CN107482942A - 一种适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法。该方法为：首先添加分压电容单元，利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点，具体为：在高频隔离式n电平逆变器中，利用n‑1个电容串联后，并联在输入直流电源两侧，从而在两个电容的连接点得到n‑2个电位点；输入直流电源正负两个各提供一个电位点，因此利用串联分压电容在直流输入电源侧构造出n个不同的电位点；然后依据所要得到的电平数，在绕组两侧添加相应数量的功率开关管；最后构造电位点与功率开关管间的有效回路。本发明可以推衍出新型高频隔离式多电平逆变拓扑，所得的新型高频隔离式多电平逆变拓扑全面且系统，便于经典多电平逆变拓扑的系统研究。

Description

一种适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法

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多电平逆变器的拓扑推衍方法。

背景技术

自从1980年多电平逆变器概念提出以来，得到了国内外学者的广泛研究，尤其表现在新型拓扑结构的研究上。多电平逆变器降低了开关管承受的电压应力，因而拓展了直流侧输入电压的电压范围，将逆变器推向了更高电压、更大功率的研究方向。此外，由于多电平电压波形谐波含量少，从而降低了对输出侧滤波器的要求，减小了输出滤波器的体积，使得逆变器功率密度得到提高，同时输出交流电压波形质量高。随着我国直流输电的不断发展，对逆变器原边工作电压范围要求不断提高，因而更高电平数逆变器拓扑的研究势在必行。

多电平逆变器主要有三类拓扑结构：(1)二极管箝位型多电平逆变器、(2)电容箝位型多电平逆变器、(3)具有独立直流电源的级联型多电平逆变器。二极管箝位型多电平逆变器、电容箝位型多电平逆变器具有适用于高输入电压大功率逆变器场合的优点：具有独立直流电源的级联型多电平逆变器所具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。但是二极管箝位型多电平逆变器、电容箝位型多电平逆变器存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷，还具有独立直流电源的级联型多电平逆变器所存在的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。

高频环节逆变技术用高频变压器代替了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，将取代低频环节逆变器得到广泛应用。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；另外再生能源的开发利用中，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等逆变场合，高频环节逆变器都具有广泛的应用前景，特别是在对逆变器的体积、重量有较高要求的场合有更重要的应用前景。

迄今为止，国内外电力电子研究人员对于新型多电平逆变器拓扑的研究，可以分为两类：一是对基础逆变单元输出侧进行级联，从而得到多电平拓扑。级联法得到的多电平拓扑易于扩展，但直流侧需要较多的独立直流电压源。二是对输入侧进行构造，主要集中在对基础的中点箝位型(NPC)逆变拓扑和飞跨电容箝位型(FC)逆变拓扑的变形和组合。这类多电平逆变拓扑的提出大多依靠经验，所得拓扑多种多样，但相关性不强，不利于系统研究。对此，有些学者致力于寻求一种多电平逆变器统一拓扑结构，然而过去的几十年间，大量拓扑不断涌现且依然保持迅速发展势头，但是这种研究一直没能得到突破进展。

发明内容

本发明目的在于提供一种适用于输入侧无独立直流电压源的高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，揭示现有逆变拓扑间的本质联系，从而用于构造新型多电平逆变拓扑。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，包括以下步骤：

步骤1，添加分压电容单元，利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点；

步骤2，依据所要得到的电平数，在绕组两侧添加相应数量的功率开关管；

步骤3，构造电位点与功率开关管间的有效回路。

进一步地，步骤1所述利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点，具体如下：

在高频隔离式n电平逆变器中，利用n-1个电容串联后，并联在输入直流电源两侧，从而在两个电容的连接点得到n-2个电位点；输入直流电源正负两个各提供一个电位点，因此利用串联分压电容在直流输入电源侧构造出n个不同的电位点。

进一步地，步骤2中所述的功率开关管，用于提供高频隔离式多电平逆变器的绕组与直流侧不同电位点的连接点，根据电平数确定需要添加的功率开关管的个数，具体做法为：

若需在绕组两侧得到所有电平等级，包含±i*Ui/(n-1)，其中i＝0、1……n-1，Ui为直流输入电源，则需要在绕组两端的上下两侧各添加n-1个串联的功率开关管，共4*(n-1)个；

