频隔离变压器4第一副边绕组N2的同名端、第一双向功率开关管SA的一端连接，第二双向功率开关管SB的另一端与第四双向功率开关管SD的一端相连接，第四双向功率开关管SD的另一端与高频隔离变压器4第一副边绕组N2的非同名端、第三双向功率开关管SC的另一端相连接；第九功率开关管S9的漏极和第九二极管D9的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的一端，第十功率开关管S10的漏极和第十二极管D10的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的另一端，第九功率开关管S9的源极、第十功率开关管S10的源极、第九二极管D9的阳极、第十二极管D10的阳极连接在一起，第十一功率开关管S11的漏极和第十一二极管D11的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的一端，第十二功率开关管S12的漏极和第十二二极管D12的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的另一端，第十一功率开关管S11的源极、第十二功率开关管S12的源极、第十一二极管D11的阳极、第十二二极管D12的阳极连接在一起；第十三功率开关管S13的漏极和第十三二极管D13的阴极相连作为第三双向功率开关管SC的一端，第十四功率开关管S14的漏极和第十四二极管D14的阴极相连作为第三双向功率开关管SC的另一端，第十三功率开关管S13的源极、第十四功率开关管S14的源极、第十三二极管D13的阳极、第十四二极管D14的阳极连接在一起，第十五功率开关管S15的漏极和第十五二极管D15的阴极相连作为第四双向功率开关管SD的一端，第十六功率开关管S16的漏极和第十六二极管D16的阴极相连作为第四双向功率开关管SD的另一端，第十五功率开关管S15的源极、第十六功率开关管S16的源极、第十五二极管D15的阳极、第十六二极管D16的阳极连接在一起。

所述输出滤波器6包括输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf，其中：输出滤波电感Lf的一端与第一双向功率开关管SA的另一端、第三双向功率开关管SC的一端相连接，即与第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极相连接，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Cf的一端连接，输出滤波电容Cf的另一端第二双向功率开关管SB的另一端、第四双向功率开关管SD的一端相连接，即与第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12的阴极、第十五功率开关管S15的漏极、第十五二极管（D15的阴极相连接。

所述输出交流负载7包括一交流负载ZL，交流负载ZL的一端和输出滤波电容Cf的一端、输出滤波电感Lf的另一端相连接，交流负载ZL的另一端和输出滤波电容Cf的另一端连接。

如图3所示为根据图1实现的高频隔离式五电平逆变器的另一个示例性电路拓扑图，其中，所述周波变换器5为一全波式周波变换器。

分压电容2包括第一分压电容C1，第二分压电容C2，第三分压电容C3以及第四分压电容C4；其中：第一分压电容C1的正极与输入直流电源单元1的参考正极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极连接，第二分压电容C2的负极与第三分压电容C3的正极连接，第三分压电容C3的负极与第四分压电容C4的正极连接，第四分压电容C4的负极与输入直流电源1的参考负极连接。

