CN105846705B - 高频隔离式五电平逆变器 - Google Patents

高频隔离式五电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了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、分压电容、高频隔离式五电平变换单元、输出周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；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两个电容分压，使变压器前端能产生Udc、Udc/2、0、‑Udc/2、‑Udc五个电平，同时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、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的优点。该逆变器开关管电压应力低，可应用于更高电压、大功率的应用场合。

Description

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)变换技术是指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。
迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直－交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平直－交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、交-交和交-直变换器，而对于多电平直－交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式多电平直－交变换器，对高频隔离式多电平两级功率变换的逆变器研究却比较少。
在传统的逆变器中，最早广泛应用的是两电平逆变器，这种逆变器最大的缺点是受开关管功率和耐压能力的限制，不适用于高压大功率场合。随着电力系统直流输电无功补偿、有源电力滤波器及高压大功率交流电动机变频调速和新能源发电等系统发展的需要，多电平逆变器开始出现。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。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。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。
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，必将取代低频环节逆变器，并得到广泛应用。随着航空科技和航空电子的快速发展，飞机二次电源必须向高功率密度、高效率和模块化方向发展；在新能源的开发利用中，适用于太阳能阵列与电网并联的逆变器和燃料电池逆变器以及不间断电源UPS的关键技术—逆变环节等需要逆变技术的场合，高频环节逆变器都具有广泛的应用前景。
随着高频链逆变技术新概念的提出，国内外学者对其做了大量的研究工作，并取得了不少有价值的研究成果。1990年S.R.Narayana Prakask等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”，由高频电气隔离的DC/DC变换器和buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、三级功率变换(DC-HFAC-DC-LFAC)、变换效率高、采用传统PWM技术时功率器件开关损耗大、成本高等特点。I.Yamato等人于1988年提出了“双向Buck型高频环节逆变器”，该逆变器由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通周期均有两个或四个功率器件同时导通，导通损耗较大，具有双向功率流、直流—高频脉冲交流—低频交流的两级结构、效率较高、导通损耗大等特点。但是这种“双向Buck型高频环节逆变器”在滤波电感前端产生的电压为±Ui两电平或为±U、0三电平，考虑到在高压输入场合下扩大功率器件的选择范围，功率开关管的电压应力要低，所以这一固有缺陷制约了这种“双向Buck型高频环节逆变器”在高输入电压大功率逆变器场合的应用。
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，并没有减小逆变桥开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有两级功率变换(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的高频隔离式五电平逆变器。
实现本发明目的的技术解决方案为：
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、输出周波变换器、输出滤波器、和输出交流负载组成。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，分压电容的正极与高频隔离式五电平变换单元正极连接，输入电容的负极与高频隔离式五电平变换单元的负极连接，高频隔离式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输出周波变换器的输入端连接，输出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。
分压电容具有第一输入电容和第二输入电容。第一输入电容的正极、第一功率开关管的漏极和第一二极管的阴极、第九功率开关管的漏极、第九二极管的阴极、第三功率开关管的漏极、第三二极管的阴极相连，第一输入电容的负极、第二输入电容的正极、第五功率开关管的漏极和第五二极管的阴极相连，第一功率开关管的源极、第一二极管的阳极、第二功率开关管的源极、第二二极管的阳极相连，第九功率开关管的源极、第九二极管的阳极、第十功率开关管的源极和第十二极管的阳极相连，第三功率开关管的源极、第三二极管的阳极、第四功率开关管的源极和第四二极管的阳极相连，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和第六二极管的阳极相连，第六功率开关管漏极、第六二极管的阴极、第十功率开关管的漏极、第十二极管的阴极、第八功率开关管的漏极、第八二极管的阴极相连，第二输入电容的负极、第七功率开关管的漏极、第七二极管的阴极相连，第七功率开关管源极、第七二极管的阳极、第八功率开关管的源极、第八二极管的阳极相连，第一输入电容的正极和第二输入电容的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管的漏极和第十功率开关管的漏极分别为第一输出交流的两端，第十功率开关管的漏极和第一功率开关管的漏极分别为第二输出交流的两端。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
