CN106208773A - 一种变换器拓扑 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变换器拓扑，包括：直流输入电源，若干作为功率元件的模块电路以及电压输出端；所述直流输入电源通过以预定控制方式进行控制的，由所述模块电路组成的功率单元，在电压输出端形成目标输出电压；所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电压电压以及零电势的电路模态。通过对模块电路采用特定的控制，输出不同的电压，有效的提高了对于母线的直流电压利用率并且增加了输出端能够输出的电平数。

Description

一种变换器拓扑
技术领域
本发明涉及电能转换设备技术领域，尤其涉及一种变换器拓扑。
背景技术
图1所示的双逆变输出变换器是工业应用中不可或缺的电力电子设备，广泛应用于电力系统、高速列车、电动汽车、大型不间断电源（UPS）、新能源发电等领域。然而，随着变换器功率的增大，功率开关管的开关频率的提高以及应用环境的恶劣程度不断加强，对于变换器的可控性、稳定性以及输出的电平数等提出了更高的要求，是当前电力电子变换器领域中的关键技术问题。
因此，现有技术还有待发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种变换器拓扑，旨在解决现有变换器输出电平数及母线电压利用率不足的问题。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种变换器拓扑，其中，包括：直流输入电源，若干作为功率元件的模块电路以及电压输出端；
所述直流输入电源通过以预定控制方式进行控制的，由所述模块电路组成的功率单元，在电压输出端形成目标输出电压；
所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电压电压以及零电势的电路模态。
所述的变换器拓扑，其中，所述功率电路包括：不带有反向二极管的第一功率开关管，一对带有反向二极管的第二功率开关管、第三功率开关管以及功率二极管；
所述第一功率开关管的源极和第二功率开关管的源极连接，连接处引出输出端口的第一端；
所述功率二极管的正极与第三功率开关管的漏极连接，连接处引出输入端口的第二端；
所述第一功率开关管的漏极及第三功率开关管的源极与模块电路输入电源的正极连接；所述第二功率开关管的漏极及功率二极管的负极与模块电路输入电源的负极连接。
所述的变换器拓扑，其中，所述模块电路包括5个电路模态，分别为：
第一功率开关管导通，第二功率开关管截止，第三功率开关管截止，功率二极管导通，反向二极管截止的第一电路模态；
第一功率开关管截止，第二功率开关管导通，第三功率开关管导通，功率二极管截止，反向二极管截止的第二电路模态；
第一功率开关管截止，第二功率开关管导通，第三功率开关管截止，功率二极管导通，反向二极管截止的第三电路模态；
第一功率开关管导通，第二功率开关管截止，第三功率开关管导通，功率二极管截止，反向二极管截止的第四电路模态；以及
第一功率开关管截止，第二功率开关管截止，第三功率开关管截止，功率二极管截止，反向二极管导通的第五电路模态。
所述的变换器拓扑，其中，所述电压输出端包括第一电压输出端和第二电压输出端；所述模块电路包括结构相同的第一至第六模块电路；
所述第一电压输出端从第一模块电路和第三模块电路的连接处以及第二模块电路和第四模块电路的连接处引出；
所述第二电压输出端从第三模块电路和第五模块电路的连接处以及第四模块电路和第六模块电路的连接处引出。
有益效果：本发明提供的一种变换器拓扑，通过使用具有多个电路模态的模块电路替代原变换器中的功率开关管，可以对模块电路采用特定的控制，控制模块电路进入不同的电路模态，有效的提高了对于母线的直流电压利用率并且增加了输出端能够输出的电平数，具有良好的应用前景。
附图说明
图1为现有技术的变换器的拓扑图。
图2为本发明具体实施例的模块电路的拓扑图。
图3为本发明具体实施例的变换器拓扑图。
图4为图3所示的变换器的多电平输出波形图。
具体实施方式
本发明提供一种变换器拓扑。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，为本发明具体实施例的一种变换器拓扑。其包括：直流输入电源100，若干作为功率元件的模块电路200以及电压输出端300。
所述模块电路用于作为功率元件，替代原有变换器中的功率开关管。其之间的具体连接方式和数量，可以由实际应用的变换器所决定。
其中，如图2所示，所述模块电路包括：模块电路输入电源U1，功率电路210以及输出端口OUT1，三者之间可以依次连接，实现不同的工作模态。所述模块电路200至少具有输出端口OUT1电压为正向输入电源电压+U、反向输入电压电压-U以及零电势0的电路模态。
与现有的开关管仅有导通和截止两种状态不同的是，模块电路能够提供的多种不同的电路模态。在多个模块电路组合后，可以通过符合实际使用需求的控制方式，控制模块电路之间相互配合，可以在变换器输出端形成更多的电平数并且提高对于母线上直流电压的利用率。
与现有的变换器相类似地，所述直流输入电源100通过以预定控制方式进行控制的，由所述模块电路组成的功率单元400（替代原有的功率开关管），在电压输出端300形成目标输出电压。
具体的，如图2所示，所述功率电路可以包括：不带有反向二极管的第一功率开关管S1，一对带有反向二极管（D2和D3）的第二及第三功率开关管（S2和S3）以及功率二极管D1。