所述高频隔离式五电平变换单元3包括第一功率开关管S1，第一二极管D1，第二功率开关管S2，第二二极管D2，第三功率开关管S3，第三二极管D3，第四功率开关管S4，第四二极管D4，第五功率开关管S5，第五二极管D5，第六功率开关管S6，第六二极管D6，第七功率开关管S7，第七二极管D7，第八功率开关管S8以及第八二极管D8；其中：第一功率开关管S1的漏极与第一分压电容C1的正极相连接，第一二极管D1反并联于第一功率开关管S1两端，即第一二极管D1的阴极与第一功率开关管S1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第一功率开关管S1的源极与第七功率开关管S7的源极连接，第七功率开关管S7的漏极与第二分压电容C2的正极连接，第七二极管D7反并联于第七功率开关管S7两端，即第七二极管D7的阴极与第七功率开关管S7的漏极连接，第七二极管D7的阳极与第七功率开关管S7的源极连接，第四功率开关管S4的漏极与第一功率开关管S1的源极、第七功率开关管S7的源极连接，第四功率开关管S4的源极与第六功率开关管S6的漏极相连，第四二极管D4反并联于第四功率开关管S4两端，即第四二极管D4的阴极与第四功率开关管S4的漏极连接，第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极连接，第三功率开关管S3的漏极与第一功率开关管S1的源极、第七功率开关管S7的源极、第四功率开关管S4的漏极相连接，第三功率开关管S3的源极与第五功率开关管S5的漏极连接，第三二极管D3反并联于第三功率开关管S3两端，即第三二极管D3的阴极与第三功率开关管S3的漏极连接，第三二极管D3的阳极与第三功率开关管S3的源极连接，第五功率开关管S5的漏极与第三分压电容C3的正极、第三功率开关管S3的源极连接，第五二极管D5反并联于第五功率开关管S5两端，即第五二极管D5的阴极与第五功率开关管S5的漏极连接，第五二极管D5的阳极与第五功率开关管S5的源极连接，第八功率开关管S8的源极与第四分压电容C4的正极连接，第八二极管D8反并联于第八功率开关管S8两端，即第八二极管D8的阴极与第八功率开关管S8的漏极连接，第八二极管D8的阳极与第八功率开关管S8的源极连接，第六功率开关管S6的漏极与第四功率开关管S4的源极连接，第六功率开关管S6的源极与第五功率开关管S5的源极、第八功率开关管S8的漏极连接，第六二极管D6反并联于第六功率开关管S6两端，即第六二极管D6的阴极与第六功率开关管S6的漏极连接，第六二极管D6的阳极与第六功率开关管S6的源极连接，第二功率开关管S2的源极与第四分压电容C4的负极连接，第二功率开关管S2的漏极与第五功率开关管S5的源极、第八功率开关管S8的漏极、第六功率开关管S6的源极连接，第二二极管D2反并联于第二功率开关管S2两端，即第二二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的漏极连接，第二二极管D2的阳极与第二功率开关管S2的源极连接。

如图3所示，本实施例中，所述高频隔离变压器4包括第一原边绕组N1’，第二副边绕组N2’，第三副边绕组N3；该高频隔离变压器4第一原边绕组N1’与第四功率开关管S4的源极、第六功率开关管S6的漏极、第四二极管D4的阳极、第六二极管D6的阴极连接，高频隔离变压器4第一原边绕组N1’的非同名端与第二输入电容C2的负极、第三输入电容C3的正极、第三功率开关管S3的源极、第五功率开关管S5的漏极、第三二极管D3的阳极、第五二极管D5的阴极连在一起，高频隔离变压器4第二副边绕组N2’的非同名端与高频隔离变压器4第三副边绕组N3的同名端相连接。

如图3所示，本实施例中，所述周波变换器5包括第五双向开关管SA’和第六双向功率开关管SB’，所述的第五双向功率开关管SA’和第六双向功率开关管SB’都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关；其中：第五双向功率开关管SA’包括第十七功率开关管S9’、第十八功率开关管S10’、第十七二极管D9’、第十八二极管D10’，第六双向功率开关管SB’包括第十九功率开关管S11’、第二十功率开关管S12’、第十九二极管D11’，第二十二极管D12’；第五双向功率开关管SA’的一端与高频隔离变压器4第二副边绕组N2’的同名端相连，第五双向功率开关管SA’的另一端与第六双向功率开关管SB’的另一端连接，第六双向功率开关管SB’的一端与高频隔离变压器4第三副边绕组N3的非同名端相连，第六双向功率开关管SB’的另一端与第五双向功率开关管SA’的另一端连接；第十七功率开关管S9’的漏极和第十七二极管D9’的阴极相连作为第五双向功率开关管SA’的一端，第十八功率开关管S10’的漏极和第十八二极管D10’的阴极相连作为第五双向功率开关管SA’的另一端，第十七功率开关管S9’的源极、第十八功率开关管S10’的源极、第十七二极管D9’的阳极、第十八二极管D10’的阳极连接在一起，第十九功率开关管S11’的漏极和第十九二极管D11’的阴极相连作为第六双向功率开关管SB’的一端，第二十功率开关管S12’的漏极和第二十二极管D12’的阴极相连作为第六双向功率开关管SB’的另一端，第十九功率开关管S11’的源极、第二十功率开关管S12’的源极、第十九二极管D11’的阳极、第二十二极管D12’的阳极连接在一起。

