CN103997243A - 双端反激高频隔离式三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双端反激高频隔离式三电平逆变器，主要涉及电力电子技术领域，该变换器在传统反激逆变器的基础上，引入二极管钳位的思路，并考虑输入滤波电容均压的问题而提出；该三电平逆变器包括：输入直流电源、输入滤波电容、双端反激三电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和交流负载；本发明双端反激高频隔离式三电平逆变器的优点是：采用了多电平技术，减小了主功率开关管电压应力；输出只需电容滤波，减小了滤波器体积；输入直流电压和输出交流负载高频电气隔离；输出功率密度高，频谱特性好。

Description

双端反激高频隔离式三电平逆变器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种双端反激高频隔离式三电平逆变器。

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。

大功率电力电子器件的发展为多电平逆变装置的研究提供了技术支持。1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点钳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，提出了二极管钳位式多电平逆变电路。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)二极管钳位型逆变器、(2)飞跨电容钳位型逆变器、(3)具有独立直流电源直流的级联型逆变器。Mr.ESPELAGE于1977年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，必将取代低频环节逆变器，得到广泛应用。

浙江大学黄敏超博士提出了一系列双向电流源高频链逆变器，该系列逆变器具有双向功率传输、拓扑结构简单、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。因此在传统双端反激逆变器中引入多电平技术，可以减轻其开关管电压应力，拓宽反激型逆变器的应用范围。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有反激变换器的优点，并能适用于更高电压、更大功率场合的逆变器。因此在传统双端反激逆变器基础上，引入多电平技术，提出了一种具有开关管管电压应力小、输入输出高频电气隔离、输出电压波形更好的双端反激高频隔离三电平逆变器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种双端反激高频隔离三电平逆变器，由依次相连的输入直流电源、输入滤波电容、三电平变换单元、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；输入直流电源单元与输入滤波电容一端相连，输入滤波电容另一端与三电平变换单元一端相连，三电平变换单元另一端与高频隔离变压器一端相连，高频隔离变压器另一端与周波变换器一端相连，周波变换器另一端与输出滤波器一端相连，输出滤波器另一端与输出交流负载相连。

进一步的实施例中，所述输入滤波电容包括第一输入滤波电容和第二输入滤波电容；第一输入滤波电容的正极与输入直流电源单元的正极相连，第一输入滤波电容的负极与第二输入滤波电容的正极相连，第二输入滤波电容的负极与输入直流电源的参考负极相连；

所述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，第五二极管第六二极管，第七二极管第八二极管；第一功率开关管的漏极与第一输入滤波电容的正极相相连，第一二极管反并联于第一功率开关管两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极相连，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极相连，第二功率开关管的漏极与第一功率开关管的源极相连，第二二极管反并联与第二功率开关管两端，即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极相连，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极相连，第四功率开关管的源极与第二输入分压电容的负极相连，第四二极管反并联于第四功率开关管两端，即第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极相连，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极相连，第三功率开关管的源极与第四功率开关管的漏极相连，第三二极管反并联与第三功率开关管两端，即第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极相连，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极相连，第五二极管的阳极、第六二极管的阴极与第一输入滤波电容的负极和第二输入滤波电容的正极相连，第五二极管的阴极与第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极相连，第六二极管的阳极与第三功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极相连，第七二极管的阴极与第一输入滤波电容的正极、第一功率开关管的漏极相连，第七二极管的阳极与第三功率开关管的漏极相连，第八二极管的阴极与第二功率开关管的源极相连，第八二极管的阳极与第二输入滤波电容的负极、第四功率开关管的源极相连；

所述高频隔离变压器包括高频隔离变压器第一原边绕组、高频隔离变压器第一副边绕组和高频隔离变压器第二副边绕组；高频隔离变压器第一原边绕组非同名端与第二功率开关管的源极相连，高频隔离变压器第一原边绕组的同名端与第三功率开关管的漏极相连；

所述周波变换器包括第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第九二极管、第十二极管，第十一二极管，第十二二极管；第五功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一副边绕组的同名端相连，第九二极管反并联于第五功率开关管的两端，即第九二极管的阴极与第五功率开关管的漏极相连，第九二极管的阳极与第五功率开关管的源极相连，第六功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一副边绕组的非同名端相连，第十二极管反并联于第六功率开关管的两端，即第十二极管的阴极与第六功率开关管的漏极相连，第十二极管的阳极与第六功率开关管的源极相连，第七功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二副边绕组的非同名端相连，第七功率开关管的源极与第五功率开关管的源极相连，第十一二极管反并联于第七功率开关管的两端，即第十一二极管的阴极与第七功率开关管的漏极相连，第十一二极管的阳极与第七功率开关管的源极相连，第八功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二副边绕组的同名端相连，第八功率开关管的源极与第六功率开关管的源极相连，第十二二极管反并联于第八功率开关管的两端，即第十二二极管的阴极与第八功率开关管的漏极相连，第十二二极管的阳极与第八功率开关管的源极相连；

