CN103916036B - 一种Buck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，由输入直流电源、分压电容、Buck高频隔离五电平变换单元、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，输入直流电源的正负极分别与分压电容的正负极连接，分压电容正极与Buck高频隔离五电平变换单元正极连接，输入电容负极与Buck高频隔离五电平变换单元负极连接，Buck式高频隔离五电平变换单元的输出端与高频隔离式变压器的初级绕组连接，高频隔离式变压器的次级绕组与周波变换器输入端连接，周波变换器输出端与输出滤波器输入端连接，输出滤波器输出端与输出交流负载相连。本发明的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。

Description

一种Buck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Buck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ANabae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。

而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。只是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，并没有减小开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。

发明内容

本发明目的在于提供一种Buck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。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种Buck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、Buck高频隔离五电平变换单元、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：

输入直流电源单元具有一输入直流电源，输入直流电源的正极与分压电容的正极连接，输入直流电源的负极与分压电容的负极连接，分压电容的正极与Buck高频隔离五电平变换单元正极连接，输入电容的负极与Buck高频隔离五电平变换单元的负极连接，Buck式高频隔离五电平变换单元的输出端与高频隔离式变压器的初级绕组连接，高频隔离式变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出交流负载相连。

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的参考负极连接。

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。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1在传统两电平全桥逆变电路的基础上，引入多电平技术，根据箝位型多电平拓扑的构造思路提出了Buck五电平逆变电路。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、Ui/2、0、-Ui/2、-Ui五个电平，减小了开关管的电压应力和输出滤波器体积，拓宽了全桥型逆变器的应用范围。同时改善了输出电压波形。

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，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点。变换器能在四象限工作，因此可带阻性、容性、感性负载。

4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。因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量。

附图说明

图1为本发明一实施方式Buck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Buck全桥式高频隔离五电平逆变器的一个具体实施示例。

图3为图1实施例中Buck全桥式高频隔离五电平逆变器的另一个具体实施示例。

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。

如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种Buck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、Buck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组成；其中，输入直流电源单元1包括一输入直流电源Ui，输入直流电源Ui与分压电容2的一端连接，分压电容2的另一端与Buck高频隔离五电平变换单元3的一端连接，Buck高频隔离式五电平变换单元3的另一端与高频隔离变压器4的一端连接，高频隔离变压器4的另一端与周波变换器5的一端连接，周波变换器5的另一端与输出滤波器6的一端连接，输出滤波器6另一端与输出交流负载7连接。

如图1所示，结合图2和图3，所述分压电容2包括第一分压电容C1和第二分压电容C2；第一分压电容C1的正极与输入直流电源Ui的正极连接，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的负极与输入直流电源Ui的参考负极连接。

参考图2所示的一个具体实施示例，所述述Buck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，第五二极管D5，第六二极管D6，其中：

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S1的源极与第五二极管D5的阴极连接，第五二极管D5的阳极和第一分压电容C1的负极、第二分压电容C2的正极连接，第六二极管管D6的阴极和第二分压电容C2的正极、第一分压电容C1的负极连接，第六二极管管D6的阳极和第二功率开关管S2的漏极连接，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的负极相连接，第二二极管D2和第四二极管D4分别反并联于第一功率开关管S2和第三功率开关管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；

高频隔离变压器4和周波变换器5分别为高频变压器T和全桥式周波变换器，输出滤波器6为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器4包括第一原边绕组N1，第二原边绕组N2，第一副边绕组N3；高频隔离变压器4第一原边绕组N1的同名端与第一功率开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第五二极管D5的阴极连接，高频隔离变压器4第一原边绕组N1的非同名端与第四功率开关管S4的漏极、第四二极管D4的阴极连接，高频隔离变压器4第二原边绕组N2的同名端与第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阴极、第六二极管D6的阳极连接，高频隔离变压器4第二原边绕组N2的非同名端与第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极连接；