所述输出滤波器6包括输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf，输出滤波电感Lf的一端与第五双向功率开关管SA’的另一端、第六双向功率开关管SB’的另一端相连接，即与第十八功率开关管S10’的漏极、第十八二极管D10’的阴极、第二十功率开关管S12’的漏极、第二十二极管D12’的阴极相连接，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Cf的一端连接，输出滤波电容Cf的另一端和高频隔离变压器4第二副边绕组N2’的非同名端、高频隔离变压器4第三副边绕组N3的同名端连接；

所述输出交流负载7包括一交流负载ZL，交流负载ZL的一端和输出滤波电容Cf的一端、输出滤波电感Lf的另一端相连接，交流负载ZL的另一端和输出滤波电容Cf的另一端连接。

下面以图2所示的实施方式，即全波式拓扑结构的高频隔离式五电平逆变器为例，在其适用于高频电气隔离的高压逆变场合下，详细描述其在一个输出电压周期中的工作过程：

（1）第一电平+Ui/2的产生，功率开关管S1闭合、S4闭合，功率开关管S7断开、S3断开、S5断开、S6断开、S8断开、S2断开。第五四象限功率开关管SA’中的S9’导通，S10’断开。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S1、—功率开关管S4、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—第二输入电容C2负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第二副边绕组N2’、—第五四象限功率开关管SA’中的S9’、—二极管D10’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路；第一电平的另一种开关模态，功率开关管S2闭合、S6闭合，功率开关管S1断开、S4断开、S7断开、S3断开、S5断开、S8断开。第六四象限功率开关管SB’中的S11’导通，S12’关断。此时有回路第三输入电容C3正极、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—功率开关管S6、—功率开关管S2、—第四输入电容C4负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第三副边绕组N3、—第六四象限功率开关管SB’中的S11’、—二极管D12’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路。

（2）第二电平+Ui/4的产生，功率开关管S4闭合、S7闭合，功率开关管S1断开、S3断开、S5断开、S8断开、S2断开、S6断开。第五四象限功率开关管SA’中的S9’导通，S10’断开。此时有回路第二输入电容C2正极、—功率开关管S7、—功率开关管S4、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—第二输入电容C2负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第二副边绕组N2’、—第五四象限功率开关管SA’中的S9’、—二极管D10’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路；第二种电平的另一种开关模态，功率开关管S6闭合、S8闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S7断开。第六四象限功率开关管SB’中的S11’导通，S12’关断。此时有回路第三输入电容C3、正极—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’—功率开关管S6、—功率开关管S8、—第三输入电容C3负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第三副边绕组N3、—第六四象限功率开关管SB’中的S11’、—二极管D12’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路。

（3）第三电平0的产生，功率开关管S4闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S3断开、S5断开、S8断开、S6断开、S7断开。第五四象限功率开关管SA’中的S9’导通，S10’断开。此时有回路高频隔离变压器第一原边绕组N1’、—二极管D3、—功率开关管S4。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第二副边绕组N2’、—第五四象限功率开关管SA’中的S9’、—二极管D10’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路；第三电平的另一种开关模态，功率开关管S6闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S3断开、S5断开、S8断开、S4断开、S7断开。第六四象限功率开关管SB’中的S11’导通，S12’关断。此时有回路高频隔离变压器第一原边绕组N1’、—功率开关管S6、—二极管D5。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第三副边绕组N3、—第六四象限功率开关管SB’中的S11’、—二极管D12’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路。

