CN103856095A - 一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器 - Google Patents

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项泽宇
李磊
胥佳梅
柳成
武凯
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Abstract

本发明提供一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成,本发明在传统全桥电流源型逆变器的基础上,通过在输入直流电压源两端并联两个电容分压,使变压器前端能产生Ui、Ui/2、-N1U0/N2三个电平,减小开关管电压应力,拓宽电流源型高频隔离逆变器的应用范围。本发明具有两级功率变换(直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC)、具有双向功率流、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、功率密度较高、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的优点。

Description

一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器
技术领域
[0001] 本发明属于电力电子变换技术领域,特别是一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器。
背景技术
[0002] 直一交(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静止变流技术,供交流负载用电或与交流电网并网发电使用,该技术广泛应用于工业生产和日常生活中。
[0003] 大功率电力电子器件的发展为多电平逆变装置的研制和发展提供了技术支持。1977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Akira Nabae教授等人对其进行了发展,提出了出了中点箝位逆变器(Neutral-Point-Clamped Inverter,NPC逆变器)。经过几十年的发展,目前多电平逆变技术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)具有独立直流电源的级联型逆变器。其中二极管箝位型、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。除此之外,其他类型的多电平拓扑结构基本都由这三类拓扑衍生而来。
[0004] Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同在于前者利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离,减小了变压器的体积和重量。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。
[0005] 围绕高频环节逆变技术,1998年黄敏超等人提出一种全桥双向电流源高频链逆变器的拓扑结构(黄敏超等,全桥双向电流源高频链逆变器,载于《第十三届全国电源技术年会论文集》第71至第74页),该逆变器具有双向功率传输、拓扑结构简单、使用器件少、控制方案简单、效率高、可靠性高以及良好的动态响应等优点。但是由于反激拓扑的限制及两电平电路本身的缺点,该逆变器开关管功率小,耐压能力低,只能在电压及功率较小的场合应用。
发明内容
[0006] 本发明目的在于提供一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,引入多电平技术,减小了开关管电压应力。
[0007] 为达成上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
[0008] 一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、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,分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接,全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元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。
[0009] 进一步的实施例中,所述分压电容包括第一分压电容和第二分压电容;第一分压电容的正极与输入直流电源单元的参考正极连接,第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接,第二分压电容的负极与输入直流电源单元的参考负极连接;
[0010] 所述全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元包括第一功率开关管,第一二极管,第二功率开关管,第二二极管,第三功率开关管,第三二极管,第四功率开关管,第四二极管,第五功率开关管,第五二极管,第六功率开关管,第六二极管以及一高频隔离变压器,高频隔离变压器具有第一原边绕组和第二原边绕组,其中:第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极与第一分压电容的正极相连接,第一二极管和第三二极管分别反并联于第一功率开关管和第三功率开关管两端,即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接,第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接,第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接,第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接,第一功率开关管的源极和高频隔离变压器第一原边绕组的同名端连接,第三功率开关管的源极与高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端连接,高频隔离变压器第一原边绕组的同名端与第二功率开关管的漏极相连,高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端与第四功率开关管的漏极相连,第二二极管和第四二极管分别反并联于第二功率开关管和第四功率开关管两端,即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接,第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接,第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接,第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接,第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极与第二分压电容的负极相连,第五功率开关管、第五二极管、第六功率开关管及第六二极管构成双向功率开关管,双向功率开关管的一端与第一分压电容的负极、第二分压电容的正极连接,双向功率开关管的另一端与第一功率开关管的源极、第二功率开关管的漏极、高频隔离式变压器第一原边绕组同名端连接;第五功率开关管的漏极和第五二极管的阴极相连作为双向功率开关管的一端,第六功率开关管的漏极和第六二极管的阴极相连作为双向功率开关管的另一端,第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极连接在一起;
[0011] 所述周波变换器包括第七功率开关管,第七二极管,第八功率开关管,第八二极管,其中:第七功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组非同名端连接,第八功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组同名端连接,第七二极管和第八二极管分别反并联于第七功率开关管和第八功率开关管两端,即第七二极管的阴极与第七功率开关管的漏极连接,第七二极管的阳极与第七功率开关管的源极连接,第八二极管的阴极与第八功率开关管的漏极连接,第八二极管的阳极与第八功率开关管的源极连接;
[0012] 所述输出滤波器包含输出滤波电容,该输出滤波电容的一端与第七功率开关管的源极和第七二极管的阳极连接,输出滤波电容的另一端与第八功率开关管的源极和第八二极管的阳极连接;
[0013] 所述输出交流负载包含一交流负载,该交流负载的一端和输出滤波电容的一端连接,交流负载的另一端和输出滤波电容的另一端连接。
[0014] 进一步的实施例中,所述全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器采用电压瞬时值反馈的有源箝位脉冲调制斩波方式进行控制。