所述全桥式周波变换器5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，第二双向开关管SB，第三双向功率开关管SC和第四双向开关管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包括第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七二极管D7、第八二极管D8，第二双向功率开关管SB包括第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第九二极管D9，第十二极管D10，第三双向功率开关管SC包括第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第十一二极管D11、第十二二极管D12，第四双向功率开关管SD包括第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十三二极管D13，第十四二极管D14；第一双向功率开关管SA的一端与高频隔离变压器4第一副原边绕组N3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N3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N3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N3的非同名端、第三双向功率开关管SC的另一端相连接；第五功率开关管S5的漏极和第七二极管D7的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的一端，第六功率开关管S6的漏极和第八二极管D8的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的另一端，第五功率开关管S5的源极、第六功率开关管S6的源极、第七二极管D7的阳极、第八二极管D8的阳极连接在一起；第七功率开关管S7的漏极和第九二极管D9的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的一端，第八功率开关管S8的漏极和第十二极管D10的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的另一端，第七功率开关管S7的源极、第八功率开关管S8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；第九功率开关管S9的漏极和第十一二极管D11的阴极相连作为第三双向功率开关管SC的一端，第十功率开关管S10的漏极和第十二二极管D12的阴极相连作为第三双向功率开关管SC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；第十一功率开关管S11的漏极和第十三二极管D13的阴极相连作为第四双向功率开关管SD的一端，第十二功率开关管S12的漏极和第十四二极管D14的阴极相连作为第四双向功率开关管SD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、第十三二极管D13的阳极、第十四二极管D14的阳极连接在一起；

所述输出滤波器6包含输出滤波电感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，即与第六功率开关管S6的漏极、第八二极管D8的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第十一二极管D11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的另一端与第二双向功率开关管SB的另一端、第四双向功率开关管SD的一端连接，即与第八功率开关管S8的漏极、第十二极管D10的阴极、第十一功率开关管S11的漏极、第十三二极管D13的阴极相连接；

所述输出交流负载7包含交流负载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。

参考图3所示的另一实施实例，所述Buck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，第五二极管D5，第六二极管D6，其中：

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S1的源极与第五二极管D5的阴极连接，第五二极管D5的阳极和第一分压电容C1的负极、第二分压电容C2的正极连接，第六二极管管D6的阴极和第二分压电容C2的正极、第一分压电容C1的负极连接，第六二极管管D6的阳极和第二功率开关管S2的漏极连接，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的负极相连接，第二二极管D2和第四二极管D4分别反并联于第一功率开关管S2和第三功率开关管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；

高频隔离变压器4和周波变换器5分别为高频变压器T和全波式周波变换器，输出滤波器6为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器4包括第一原边绕组N1，第二原边绕组N2，第二副边绕组N3’，第三副边绕组N4；高频隔离变压器4第一原边绕组N1的同名端与第一功率开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第五二极管D5的阴极连接，高频隔离变压器4第一原边绕组N1的非同名端与第四功率开关管S4的漏极、第四二极管D4的阴极连接，高频隔离变压器4第二原边绕组N2的同名端与第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阴极、第六二极管D6的阳极连接，高频隔离变压器4第二原边绕组N2的非同名端与第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极连接，高频隔离变压器4第二副边绕组N3’的非同名端与高频隔离变压器4第三副边绕组N4的同名端连接；

所述全波式周波变换器8包括第五双向开关管SA’和第六双向功率开关管SB’，所述的第六双向功率开关管SA’和第七双向功率开关管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，具有双向阻断功能；第五双向功率开关管SA’包括第十三功率开关管S5’、第十四功率开关管S6’、第十五二极管D7’、第十六二极管D8’，第六双向功率开关管SB’包括第十五功率开关管S7’、第十六功率开关管S8’、第十七二极管D9’，第十八二极管D10’；第五双向功率开关管SA’的一端与高频隔离变压器4第一副边绕组N3’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第二副边绕组N4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；第十三功率开关管S5’的漏极和第十五二极管D7’的阴极相连作为第五双向功率开关管SA’的一端，第十四功率开关管S6’的漏极和第十六二极管D8’的阴极相连作为第五双向功率开关管SA’的另一端，第十三功率开关管S5’的源极、第十四功率开关管S6’的源极、第十五二极管D7’的阳极、第十六二极管D8’的阳极连接在一起，第十五功率开关管S7’的漏极和第十七二极管D9’的阴极相连作为第六双向功率开关管SB’的一端，第十六功率开关管S8’的漏极和第十八二极管D10’的阴极相连作为第六双向功率开关管SB’的另一端，第十五功率开关管S7’的源极、第十六功率开关管S8’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；

所述输出滤波器6包含输出滤波电感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，即与第十四功率开关管S6’的漏极、第十六二极管D8’的阴极、第十六功率开关管S8’的漏极、第十八二极管D10’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N3’的非同名端、高频隔离变压器4第三副边绕组N4的同名端连接；