（4）第四种电平—Ui/4的产生，功率开关管S4闭合、S7闭合，功率开关管S1断开、S3断开、S5断开、S8断开、S2断开、S6断开。第六四象限功率开关管SB’中的S12’导通，S11’闭合。此时有回路第二输入电容C2正极、—功率开关管S7、—功率开关管S4、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—第二输入电容C2负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第三副边绕组N3、—交流负载ZL、—滤波器6、—第六四象限功率开关管SB’中的S12’—二极管D11’形成回路；第四种电平的另一种开关模态，功率开关管S6闭合、S8闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S7断开。第五四象限功率开关管SB’中的S10’导通，S9’关断。此时有回路第三输入电容C3正极—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—功率开关管S6、—功率开关管S8、—第三输入电容C3负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第二副边绕组N2’、—交流负载ZL、—滤波器6、—第五四象限功率开关管SA’中的S10’、—二极管D9’形成回路。

（5）第五种电平—Ui/2的产生，功率开关管S1闭合、S4闭合，功率开关管S7断开、S3断开、S5断开、S6断开、S8断开、S2断开。第六四象限功率开关管SB’中的S12’导通，S11’闭合。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S1、—功率开关管S4、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—第二输入电容C2负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第三副边绕组N3、—交流负载ZL、—滤波器6、—第六四象限功率开关管SB’中的S12’—二极管D11’形成回路；第五电平的另一种开关模态，功率开关管S2闭合、S6闭合，功率开关管S1断开、S4断开、S7断开、S3断开、S5断开、S8断开。第五四象限功率开关管SB’中的S10’导通，S9’关断。此时有回路第三输入电容C3正极—高频隔离式变压器第一原边绕组N1’、—功率开关管S6、—功率开关管S2、—第四输入电容C4负极。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的第二副边绕组N2’、—交流负载ZL、—滤波器6、—第五四象限功率开关管SA’中的S10’、—二极管D9’形成回路。

输出交流电压正半周期，在输出滤波器前端得到第1、第2和第3种电平，在输出交流电压负半周期，在输出滤波器前端得到第3、第4和第5种电平。含有这五种电平的交流电经过滤波器后可以得到频谱特性比较好的交流输出电压。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (5)

1.一种高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元（1）、分压电容（2）、高频隔离式五电平变换单元（3）、高频隔离变压器（4）、周波变换器（5）、输出滤波器（6）和输出交流负载（7）构成，其中：

输入直流电源单元（1）与分压电容（2）一端连接，分压电容（2）另一端与高频隔离式五电平变换单元（3）一端连接，高频隔离式五电平变换单元（3）另一端与高频隔离变压器（4）一端连接，高频隔离变压器（4）另一端与周波变换器（5）一端连接，周波变换器（5）另一端与输出滤波器（6）一端连接，输出滤波器（6）另一端与输出交流负载（7）连接。

2.根据权利要求1所述的高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述周波变换器（5）为一全桥式周波变换器。

3.根据权利要求2所述的高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述分压电容（2）包括第一分压电容（C1），第二分压电容（C2），第三分压电容（C3）以及第四分压电容（C4）；其中：第一分压电容（C1）的正极与输入直流电源单元（1）的参考正极连接，第一分压电容（C1）的负极与第二分压电容（C2）的正极连接，第二分压电容（C2）的负极与第三分压电容（C3）的正极连接，第三分压电容（C3）的负极与第四分压电容（C4）的正极连接，第四分压电容（C4）的负极与输入直流电源（1）的参考负极连接；

