CN104578864A - 三相级联型变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种三相级联型变换器，包括：三组单相级联型变换器，并且每组单相级联型变换器包括至少两个双降压式逆变器，每个双降压式逆变器包括第一交流AC端和第二AC端，上一级双降压式逆变器的第二AC端与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端相连，三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的第一级双降压式逆变器的第一AC端与交流电源连接，最后一级双降压式逆变器的第二AC端相互连接，其中，由于双降压式逆变器本身无桥臂直通，从而有效避免桥臂直通的危险，并且开关频率可以设计得很高，有效提高三相级联型变换器的可靠性，进一步的，双降压式逆变器的体二极管无反向恢复的问题，有效提高三相级联型变换器的使用寿命。

Description

三相级联型变换器
技术领域
本发明涉及电能转换技术，尤其涉及一种三相级联型变换器。
背景技术
近年来，新能源的应用对电力电子技术的发展提出了新的挑战，特别在电动汽车、风力发电等领域，对三相交流/直流(Alternating Current/DirectCurrent，简称为：AC/DC)变换器的性能提出了更高的要求。因此，提高三相AC/DC变换器的可靠性，优化输出波形质量，改进变换器拓扑等工作具有十分重要的意义。
而在多种三相AC/DC变换器中，三相多电平变换器由于其优越的性能在大功率场合得到了广泛的应用。多电平变换器将多个电平合成阶梯波，接近正弦输出电压。由于电平的叠加，较高的等效开关频率使得输出的电压谐波含量极低，减小了滤波器的体积和重量。多电平变换器依据拓扑的差异可分为级联型、二极管钳位型和飞跨电容型。其中，级联型变换器每个单元由直流电源或者储能单元供电，结构简单，易于模块化，在很多工业场合得到了广泛的应用。
而目前级联型多电平变换器的基本单元几乎都采用全桥变换器。全桥变换器的每个桥壁由2个开关管串联组成，可能存在桥壁直通的危险，为了有效避免桥臂直通的危险，2个开关管进行开关变换时需要增加控制死区，从而开关频率无法设计得很高，导致级联型多电平变换器的可靠性比较低。
发明内容
本发明实施例提供一种三相级联型变换器，以克服现有技术中可能会桥壁直通而带来的可靠性低的问题。
本发明第一方面提供一种三相级联型变换器，包括：三组单相级联型变换器，
所述每组单相级联型变换器包括至少两个级联的双降压式逆变器，所述每个双降压式逆变器包括第一交流AC端和第二AC端，上一级双降压式逆变器的第二AC端与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端相连；
所述三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的第一级双降压式逆变器的第一AC端与交流电源连接；
所述三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的最后一级双降压式逆变器的第二AC端相互连接。
在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述双降压式逆变器为双降压式全桥逆变器。
结合第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能实现方式中，所述双降压式全桥逆变器包括直流电源、直流侧电容、第一功率开关管、第一续流二极管、第一电感、第二电感、第二功率开关管、第二续流二极管、第三功率开关管、第三续流二极管、第三电感、第四电感、第四功率开关管和第四续流二极管，
其中，所述直流侧电容的正极与直流电源的正极连接，所述直流侧电容的负极与直流电源的负极连接，所述第一功率开关管的漏极与所述直流侧电容的正极连接，所述第一功率开关管的源极与所述第一电感的一端和所述第二续流二极管的阴极连接，所述第二续流二极管的阳极与所述直流侧电容的负极和所述第二功率开关管的源极连接，所述第二功率开关管的漏极与所述第一续流二极管的阳极和所述第二电感的一端连接，所述第一电感的另一端与所述第二电感的另一端和所述第一AC端连接；
所述第三功率开关管的漏极与所述第一续流二极管的阴极和所述第三续流二极管的阴极连接，所述第三功率开关管的源极与所述第三电感的一端和所述第四续流二极管的阴极连接，所述第四续流二极管的阳极与所述第二功率开关管的源极和所述第四功率开关管的源极连接，所述第四功率开关管的漏极与所述第三续流二极管的阳极和所述第四电感的一端连接，所述第三电感的另一端与所述第四电感的另一端和所述第二AC端连接。
在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述双降压式逆变器为双降压式半桥逆变器。