所述输出交流负载7包含交流负载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。

本实施例所提出的Buck高频隔离式五电平逆变器，其基本工作原理如下：当不稳定的高压输入直流Ui向交流负载ZL传递功率时，通过分压电容分压为Ui、Ui/2两种电平，输入电源电压经过Buck高频隔离五电平变换单元将其调制成双极性的高频脉冲电压，通过高频变压器的隔离、传递后，周波变换器将其解调成单极性的低频脉冲电压，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Uo。

本逆变器可以采用基于电压瞬时值反馈控制的有源箝位脉冲调制(SPWM)斩波的控制方式。将逆变器输出的电压Uo的采样电压与正弦基准电压Uref比较，该误差电压经过比例积分调节器后得到误差放大信号Ue，将误差信号再与锯齿形载波交截便能得到SPWM信号波，将所得SPWM信号及正弦基本信号波通过一系列的逻辑变换得到各个开关管的驱动信号，通过驱动电路便能驱动功率开关管工作。

由于逆变器具有四象限工作能力，因此可以带阻性、容性、感性和整流性负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式，分别对应四象限的工作，每一种工作模式都相当于一个Buck型高频隔离变换器，而不同的负载条件下逆变器的工作顺序也不同。

以Buck高频隔离式五电平逆变器适用于高频电气隔离的高压逆变场合的全波式拓扑为例，高频隔离式五电平逆变器在一个输出电压周期中的工作过程如下：

1)第一电平+Ui的产生，功率开关管S1闭合、S4闭合，功率开关管S2断开、S3断开。第五四象限功率开关管SA’中的S5’导通，S6’断开。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S1、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S4、—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N3’、—第五四象限功率开关管SA’中的S5’、—二极管D8’、—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、S3闭合，功率开关管S1断开、S4断开。第六四象限功率开关管SB’中的S7’导通，S8’关断。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S3、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S2、—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N4—第六四象限功率开关管SB’中的S7’、—二极管D10’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路。

2)第二电平+Ui/2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。第五四象限功率开关管SA’中的S5’导通，S6’断开。此时有回路第二输入电容C2正极、—二极管D5、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S4、—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’、—第五四象限功率开关管SA’中的S5’、—二极管D8’、—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S3闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S4断开。第六四象限功率开关管SB’中的S7’导通，S8’关断。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S3、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—二极管D6、—第一输入电容C1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N4、—第六四象限功率开关管SB’中的S7’、—二极管D10’、—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S1断开、S2断开、S3断开、S4断开。第五四象限功率开关管SA’中的S5’导通，S8’断开。此时原边直流电源Ui经输入电容C1和输入电容C2流通。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N3’、—第五四象限功率开关管SA’中的S5’、—二极管D8’、—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S1断开、S2断开、S3断开、S4断开。第六四象限功率开关管SB’中的S7’导通，S8’关断。此时原边直流电源Ui经输入电容C1和输入电容C2流通。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N4、—第六四象限功率开关管SB’中的S7’、—二极管D10’、—滤波器6、—交流负载ZL形成回路。

4)第四电平-Ui/2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。第六四象限功率开关管SB’中的S8’导通，S7’关断。此时有回路第二输入电容C2正极、—二极管D5、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S4、—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N4、—滤波器6、—交流负载ZL、—第六四象限功率开关管SB’中的S8’、—二极管D9’形成回路；第四种电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合，功率开关管S1断开、S2断开、S4断开。第五四象限功率开关管SA’中的S6’导通，S5’断开。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S3、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—二极管D6、—第一输入电容C1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’、—滤波器6、—交流负载ZL、—第五四象限功率开关管SA’中的S5’、—二极管D8’形成回路。

5)第五电平-Ui的产生，功率开关管S1闭合、S4闭合，功率开关管S2断开、S3断开。第六四象限功率开关管SB’中的S8’导通，S7’断开。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S1、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S4、—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N4、—滤波器6、—交流负载ZL、—第六四象限功率开关管SB’中的S8’、—二极管D9’形成回路；第五电平的另一种开关模态，功率开关管S2闭合、S3闭合，功率开关管S1断开、S4断开。第五四象限功率开关管SA’中的S6’导通，S5’关断。此时有回路第一输入电容C1正极、—功率开关管S3、—高频隔离式变压器第一原边绕组N1、—功率开关管S2、—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N3’、—滤波器6、—交流负载ZL、—第五四象限功率开关管SA’中的S6’、—二极管D7’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一、第二和第三种电平，在输出交流电压负半周期，在输出滤波器前端得到第三、第四和第五种电平。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。