[0015] 由以上本发明的技术方案可知,本发明所提出的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,与现有技术相比,其显著优点在于:
[0016] 1、将箝位型多电平拓扑运用于全桥型电流源逆变器中,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,高频隔离变压器的使用实现了变换器的小型化、轻量化,提高了变换器的效率;
[0017] 2、与其他拓扑形式逆变器相比,电流源型逆变器具有拓扑简洁输出滤波器体积小(只需电容滤波)、转换效率高等优点,与传统的“双向电流源激型高频环节逆变器”相比,本发明在输出滤波电感前端能够得到三电平,从而减小了功率开关管的电压应力,拓宽了功率开关管的选择范围,滤波电容值更小,适用于更大功率场合。在众多要求电气隔离的高压大容量逆变场合,采用本发明的逆变拓扑是比较理想的逆变电源解决方案;
[0018] 3、本发明具有功率变换级数少(直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC),双向功率流,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等优点,因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量。
附图说明
[0019] 图1为本发明一实施方式全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器的电路拓扑结构图。
具体实施方式
`[0020] 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。
[0021] 图1所示为本发明一实施方式全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器的电路拓扑结构,其中,一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,由依次连接的输入直流电源单元1、分压电容2、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元3、周波变换器4、输出滤波器5和输出交流负载6构成,其中:输入直流电源单兀I与分压电容2的一端连接,分压电容2的另一端与高频隔离式反激三电平变换单元3的一端连接,高频隔离式反激三电平变换单元3另一端与周波变换器4的一端连接,周波变换器4的另一端与输出滤波器5的一端连接,输出滤波器5的另一端与输出交流负载6连接。
[0022] 图1中,输入直流电源单元I包括一个直流电源U。
[0023] 如图1所不的实施例,分压电容2包括第一分压电容C1和第二分压电容C2 ;第一分压电容仏的正极与输入直流电源单元I的参考正极连接,第一分压电容仏的负极与第二分压电容C2的正极连接,第二分压电容C2的负极与输入直流电源单元I的参考负极连接。
[0024] 作为可选的实施方式,全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元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,以及一高频隔离变压器T,高频隔离变压器T具有第一原边绕组N1和第二原边绕组N2。[0025] 如图1所示,前述第一功率开关管S1的漏极和第三功率开关管S3的漏极与第一分压电容C1的正极相连接,第一二极管D1和第三二极管D3分别反并联于第一功率开关管S1和第三功率开关管S3两端,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,第一功率开关管31的源极和高频隔离变压器T第一原边绕组N1的同名端连接,第三功率开关管S3的源极与高频隔离变压器T第一原边绕组N1的非同名端连接,高频隔离变压器T第一原边绕组N1的同名端与第二功率开关管S2的漏极相连,高频隔离变压器T第一原边绕组N1的非同名端与第四功率开关管S4的漏极相连,第二二极管D2和第四二极管D4分别反并联于第二功率开关管S2和第四功率开关管S4两端,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,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,第二功率开关管S2的源极和第四功率开关管S4的源极与第二分压电容C2的负极相连,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构成双向功率开关管Sa,双向功率开关管Sa的一端与第一分压电容C1的负极、第二分压电容C2的正极连接,双向功率开关管Sa的另一端与第一功率开关管S1的源极、第二功率开关管S2的漏极、高频隔离式变压器T第一原边绕组N1同名端连接;所述双向功率开关管Sa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;第五功率开关管S5的漏极和第五二极管D5的阴极相连作为双向功率开关管Sa的一端,第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极相连作为双向功率开关管Sa的另一端,第五功率开关管S5的源极、第五二极管D5的阳极、第六功率开关管S6的源极、第六二极管D6的阳极连接在一起。
[0026] 作为可选的实施例,周波变换器4包括第七功率开关管S7,第七二极管D7,第八功率开关管S8,第八二极管D8。如图1所示,前述第七功率开关管S7的漏极与高频隔离变压器T第二原边绕组N2非同名端连接,第八功率开关管S8的漏极与高频隔离变压器T第二原边绕组N2同名端连接,第七二极管D7和第八二极管D8分别反并联于第七功率开关管S7和第八功率开关管S8两端,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。
[0027] 作为可选的实施例,输出滤波器5包含输出滤波电容C3,输出滤波电容C3的一端与第七功率开关管S7的源极和第七二极管D7的阳极连接,输出滤波电容(:3的另一端与第八功率开关管S8的源极和第八二极管D8的阳极连接。
[0028] 输出交流负载包含交流负载交流负载\的一端和输出滤波电容C3的一端连接,交流负载\的另一端和输出滤波电容C3的另一端连接。
[0029] 如图1所示并结合上述对本实施例的具体说明,本实施例提供的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器可将不稳定的高压直流电变换成稳定或可调的正弦电,并减少功率变换级数,实现高频电气隔离,适用于高压直一交变换场合,即第一分压电容C1、第二分压电容C2串联并接在输入直流电源U两端,在第一分压电容C1正极可得到电压+U,在第二分压电容C2正极可得到电压+U/2,将经过分压电容分压后的输入电压转化为双极性多电平的输出电压,全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元的一个输出端与周波变换器的一端相连;所述的周波变换器由第七功率开关管S7和第八功率开关管S8构成,将经全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元隔离、传输的双极性多电平电压转化为单极性多电平输出电压;所述周波变换器的第七功率开关管S7的漏极与两绕组高频隔离变压器的副边绕组队非同名端连接,周波变换器的第八功率开关管S8的漏极与两绕组高频隔离变压器的副边绕组N2同名端连接,周波变换器的第七功率开关管S7的源极与输出滤波电容C3的一端、输出交流负载\的一端连接,周波变换器的第八功率开关管S8的源极与输出滤波电容C3的另一端、输出交流负载\的另一端连接,所述输出滤波电容C3构成输出滤波器,该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压中的高压谐波,从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压U。。
[0030] 本实施例的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器优选地采用电压瞬时值反馈的有源箝位脉冲调制(SPWM)斩波的控制方式。当不稳定的高压输入直流电源U向交流负载A传递功率时,直流输入电压经过分压电容分压后能够得到两种电平(+U、+U/2),分压后的输入电压经过全桥电流源型高频隔离三电平变换单元将其调制成双极性、多电平的高频脉冲电压,经高频隔离变压器的隔离、传递后,周波变换器将其解调成单极性、多电平(+U、
O、-U)的低频脉冲电压再经输出滤波器进行输出滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压U。,此逆变器具有四象限工作能力,因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载,逆变器的控制电路可根据交流负载的性质进行调整,从而在输出端得到稳定或可调的电压。
[0031] 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 (3)