若需在绕组两侧只得到正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个负电平，则绕组上方接电源负极，绕组下方添加n-1个串联的开关管；

在所添加的串联功率开关管中，每两个开关管的连接点，作为与直流侧不同电位点相连的连接点，绕组两端电平等级任意确定：在绕组两端上下两侧分别添加n-1个功率开关管串联，提供所有可能需要的连接点。

进一步地，步骤3中所述的构造电位点与功率开关管间的有效回路，具体如下：

(1)电位点与连接点依次相连，具体为：根据电流方向，将分压电容构造出的不同的电位点与绕组两侧添加的功率开关管的连接点，利用二极管或功率开关管相连；若将直流侧电位点与绕组侧连接点依次连接，用于连接直流侧电位点与绕组上侧连接点的二极管，需正极与电位点连接、负极与连接点连接；用于连接直流侧电位点与绕组下侧连接点的二极管，需正极与连接点相连，负极与电位点相连；在绕组两侧得到步骤2中所需电平的多电平拓扑结构；

(2)按照绕组两端所需电平等级确定有效回路，具体为：在步骤2中为绕组侧提供所有可能的连接点后，依据绕组在设定的电平等级下对应的电位点及电流方向，添加二极管或功率开关管，从而构造有效回路；若绕组上端通过开关管分别与0和直流输入电源Ui两个电位点相连，绕组下端通过开关管和二极管与其他电位点相连，则在绕组两侧得到除直流输入电源Ui和0以外的任意电平，最后对不必要的开关管进行删除。

一种高频隔离式四电平逆变器，该逆变器由单管正激式两电平逆变器推衍得到，结构如下：

第一分压电容C1、第二分压电容C2、第三分压电容C3串联后并联在输入直流电源Ui两端，第五功率开关管S5漏极与第一分压电容C1正极、变压器第二原边绕组N2非同名端相连，第五功率开关管源极与第二功率开关管S2漏极、第四二极管D4阴极相连，第二功率二极管S2源极与第一功率开关管S1漏极、第九二极管D9阴极相连接，第一功率开关管S1源极与变压器第一原边绕组N1同名端相连，变压器第一原边绕组N1非同名端与第三分压电容C3负极相连，变压器第二原边绕组N2同名端与第三功率开关管S3漏极相连接，第三功率开关管S3源极与第一二极管D1阳极、第四功率开关管S4漏极相连接，第四功率开关管S4源极与第六功率开光管S6漏极、第十二极管D10阳极相连接，第六功率开关管S6源极与第三分压电容负极相连接，变压器第一副边绕组N3、第二副边绕组N4与双向功率开关管S_A、S_B以及LC滤波器构成全波整流结构，交流负载并联在LC滤波器两侧。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)揭示了现有经典多电平逆变拓扑间的本质联系，利于对现有多电平逆变拓扑进行系统研究；(2)适用于高频隔离式逆变器，在多电平逆变器中引入高频隔离变压器后，进一步提高了逆变器的功率密度；(3)采用该拓扑推衍方法，既可以构造出新型多电平逆变拓扑，也可以对现有的多电平逆变拓扑进行推衍，从而得到更高电平数的逆变拓扑；(4)灵活多变，可以构造出任意电平数的逆变拓扑，且构造或推衍出的拓扑全面且系统，可以进行系统的分析和研究。

附图说明

图1是本发明适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法的原理图，其中(a)为高频隔离式多电平逆变器拓扑的结构示意图，(b)为适用于该高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法。

图2是本发明拓扑推衍方法用于构造中点箝位性三电平逆变拓扑的步骤示意图，其中(a)为步骤1示意图，(b)为步骤2示意图，(c)为步骤3示意图。

图3是用于揭示现有经典多电平逆变拓扑全桥逆变拓扑与中点箝位性三电平逆变拓扑间本质联系的示意图，其中(a)为全桥逆变拓扑示意图，(b)为步骤1和步骤2示意图，(c)为中点箝位性三电平逆变拓扑示意图。

