CN106208774B - 一种双输出单相五电平变换器 - Google Patents

一种双输出单相五电平变换器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双输出单相五电平变换器，其包括第一输入电源、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一输出模块和第二输出模块，通过控制第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的工作模态使第一输出模块和第二输出模块分别输出相应的电压；所述第一输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出模块包括第三输出端和第四输出端；所述第一输入电源连接第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂还连接所述第一输出端和第三输出端；所述第二桥臂连接所述第二输出端；所述第三桥臂连接所述第四输出端，通过控制各个桥臂的工作模态实现了变换器的高可控性，且能有效提高直流母线电压利用率及输出电平数。

Description

一种双输出单相五电平变换器
技术领域
本发明涉及电能转换技术领域，特别涉及一种双输出单相五电平变换器。
背景技术
越来越多的电器设备里面同时拥有两个甚至多个用电模块，同时，这两个或多个用电模块对系统电压有着不同需求。因此，随着智能化趋势的发展，双逆变输出变换器必将成为未来电器设备中的一个关键设备。
然而，随着变换器功率的增大、功率开关管开关频率的提高、以及应用环境的恶劣化，如何使得双逆变输出变换器实现高可控性，高稳定性，以及多电平化已成为电力电子变换器领域的一个关键问题。
因而现有技术还有待改进和提高。
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双输出单相五电平变换器，实现了变换器的高可控性，且能有效提高直流母线电压利用率及输出电平数。
为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：
一种双输出单相五电平变换器，其包括第一输入电源、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一输出模块和第二输出模块，通过控制第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的工作模态使第一输出模块和第二输出模块分别输出相应的电压；所述第一输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出模块包括第三输出端和第四输出端；所述第一输入电源连接第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂还连接所述第一输出端和第三输出端；所述第二桥臂连接所述第二输出端；所述第三桥臂连接所述第四输出端。
所述的双输出单相五电平变换器中，所述第一桥臂包括第一功率开关管、第二功率开关管和第三功率开关管，所述第一功率开关管的集电极连接第一输入电源的正极、第二桥臂和第三桥臂，所述第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极和第一输出端；所述第二功率开关管的发射极连接第三功率开关管的集电极和第三输出端；所述第三功率开关管的发射极连接第一输入电源的负极、第二桥臂和第三桥臂。
所述的双输出单相五电平变换器中，所述第二桥臂包括第一开关单元和第二开关单元，所述第一开关单元包括第二输入电源、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管和第七功率开关管，所述第二输入电源的正极连接第四功率开关管的发射极和第六功率开关管的集电极，所述第二输入电源的负极连接第五功率开关管的发射极和第七功率开关管的集电极；所述第四功率开关管的集电极连接第五功率开关管的集电极、第二功率开关管的集电极和第三桥臂；所述第六功率开关管的发射极连接第七功率开关管的发射极、第二开关单元和第二输出端。
所述的双输出单相五电平变换器中，所述第二开关单元包括第三输入电源、第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管，所述第三输入电源的正极连接第八功率开关管的发射极和第十功率开关管的集电极，所述第三输入电源的负极连接第九功率开关管的发射极和第十一功率开关管的集电极；所述第八功率开关管的集电极连接第九功率开关管的集电极、第六功率开关管的发射极和第二输出端；所述第十功率开关管的发射极连接第十一功率开关管的发射极、第三功率开关管的发射极和第三桥臂。
所述的双输出单相五电平变换器中，所述第三桥臂包括第三开关单元和第四开关单元，所述第三开关单元包括第四输入电源、第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管和第十五功率开关管，所述第四输入电源的正极连接第十二功率开关管的发射极和第十四功率开关管的集电极，所述第二输入电源的负极连接第十三功率开关管的发射极和第十五功率开关管的集电极；所述第十二功率开关管的集电极连接第十三功率开关管的集电极和第四功率开关管的集电极；所述第十四功率开关管的发射极连接第十五功率开关管的发射极、第四开关单元和第四输出端。