结合第一方面的第三种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述双降压式半桥逆变器包括：
直流电源，两个串联的第一电容、第二电容、第五功率开关管、第五续流二极管、第五电感、第六电感、第六功率开关管、第六续流二极管，
其中，所述第一电容的正极与直流电源的正极和所述第五功率开关管的漏极连接，所述第一电容的负极与所述第二电容的的正极连接，所述第二电容的负极与直流电源的负极和所述第六续流二极管的阳极连接，所述第六续流二极管的阴极与所述第五功率开关管的源极和所述第五电感的一端连接，所述第五续流二极管的阴极与所述第五功率开关管的漏极连接，所述第五续流二极管的阳极与所述第六功率开关管的漏极和所述第六电感的一端连接，所述第六功率开关管的源极与所述第六续流二极管的阳极连接，所述第五电感的另一端与所述第六电感的另一端和所述第一AC端连接，所述第一电容和所述第二电容连接的中点处与所述第二AC端连接。
本发明中的三相级联型变换器，包括三组单相级联型变换器，并且每组单相级联型变换器包括至少两个双降压式逆变器，每个双降压式逆变器包括第一交流AC端和第二AC端，上一级双降压式逆变器的第二AC端与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端相连，三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的第一级双降压式逆变器的第一AC端与交流电源连接，三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的最后一级双降压式逆变器的第二AC端相互连接，其中，由于双降压式逆变器本身无桥臂直通，从而有效避免桥臂直通的危险，并且开关频率可以设计得很高，有效提高三相级联型变换器的可靠性，进一步的，双降压式逆变器的体二极管无反向恢复的问题，有效提高三相级联型变换器的使用寿命。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一提供的三相级联型变换器的结构示意图；
图2所示的双降压式全桥逆变器的结构示意图；
图3为图2所示的双降压式全桥逆变器的运行模式图一；
图4为图2所示的双降压式全桥逆变器的运行模式图二；
图5为图2所示的双降压式全桥逆变器的运行模式图三；
图6为图2所示的双降压式全桥逆变器的运行模式图四；
图7所示为将图2所示的两个双降压式全桥逆变器级联后的结构示意图；
图8为采用相同的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图一；
图9所示为采用相同的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图二；
图10所示为采用相同的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后对应的两个开关周期的控制逻辑和电流波形；
图11所示为采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图一；
图12所示为采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图二；
图13所示为采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图三；
图14所示为采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图四；
图15所示为采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个级联后的双降压式全桥逆变器对应的两个开关周期的控制逻辑和电流波形；
图16所示为利用图2所示的双降压式全桥逆变器组成的三相级联型变换器的结构示意图；
图17所示为双降压式半桥逆变器的结构示意图；
图18所示为利用图17所示的双降压式半桥逆变器组成的三相级联型变换器的结构示意图；
图19所示为本发明实施例二提供的三相级联型变换器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例一提供的三相级联型变换器的结构示意图，本实施例的装置可以包括：三组单相级联型变换器101，
每组单相级联型变换器101包括至少两个级联的双降压式逆变器，每个双降压式逆变器包括第一交流AC端102和第二AC端103，上一级双降压式逆变器的第二AC端103与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端102相连；
三组单相级联型变换器中101的第一级双降压式逆变器1011的第一AC端102与交流电源连接；