所述输出滤波器包含输出滤波电容，输出滤波电容的正极与第五功率开关管的源极、第九二极管的阳极、第七功率开关管的源极、第十一二极管的阳极相连，输出滤波电容的负极与第六功率开关管的源极、第十二极管的阳极、第八功率开关管的源极、第十二二极管的阳极相连；

所述输出交流负载包含交流负载，交流负载的一端与输出滤波电容的正极相连，交流负载的另一端与输出滤波电容的负极相连。

由以上本发明的上述技术方案可知，本发明所提出的双端反激高频隔离三电平逆变器，与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)将二极管钳位型多电平拓扑的思路运用于传统反激型逆变器中，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；

(2)与其他拓扑形式逆变器相比，双端反激型逆变器具有拓扑简洁、输出滤波器体积小、转换效率高等优点；

(3)与传统的“反激型高频环节逆变器”相比，本发明在输出滤波器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，适用于更大功率场合。在民用、工业、国防等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；

(4)本发明具两级功率变换(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，因而提高了变换效率和功率密度、减小了体积和重量。

附图说明

图1为本发明双端反激高频隔离三电平逆变器的电路拓扑结构图。

具体实施方式

如图1所示的本实施例为双端反激高频隔离式三电平逆变器的一个示例性拓扑结构图，其中，该双端反激高频隔离式三电平逆变器由依次相连的输入直流电源1(图1中亦以通常表示电源的Ui来表示)、输入滤波电容2、三电平变换单元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，该逆变器能将不稳定的高压直流电变换成稳定或可调的正弦交流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高压输入直—交变换场合；输入直流电源单元1与输入滤波电容2一端相连，输入滤波电容2另一端与三电平变换单元3一端相连，三电平变换单元3另一端与高频隔离变压器4一端相连，高频隔离变压器4另一端与周波变换器5一端相连，周波变换器5另一端与输出滤波器6一端相连，输出滤波器6另一端与输出交流负载7相连。

如图1所示，输入滤波电容2包括第一输入滤波电容C1和第二输入滤波电容C2；第一输入滤波电容C1的正极与输入直流电源单元1的正极相连，第一输入滤波电容C1的负极与第二输入滤波电容C2的正极相连，第二输入滤波电容C2的负极与输入直流电源单元1的参考负极相连。

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，第五二极管D5第六二极管D6，第七二极管D7第八二极管D8；第一功率开关管S1的漏极与第一输入滤波电容C1的正极相相连，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的漏极相连，第一二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的源极相连，第二功率开关管S2的漏极与第一功率开关管S1的源极相连，第二二极管D2反并联与第二功率开关管S2两端，即第二二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的漏极相连，第二二极管D2的阳极与第二功率开关管S2的源极相连，第四功率开关管S4的源极与第二输入分压电容C2的负极相连，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的漏极相连，第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极相连，第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的漏极相连，第三二极管D3反并联与第三功率开关管两端，即第三二极管D3的阴极与第三功率开关管S3的漏极相连，第三二极管D3的阳极与第三功率开关管S3的源极相连，第五二极管D5的阳极、第六二极管D6的阴极与第一输入滤波电容C1的负极和第二输入滤波电容C2的正极相连，第五二极管D5的阴极与第一功率开关管S1的源极和第二功率开关管S2的漏极相连，第六二极管D6的阳极与第三功率开关管S3的源极和第四功率开关管S4的漏极相连，第七二极管D7的阴极与第一输入滤波电容C1、第一功率开关管S1的漏极相连，第七二极管D7的阳极与第三功率开关管S3的漏极相连，第八二极管D8的阴极与第二功率开关管S2的源极相连，第八二极管D8的阳极与第二输入滤波电容C2、第四功率开关管S4的源极相连，

高频隔离变压器4由一高频隔离变压器T构成，其包括第一原边绕组N1、第一副边绕组N2和高频隔离变压器T第二副边绕组N3；第一原边绕组N1非同名端与第二功率开关管S2的源极相连，第一原边绕组N1的同名端与第三功率开关管S3的漏极相连。