其中，所述第一功率开关管S1的源极和第二功率开关管S2的源极连接，连接处b引出输出端口的第一端；所述功率二极管D1的正极与第三功率开关管S3的漏极连接，连接处c引出输入端口的第二端。
所述第一功率开关管S1的漏极及第三功率开关管S3的源极与模块电路输入电源U1的正极连接；所述第二功率开关管S2的漏极及功率二极管D1的负极与模块电路输入电源U1的负极连接。
更具体的，在本实施例中，图2所示的模块电路具体包括有5个电路模态，其具体电路模态工作情况及开关状态如下：
第一电路模态：第一功率开关管S1导通，第二及第三功率开关管S2和S3截止，功率二极管D1导通，反向二极管D2和D3截止。第一电路模态的工作情况具体为：电流由b点流入，经过功率开关管S1到a点，然后流过U1对电源充电，再经过二极管D1到达c点。此时，模块电路的输出端口的端口电压为+U，处于电源充电状态。
第二电路模态：第一功率开关管S1截止，第二及第三功率开关管S2和S3导通，功率二极管D1截止，反向二极管D2和D3截止。第二电路模态的工作情况具体为：电流由b点流入，经过功率开关管S2到d点，然后留过U1对电源放电，再经过功率开关管S3到达c点。此时，模块电路的输出端口的端口电压为-U，处于电源充电状态。
第三电路模态：第一功率开关管S1截止，第二功率开关管S2导通，第三功率开关管S3截止，功率二极管D1导通，反向二极管D2和D3截止。第三电路模态的工作情况具体为：电流由b点流入，经过功率开关管S2到d点，再经过二极管D1到达c点。此时，模块电路的输出端口的端口电压为0，处于电源旁路状态。
第四电路模态：第一功率开关管S1导通，第二功率开关管S2截止，第三功率开关管S3导通，功率二极管D1截止，反向二极管D2和D3截止。第四电路模态的工作情况具体为：电流由b点流入，经过功率开关管S1到a点，再经过功率开关管S3到达c点。此时，模块电路的输出端口的端口电压为-U，处于电源充电状态。
第五电路模态：第一功率开关管S1截止，第二和第三功率开关管S2和S3截止，功率二极管D1截止，反向二极管D2和D3导通。第五电路模态的工作情况具体为：电流由c点流入，经过二极管D3到a点，然后流过U1对电源充电，再经过二极管D2到达b点。此时，模块电路的输出端口的端口电压为0，处于电源旁路状态。
具体的，如图3所示，所述电压输出端包括第一电压输出端OUTA和第二电压输出端OUTB，所述模块电路包括第一至第六模块电路（200-205）。
其中，所述第一电压输出端OUTA的两端分别从第一模块电路200和第三模块电路202的连接处以及第二模块电路201和第四模块电路203的连接处引出；
所述第二电压输出端OUTB的两端分别从第三模块电路202和第五模块电路204的连接处以及第四模块电路203和第六模块电路205的连接处引出。
根据以上描述，通过对6个模块电路执行合适的控制后，可以获得在直流输入电压为100V的情况下，双输出端OUTA和OUTB的输出电压波形图（图4）。
与现有的双逆变输出变换器相比，本发明实施例的变换器拓扑的母线的直流电压利用率是原有变换器的4倍，而且输出的电平数从原来的3电平增加为9电平（由于模块电路输出多个不同输出端口电压），有效的提高了该变换器拓扑的系统性能，总谐波畸变率（THD）得到了很好的控制，具有良好的应用效果。
可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种变换器拓扑，其特征在于，包括：直流输入电源，若干作为功率元件的模块电路以及电压输出端；
所述直流输入电源通过以预定控制方式进行控制的，由所述模块电路组成的功率单元，在电压输出端形成目标输出电压；
所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电压电压以及零电势的电路模态。
2.根据权利要求1所述的变换器拓扑，其特征在于，所述功率电路包括：不带有反向二极管的第一功率开关管，一对带有反向二极管的第二功率开关管、第三功率开关管以及功率二极管；
所述第一功率开关管的源极和第二功率开关管的源极连接，连接处引出输出端口的第一端；
所述功率二极管的正极与第三功率开关管的漏极连接，连接处引出输入端口的第二端；
所述第一功率开关管的漏极及第三功率开关管的源极与模块电路输入电源的正极连接；所述第二功率开关管的漏极及功率二极管的负极与模块电路输入电源的负极连接。
3.根据权利要求2所述的变换器拓扑，其特征在于，所述模块电路包括5个电路模态，分别为：
第一功率开关管导通，第二功率开关管截止，第三功率开关管截止，功率二极管导通，反向二极管截止的第一电路模态；
第一功率开关管截止，第二功率开关管导通，第三功率开关管导通，功率二极管截止，反向二极管截止的第二电路模态；
第一功率开关管截止，第二功率开关管导通，第三功率开关管截止，功率二极管导通，反向二极管截止的第三电路模态；
第一功率开关管导通，第二功率开关管截止，第三功率开关管导通，功率二极管截止，反向二极管截止的第四电路模态；以及
第一功率开关管截止，第二功率开关管截止，第三功率开关管截止，功率二极管截止，反向二极管导通的第五电路模态。
4.根据权利要求1所述的变换器拓扑，其特征在于，所述电压输出端包括第一电压输出端和第二电压输出端；所述模块电路包括结构相同的第一至第六模块电路；
所述第一电压输出端从第一模块电路和第三模块电路的连接处以及第二模块电路和第四模块电路的连接处引出；
所述第二电压输出端从第三模块电路和第五模块电路的连接处以及第四模块电路和第六模块电路的连接处引出。
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