三组单相级联型变换器中101的最后一级双降压式逆变器101N的第二AC端103相互连接。
本发明实施例提供的三相级联型变换器，包括三组单相级联型变换器，并且每组单相级联型变换器包括至少两个双降压式逆变器，每个双降压式逆变器包括第一交流AC端和第二AC端，上一级双降压式逆变器的第二AC端与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端相连，三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的第一级双降压式逆变器的第一AC端与交流电源连接，三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的最后一级双降压式逆变器的第二AC端相互连接，其中，由于双降压式逆变器本身无桥臂直通，从而有效避免桥臂直通的危险，并且开关频率可以设计得很高，有效提高三相级联型变换器的可靠性，进一步的，双降压式逆变器的体二极管无反向恢复的问题，有效提高三相级联型变换器的使用寿命。
在本发明一个实施例中，双降压式逆变器可以为双降压式全桥逆变器，优选的，可以为如图2所示的双降压式全桥逆变器，如图2所示，双降压式全桥逆变器包括直流电源Vdc和直流侧电容Cdc、功率开关管S1、续流二极管D1、第一电感LP1、第二电感Ln1、功率开关管S2和续流二极管D2、功率开关管S3、续流二极管D3、第三电感LP2、第四电感Ln2、功率开关管S4和续流二极管D4。
其中，直流侧电容Cdc的正极与直流电源Vdc的正极连接，直流侧电容Cdc的负极与直流电源Vdc的负极连接，功率开关管S1的漏极与直流侧电容Cdc的正极连接，功率开关管S1的源极与第一电感LP1的一端和续流二极管D2的阴极连接，续流二极管D2的阳极与直流侧电容Cdc的负极和功率开关管S2的源极连接，功率开关管S2的漏极与续流二极管D1的阳极和第二电感Ln1的一端连接，第一电感LP1的另一端与第二电感Ln1的另一端和第一AC端102连接。
功率开关管S3的漏极与续流二极管D1的阴极和续流二极管D3的阴极连接，功率开关管S3的源极与第三电感LP2的一端和续流二极管D4的阴极连接，续流二极管D4的阳极与功率开关管S2的源极和功率开关管S4的源极连接，功率开关管S4的漏极与续流二极管D3的阳极和第四电感Ln2的一端连接，第三电感LP2的另一端与第四电感Ln2的另一端和第二AC端103连接，图中，第一AC端102与第二AC端103和交流电源Vac连接。
下面结合图3-图6说明双降压式全桥逆变器的运行模式，具体为：双降压式全桥逆变器在不对称半周单极性PWM控制下的运行模式，如图3所示，电流正向时，S1和S4导通；如图4所示，S4关断时，电流通过S1和D3续流；如图5所示，电流负向时，S2和S3导通；如图6所示，S3关断时，电流通过S2和D4续流。
进一步的，如图7所示为将图2所示的两个双降压式全桥逆变器级联后的结构示意图，如图7所示：
其中，第一级双降压式全桥逆变器的第一端102与第二级双降压式全桥逆变器的第二端103连接，第一级双降压式全桥逆变器的第二端103与第二级双降压式全桥逆变器的第一端102连接。
下面结合图8-图9说明采用相同的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图，具体为：，图8所示为，当S1、S4、S5和S8导通时，电感上的电流上升；图9所示为，当S1、D3、S5和D7导通时，电感上的电流在MOSFET和二极管中进行续流。其中，两个开关周期的控制逻辑和电流波形如图10所示。
下面结合图11-图14说明采用移相的不对称半周单极性PWM控制两个双降压式全桥逆变器级联后的运行模式图，一个开关周期的运行模式如图11-图14所示：图11所示为，S1、S4、S5和D7导通，电感的电流上升；图12所示为，S1、D3、S5和D7导通，电感的电流进行续流；图13所示为，S1、D3、S5和S8导通，电感的电流上升；图14所示为，S1、D3、S5和D7导通，电感的电流进行续流。两个开关周期的控制逻辑和电流波形如图15所示。
值得注意的是，相同的控制策略可扩展到3个甚至N个双降压式全桥逆变器级联，减小谐波电流并使得过零点电流连续。
进一步的，图16所示为利用图2所示的双降压式全桥逆变器组成的三相级联型变换器的结构示意图，如图16所示：
每一相的第一级双降压式全桥逆变器的第一AC端102与交流电源的一相连接，每一相的最后一级双降压式全桥逆变器的第二AC端103相互连接。其中，Vdc为直流电源，Va、Vb、Vc分别为交流电源的每一相。
在本发明另一个实施例中，双降压式逆变器可以为双降压式半桥逆变器，优选的，可以为如图17所示的双降压式半桥逆变器，双降压式半桥逆变器包括：
直流电源Vdc、两个串联的电容Cdc1和Cdc2、功率开关管Sa1、续流二极管Da1、第五电感LP、第六电感Ln、功率开关管Sa2和续流二极管Da2。