1.一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,其特征在于,由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成,其中:输入直流电源单兀与分压电容一端连接,分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接,全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元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。
2.根据权利要求1所述的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,其特征在于,所述分压电容包括第一分压电容和第二分压电容;第一分压电容的正极与输入直流电源单元的参考正极连接,第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接,第二分压电容的负极与输入直流电源单元的参考负极连接; 所述全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元包括第一功率开关管,第一二极管,第二功率开关管,第二二极管,第三功率开关管,第三二极管,第四功率开关管,第四二极管,第五功率开关管,第五二极管,第六功率开关管,第六二极管以及一高频隔离变压器,高频隔离变压器具有第一原边绕组和第二原边绕组,其中:第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极与第一分压电容的正极相连接,第一二极管和第三二极管分别反并联于第一功率开关管和第三功率开关管两端,即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接,第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接,第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接,第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接,第一功率开关管的源极和高频隔离变压器第一原边绕组的同名端连接,第三功率开关管的源极与高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端连接,高频隔离变压器第一原边绕组的同名端与第二功率开关管的漏极相连,高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端与第四功率开关管的漏极相连,第二二极管和第四二极管分别反并联于第二功率开关管和第四功率开关管两端,即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接,第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接,第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接,第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接,第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极与第二分压电容的负极相连,前述第五功率开关管、第五二极管、第六功率开关管及第六二极管构成双向功率开关管,双向功率开关管的一端与第一分压电容的负极、第二分压电容的正极连接,双向功率开关管的另一端与第一功率开关管的源极、第二功率开关管的漏极、高频隔离式变压器第一原边绕组同名端连接;第五功率开关管的漏极`和第五二极管的阴极相连作为双向功率开关管的一端,第六功率开关管的漏极和第六二极管的阴极相连作为双向功率开关管的另一端,第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极连接在一起; 所述周波变换器包括第七功率开关管,第七二极管,第八功率开关管,第八二极管,其中:第七功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组非同名端连接,第八功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组同名端连接,第七二极管和第八二极管分别反并联于第七功率开关管和第八功率开关管两端,即第七二极管的阴极与第七功率开关管的漏极连接,第七二极管的阳极与第七功率开关管的源极连接,第八二极管的阴极与第八功率开关管的漏极连接,第八二极管的阳极与第八功率开关管的源极连接; 所述输出滤波器包含输出滤波电容,该输出滤波电容的一端与第七功率开关管的源极和第七二极管的阳极连接,输出滤波电容的另一端与第八功率开关管的源极和第八二极管的阳极连接; 所述输出交流负载包含一交流负载,该交流负载的一端和输出滤波电容的一端连接,交流负载的另一端和输出滤波电容的另一端连接。
3.根据权利要求1所述的全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器,其特征在于,所述全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器采用电压瞬时值反馈的有源箝位脉冲调制斩波方式进行控制。`
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