所述高频隔离式五电平变换单元（3）包括第一功率开关管（S1），第一二极管（D1），第二功率开关管（S2），第二二极管（D2），第三功率开关管（S3），第三二极管（D3），第四功率开关管（S4），第四二极管（D4），第五功率开关管（S5），第五二极管（D5），第六功率开关管（S6），第六二极管（D6），第七功率开关管（S7），第七二极管（D7），第八功率开关管（S8）以及第八二极管（D8）；其中：第一功率开关管（S1）的漏极与第一分压电容（C1）的正极相连接，第一二极管（D1）反并联于第一功率开关管（S1）两端，即第一二极管（D1）的阴极与第一功率开关管（S1）的漏极连接，第一二极管（D1）的阳极与第一功率开关管（S1）的源极连接，第一功率开关管（S1）的源极与第七功率开关管（S7）的源极连接，第七功率开关管（S7）的漏极与第二分压电容（C2）的正极连接，第七二极管（D7）反并联于第七功率开关管（S7）两端，即第七二极管（D7）的阴极与第七功率开关管（S7）的漏极连接，第七二极管（D7）的阳极与第七功率开关管（S7）的源极连接，第四功率开关管（S4）的漏极与第一功率开关管（S1）的源极、第七功率开关管（S7）的源极连接，第四功率开关管（S4）的源极与第六功率开关管（S6）的漏极相连，第四二极管（D4）反并联于第四功率开关管（S4）两端，即第四二极管（D4）的阴极与第四功率开关管（S4）的漏极连接，第四二极管（D4）的阳极与第四功率开关管（S4）的源极连接，第三功率开关管（S3）的漏极与第一功率开关管（S1）的源极、第七功率开关管（S7）的源极、第四功率开关管（S4）的漏极相连接，第三功率开关管（S3）的源极与第五功率开关管（S5）的漏极连接，第三二极管（D3）反并联于第三功率开关管（S3）两端，即第三二极管（D3）的阴极与第三功率开关管（S3）的漏极连接，第三二极管（D3）的阳极与第三功率开关管（S3）的源极连接，第五功率开关管（S5）的漏极与第三分压电容（C3）的正极、第三功率开关管（S3）的源极连接，第五二极管（D5）反并联于第五功率开关管（S5）两端，即第五二极管（D5）的阴极与第五功率开关管（S5）的漏极连接，第五二极管（D5）的阳极与第五功率开关管（S5）的源极连接，第八功率开关管（S8）的源极与第四分压电容（C4）的正极连接，第八二极管（D8）反并联于第八功率开关管（S8）两端，即第八二极管（D8）的阴极与第八功率开关管（S8）的漏极连接，第八二极管（D8）的阳极与第八功率开关管（S8）的源极连接，第六功率开关管（S6）的漏极与第四功率开关管（S4）的源极连接，第六功率开关管（S6）的源极与第五功率开关管（S5）的源极、第八功率开关管（S8）的漏极连接，第六二极管（D6）反并联于第六功率开关管（S6）两端，即第六二极管（D6）的阴极与第六功率开关管（S6）的漏极连接，第六二极管（D6）的阳极与第六功率开关管（S6）的源极连接，第二功率开关管（S2）的源极与第四分压电容（C4）的负极连接，第二功率开关管（S2）的漏极与第五功率开关管（S5）的源极、第八功率开关管（S8）的漏极、第六功率开关管（S6）的源极连接，第二二极管（D2）反并联于第二功率开关管（S2）两端，即第二二极管（D2）的阴极与第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二二极管（D2）的阳极与第二功率开关管（S2）的源极连接；

所述高频隔离变压器（4）包括第一原边绕组（N1）和第一副边绕组（N2）；高频隔离变压器（4）的第一原边绕组（N1）的同名端与第四功率开关管（S4）的源极、第六功率开关管（S6）的漏极、第四二极管（D4）的阳极、第六二极管（D6）的阴极连在一起，高频隔离变压器（4）的第一原边绕组（N1）的非同名端与第二输入电容（C2）的负极、第三输入电容（C3）的正极、第三功率开关管（S3）的源极、第五功率开关管（S5）的漏极、第三二极管（D3）的阳极、第五二极管（D5）的阴极连在一起；