所述的双输出单相五电平变换器中，所述第四开关单元包括第五输入电源、第十六功率开关管、第十七功率开关管、第十八功率开关管和第十九功率开关管，所述第五输入电源的正极连接第十六功率开关管的发射极和第十八功率开关管的集电极，所述第五输入电源的负极连接第十七功率开关管的发射极和第十九功率开关管的集电极；所述第十六功率开关管的集电极连接第十七功率开关管的集电极、第十四功率开关管的发射极和第四输出端；所述第十八功率开关管的发射极连接第十九功率开关管的发射极和第十功率开关管的发射极。
所述的双输出单相五电平变换器中，当第二输入电源处于电源充电状态时，控制第四功率开关管和第七功率开关管开启、且第五开关管和第六开关管关闭；当第二输入电源处于电源放电状态时，控制第四功率开关管和第七功率开关管关闭、且第五开关管和第六开关管开启；当第二输入电源处于电源旁路状态时，控制第四功率开关管和第六功率开关管开启、且第五开关管和第七开关管关闭，或者控制第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管和第七功率开关管均关闭。
所述的双输出单相五电平变换器中，当第三输入电源处于电源充电状态时，控制第八功率开关管和第十一功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第三输入电源处于电源放电状态时，控制第八功率开关管和第十一功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第三输入电源处于电源旁路状态时，控制第八功率开关管和第十功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管均关闭。
所述的双输出单相五电平变换器中，当第四输入电源处于电源充电状态时，控制第十二功率开关管和第十五功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第四输入电源处于电源放电状态时，控制第十二功率开关管和第十五功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第四输入电源处于电源旁路状态时，控制第十二功率开关管和第十四功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管和第十五功率开关管均关闭。
所述的双输出单相五电平变换器中，当第五输入电源处于电源充电状态时，控制第十六功率开关管和第十九功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第五输入电源处于电源放电状态时，控制第十六功率开关管和第十九功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第五输入电源处于电源旁路状态时，控制第十六功率开关管和第十八功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十六功率开关管、第十七功率开关管、第十八功率开关管和第十九功率开关管均关闭。
相较于现有技术，本发明提供的双输出单相五电平变换器包括第一输入电源、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一输出模块和第二输出模块，通过控制第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的工作模态使第一输出模块和第二输出模块分别输出相应的电压；所述第一输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出模块包括第三输出端和第四输出端；所述第一输入电源连接第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂还连接所述第一输出端和第三输出端；所述第二桥臂连接所述第二输出端；所述第三桥臂连接所述第四输出端，通过控制各个桥臂的工作模态实现了变换器的高可控性，且能有效提高直流母线电压利用率及输出电平数。
附图说明
图1 为本发明提供的双输出单相五电平变换器的电路图。
图2 为本发明提供的双输出单相五电平变换器的输出电压波形图。
具体实施方式
本发明提供的双输出单相五电平变换器实现了变换器的高可控性，且能有效提高直流母线电压利用率及输出电平数。
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。
请参阅图1，本发明提供的双输出单相五电平变换器包括第一输入电源U1、第一桥臂10、第二桥臂20、第三桥臂30、第一输出模块41和第二输出模块42，通过控制第一桥臂10、第二桥臂20和第三桥臂30的工作模态使第一输出模块41和第二输出模块42分别输出相应的电压，从而实现了变换器的高可控性，其中，所述第一输出模块41包括第一输出端A1和第二输出端A2，所述第二输出模块42包括第三输出端B1和第四输出端B2；所述第一输入电源U1连接第一桥臂10、第二桥臂20和第三桥臂30；所述第一桥臂10还连接所述第一输出端A1和第三输出端B1；所述第二桥臂20连接所述第二输出端A2；所述第三桥臂30连接所述第四输出端B2。
进一步地，所述第一桥臂10包括第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3，所述第一功率开关管S1的集电极连接第一输入电源U1的正极、第二桥臂20和第三桥臂30，所述第一功率开关管S1的发射极连接第二功率开关管S2的集电极和第一输出端A1；所述第二功率开关管S2的发射极连接第三功率开关管S3的集电极和第三输出端B1；所述第三功率开关管S3的发射极连接第一输入电源U1的负极、第二桥臂20和第三桥臂30，通过控制三个功率开关管的开启和关闭调节输出电压，其中，所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2和第三功率开关管S3可采用不带反向二极管的氮化镓（GaN）功率器件，当然也可采用其他具有相同作用的开关管，本发明对此不作限定。