周波变换器5包括第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、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，第十一二极管D11，第十二二极管D12；第五功率开关管S5的漏极与高频隔离变压器T第一副边绕组N2的同名端相连，第九二极管D9反并联于第五功率开关管S5的两端，即第九二极管D9的阴极与第五功率开关管S5的漏极相连，第九二极管D9的阳极与第五功率开关管S5的源极相连，第六功率开关管S6的漏极与高频隔离变压器T第一副边绕组N2的非同名端相连，第十二极管D10反并联于第六功率开关管S6的两端，即第十二极管D10的阴极与第六功率开关管S6的漏极相连，第十二极管D10的阳极与第六功率开关管S6的源极相连，第七功率开关管S7的漏极与高频隔离变压器T第二副边绕组N3的非同名端相连，第七功率开关管S7的源极与第五功率开关管S5的源极相连，第十一二极管D11反并联于第七功率开关管S7的两端，即第十一二极管D11的阴极与第七功率开关管S7的漏极相连，第十一二极管D11的阳极与第七功率开关管S7的源极相连，第八功率开关管S8的漏极与高频隔离变压器T第二副边绕组N3的同名端相连，第八功率开关管S8的源极与第六功率开关管S6的源极相连，第十二二极管D12反并联于第八功率开关管S8的两端，即第十二二极管D12的阴极与第八功率开关管S8的漏极相连，第十二二极管D12的阳极与第八功率开关管S8的源极相连。

输出滤波器6包含输出滤波电容Cf，输出滤波电容Cf的正极与第五功率开关管S5的源极、第九二极管D9的阳极、第七功率开关管S7的源极、第十一二极管D11的阳极相连，输出滤波电容Cf的负极与第六功率开关管S6的源极、第十二极管D10的阳极、第八功率开关管S8的源极、第十二二极管D12的阳极相连。

输出交流负载7包含交流负载RL，交流负载RL的一端与输出滤波电容Cf的正极相连，交流负载RL的另一端与输出滤波电容Cf的负极相连。

本实施例的上述双端反激高频隔离三电平逆变器，其基本工作原理如下：采用输入电压瞬时值反馈控制：当不稳定的高压输入直流电源U向交流负载RL传递功率时，直流输入电压经过输入滤波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，输入电压经过采样后与与基准正弦电压比较，将其误差放大后与三角波比较得到SPWM信号，通过一系列的逻辑变换后通过驱动电路驱动开关管的开通与关断。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，此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。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合附图1，本实施例提出的双端反激高频隔离三电平逆变器，由依次相连的输入直流电源U、输入滤波电容、三电平变换单元、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，该变换器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—交变换场合，即第一输入滤波电容C1、第二输入滤波电容C2串联并接在输入直流电源U两端，在第一输入滤波电容C1正极可得到电压+U，在第二输入滤波电容C2正极可得到电压+U/2，所述的将经过输入滤波电容分压后的输入电压转化为双极性多电平输出电压的三电平变换单元的一个输出端与高频隔离变压器一端相连，高频隔离变压器另一端与周波变换器的一端相连；所述的周波变换器将经高频变压器隔离单元隔离、传输的双极性多电平电压转化为单极性多电平输出电压；所述周波变换器的另一端与输出滤波电容Cf的一端和输出交流负载RL的一端相连，所述输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述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Uo。

Claims (2)

1.一种双端反激高频隔离三电平逆变器，其特征在于：由依次相连的输入直流电源单元(1)、输入滤波电容(2)、三电平变换单元(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)；输入直流电源单元(1)与输入滤波电容(2)一端相连，输入滤波电容(2)另一端与三电平变换单元(3)一端相连，三电平变换单元(3)另一端与高频隔离变压器(4)原边相连，高频隔离变压器(4)副边与周波变换器(5)一端相连，周波变换器(5)另一端与输出滤波器(6)一端相连，输出滤波器(6)另一端与输出交流负载(7)相连。

2.根据权利要求1所述的双端反激高频隔离三电平逆变器，其特征在于：所述输入滤波电容(2)包括第一输入滤波电容(C1)和第二输入滤波电容(C2)；第一输入滤波电容(C1)的正极与输入直流电源单元(1)的正极相连，第一输入滤波电容(C1)的负极与第二输入滤波电容(C2)的正极相连，第二输入滤波电容(C2)的负极与输入直流电源单元(1)的参考负极相连；