所述周波变换器包括第一双向开关管（SA），第二双向功率开关管（SB），第三双向开关管（SC）和第四双向功率开关管（SD），所述的第一双向开关管（SA），第二双向功率开关管（SB），第三双向开关管（SC）和第四双向功率开关管（SD）都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管（SA）包括第九功率开关管（S9）、第十功率开关管（S10）、第九二极管（D9）、第十二极管（D10），第二双向功率开关管（SB）包括第十一功率开关管（S11）、第十二功率开关管（S12）、第十一二极管（D11），第十二二极管（D12），第三双向功率开关管（SC）包括第十三功率开关管（S13）、第十四功率开关管（S14）、第十三二极管（D13）、第十四二极管（D14），第四双向功率开关管（SD）包括第十五功率开关管（S15）、第十六功率开关管（S16）、第十五二极管（D15），第十六二极管（D16）；第一双向功率开关管（SA）的一端与高频隔离变压器（4）第一副边绕组（N2）的同名端相连，第一双向功率开关管（SA）的另一端与第三双向功率开关管（SC）的一端连接，第三双向功率开关管（SC）的另一端与高频隔离变压器（4）第一副边绕组（N2）的非同名端相连，第二双向功率开关管（SB）的一端与高频隔离变压器（4）第一副边绕组（N2）的同名端、第一双向功率开关管（SA）的一端连接，第二双向功率开关管（SB）的另一端与第四双向功率开关管（SD）的一端相连接，第四双向功率开关管（SD）的另一端与高频隔离变压器（4）第一副边绕组（N2）的非同名端、第三双向功率开关管（SC）的另一端相连接；第九功率开关管（S9）的漏极和第九二极管（D9）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的一端，第十功率开关管（S10）的漏极和第十二极管（D10）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的另一端，第九功率开关管（S9）的源极、第十功率开关管（S10）的源极、第九二极管（D9）的阳极、第十二极管（D10）的阳极连接在一起，第十一功率开关管（S11）的漏极和第十一二极管（D11）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的一端，第十二功率开关管（S12）的漏极和第十二二极管（D12）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的另一端，第十一功率开关管（S11）的源极、第十二功率开关管（S12）的源极、第十一二极管（D11）的阳极、第十二二极管（D12）的阳极连接在一起；第十三功率开关管（S13）的漏极和第十三二极管（D13）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的一端，第十四功率开关管（S14）的漏极和第十四二极管（D14）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的另一端，第十三功率开关管（S13）的源极、第十四功率开关管（S14）的源极、第十三二极管（D13）的阳极、第十四二极管（D14）的阳极连接在一起，第十五功率开关管（S15）的漏极和第十五二极管（D15）的阴极相连作为第四双向功率开关管（SD）的一端，第十六功率开关管（S16）的漏极和第十六二极管（D16）的阴极相连作为第四双向功率开关管（SD）的另一端，第十五功率开关管（S15）的源极、第十六功率开关管（S16）的源极、第十五二极管（D15）的阳极、第十六二极管（D16）的阳极连接在一起；

所述输出滤波器（6）包括输出滤波电感（Lf）和输出滤波电容（Cf），其中：输出滤波电感（Lf）的一端与第一双向功率开关管（SA）的另一端、第三双向功率开关管（SC）的一端相连接，即与第十功率开关管（S10）的漏极、第十二极管（D10）的阴极、第十三功率开关管（S13）的漏极、第十三二极管（D13）的阴极相连接，输出滤波电感（Lf）的另一端与输出滤波电容（Cf）的一端连接，输出滤波电容（Cf）的另一端第二双向功率开关管（SB）的另一端、第四双向功率开关管（SD）的一端相连接，即与第十二功率开关管（S12）的漏极、第十二二极管（D12）的阴极、第十五功率开关管（S15）的漏极、第十五二极管（D15）的阴极相连接；

所述输出交流负载（7）包括一交流负载（ZL），交流负载（ZL）的一端和输出滤波电容（Cf）的一端、输出滤波电感（Lf）的另一端相连接，交流负载（ZL）的另一端和输出滤波电容（Cf）的另一端连接。