(1)将箝位型多电平拓扑的构造思路运用于传统推挽逆变电路中。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Udc、Udc/2、0、-Udc/2、-Udc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
图1为本发明一种高频隔离式五电平逆变器的电路拓扑结构图。
图2为本发明一种高频隔离全波式五电平逆变器的电路拓扑结构图。
图3为本发明一种高频隔离全桥式五电平逆变器的电路拓扑结构图。
具体实施方式
结合图1～图3：本发明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、输出周波变换器5、输出滤波器6和输出交流负载7组成。
输入直流电源单元1包括输入直流电源Udc，输入直流电源单元Udc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4一端连接，高频隔离变压器4另一端与输出周波变换器一端连接，输出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。
所述分压电容2包括第一分压电容C1，第二分压电容C2；第一分压电容C1的正极与输入直流电源单元Udc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U的参考负极连接。
第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第三功率开关管S3的漏极、第三二极管D3的阴极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极、第五功率开关管S5的漏极和第五二极管D5的阴极相连，第一功率开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极相连，第九功率开关管S9的源极、第九二极管D9的阳极、第十功率开关管S10的源极和第十二极管D10的阳极相连，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，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的源极和第六二极管D6的阳极相连，第六功率开关管S6的漏极、第六二极管D6的阴极、第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第八功率开关管S8的漏极、第八二极管D8的阴极相连，第二输入电容C2的负极、第七功率开关管S7的漏极、第七二极管D7的阴极相连，第七功率开关管S7的源极、第七二极管D7的阳极、第八功率开关管S8的源极、第八二极管D8的阳极相连，第一输入电容C1的正极和第二输入电容C2的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管S2的漏极和第十功率开关管S10的漏极分别为第一输出交流N1的两端，第十功率开关管S10的漏极和第一功率开关管S1的漏极分别为第二输出交流N2的两端。
所述的输出周波变换器为全桥式周波变换器5，高频隔离式变压器4的第一副边绕组N3的同名端与所述全桥式周波变换器5的第十一功率开关管S11的漏极、第十一二极管D11的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5第十一功率开关管S11的源极、第十一二极管D11的阳极、第十二功率开关管S12的源极、第十二二极管D12的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12阴极、第十五功率S15开关管的漏极、第十五二极管D15的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十五功率开关管S15的源极、第十五二极管D15的阳极、第十六功率开关管S16的源极、第十六二极管D16的阳极连在一起，高频隔离式变压器4的第一副边绕组N2的非同名端与所述全桥式周波变换器5的第十六功率开关管S16的漏极、第十六二极管D16的阴极、第十八功率开关管S18的漏极、第十八二极管D18的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十八功率开关管S18的源极、第十八二极管D18的阳极、第十七功率开关管S17的源极、第十七二极管D17的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十七功率开关管S17的漏极、第十七二极管D17的阴极、第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器第十四功率开关管S14的源极、第十四二极管D14的阳极、第十三功率开关管S13的源极、第十三二极管D13的阳极连在一起，第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12和第十一二极管D11、第十四极管D14构成第一四象限功率开关管SA，第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14和第十三二极管D13、第十四二极管D14构成第二四象限功率开关管SB，第十五功率开关管S15、第十六功率开关管S16和第十五二极管D15、第十六二极管D16构成第三四象限功率开关管SC，第十七功率开关管S17、第十八功率开关管S18和第十七二极管D17、第十八二极管D18构成第四四象限功率开关管SD，四个四象限功率开关管构成所述全桥式周波变换器4。
所述的输出周波变换器为全波式周波变换器8，高频隔离式变压器4的第二副边绕组N3’的同名端与所述全波式周波变换器8的第十九功率开关管S11’的漏极和第十九二极管D11’的阴极连在一起，所述全波式周波变换器8的第十九功率开关管S11’的源极、第十九二极管D11’的阳极、第二十功率开关管S12’的源极、第二十二极管D12’的阳极连在一起，高频隔离式变压器4的第二副边绕组N3’的非同名端与高频隔离式变压器4的第三副边绕组N4的同名端连接，高频隔离式变压器4的第三副边绕组N4的非同名端与所述全波式周波变换器8的第二十一功率开关管S13’的漏极、第二十一二极管D13’的阴极连接，所述全波式周波变换器8第二十一功率开关管S13’的源极、第二十一二极管D13’的阳极、第二十二功率开关管S14’的源极、第二十二二极管D14’的阳极连在一起，所述全波式周波变换器8第二十二功率开关管S14’的漏极、第二十二二极管D14’的阴极、第二十功率开关管S12’的漏极、第二十二极管D12’的阴极连在一起，第十九功率开关管S11’、第二十功率开关管S12’和第十九二极管D11’、第二十二极管D12’构成第五四象限功率开关管，第二十一功率开关管S13’、第二十二功率开关管S14’和第二十一二极管D13’、第二十二二极管D14’构成第六四象限功率开关管，第五四象限功率开关管和第六四象限功率开关管构成所述全波式周波变换器8。