具体地，所述第二桥臂20单元包括第一开关单元201和第二开关单元202，所述第三桥臂30包括第三开关单元301和第四开关单元302，本发明中的第一组输出从第一功率开关管S1和第二功率开关管S2的中间点以及第一开关单元201和第二开关第一的中间点引出，分别为第一输出端A1和第二输出端A2；第二组输出从第二功率开关管S2和第三功率开关管S3的中间点以及第三开关单元301和第四开关单元302的中间点引出，分别为第三输出端B1和第四输出端B2，两组输出的输出电压由三个功率开关管和四个开关单元的工作模态进行控制，从而输出相应的电压，与现有的双逆变输出电路相比，本发明提供的双输出单相五电平变换器有效提高直流母线电压利用率，且增加了系统的可控性。
其中，所述第一开关单元201包括第二输入电源U2、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6和第七功率开关管S7，所述第二输入电源U2的正极连接第四功率开关管S4的发射极和第六功率开关管S6的集电极，所述第二输入电源U2的负极连接第五功率开关管S5的发射极和第七功率开关管S7的集电极；所述第四功率开关管S4的集电极连接第五功率开关管S5的集电极、第二功率开关管S2的集电极和第三桥臂30；所述第六功率开关管S6的发射极连接第七功率开关管S7的发射极、第二开关单元202和第二输出端A2，所述第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6和第七功率开关管S7可采用不带反向二极管的氮化镓（GaN）功率器件，当然也可采用其他具有相同作用的开关管，本发明对此不作限定。
所述第一开关单元201存在四种工作模态，第一种模态为控制第四功率开关管S4和第七功率开关管S7开启、且第五开关管和第六开关管关闭，此时第二输入电源U2处于电源充电状态；第二种模态为控制第四功率开关管S4和第七功率开关管S7关闭、且第五开关管和第六开关管开启，此时第二输入电源U2处于电源放电状态；第三种模态为控制第四功率开关管S4和第六功率开关管S6开启、且第五开关管和第七开关管关闭，此时第二输入电源U2处于电源旁路状态；第四种模态为控制第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6和第七功率开关管S7均关闭，此时第二输入电源U2也处于电源旁路状态，通过对各个功率开关管的精准控制，提高了整个系统的可控性。
具体地，请继续参阅图1，当处于第一种模态时，电流由b点流入，经过第四功率开关管S4到a点，然后流过第二输入电源U2对电源充电，再经过第七功率开关管S7到达c点，此时的端口电压为-Uin，其中Uin为电源电压幅值，此时由于关断了第五功率开关管S5和第六功率开关管S6以阻断电流流通，电流只能从b点流入c点流出，实现高可控性；当出入第二种模态时，电流由b点流入，经过第五功率开关管S5到d点，然后流过第二输入电源U2对电源放电，再经过第六功率开关管S6到达c点，此时的端口电压为Uin；当处于第三种模态时，电流由b点流入，经过第四功率开关管S4到a点，再经过第六功率开关管S6到达c点，此时无电流流过第二输入电源U2，电源处于旁路状态；当处于第四重模态时，第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6和第七功率开关管S7均关断，无电流流通，电源同样处于旁路状态。
同样地，所述第二开关单元202包括第三输入电源U3、第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10和第十一功率开关管S11，所述第三输入电源U3的正极连接第八功率开关管S8的发射极和第十功率开关管S10的集电极，所述第三输入电源U3的负极连接第九功率开关管S9的发射极和第十一功率开关管S11的集电极；所述第八功率开关管S8的集电极连接第九功率开关管S9的集电极、第六功率开关管S6的发射极和第二输出端A2；所述第十功率开关管S10的发射极连接第十一功率开关管S11的发射极、第三功率开关管S3的发射极和第三桥臂30。
当第三输入电源U3处于电源充电状态时，控制第八功率开关管S8和第十一功率开关管S11开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第三输入电源U3处于电源放电状态时，控制第八功率开关管S8和第十一功率开关管S11关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第三输入电源U3处于电源旁路状态时，控制第八功率开关管S8和第十功率开关管S10开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第八功率开关管S8、第九功率开关管S9、第十功率开关管S10和第十一功率开关管S11均关闭。
所述第三开关单元301包括第四输入电源U4、第十二功率开关管S12、第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14和第十五功率开关管S15，所述第四输入电源U4的正极连接第十二功率开关管S12的发射极和第十四功率开关管S14的集电极，所述第二输入电源U2的负极连接第十三功率开关管S13的发射极和第十五功率开关管S15的集电极；所述第十二功率开关管S12的集电极连接第十三功率开关管S13的集电极和第四功率开关管S4的集电极；所述第十四功率开关管S14的发射极连接第十五功率开关管S15的发射极、第四开关单元302和第四输出端B2。