电容Cdc1的正极与直流电源Vdc的正极和功率开关管Sa1的漏极连接，电容Cdc1的负极与电容Cdc2的的正极连接，电容Cdc2的负极与直流电源Vdc的负极和续流二极管Da2的阳极连接，续流二极管Da2的阴极与功率开关管Sa1的源极和第五电感LP的一端连接，续流二极管Da1的阴极与功率开关管Sa1的漏极连接，续流二极管Da1的阳极与功率开关管Sa2的漏极和第六电感Ln的一端连接，功率开关管Sa2的源极与续流二极管Da2的阳极连接，第五电感LP的另一端与第六电感Ln的另一端和第一AC端102连接，两个串联电容Cdc1和Cdc2的中点处与第二AC端103连接。
进一步的，图18所示为利用图17所示的双降压式半桥逆变器组成的三相级联型变换器的结构示意图，如图17所示：
每一相的第一级双降压式半桥逆变器的第一AC端102与交流电源连接，每一相的最后一级双降压式半桥逆变器的第二AC端103相互连接。其中，Vdc为直流电源，Va、Vb、Vc分别为交流电源的每一相。
值得注意的是，本发明中所涉及的双降压式逆变器不局限与本发明实施例中的双降压式全桥逆变器和双降压式半桥逆变器，只要具有与其相同功能的逆变器均属于本发明的保护范围。
进一步的，图19所示为本发明实施例二提供的三相级联型变换器的结构示意图，由多个单相双降压式全桥逆变器和一个三相双降压式全桥逆变器组成。当系统只有1个直流电源时，可将其放置于三相双降压式全桥逆变器的直流侧，而其余单相双降压式全桥逆变器的直流测用超级电容或者动力电池代替。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种三相级联型变换器，其特征在于，包括：三组单相级联型变换器，
所述每组单相级联型变换器包括至少两个级联的双降压式逆变器，所述每个双降压式逆变器包括第一交流AC端和第二AC端，上一级双降压式逆变器的第二AC端与相邻的下一级双降压式逆变器的第一AC端相连；
所述三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的第一级双降压式逆变器的第一AC端与交流电源连接；
所述三组单相级联型变换器中各组单相级联型变换器的最后一级双降压式逆变器的第二AC端相互连接。
2.根据权利要求1所述的三相级联型变换器，其特征在于，所述双降压式逆变器为双降压式全桥逆变器。
3.根据权利要求2所述的三相级联型变换器，其特征在于，所述双降压式全桥逆变器包括直流电源、直流侧电容、第一功率开关管、第一续流二极管、第一电感、第二电感、第二功率开关管、第二续流二极管、第三功率开关管、第三续流二极管、第三电感、第四电感、第四功率开关管、第四续流二极管，
其中，所述直流侧电容的正极与所述直流电源的正极连接，所述直流侧电容的负极与所述直流电源的负极连接，所述第一功率开关管的漏极与所述直流侧电容的正极连接，所述第一功率开关管的源极与所述第一电感的一端和所述第二续流二极管的阴极连接，所述第二续流二极管的阳极与所述直流侧电容的负极和所述第二功率开关管的源极连接，所述第二功率开关管的漏极与所述第一续流二极管的阳极和所述第二电感的一端连接，所述第一电感的另一端与所述第二电感的另一端和所述第一AC端连接；
所述第三功率开关管的漏极与所述第一续流二极管的阴极和所述第三续流二极管的阴极连接，所述第三功率开关管的源极与所述第三电感的一端和所述第四续流二极管的阴极连接，所述第四续流二极管的阳极与所述第二功率开关管的源极和所述第四功率开关管的源极连接，所述第四功率开关管的漏极与所述第三续流二极管的阳极和所述第四电感的一端连接，所述第三电感的另一端与所述第四电感的另一端和所述第二AC端连接。
4.根据权利要求1所述的三相级联型变换器，其特征在于，所述双降压式逆变器为双降压式半桥逆变器。
5.根据权利要求4所述的三相级联型变换器，其特征在于，所述双降压式半桥逆变器包括：
直流电源，两个串联的第一电容、第二电容、第五功率开关管、第五续流二极管、第五电感、第六电感、第六功率开关管、第六续流二极管，
其中，所述第一电容的正极与所述直流电源的正极和所述第五功率开关管的漏极连接，所述第一电容的负极与所述第二电容的的正极连接，所述第二电容的负极与所述直流电源的负极和所述第六续流二极管的阳极连接，所述第六续流二极管的阴极与所述第五功率开关管的源极和所述第五电感的一端连接，所述第五续流二极管的阴极与所述第五功率开关管的漏极连接，所述第五续流二极管的阳极与所述第六功率开关管的漏极和所述第六电感的一端连接，所述第六功率开关管的源极与所述第六续流二极管的阳极连接，所述第五电感的另一端与所述第六电感的另一端和所述第一AC端连接，所述第一电容和所述第二电容连接的中点处与所述第二AC端连接。
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