实施例1：结合图2，一种高频隔离式五电平逆变器适用于高频电气隔离的高电压、大功率逆变场合的电路拓扑，即输入直流电源Udc的正极连与第一输入电容C1的正极相连，第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第三功率开关管S3的漏极、第三二极管D3的阴极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极、第五功率开关管S5的漏极和第五二极管D5的阴极相连，第一功率开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极相连，第二功率开关管S2的漏极、第二二极管D2的阴极与高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的同名端相连接，第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第十功率开关管S10的漏极和第十二极管D10的阴极相连，第五功率开关管S5的漏极、第五二极管D5的阴极、第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极相连，第六功率开关管S6的漏极、第六二极管D6的阴极、第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第八功率开关管S8的漏极、第八二极管D8的阴极与高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的非同名端、与高频隔离变压器4的第二原边绕组N2的同名端相连接，第二输入电容C2的负极、第七功率开关管S7的漏极、第七二极管D7的阴极相连，第七功率开关管S7的源极、第七二极管D7的阳极、第八功率开关管S8的源极、第八二极管D8的阳极相连，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第四功率开关管S4的漏极、第四二极管D4的阴极与与高频隔离变压器4的第二原边绕组N2的非同名端相连接。高频隔离式变压器4的第一副边绕组N3的同名端与所述全桥式周波变换器5的第十一功率开关管S11的漏极、第十一二极管D11的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5第十一功率开关管S11的源极、第十一二极管D11的阳极、第十二功率开关管S12的源极、第十二二极管D12的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12阴极、第十五功率S15开关管的漏极、第十五二极管D15的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十五功率开关管S15的源极、第十五二极管D15的阳极、第十六功率开关管S16的源极、第十六二极管D16的阳极连在一起，高频隔离式变压器4的第一副边绕组N2的非同名端与所述全桥式周波变换器5的第十六功率开关管S16的漏极、第十六二极管D16的阴极、第十八功率开关管S18的漏极、第十八二极管D18的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十八功率开关管S18的源极、第十八二极管D18的阳极、第十七功率开关管S17的源极、第十七二极管D17的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器5的第十七功率开关管S17的漏极、第十七二极管D17的阴极、第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器第十四功率开关管S14的源极、第十四二极管D14的阳极、第十三功率开关管S13的源极、第十三二极管D13的阳极连在一起，第十二功率开关S12的漏极连于输出滤波电感Lf的前端，滤波电感Lf的后端连于滤波电容的正极，第十七功率开关管S17的漏极与滤波电容Cf的负极相连后接“地”，滤波电容Cf的两端接交流负载ZL。
实施例2：结合图3，一种高频隔离式五电平逆变器适用于高频电气隔离的高电压、大功率逆变场合的电路拓扑，即即输入直流电源Udc的正极连与第一输入电容C1的正极相连，第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第三功率开关管S3的漏极、第三二极管D3的阴极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极、第五功率开关管S5的漏极和第五二极管D5的阴极相连，第一功率开关管S1的源极、第一二极管D1的阳极、第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极相连，第二功率开关管S2的漏极、第二二极管D2的阴极与高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的同名端相连接，第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第十功率开关管S10的漏极和第十二极管D10的阴极相连，第五功率开关管S5的漏极、第五二极管D5的阴极、第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极相连，第六功率开关管S6的漏极、第六二极管D6的阴极、第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第八功率开关管S8的漏极、第八二极管D8的阴极与高频隔离变压器4的第一原边绕组N1的非同名端、与高频隔离变压器4的第二原边绕组N2的同名端相连接，第二输入电容C2的负极、第七功率开关管S7的漏极、第七二极管D7的阴极相连，第七功率开关管S7的源极、第七二极管D7的阳极、第八功率开关管S8的源极、第八二极管D8的阳极相连，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第四功率开关管S4的漏极、第四二极管D4的阴极与与高频隔离变压器4的第二原边绕组N2的非同名端相连接。高频隔离式变压器4的第二副边绕组N3’的同名端与所述全波式周波变换器8的第十九功率开关管S11’的漏极和第十九二极管D11’的阴极连在一起，所述全波式周波变换器8的第十九功率开关管S11’的源极、第十九二极管D11’的阳极、第二十功率开关管S12’的源极、第二十二极管D12’的阳极连在一起，高频隔离式变压器4的第二副边绕组N3’的非同名端与高频隔离式变压器4的第三副边绕组N4的同名端连接，高频隔离式变压器4的第三副边绕组N4的非同名端与所述全波式周波变换器8的第二十一功率开关管S13’的漏极、第二十一二极管D13’的阴极连接，所述全波式周波变换器8第二十一功率开关管S13’的源极、第二十一二极管D13’的阳极、第二十二功率开关管S14’的源极、第二十二二极管D14’的阳极连在一起，所述全波式周波变换器8第二十二功率开关管S14’的漏极、第二十二二极管D14’的阴极、第二十功率开关管S12’的漏极、第二十二极管D12’的阴极连于输出滤波电感Lf的前端，滤波电感Lf的后端连于滤波电容的正极，高频隔离式变压器4的第二副边绕组N3’的非同名端、高频隔离式变压器4的第三副边绕组N4的同名端与滤波电容Cf的负极相连后接“地”，滤波电容Cf的两端接交流负载ZL。