图4是本发明拓扑推衍方法构造和推衍出新型多电平逆变拓扑的流程图，其中图(a)为单管正激两电平逆变拓扑示意图，(b)为单管正激三电平逆变拓扑示意图，(c)为高频隔离三电平逆变拓扑示意图，(d)为高频隔离四电平逆变拓扑示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法进行具体描述。

逆变器基本功能是将直流输入电源单元Ui提供的直流输出电压通过变换单元等得到交流输出电压供给交流负载使用。如图1(a)所示，高频隔离式多电平逆变器由依次连接有输入直流电源单元1、分压电容2、多电平变换单元3、周波变换器4、输出滤波器5和输出交流负载6构成，其中：

输入直流电源单元1用于输入直流电源；

分压电容2用于提供不同的电位点；

多电平逆变单元3用于将分压电容2产生的电平调制成一定序列的脉冲电平；

周波变换器4用于将序列脉冲电平解调成所需频率的电平；

输出滤波器5用于对周波变换器4输出的电平进行滤波处理。

最后在交流负载两侧得到输出交流电压。

如图1(b)所示，本发明适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，包括以下步骤：

步骤1，添加分压电容单元，利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点，具体如下：

在高频隔离式n电平逆变器中，利用n-1个电容串联后，并联在输入直流电源两侧，从而在两个电容的连接点得到n-2个电位点；输入直流电源正负两个各提供一个电位点，因此利用串联分压电容在直流输入电源侧构造出n个不同的电位点。

步骤2，依据所要得到的电平数，在绕组两侧添加相应数量的功率开关管；

所述的功率开关管，用于提供高频隔离式多电平逆变器的绕组与直流侧不同电位点的连接点，根据电平数确定需要添加的功率开关管的个数，具体做法为：

若需在绕组两侧得到所有电平等级，包含±i*Ui/(n-1)，其中i＝0、1……n-1，Ui为直流输入电源，则需要在绕组两端的上下两侧各添加n-1个串联的功率开关管，共4*(n-1)个；

若需在绕组两侧只得到正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个负电平，则绕组上方接电源负极，绕组下方添加n-1个串联的开关管；

在所添加的串联功率开关管中，每两个开关管的连接点，作为与直流侧不同电位点相连的连接点，绕组两端电平等级任意确定：在绕组两端上下两侧分别添加n-1个功率开关管串联，提供所有可能需要的连接点。

步骤3，构造电位点与功率开关管间的有效回路，，具体如下：

(1)电位点与连接点依次相连，具体为：根据电流方向，将分压电容构造出的不同的电位点与绕组两侧添加的功率开关管的连接点，利用二极管或功率开关管相连；若将直流侧电位点与绕组侧连接点依次连接，用于连接直流侧电位点与绕组上侧连接点的二极管，需正极与电位点连接、负极与连接点连接；用于连接直流侧电位点与绕组下侧连接点的二极管，需正极与连接点相连，负极与电位点相连；在绕组两侧得到步骤2中所需电平的多电平拓扑结构；

(2)按照绕组两端所需电平等级确定有效回路，具体为：在步骤2中为绕组侧提供所有可能的连接点后，依据绕组在设定的电平等级下对应的电位点及电流方向，添加二极管或功率开关管，从而构造有效回路；若绕组上端通过开关管分别与0和直流输入电源Ui两个电位点相连，绕组下端通过开关管和二极管与其他电位点相连，则在绕组两侧得到除直流输入电源Ui和0以外的任意电平，最后对不必要的开关管进行删除。

构造有效回路过程中应遵循电感及变压器绕组电流不能突变、电容电压不可突变的基本原则。

一种高频隔离式四电平逆变器，该逆变器由单管正激式两电平逆变器推衍得到，结构如下：

第一分压电容C1、第二分压电容C2、第三分压电容C3串联后并联在输入直流电源Ui两端，第五功率开关管S5漏极与第一分压电容C1正极、变压器第二原边绕组N2非同名端相连，第五功率开关管源极与第二功率开关管S2漏极、第四二极管D4阴极相连，第二功率二极管S2源极与第一功率开关管S1漏极、第九二极管D9阴极相连接，第一功率开关管S1源极与变压器第一原边绕组N1同名端相连，变压器第一原边绕组N1非同名端与第三分压电容C3负极相连，变压器第二原边绕组N2同名端与第三功率开关管S3漏极相连接，第三功率开关管S3源极与第一二极管D1阳极、第四功率开关管S4漏极相连接，第四功率开关管S4源极与第六功率开光管S6漏极、第十二极管D10阳极相连接，第六功率开关管S6源极与第三分压电容负极相连接，变压器第一副边绕组N3、第二副边绕组N4与双向功率开关管S_A、S_B以及LC滤波器构成全波整流结构，交流负载并联在LC滤波器两侧。