所述三电平变换单元(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)，第五二极管(D5)第六二极管(D6)，第七二极管(D7)第八二极管(D8)，其中：

第一功率开关管(S1)的漏极与第一输入滤波电容(C1)的正极相相连，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)的漏极相连，第一二极管(D1)的阳极与第一功率开关管(S1)的源极相连，第二功率开关管(S2)的漏极与第一功率开关管(S1)的源极相连，第二二极管(D2)反并联与第二功率开关管(S2)两端，即第二二极管(D2)的阴极与第二功率开关管(S2)的漏极相连，第二二极管(D2)的阳极与第二功率开关管(S2)的源极相连，第四功率开关管(S4)的源极与第二输入分压电容(C2)的负极相连，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)的漏极相连，第四二极管(D4)的阳极与第四功率开关管(S4)的源极相连，第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的漏极相连，第三二极管(D3)反并联与第三功率开关管两端，即第三二极管(D3)的阴极与第三功率开关管(S3)的漏极相连，第三二极管(D3)的阳极与第三功率开关管(S3)的源极相连，第五二极管(D5)的阳极、第六二极管(D6)的阴极与第一输入滤波电容(C1)的负极和第二输入滤波电容(C2)的正极相连，第五二极管(D5)的阴极与第一功率开关管(S1)的源极和第二功率开关管(S2)的漏极相连，第六二极管(D6)的阳极与第三功率开关管(S3)的源极和第四功率开关管(S4)的漏极相连，第七二极管(D7)的阴极与第一输入滤波电容(C1)的正极、第一功率开关管(S1)的漏极相连，第七二极管(D7)的阳极与第三功率开关管(S3)的漏极相连，第八二极管(D8)的阴极与第二功率开关管(S2)的源极相连，第八二极管(D8)的阳极与第二输入滤波电容(C2)的负极、第四功率开关管(S4)的源极相连；

所述高频隔离变压器(4)包括高频隔离变压器的第一原边绕组(N1)、第一副边绕组(N2)和第二副边绕组(N3)，其中：

第一原边绕组(N1)非同名端与第二功率开关管(S2)的源极相连，第一原边绕组(N1)的同名端与第三功率开关管(S3)的漏极相连；

所述周波变换器(5)包括第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、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)，第十一二极管(D11)，第十二二极管(D12)，其中：

第五功率开关管(S5)的漏极与所述高频隔离变压器的第一副边绕组(N2)的同名端相连，第九二极管(D9)反并联于第五功率开关管(S5)的两端，即第九二极管(D9)的阴极与第五功率开关管(S5)的漏极相连，第九二极管(D9)的阳极与第五功率开关管(S5)的源极相连，第六功率开关管(S6)的漏极与所述第一副边绕组(N2)的非同名端相连，第十二极管(D10)反并联于第六功率开关管(S6)的两端，即第十二极管(D10)的阴极与第六功率开关管(S6)的漏极相连，第十二极管(D10)的阳极与第六功率开关管(S6)的源极相连，第七功率开关管(S7)的漏极与所述第二副边绕组(N3)的非同名端相连，第七功率开关管(S7)的源极与第五功率开关管(S5)的源极相连，第十一二极管(D11)反并联于第七功率开关管(S7)的两端，即第十一二极管(D11)的阴极与第七功率开关管(S7)的漏极相连，第十一二极管(D11)的阳极与第七功率开关管(S7)的源极相连，第八功率开关管(S8)的漏极与所述第二副边绕组(N3)的同名端相连，第八功率开关管(S8)的源极与第六功率开关管(S6)的源极相连，第十二二极管(D12)反并联于第八功率开关管(S8)的两端，即第十二二极管(D12)的阴极与第八功率开关管(S8)的漏极相连，第十二二极管(D12)的阳极与第八功率开关管(S8)的源极相连；

所述输出滤波器(6)包括一输出滤波电容(Cf)，输出滤波电容(Cf)的正极与第五功率开关管(S5)的源极、第九二极管(D9)的阳极、第七功率开关管(S7)的源极、第十一二极管(D11)的阳极相连，输出滤波电容(Cf)的负极与第六功率开关管(S6)的源极、第十二极管(D10)的阳极、第八功率开关管(S8)的源极、第十二二极管(D12)的阳极相连；

所述输出交流负载(7)包括一交流负载(RL)，该交流负载(RL)的一端与输出滤波电容(Cf)的正极相连，交流负载(RL)的另一端与输出滤波电容(Cf)的负极相连。