本发明一种高频隔离式五电平逆变器的基本工作原理如下：输入电压经直流侧两分压电容分压后得到Udc/2电平，输入电源电压经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低频脉冲电压，再经输出滤波进行输出滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压uout。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uout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，该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。
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，不同的负载条件下逆变器的工作顺序也不同。
以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桥式拓扑为例，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+Udc的产生，功率开关管S1闭合、S8闭合，功率开关管S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7断开、S9断开、S10断开。第一四象限功率开关管SA中的S11导通，SD中的S17导通。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S1—二极管D2—高频隔离式变压器第一原边绕组N1—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第一四象限功率开关管SA中的S11—二极管D12—滤波器6—交流负载ZL—第四四象限功率开关管SD中的S17—二极管D18形成回路；第一电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合、S8闭合，S1断开、S2断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7断开、S9断开、S10断开。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S3—二极管D4—高频隔离式变压器第二原边绕组N2—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第四四象限功率开关管SD中的S18—二极管D17—滤波器6—交流负载ZL—第一四象限功率开关管SA中的S12—二极管D11形成回路。
2)第二电平+Udc/2的产生，功率开关管S1闭合、S6闭合，功率开关管S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S7断开、S8断开、S9断开、S10断开。第一四象限功率开关管SA中的S11导通，SD中的S17导通。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S1—二极管D2—高频隔离式变压器第一原边绕组N1—功率开关管S6—二极管D5—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的副边绕组N3—第一四象限功率开关管SA中的S11—二极管D12—滤波器6—交流负载ZL—第四四象限功率开关管SD中的S17—二极管D18形成回路；第二电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合、S6闭合，S1断开、S2断开、S4断开、S5断开、S7断开、S8断开、S9断开、S10断开。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S3—二极管D4—高频隔离式变压器第二原边绕组N2—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第三四象限功率开关管SD中的S16—二极管D15—滤波器6—交流负载ZL—第二四象限功率开关管SA中的S14—二极管D13形成回路。
3)第三电平0的产生，功率开关管S1闭合，S10闭合，功率开关管S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7断开、S8断开、S9断开。第一四象限功率开关管SA中的S11导通，第四四象限功率开关管S17导通。此时有回路高频隔离变压器第一原边绕组N1—功率开关管S10—二极管D9—功率开关管S1—二极管D2。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的副边绕组N3—第一四象限功率开关管SA中的S11—二极管D12—滤波器6—交流负载ZL—第四四象限功率开关管SD中的S17—二极管D18形成回路；第三电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合，S10闭合。功率开关管S1断开、S2断开、S4断开、S5断开、S6断开、S74断开、S8断开、S9断开。此时有回路高频隔离变压器第二原边绕组N2—功率开关管S10—二极管D9—功率开关管S3—二极管D4。高频变压器4副边感应的能量通过高频变压器4的副边绕组N3—第四四象限功率开关管SD中的S18—二极管D17—滤波器6—交流负载ZL—第一四象限功率开关管SA中的S12—二极管D11形成回路。