4.根据权利要求1所述的高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述周波变换器（5）为一全波式周波变换器。

5.根据权利要求4所述的高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述分压电容（2）包括第一分压电容（C1），第二分压电容（C2），第三分压电容（C3）以及第四分压电容（C4）；其中：第一分压电容（C1）的正极与输入直流电源单元（1）的参考正极连接，第一分压电容（C1）的负极与第二分压电容（C2）的正极连接，第二分压电容（C2）的负极与第三分压电容（C3）的正极连接，第三分压电容（C3）的负极与第四分压电容（C4）的正极连接，第四分压电容（C4）的负极与输入直流电源（1）的参考负极连接；

所述高频隔离式五电平变换单元（3）包括第一功率开关管（S1），第一二极管（D1），第二功率开关管（S2），第二二极管（D2），第三功率开关管（S3），第三二极管（D3），第四功率开关管（S4），第四二极管（D4），第五功率开关管（S5），第五二极管（D5），第六功率开关管（S6），第六二极管（D6），第七功率开关管（S7），第七二极管（D7），第八功率开关管（S8）以及第八二极管（D8）；其中：第一功率开关管（S1）的漏极与第一分压电容（C1）的正极相连接，第一二极管（D1）反并联于第一功率开关管（S1）两端，即第一二极管（D1）的阴极与第一功率开关管（S1）的漏极连接，第一二极管（D1）的阳极与第一功率开关管（S1）的源极连接，第一功率开关管（S1）的源极与第七功率开关管（S7）的源极连接，第七功率开关管（S7）的漏极与第二分压电容（C2）的正极连接，第七二极管（D7）反并联于第七功率开关管（S7）两端，即第七二极管（D7）的阴极与第七功率开关管（S7）的漏极连接，第七二极管（D7）的阳极与第七功率开关管（S7）的源极连接，第四功率开关管（S4）的漏极与第一功率开关管（S1）的源极、第七功率开关管（S7）的源极连接，第四功率开关管（S4）的源极与第六功率开关管（S6）的漏极相连，第四二极管（D4）反并联于第四功率开关管（S4）两端，即第四二极管（D4）的阴极与第四功率开关管（S4）的漏极连接，第四二极管（D4）的阳极与第四功率开关管（S4）的源极连接，第三功率开关管（S3）的漏极与第一功率开关管（S1）的源极、第七功率开关管（S7）的源极、第四功率开关管（S4）的漏极相连接，第三功率开关管（S3）的源极与第五功率开关管（S5）的漏极连接，第三二极管（D3）反并联于第三功率开关管（S3）两端，即第三二极管（D3）的阴极与第三功率开关管（S3）的漏极连接，第三二极管（D3）的阳极与第三功率开关管（S3）的源极连接，第五功率开关管（S5）的漏极与第三分压电容（C3）的正极、第三功率开关管（S3）的源极连接，第五二极管（D5）反并联于第五功率开关管（S5）两端，即第五二极管（D5）的阴极与第五功率开关管（S5）的漏极连接，第五二极管（D5）的阳极与第五功率开关管（S5）的源极连接，第八功率开关管（S8）的源极与第四分压电容（C4）的正极连接，第八二极管（D8）反并联于第八功率开关管（S8）两端，即第八二极管（D8）的阴极与第八功率开关管（S8）的漏极连接，第八二极管（D8）的阳极与第八功率开关管（S8）的源极连接，第六功率开关管（S6）的漏极与第四功率开关管（S4）的源极连接，第六功率开关管（S6）的源极与第五功率开关管（S5）的源极、第八功率开关管（S8）的漏极连接，第六二极管（D6）反并联于第六功率开关管（S6）两端，即第六二极管（D6）的阴极与第六功率开关管（S6）的漏极连接，第六二极管（D6）的阳极与第六功率开关管（S6）的源极连接，第二功率开关管（S2）的源极与第四分压电容（C4）的负极连接，第二功率开关管（S2）的漏极与第五功率开关管（S5）的源极、第八功率开关管（S8）的漏极、第六功率开关管（S6）的源极连接，第二二极管（D2）反并联于第二功率开关管（S2）两端，即第二二极管（D2）的阴极与第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二二极管（D2）的阳极与第二功率开关管（S2）的源极连接；