当第四输入电源U4处于电源充电状态时，控制第十二功率开关管S12和第十五功率开关管S15开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第四输入电源U4处于电源放电状态时，控制第十二功率开关管S12和第十五功率开关管S15关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第四输入电源U4处于电源旁路状态时，控制第十二功率开关管S12和第十四功率开关管S14开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十二功率开关管S12、第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14和第十五功率开关管S15均关闭。
所述第四开关单元302包括第五输入电源U5、第十六功率开关管S16、第十七功率开关管S17、第十八功率开关管S18和第十九功率开关管S19，所述第五输入电源U5的正极连接第十六功率开关管S16的发射极和第十八功率开关管S18的集电极，所述第五输入电源U5的负极连接第十七功率开关管S17的发射极和第十九功率开关管S19的集电极；所述第十六功率开关管S16的集电极连接第十七功率开关管S17的集电极、第十四功率开关管S14的发射极和第四输出端B2；所述第十八功率开关管S18的发射极连接第十九功率开关管S19的发射极和第十功率开关管S10的发射极。
当第五输入电源U5处于电源充电状态时，控制第十六功率开关管S16和第十九功率开关管S19开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第五输入电源U5处于电源放电状态时，控制第十六功率开关管S16和第十九功率开关管S19关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第五输入电源U5处于电源旁路状态时，控制第十六功率开关管S16和第十八功率开关管S18开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十六功率开关管S16、第十七功率开关管S17、第十八功率开关管S18和第十九功率开关管S19均关闭。
所述第二开关单元202、第三开关单元301和第四开关单元302同样具有四种工作模态，其电流路径与第一开关单元201类似，此处不再赘述，通过对第一桥臂10、第一开关单元201、第二开关单元202、第三开关单元301和第四开关单元302的控制可得到如图2所示的输出波形（输入电压为100V），该输出波形相比现有双逆变输出电路，其直流母线电压利用率增加为原电路的2倍，输出电压亦由原来的2电平增加到5电平，由于输出电平数的增加可附带降低总谐波畸变率（THD），从而有效提高了系统性能。
综上所述，本发明提供的双输出单相五电平变换器包括第一输入电源、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一输出模块和第二输出模块，通过控制第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的工作模态使第一输出模块和第二输出模块分别输出相应的电压；所述第一输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出模块包括第三输出端和第四输出端；所述第一输入电源连接第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂还连接所述第一输出端和第三输出端；所述第二桥臂连接所述第二输出端；所述第三桥臂连接所述第四输出端，通过控制各个桥臂的工作模态实现了变换器的高可控性，且能有效提高直流母线电压利用率及输出电平数。
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其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 (9)

1.一种双输出单相五电平变换器，其特征在于，包括第一输入电源、第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第一输出模块和第二输出模块，通过控制第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂的工作模态使第一输出模块和第二输出模块分别输出相应的电压；所述第一输出模块包括第一输出端和第二输出端，所述第二输出模块包括第三输出端和第四输出端；所述第一输入电源连接第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂；所述第一桥臂还连接所述第一输出端和第三输出端；所述第二桥臂连接所述第二输出端；所述第三桥臂连接所述第四输出端；
所述第一桥臂包括第一功率开关管、第二功率开关管和第三功率开关管，所述第一功率开关管的集电极连接第一输入电源的正极、第二桥臂和第三桥臂，所述第一功率开关管的发射极连接第二功率开关管的集电极和第一输出端；所述第二功率开关管的发射极连接第三功率开关管的集电极和第三输出端；所述第三功率开关管的发射极连接第一输入电源的负极、第二桥臂和第三桥臂；
所述第二桥臂包括第一开关单元和第二开关单元，所述第三桥臂包括第三开关单元和第四开关单元；所述第一开关单元和第二开关单元的中间点连接所述第二输出端，所述第三开关单元和第四开关单元的中间点连接所述第四输出端。