4)第四电平-Udc/2的产生，功率开关管S1闭合、S6闭合，功率开关管S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S7断开、S8断开、S9断开、S10断开。第二四象限功率开关管SB中的S13导通，第三四象限功率开关管SC中的S15导通。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S1—二极管D2—高频隔离式变压器第一原边绕组N1—功率开关管S6—二极管D5—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的副边绕组N3—第二四象限功率开关管SB中的S13—二极管D14—滤波器6—交流负载ZL—第三四象限功率开关管SC中的S16—二极管D15形成回路；第四电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合、S6闭合，S1断开、S2断开、S4断开、S5断开、S7断开、S8断开、S9断开、S10断开。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S3—二极管D4—高频隔离式变压器第二原边绕组N2—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第四四象限功率开关管SD中的S18—二极管D17—滤波器6—交流负载ZL—第一四象限功率开关管SA中的S12—二极管D11形成回路。
5)第五电平-Udc的产生，功率开关管S1闭合、S8闭合，功率开关管S2断开、S3断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7断开、S9断开、S10断开。第一四象限功率开关管SA中的S11导通，SD中的S17导通。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S1—二极管D2—高频隔离式变压器第一原边绕组N1—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第四四象限功率开关管SD中的S18—二极管D17—滤波器6—交流负载ZL—第一四象限功率开关管SA中的S12—二极管D11形成回路；第一电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合、S8闭合，S1断开、S2断开、S4断开、S5断开、S6断开、S7断开、S9断开、S10断开。此时有回路第一输入电容C1正极—功率开关管S3—二极管D4—高频隔离式变压器第二原边绕组N2—功率开关管S8—二极管D7—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的副边绕组N3—第一四象限功率开关管SA中的S11—二极管D12—滤波器6—交流负载ZL—第四四象限功率开关管SD中的S17—二极管D18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。

Claims (3)

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)、输出周波变换器(5)、输出滤波器(6)和输出交流负载(7)组成；输入直流电源单元(1)包括输入直流电源(Udc)，输入直流电源单元(1)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(4)一端连接，高频隔离变压器(4)另一端与输出周波变换器一端连接，输出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，其中：
所述分压电容(2)包括第一分压电容(C1)，第二分压电容(C2)；第一分压电容(C1)的正极与输入直流电源单元(1)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单元(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)，第八二极管(D8)；第九功率开关管(S9)，第九二极管(D9)，第十功率开关管(S10)，第十二极管(D10)；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)的源极与第二功率开关管(S2)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，第三功率开关管漏极与第一分压电容(C1)正极相连接，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，第三功率开关管(S3)的源极与第四功率开关管(S4)的源极连接，第四二极管(D4)反并联于第四功率开关管(S4)两端，第五功率开关管(S5)的漏极与第二分压电容(C2)的正极连接，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，第五功率开关管(S5)的源极与第六功率开关管(S6)的源极连接，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，第七功率开关管(S7)的漏极与第二分压电容(C2)的负极相连，第七二极管(D7)反并联在第七功率开关管(S7)两侧，第七功率开关管(S7)的源极、第七二极管(D7)的阳极、第八功率开关管(S8)的源极、第八二极管(D8)的阳极相连接，第九功率开关管(S9)的漏极与第一分压电容(C1)正极相连，第九二极管(D9)反并联在第九功率开关管(S9)两侧，第九功率开关管(S9)的源极、第九二极管(D9)的阳极、第十功率开关管(S10)的源极、第十二极管(D12)的阳极相连接，第八功率开关管(S8)的漏极、第八二极管(D8)的阴极、第十功率开关管(S10)的漏极、第十二极管(D10)的阴极相连在一起；
所述输出交流负载(7)包含交流负载(ZL)，交流负载(ZL)的一端和输出滤波器(6)中的输出滤波电容(Cf)的一端、输出滤波器(6)中的输出滤波电感(Lf)的另一端相连接，输出滤波电感(Lf)的一端与输出周波变换器(5)相连，交流负载(ZL)的另一端和输出滤波电容(Cf)的另一端连接。
2.根据权利要求1所述高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述高频隔离变压器(4)和输出周波变换器(5)为高频隔离变压器(T)和全桥式周波变换器，输出滤波器(6)为电感电容滤波器；
所述高频隔离变压器(T)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(T)第一原边绕组(N1)同名端与第二功率开关管(S2)的漏极、第二二极管(D2)的阴极相连接，第一原边绕组(N1)非同名端与第二原边绕组(N2)的同名端、第六功率开关管(S6)的漏极、第六二极管(D6)的阴极相连接，第二原边绕组(N2)的同名端与第四功率开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的阴极相连接；