实施例1

图2以构造三电平中点箝位型逆变器为例，展示了本发明中拓扑推衍方法的步骤，图2是本发明拓扑推衍方法用于构造中点箝位性三电平逆变拓扑的步骤示意图，其中(a)为步骤1示意图，n-1个分压电容串联后并联在输入直流电源两侧，提供三个不同电位点；(b)为步骤2示意图，在绕组N1两端的上下两侧各添加n-1个功率开关管，提供连接点；(c)为步骤3示意图，利用二极管将电位点与连接点依次相连，具体如下：

S1：构造三电平逆变器所需要的直流侧提供的三个不同电平的电位点。选取两个相同的分压电容，第一分压电容C1和第二分压电容C2，串联后并联在直流输入电源Ui两端，其中第一分压电容C1正极与直流输入电源Ui正级相连接，第一分压电容C1负极与第二分压电容C2正极相连接，第二分压电容C2负极与直流输入电源Ui负极相连接。在第一分压电容C1正极、第一分压电容C1负极即第二分压电容C2正极、以及第二分压电容C2负极得到Ui，Ui/2及0三个不同电平的电位点u1，u2，u3。

S2：三个不同电位点u1、u2、u3与原边绕组a、b两端连接，共有9种组合方式。当原边绕组a、b间电压uab为正时，a点电压有两种取值，Ui及Ui/2；在a点上端添加第一功率开关管S1和第二功率开关管S2；在第一功率开关管S1两端反并联第一二极管D1，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的漏极连接，在第二功率开关管S2两端反并联第二二极管D2，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。当原边绕组a、b间电压uab为负时，a点电压有两种取值，Ui及Ui/2；在a点下端添加第三功率开关管S3和第四功率开关管S4；在第三功率开关管S3两端反并联第三二极管D3，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的漏极连接，在第四功率开关管S4两端反并联第四二极管D4，即第四二极管D4的阴极与第四功率开关管S4的漏极连接、第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极连接。b端情况与a端相同，在b端上、下两侧分别添加两个功率开关管，即第五功率开关管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S8两侧分别反并联第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8。

S3：输入侧三个电位点u1、u2、u3分别与a、b两端上、下两侧的功率开关管相连接，其中u1与x1、x5相连接，u2与x2、x3、x6、x7相连接，u3与x4、x8相连接；然后添加二极管以构成有效回路，包括第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11和第十二二极管D12。所述第一分压电容C1正极与第一功率开关管S1漏极、第五功率开关管S5漏极相连接，第二分压电容C2负极与第四功率开关管S4源极、第八功率开关管S8源极相连接，第九二极管D9阳极、第十二极管D10阴极、第十一二极管D11阳极、第十二二极管D12阴极同时与直流侧电位点u2相连接，第九二极管D9阴极与第一功率开关管S1源极、第二功率开关管S2漏极相连接，第十二极管D10阳极与第三功率开关管S3源极、第四功率开关管S4漏极相连接，第十一二极管D11阴极与第五功率开关管S5源极、第六功率开关管S6漏极相连接，第十二二极管D12阳极与第七功率开关管S7源极、第八功率开关管S8漏极相连接。

实施例2

如图3所示，用本发明中的拓扑推衍方法来揭示现有逆变拓扑间的本质联系。在H桥拓扑基础上，运用本发明中的拓扑推衍方法得到三电平NPC逆变拓扑，从而揭示出这两种经典逆变拓扑的内在联系。图3(a)为全桥逆变拓扑；图3(b)为步骤1和步骤2示意图，图3(c)为中点箝位性三电平逆变拓扑