由以上本发明的技术方案可见，本发明所提出的Buck高频隔离式五电平逆变器，将多电平技术引入Buck逆变器中，减小开关管电压应力。该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、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、降低开关器件的电压应力、输出滤波器体积小、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离等优点。

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 (1)

1.一种Buck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)、Buck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)组成；其中，输入直流电源单元(1)包括一输入直流电源(Ui)，输入直流电源(Ui)与分压电容(2)的一端连接，分压电容的另一端与Buck高频隔离五电平变换单元(3)的一端连接，Buck高频隔离式五电平变换单元(3)的另一端与高频隔离变压器(4)的一端连接，高频隔离变压器(4)的另一端与周波变换器(5)的一端连接，周波变换器(5)的另一端与输出滤波器(6)的一端连接，输出滤波器(6)另一端与输出交流负载(7)连接；

所述分压电容(2)包括第一分压电容(C1)和第二分压电容(C2)；第一分压电容(C1)的正极与输入直流电源(Ui)的正极连接，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)的负极与输入直流电源(Ui)的参考负极连接；并且，所述周波变换器(5)为全桥式周波变换器或全波式周波变换器中的一种，其中：

1)当周波变换器(5)为全桥式周波变换器时，该Buck高频隔离式五电平逆变器的连接如下：

所述Buck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)，第五二极管(D5)，第六二极管(D6)，其中：

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(S1)的源极与第五二极管(D5)的阴极连接，第五二极管(D5)的阳极和第一分压电容(C1)的负极、第二分压电容(C2)的正极连接，第六二极管管(D6)的阴极和第二分压电容(C2)的正极、第一分压电容(C1)的负极连接，第六二极管管(D6)的阳极和第二功率开关管(S2)的漏极连接，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)的负极相连接，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)分别反并联于第一功率开关管(S2)和第三功率开关管(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；

所述高频隔离变压器(4)和周波变换器(5)分别为高频变压器(T)和全桥式周波变换器，输出滤波器(6)为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器(4)包括第一原边绕组(N1)，第二原边绕组(N2)，第一副边绕组(N3)；高频隔离变压器(4)第一原边绕组(N1)的同名端与第一功率开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的阳极、第五二极管(D5)的阴极连接，高频隔离变压器(4)第一原边绕组(N1)的非同名端与第四功率开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的阴极连接，高频隔离变压器(4)第二原边绕组(N2)的同名端与第二功率开关管(S2)的源极、第二二极管(D2)的阴极、第六二极管(D6)的阳极连接，高频隔离变压器(4)第二原边绕组(N2)的非同名端与第三功率开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的阳极连接；

所述全桥式周波变换器(5)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)，第二双向开关管(SB)，第三双向功率开关管(SC)和第四双向开关管(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)包括第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)，第二双向功率开关管(SB)包括第七功率开关管(S7)、第八功率开关管(S8)、第九二极管(D9)，第十二极管(D10)，第三双向功率开关管(SC)包括第九功率开关管(S9)、第十功率开关管(S10)、第十一二极管(D11)、第十二二极管(D12)，第四双向功率开关管(SD)包括第十一功率开关管(S11)、第十二功率开关管(S12)、第十三二极管(D13)，第十四二极管(D14)；第一双向功率开关管(SA)的一端与高频隔离变压器(4)第一副原边绕组(N3)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(N3)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(N3)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(N3)的非同名端、第三双向功率开关管(SC)的另一端相连接；第五功率开关管(S5)的漏极和第七二极管(D7)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的一端，第六功率开关管(S6)的漏极和第八二极管(D8)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的另一端，第五功率开关管(S5)的源极、第六功率开关管(S6)的源极、第七二极管(D7)的阳极、第八二极管(D8)的阳极连接在一起；第七功率开关管(S7)的漏极和第九二极管(D9)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的一端，第八功率开关管(S8)的漏极和第十二极管(D10)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的另一端，第七功率开关管(S7)的源极、第八功率开关管(S8)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；第九功率开关管(S9)的漏极和第十一二极管(D11)的阴极相连作为第三双向功率开关管(SC)的一端，第十功率开关管(S10)的漏极和第十二二极管(D12)的阴极相连作为第三双向功率开关管(SC)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；第十一功率开关管(S11)的漏极和第十三二极管(D13)的阴极相连作为第四双向功率开关管(SD)的一端，第十二功率开关管(S12)的漏极和第十四二极管(D14)的阴极相连作为第四双向功率开关管(SD)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、第十三二极管(D13)的阳极、第十四二极管(D14)的阳极连接在一起；

