CN107769599A - 基于开关电容式的正激五电平逆变器 - Google Patents

基于开关电容式的正激五电平逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、开关电容五电平模块、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；周波变换器采用全波形式。本发明具有分压电容电压自动均衡，功率双向流动，使得设备整体在具有更小体积情况下实现更大的功率输出，输入输出电气隔离，降低开关管的电压应力，且多电平使得输出电压电流波形具有更小的总谐波畸变等优点。

Description

基于开关电容式的正激五电平逆变器
技术领域
本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种基于开关电容式的正激五电平逆变器。
背景技术
电力电子技术自20世纪50年代诞生以来，至今已广泛应用。在低压小功率领域，电力电子的应用已渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能。而在高压大功率领域成为当今电力电子技术的研究重点。在电压型逆变器中，最早广泛应用的是两电平逆变器，通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出。两电平逆变器一个最大的弱点就是受开关管功率和耐压的限制，不宜实现高压大功率输出。
电力电子技术在高压大功率领域的应用日益广泛，在高压功率开关器件技术没有本质突破的前提下，利用中压功率器件的多电平逆变器是解决高压大功率变换的最好选择。经过20多年的研究，现在已基本形成了集中结构定型的多电平逆变器电路，形成了一门独立的新型电力电子逆变技术新学科。20世纪80年代，在电力电子技术领域中应电力系统直流输电、无功补偿、电力有源滤波以及高压大功率交流电动机变频调速系统发展的需要，一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器新思路——多电平逆变器开始出现，并受到了越来越多的人们的关注。1980年，由日本长冈科技大学南波江章(A．KiraNabae)等人在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构，这标志着多电平逆变器时代的来临。
早期传统的逆变技术通常在逆变器和输出之间加入一级工频变压器来进行电气隔离和电压调整。这种技术被称为低频逆变技术。这种逆变技术结构简单，技术成熟，但是用来实现电气隔离和调压功能的工频变压器使得传统的低频逆变器体积和重量都比较大。
为克服传统低频逆变器的缺点，Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频环节逆变器。高频环节逆变器具有逆变器体积重量小，噪音小，输出电压品质好等优点，是现代逆变器发展的方向。但是高频环节逆变器的功率管高频开关带来了较高的开关损耗和电磁干扰。如何减小高频逆变器功率管高频开关带来的开关损耗和电磁干扰是现在逆变技术的研究热点。
目前所研究的高频隔离多电平逆变器多基于二极管钳位形式的分压电容串联供电多电平，使得在五电平及以上电平数目是电容均压难以控制。而开关电容式多电平技术是基于二极管钳位形式的分压电容串并联供电多电平，极大地改善了分压电容的电压均衡效果，使得输入侧电容可以实现更小的选值，减小设备的体积，因此，具有良好的发展前景。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够自动均衡分压电容电压、电压电平数平滑调节、耐高压输入、高功率密度、输入输出隔离、双向功率流动的基于开关电容式的正激五电平逆变器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、开关电容五电平模块、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：
输入直流电源单元用于输入直流电源；
开关电容五电平模块用于将输入的直流电源平均分压，并且维持分压平衡，通过开关调节给后级负载提供不同电压等级；
高频变压器用于将能量从变压器原边传递到副边；
周波变换器用于将单极性的电压脉冲转换为双极性脉冲；
输出滤波器用于对周波变换器输出的高频电平进行滤波，实现负载电压电流工频输出。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
（1）提出的基于开关电容式的多电平技术使得电容均压的实现变得更加简单，调节开关导通即可调节分压电容的充放电，从而自动调节电容电压；开关电容易于扩展，可实现五电平及以上的多电平电路而无需复杂的驱动控制；
（2）与传统的正激式多电平逆变器相比，该开关电容式正激五电平电路由于在开关周期实现电容的电压调节，使得电容电压的波动范围大大减小，因此，在同等输入电压等级下，该电路可以使用更小的分压电容；
（3）本发明采用的高频逆变技术使得变压器的体积大为减小，多电平技术使得输入电压范围更为广泛，因此，本发明具有高功率密度、耐高压等良好特性；
（4）本发明中采用了比传统三电平更多的五电平逆变器，从而使得输出电压的总谐波畸变小，滤波电感和滤波电容值也得以减小。
附图说明
图1是本发明基于开关电容式的正激五电平逆变器的电路拓扑结构图。
图2是本发明全波整流基于开关电容式的正激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2，本发明一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、开关电容五电平模块2、高频变压器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；
开关电容五电平模块2用于将输入的直流电源平均分压并产生五电平输出；
高频变压器3用于能量从变压器原边传递到副边；
周波变换器4用于将单极性的电压脉冲转换为双极性脉冲；
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。
进一步的，所述输入直流电源单元1包括输入直流电源Ui，输入直流电源单元Ui与开关电容连接。
进一步的，所述开关电容五电平模块2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、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第十一二极管D11、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第四电容C4；
所述第一功率开关管S1的漏极与输入直流电源Ui的参考正极相连接，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的源极与第一电容C1的正极连接，第一电容C1的负极连接与第二功率开关管S2的漏极连接，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，第二功率开关管S2的源极与第二电容C2的正极连接，第二电容C2的负极连接与第三功率开关管S3的漏极连接，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的源极与第三电容C3的正极连接，第三电容C3的负极连接与第四功率开关管S4的漏极连接，第四二极管D4反并联于第四功率开关管S4两端，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，第四功率开关管S4的源极与第四电容C4的正极连接，第四电容C4的负极连接与与输入直流电源Ui的参考负极相连接，第五功率开关管S5的漏极与第一电容C1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的阳极与第一功率开关管S5的源极连接。
进一步的，所述高频变压器3第一原边绕组N1、第二原边绕组N2、副边绕组、第一副边绕组N3、第二副边绕组N4、第十二二极管D12，第一原边绕组N1的同名端与第五功率开关管S5的源极连接，第一原边绕组N1的非同名端与第二原边绕组N2的同名端连接，第二原边绕组N2的同名端与第四电容C4的负极连接，第二原边绕组N2的非同名端与第十二二极管D12的阳极相连，第十二二极管D12的阴极与第一功率开关管S1的漏极连接，第一副边绕组N3的非同名端和第二副边绕组N4的同名端连接。
进一步的，如图2所示，所述周波变换器4包括第一双向功率开关管SA、第二双向功率开关管SB和第三双向功率开关管SC，第一双向功率开关管SA的一端与第一副边绕组N3的同名端连接，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的另一端与第一副边绕组N3的非同名端连接，第二双向功率开关管SB的一端与第二副边绕组N4的同名端连接，第二双向功率开关管SB的另一端与第一双向功率开关管SA和第三双向功率开关管SC的公共端连接。
所述第一双向功率开关管SA包括第六功率开关管S6、第十三二极管D13、第七功率开关管S7、第十四二极管D14，第二双向功率开关管SB包括第八功率开关管S8、第十五二极管D15、第九功率开关管S9、第十六二极管D16，第三双向功率开关管SC包括第十功率开关管S10、第十七二极管D17、第十一功率开关管S11、第十八二极管D18，第六功率开关管S6的漏极与第十三二极管D13的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的一端，与第一副边绕组N3的同名端连接，第七功率开关管S7的漏极与第十四二极管D14的阴极相连作为第一双向功率开关管SA的另一端，第六功率开关管S6的源极、第七功率开关管S7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；第八功率开关管S8的漏极与第十五二极管D15的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的一端，与第二副边绕组N4的非同名端连接，第九功率开关管S9的漏极与第十六二极管D16的阴极相连作为第二双向功率开关管SB的另一端，第八功率开关管S8的源极、第九功率开关管S9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；第十功率开关管S10的漏极与第十七二极管D17的阴极相连作为第三双向功率开关管SC的一端，第十一功率开关管S11的漏极与第十八二极管D18的阴极相连作为第三双向功率开关管SC的另一端，与第二副边绕组N4的同名端连接，第十功率开关管S10的源极、第十一功率开关管S11的源极、第十七二极管D17的阳极、第十八极管D18的阳极连接在一起；第七功率开关管S7的漏极、第十四二极管D14的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第十六二极管D16的阴极、第十功率开关管S10的漏极、第十七二极管D17的阴极连接在一起。
所述输出滤波器5包括输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf；输出滤波电感Lf的一端同时与第一双向功率开关管SA、第二双向功率开关管SB和第二双向功率开关管SC的公共端连接，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的另一端连接；
所述输出交流负载6包括交流负载ZL，交流负载ZL的一端与输出滤波电容Cf的一端、输出滤波电感Lf的另一端连接，交流负载ZL的另一端与输出滤波电容Cf的另一端连接。
本发明基于开关电容式的正激五电平逆变器的基本工作原理如下：本逆变器可以采用SPWM控制方式。输入电压在开关电容的作用下，每个电容分的电压为输入电压的1/4+Ui/4，通过开关电容模块中的开关调节，调节电容的串并联模态从而得到四种输出电压+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4，再经过变压器的导通关断和周波变换器的极性调节，使得开关电容模块出来的四种电压被调节成正负极性五电平电压+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4、0、-Ui/4、-2Ui/4、-3Ui/4、-Ui，该五电平高频脉冲经过后级滤波电感电容滤波，即可在负载端得到工频正弦电压，变压器副边双向开关的存在使得功率可以双向流动，因此，该逆变器在阻性、感性和容性负载时均可以稳定地工作。