2.根据权利要求1所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，所述第一开关单元包括第二输入电源、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管和第七功率开关管，所述第二输入电源的正极连接第四功率开关管的发射极和第六功率开关管的集电极，所述第二输入电源的负极连接第五功率开关管的发射极和第七功率开关管的集电极；所述第四功率开关管的集电极连接第五功率开关管的集电极、第二功率开关管的集电极和第三桥臂；所述第六功率开关管的发射极连接第七功率开关管的发射极、第二开关单元和第二输出端。
3.根据权利要求2所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，所述第二开关单元包括第三输入电源、第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管，所述第三输入电源的正极连接第八功率开关管的发射极和第十功率开关管的集电极，所述第三输入电源的负极连接第九功率开关管的发射极和第十一功率开关管的集电极；所述第八功率开关管的集电极连接第九功率开关管的集电极、第六功率开关管的发射极和第二输出端；所述第十功率开关管的发射极连接第十一功率开关管的发射极、第三功率开关管的发射极和第三桥臂。
4.根据权利要求2所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，所述第三开关单元包括第四输入电源、第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管和第十五功率开关管，所述第四输入电源的正极连接第十二功率开关管的发射极和第十四功率开关管的集电极，所述第二输入电源的负极连接第十三功率开关管的发射极和第十五功率开关管的集电极；所述第十二功率开关管的集电极连接第十三功率开关管的集电极和第四功率开关管的集电极；所述第十四功率开关管的发射极连接第十五功率开关管的发射极、第四开关单元和第四输出端。
5.根据权利要求4所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，所述第四开关单元包括第五输入电源、第十六功率开关管、第十七功率开关管、第十八功率开关管和第十九功率开关管，所述第五输入电源的正极连接第十六功率开关管的发射极和第十八功率开关管的集电极，所述第五输入电源的负极连接第十七功率开关管的发射极和第十九功率开关管的集电极；所述第十六功率开关管的集电极连接第十七功率开关管的集电极、第十四功率开关管的发射极和第四输出端；所述第十八功率开关管的发射极连接第十九功率开关管的发射极和第十功率开关管的发射极。
6.根据权利要求2所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，当第二输入电源处于电源充电状态时，控制第四功率开关管和第七功率开关管开启、且第五开关管和第六开关管关闭；当第二输入电源处于电源放电状态时，控制第四功率开关管和第七功率开关管关闭、且第五开关管和第六开关管开启；当第二输入电源处于电源旁路状态时，控制第四功率开关管和第六功率开关管开启、且第五开关管和第七开关管关闭，或者控制第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管和第七功率开关管均关闭。
7.根据权利要求3所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，当第三输入电源处于电源充电状态时，控制第八功率开关管和第十一功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第三输入电源处于电源放电状态时，控制第八功率开关管和第十一功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第三输入电源处于电源旁路状态时，控制第八功率开关管和第十功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管和第十一功率开关管均关闭。
8.根据权利要求4所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，当第四输入电源处于电源充电状态时，控制第十二功率开关管和第十五功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第四输入电源处于电源放电状态时，控制第十二功率开关管和第十五功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第四输入电源处于电源旁路状态时，控制第十二功率开关管和第十四功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管和第十五功率开关管均关闭。
9.根据权利要求5所述的双输出单相五电平变换器，其特征在于，当第五输入电源处于电源充电状态时，控制第十六功率开关管和第十九功率开关管开启、且第九开关管和第十开关管关闭；当第五输入电源处于电源放电状态时，控制第十六功率开关管和第十九功率开关管关闭、且第九开关管和第十开关管开启；当第五输入电源处于电源旁路状态时，控制第十六功率开关管和第十八功率开关管开启、且第九开关管和第十一开关管关闭，或者控制第十六功率开关管、第十七功率开关管、第十八功率开关管和第十九功率开关管均关闭。
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