所述高频隔离变压器（4）包括第一原边绕组（N1’），第二副边绕组（N2’），第三副边绕组（N3）；该高频隔离变压器（4）第一原边绕组（N1’）与第四功率开关管（S4）的源极、第六功率开关管（S6）的漏极、第四二极管（D4）的阳极、第六二极管（D6）的阴极连接，高频隔离变压器（4）第一原边绕组（N1’）的非同名端与第二输入电容（C2）的负极、第三输入电容（C3）的正极、第三功率开关管（S3）的源极、第五功率开关管（S5）的漏极、第三二极管（D3）的阳极、第五二极管（D5）的阴极连在一起，高频隔离变压器（4）第二副边绕组（N2’）的非同名端与高频隔离变压器（4）第三副边绕组（N3）的同名端相连接；

所述周波变换器（5）包括第五双向开关管（SA’）和第六双向功率开关管（SB’），所述的第五双向功率开关管（SA’）和第六双向功率开关管（SB’）都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关；其中：第五双向功率开关管（SA’）包括第十七功率开关管（S9’）、第十八功率开关管（S10’）、第十七二极管（D9’）、第十八二极管（D10’），第六双向功率开关管（SB’）包括第十九功率开关管（S11’）、第二十功率开关管（S12’）、第十九二极管（D11’），第二十二极管（D12’）；第五双向功率开关管（SA’）的一端与高频隔离变压器（4）第二副边绕组（N2’）的同名端相连，第五双向功率开关管（SA’）的另一端与第六双向功率开关管（SB’）的另一端连接，第六双向功率开关管（SB’）的一端与高频隔离变压器（4）第三副边绕组（N3）的非同名端相连，第六双向功率开关管（SB’）的另一端与第五双向功率开关管（SA’）的另一端连接；第十七功率开关管（S9’）的漏极和第十七二极管（D9’）的阴极相连作为第五双向功率开关管（SA’）的一端，第十八功率开关管（S10’）的漏极和第十八二极管（D10’）的阴极相连作为第五双向功率开关管（SA’）的另一端，第十七功率开关管（S9’）的源极、第十八功率开关管（S10’）的源极、第十七二极管（D9’）的阳极、第十八二极管（D10’）的阳极连接在一起，第十九功率开关管（S11’）的漏极和第十九二极管（D11’）的阴极相连作为第六双向功率开关管（SB’）的一端，第二十功率开关管（S12’）的漏极和第二十二极管（D12’）的阴极相连作为第六双向功率开关管（SB’）的另一端，第十九功率开关管（S11’）的源极、第二十功率开关管（S12’）的源极、第十九二极管（D11’）的阳极、第二十二极管（D12’）的阳极连接在一起；

所述输出滤波器（6）包括输出滤波电感（Lf）和输出滤波电容（Cf），输出滤波电感（Lf）的一端与第五双向功率开关管（SA’）的另一端、第六双向功率开关管（SB’）的另一端相连接，即与第十八功率开关管（S10’）的漏极、第十八二极管（D10’）的阴极、第二十功率开关管（S12’）的漏极、第二十二极管（D12’）的阴极相连接，输出滤波电感（Lf）的另一端与输出滤波电容（Cf）的一端连接，输出滤波电容（Cf）的另一端和高频隔离变压器（4）第二副边绕组（N2’）的非同名端、高频隔离变压器（4）第三副边绕组（N3）的同名端连接；

所述输出交流负载（7）包括一交流负载（ZL），交流负载（ZL）的一端和输出滤波电容（Cf）的一端、输出滤波电感（Lf）的另一端相连接，交流负载（ZL）的另一端和输出滤波电容（Cf）的另一端连接。

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