图3H桥逆变拓扑中，直流输入电压侧只有Ui和0两个电位点，原边绕组的a、b两端分别与这两个电位点相连接，按照本发明所述的推衍步骤：

S1：直流侧无需分压电容提供电位点；

S2：绕组N1的a、b两端上下分别添加一个功率开关管，即第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4；在第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4两侧分别反并联第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4。

S3：将直流侧第一电位点Ui与第一功率开关管S1漏极、第三功率开关管S3漏极相连接，将第二电位点0与第二功率开关管S2源极、第四功率开关管S4源极相连接。

由于直流输入单元Ui提供了两个电位点，因而H桥逆变拓扑中原边绕组N1两端在四个功率开关管不同状态组合下得到±Ui和0两种电平。

进一步的，以在绕组两侧得到三种电平为目的，利用本发明中的拓扑推衍方法对H桥逆变结构进行进一步构造：

S1：用分压电容单元构造三个不同电平的电位点：分压电容单元包括第一分压电容C1和第二分压电容C2，第一分压电容C1正极与直流输入单元Ui正极相连接，第一分压电容C1负极与第二分压电容C2正极相连接，第二分压电容C2负极与直流输入单元Ui负极相连接。两个分压电容等分直流输入电压Ui，提供Ui、Ui/2、0三个不同电平的电位点；

S2：此时绕组N1的a、b两端需要连接的电位点从两个变成三个，则与H桥结构相比，a、b两端上下两侧需要各添加一个功率开关管，具体为第五功率开关管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，在第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第七功率开关管S7、第八功率开关管S8两侧分别反并联第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8。具体为第五功率开关管S5的源极与第一功率开关管S1漏极相连接，第六功率开关管S6的漏极与第二功率开关管S2源极相连接，第七功率开关管S7的源极与第三功率开关管S3漏极相连接，第八功率开关管S8的漏极与第四开关管源极相连接。

S3：按照本专利所述的多电平逆变拓扑推衍方法，进行回路构造，具体为：添加第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11以及第十二二极管D12构造直流侧不同电位点与绕组两侧开关管间的有效回路。第一分压电容C1的正极与第五功率开关管S5漏极、第七功率开关管S7漏极相连接，第二分压电容C2负极与第六功率开关管S6源极、第八功率开关管S8源极相连接，第九二极管D9阴极与第五功率开关管S5源极、第一功率开关管S1漏极相连接，第十二极管D10阳极与第二功率开关管S2源极、第六功率开关管S6漏极相连接，第十一二极管D11阴极与第七功率开关管S7源极、第三功率开关管S3漏极相连接，第十二二极管D12阳极与第四功率开关管S4源极、第八功率开关管S8漏极相连接，第九二极管D9阳极、第十二极管D10阴极、第十一二极管D11阳极、第十二二极管D12阴极同时与第一分压电容C1负极、第二分压电容C2正极相连接。

实施例3

图4为利用本专利多电平逆变拓扑推衍方法，在单管正激高频隔离逆变器基础上，推衍出新型逆变拓扑的示意图。图4(a)为单管正激两电平逆变拓扑，图4(b)单管正激三电平逆变拓扑，图4(c)为高频隔离三电平逆变拓扑，图4(d)为高频隔离四电平逆变拓扑。

在单管正激高频隔离式逆变拓扑绕组两端得到±Ui，以在绕组两端得到除±Ui以外的一个正电平为目的，利用本专利多电平逆变拓扑推衍方法对单管正激高频隔离式逆变拓扑进行推衍。按照本专利所述的推衍方法步骤，具体为：

S1：添加分压电容单元构造三个不同电平的电位点，分压电容单元包括第一分压电容C1和第二分压电容C2，第一分压电容C1正极与直流输入单元Ui正极相连接，第一分压电容C1负极与第二分压电容C2正极相连接，第二分压电容C2负极与直流输入单元Ui负极相连接。两个分压电容等分直流输入电压Ui，提供Ui、Ui/2、0三个不同电平的电位点；

S2：添加功率开关管，由于构造目的是得到一个额外的正电平，因此在绕组N1的a端上侧添加第二功率开关管S2，第二功率开关管S2源极与第一功率开关管S1漏极相连接，在第二功率开关管S2两侧反并联第三二极管D3；