所述全桥式周波变换器(5)包括第一双向功率开关管(SA)，第二双向功率开关管(SB)，第三双向功率开关管(SC)和第四双向功率开关管(SD)，所述的第一双向功率开关管(SA)，第二双向功率开关管(SB)，第三双向功率开关管(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)，第二双向功率开关管(SB)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)，第三双向功率开关管(SC)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)，第四双向功率开关管(SD)包括第十七功率开关管(S17)、第十八功率开关管(S18)、第十七二极管(D17)，第十八二极管(D18)；第一双向功率开关管(SA)的一端与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(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(T)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(T)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(T)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)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的一端，第十二功率开关管(S12)的漏极和第十二二极管(D12)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)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)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的一端，第十四功率开关管(S14)的漏极和第十四二极管(D14)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)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)的阴极相连作为第三双向功率开关管(SC)的一端，第十六功率开关管(S16)的漏极和第十六二极管(D16)的阴极相连作为第三双向功率开关管(SC)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，第十七功率开关管(S17)的漏极和第十七二极管(D17)的阴极相连作为第四双向功率开关管(SD)的一端，第十八功率开关管(S18)的漏极和第十八二极管(D18)的阴极相连作为第四双向功率开关管(SD)的另一端，第十七功率开关管(S17)的源极、第十八功率开关管(S18)的源极、第十七二极管(D17)的阳极、第十八二极管(D18)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，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)的一端相连接，即与第十四功率开关管(S14)的漏极、第十二二极管(D12)的阴极、第十七功率开关管(S17)的漏极、第十七二极管(D17)的阴极相连接。
3.根据权利要求1所述高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，高频隔离变压器(4)和输出周波变换器(5)为高频隔离变压器(T)和全波式周波变换器，输出滤波器(6)为电感电容滤波器；
所述高频隔离变压器(T)包括第一原边绕组(N1)、第二原边绕组(N2)、第三副边绕组(N3’)、第四副边绕组(N4)；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、第二二极管(D2)的阴极连接，高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)的同名端与第一原边绕组(N1)的非同名端、第六功率开关管(S6)漏极、第六二极管(D6)的阴极相连接，高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)的非同名端与第四功率开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的阴极相连接，高频隔离变压器(T)第三副边绕组(N3’)的非同名端与高频隔离变压器(T)第四副边绕组(N4)的同名端相连接；
所述全波式周波变换器(5)包括第五双向功率开关管(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，具有双向阻断功能；第五双向功率开关管(SA’)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’)，第六双向功率开关管(SB’)包括第二十一功率开关管(S13’)、第二十二功率开关管(S14’)、第二十一二极管(D13’)，第二十二二极管(D14’)；第五双向功率开关管(SA’)的一端与高频隔离变压器(T)第三副边绕组(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(T)第四副边绕组(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’)的阴极相连作为第五双向功率开关管(SA’)的一端，第二十功率开关管(S12’)的漏极和第二十二极管(D12’)的阴极相连作为第五双向功率开关管(SA’)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，第二十一功率开关管(S13’)的漏极和第二十一二极管(D13’)的阴极相连作为第六双向功率开关管(SB’)的一端，第二十二功率开关管(S14’)的漏极和第二十二二极管(D14’)的阴极相连作为第六双向功率开关管(SB’)的另一端，第二十一功率开关管(S13’)的源极、第二十二功率开关管(S14’)的源极、第二十一二极管(D13’)的阳极、第二十二二极管(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，即与第二十功率开关管(S12’)的漏极、第二十二极管(D12’)的阴极、第二十二功率开关管(S14’)的漏极、第二十二二极管(D14’)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(C3)的另一端和高频隔离变压器(T)第三副边绕组(N3’)的非同名端、高频隔离变压器(T)第四副边绕组(N4)的同名端连接。
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