所述输出滤波器(6)包含输出滤波电感(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，即与第六功率开关管(S6)的漏极、第八二极管(D8)的阴极、第九功率开关管(S9)的漏极、第十一二极管(D11)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)的另一端与第二双向功率开关管(SB)的另一端、第四双向功率开关管(SD)的一端连接，即与第八功率开关管(S8)的漏极、第十二极管(D10)的阴极、第十一功率开关管(S11)的漏极、第十三二极管(D13)的阴极相连接；

所述输出交流负载(7)包含交流负载(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；

2)当周波变换器(5)为全波式周波变换器时，该Buck高频隔离式五电平逆变器的连接如下：

所述Buck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)，第五二极管(D5)，第六二极管(D6)，其中：

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(S1)的源极与第五二极管(D5)的阴极连接，第五二极管(D5)的阳极和第一分压电容(C1)的负极、第二分压电容(C2)的正极连接，第六二极管管(D6)的阴极和第二分压电容(C2)的正极、第一分压电容(C1)的负极连接，第六二极管管(D6)的阳极和第二功率开关管(S2)的漏极连接，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)的负极相连接，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)分别反并联于第一功率开关管(S2)和第三功率开关管(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；

所述高频隔离变压器(4)和周波变换器(5)分别为高频变压器(T)和全波式周波变换器，输出滤波器(6)为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器(4)包括第一原边绕组(N1)，第二原边绕组(N2)，第二副边绕组(N3’)，第三副边绕组(N4)；高频隔离变压器(4)第一原边绕组(N1)的同名端与第一功率开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的阳极、第五二极管(D5)的阴极连接，高频隔离变压器(4)第一原边绕组(N1)的非同名端与第四功率开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的阴极连接，高频隔离变压器(4)第二原边绕组(N2)的同名端与第二功率开关管(S2)的源极、第二二极管(D2)的阴极、第六二极管(D6)的阳极连接，高频隔离变压器(4)第二原边绕组(N2)的非同名端与第三功率开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的阳极连接，高频隔离变压器(4)第二副边绕组(N3’)的非同名端与高频隔离变压器(4)第三副边绕组(N4)的同名端连接；

所述全波式周波变换器(8)包括第五双向开关管(SA’)和第六双向功率开关管(SB’)，所述的第六双向功率开关管(SA’)和第七双向功率开关管(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，具有双向阻断功能；第五双向功率开关管(SA’)包括第十三功率开关管(S5’)、第十四功率开关管(S6’)、第十五二极管(D7’)、第十六二极管(D8’)，第六双向功率开关管(SB’)包括第十五功率开关管(S7’)、第十六功率开关管(S8’)、第十七二极管(D9’)，第十八二极管(D10’)；第五双向功率开关管(SA’)的一端与高频隔离变压器(4)第一副边绕组(N3’)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)第二副边绕组(N4)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；第十三功率开关管(S5’)的漏极和第十五二极管(D7’)的阴极相连作为第五双向功率开关管(SA’)的一端，第十四功率开关管(S6’)的漏极和第十六二极管(D8’)的阴极相连作为第五双向功率开关管(SA’)的另一端，第十三功率开关管(S5’)的源极、第十四功率开关管(S6’)的源极、第十五二极管(D7’)的阳极、第十六二极管(D8’)的阳极连接在一起，第十五功率开关管(S7’)的漏极和第十七二极管(D9’)的阴极相连作为第六双向功率开关管(SB’)的一端，第十六功率开关管(S8’)的漏极和第十八二极管(D10’)的阴极相连作为第六双向功率开关管(SB’)的另一端，第十五功率开关管(S7’)的源极、第十六功率开关管(S8’)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；

所述输出滤波器(6)包含输出滤波电感(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，即与第十四功率开关管(S6’)的漏极、第十六二极管(D8’)的阴极、第十六功率开关管(S8’)的漏极、第十八二极管(D10’)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(N3’)的非同名端、高频隔离变压器(4)第三副边绕组(N4)的同名端连接；

所述输出交流负载(7)包含交流负载(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。