S3：添加第四二极管D4构造有效回路，所述的第四二极管D4阳极与第一分压电容C1负极、第二分压电容C2正极相连接，第四二极管D4阴极与第一功率开关管S1漏极、第二功率开关管S2源极相连接，第二功率开关管S2漏极与分压电容C1正极相连接；

为保证第一分压电容C1和第二分压电容C2的电压均衡，利用本专利所述的拓扑推演步骤对绕组N2进行推衍，具体为：

S1：添加分压电容单元，与绕组N1共用一个分压电容单元，无需额外添加；

S2：添加功率开关管，由于要在绕组N2两端得到两个负电平，包含-Ui以及一个由分压电容提供的额外负电平-Ui/2，则需在绕组N2下端添加第三功率开关管S3和第四功率开关管S4，第三功率开关管S3漏极与原边第二绕组N2同名端相连接，第三功率开关管S3源极与第四功率开关管漏极相连接，在第三功率开关管S3、第四功率开关管S4两侧分别反并联第五二极管D5，第六二极管D6，第五二极管D5、第六二极管D6，去除不必要的第一二极管D1；

S3：添加第一二极管D1构造有效回路，第一二极管D1阳极与第三功率开关管S3源极、第四功率开关管S4漏极相连接，第一二极管D1阴极与第三二极管D3阳极、第一分压电容C1负极、第二分压电容C2正极相连接，第四功率开关管S4源极与第二分压电容C2负极相连接。

利用本专利所述的多电平逆变拓扑推衍方法，可以将图4中所示拓扑推衍出多电平数的逆变拓扑，下面结合图4以高频隔离正激式四电平逆变器拓扑为例。

S1：增加分压电容个数，由于所需电平增加了一个等级，所以在分压电容单元中再添加第三分压电容C3，所述的第三分压电容C3正极与第二分压电容C2负极相连接，第三分压电容C3负极与直流输入单元Ui负极相连接，三个分压电容等分直流输入电压Ui，提供Ui、2Ui/3、Ui/3、0四个不同电平的电位点；

S2：增加功率开关管个数，由于所需电平增加了一个等级，原边绕组N1、N2在各自电压分别为正、为负时所需连接的电位点增加了一个，故在绕组N1上侧、绕组N2下侧分别添加第五功率开关管S5、第六功率开关管S6，第五功率开关管S5源极与第二功率开关管S2漏极相连接，第六功率开关管S6漏极与第四功率开关管S4源极相连接，在第五功率开关管S5、第六功率开关管S6两侧分别反并联第七二极管D7、第八二极管D8；

S3：构造有效回路，最外侧的功率开关管直接与直流输入单元Ui相连接，具体为第五功率开关管S5漏极与第一分压电容C1正极、原边第二绕组N2另一端相连接，第六功率开关管S6源极与第三分压电容C3负极、原边第一绕组N1另一端相连接，添加构造回路二极管，包括第九二极管D9、第十二极管D10，与第一二极管D1、第四二极管D4共同构造分压电容单元与原边绕组间的有效回路，具体为，第四二极管D4阴极与第五功率开关管S5源极、第二功率开关管S2漏极相连接，第一二极管D1阳极与第三功率开关管S3源极、第四功率开关管S4漏极相连接，第四二极管D4阳极、第一二极管D1阴极同时与第一分压电容C1负极、第二分压电容C2正极相连接，第九二极管D9阴极与第二功率开关管S2源极、第一功率开关管S1漏极相连接，第十二极管D10阳极与第四功率开关管S4源极、第六功率开关管S6漏极相连接，第九二极管D9阳极、第十二极管D10阴极同时与第二分压电容C2负极、第三分压电容C3正极相连接。

利用本发明高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法所得的新型高频隔离四电平逆变器基本工作原理为：采用SPWM控制方式，输入电压经直流侧四分压电容分压后得到四种电平(+Ui、+2Ui/3、+Ui/3、0)，分压后的输入电压经过高频隔离正激四电平变换单元，调制成双极性、多电平(+Ui、+2Ui/3、+Ui/3、0、+Ui/3、+2Ui/3、+Ui)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(+UiN3/N1、+2UiN3/3N1、+UiN3/3N1、0、-UiN3/3N2、-2UiN3/3N2、-UiN3/N2)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，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。

Claims (5)

1.一种适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，添加分压电容单元，利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点；

步骤2，依据所要得到的电平数，在绕组两侧添加相应数量的功率开关管；

步骤3，构造电位点与功率开关管间的有效回路。

2.根据权利要求1所述的适用于高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，其特征在于，步骤1所述利用串联分压电容将直流输入单元的电平分成不同的电位点，具体如下：

在高频隔离式n电平逆变器中，利用n-1个电容串联后，并联在输入直流电源两侧，从而在两个电容的连接点得到n-2个电位点；输入直流电源正负两个各提供一个电位点，因此利用串联分压电容在直流输入电源侧构造出n个不同的电位点。

3.根据权利要求1所述的高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，其特征在于，步骤2中所述的功率开关管，用于提供高频隔离式多电平逆变器的绕组与直流侧不同电位点的连接点，根据电平数确定需要添加的功率开关管的个数，具体做法为：

若需在绕组两侧得到所有电平等级，包含±i*Ui/(n-1)，其中i＝0、1……n-1，Ui为直流输入电源，则需要在绕组两端的上下两侧各添加n-1个串联的功率开关管，共4*(n-1)个；

若需在绕组两侧只得到正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个正电平，则绕组上方添加n-1个串联的开关管，绕组下端接电源负极；

若只需在绕组两侧得到n-1个负电平，则绕组上方接电源负极，绕组下方添加n-1个串联的开关管；

在所添加的串联功率开关管中，每两个开关管的连接点，作为与直流侧不同电位点相连的连接点，绕组两端电平等级任意确定：在绕组两端上下两侧分别添加n-1个功率开关管串联，提供所有可能需要的连接点。

4.根据权利要求1所述的高频隔离式多电平逆变器的拓扑推衍方法，其特征在于，步骤3中所述的构造电位点与功率开关管间的有效回路，具体如下：

(1)电位点与连接点依次相连，具体为：根据电流方向，将分压电容构造出的不同的电位点与绕组两侧添加的功率开关管的连接点，利用二极管或功率开关管相连；若将直流侧电位点与绕组侧连接点依次连接，用于连接直流侧电位点与绕组上侧连接点的二极管，需正极与电位点连接、负极与连接点连接；用于连接直流侧电位点与绕组下侧连接点的二极管，需正极与连接点相连，负极与电位点相连；在绕组两侧得到步骤2中所需电平的多电平拓扑结构；

(2)按照绕组两端所需电平等级确定有效回路，具体为：在步骤2中为绕组侧提供所有可能的连接点后，依据绕组在设定的电平等级下对应的电位点及电流方向，添加二极管或功率开关管，从而构造有效回路；若绕组上端通过开关管分别与0和直流输入电源Ui两个电位点相连，绕组下端通过开关管和二极管与其他电位点相连，则在绕组两侧得到除直流输入电源Ui和0以外的任意电平，最后对不必要的开关管进行删除。

5.一种高频隔离式四电平逆变器，其特征在于，该逆变器由单管正激式两电平逆变器推衍得到，结构如下：

第一分压电容C1、第二分压电容C2、第三分压电容C3串联后并联在输入直流电源Ui两端，第五功率开关管S5漏极与第一分压电容C1正极、变压器第二原边绕组N2非同名端相连，第五功率开关管源极与第二功率开关管S2漏极、第四二极管D4阴极相连，第二功率二极管S2源极与第一功率开关管S1漏极、第九二极管D9阴极相连接，第一功率开关管S1源极与变压器第一原边绕组N1同名端相连，变压器第一原边绕组N1非同名端与第三分压电容C3负极相连，变压器第二原边绕组N2同名端与第三功率开关管S3漏极相连接，第三功率开关管S3源极与第一二极管D1阳极、第四功率开关管S4漏极相连接，第四功率开关管S4源极与第六功率开光管S6漏极、第十二极管D10阳极相连接，第六功率开关管S6源极与第三分压电容负极相连接，变压器第一副边绕组N3、第二副边绕组N4与双向功率开关管S_A、S_B以及LC滤波器构成全波整流结构，交流负载并联在LC滤波器两侧。