Claims (8)

1.一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：由依次连接的输入直流电源单元（1）、开关电容五电平模块（2）、高频变压器（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；
开关电容五电平模块（2），用于将输入的直流电源平均分压并向后级实现多电平输出；
高频变压器（3）工作于正激模态；
周波变换器（4），用于将变压器原边的单极性脉冲电压调制成双极性脉冲电压；
输出滤波器（5）用于对电压脉冲进行滤波处理。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述输入直流电源单元（1）包括输入直流电源（Ui），输入直流电源（Ui）与开关电容五电平模块（2）连接。
3.根据权利要求1所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述开关电容五电平模块（2）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）、第六二极管（D6）、第七二极管（D7）、第八二极管（D8）、第九二极管（D9）、第十二极管（D10）、第十一二极管（D11）、第一电容（C1）、第二电容（C2）、第三电容（C3）和第四电容（C4）；
第一功率开关管（S1）的漏极与输入直流电源（Ui）的参考正极相连接，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）的源极与第一电容（C1）的正极连接，第一电容（C1）的负极连接与第二功率开关管（S2）的漏极连接，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，第二功率开关管（S2）的源极与第二电容（C2）的正极连接，第二电容（C2）的负极连接与第三功率开关管（S3）的漏极连接，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）的源极与第三电容（C3）的正极连接，第三电容（C3）的负极连接与第四功率开关管（S4）的漏极连接，第四二极管（D4）反并联于第四功率开关管（S4）两端，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，第四功率开关管（S4）的源极与第四电容（C4）的正极连接，第四电容（C4）的负极连接与与输入直流电源（Ui）的参考负极相连接，第五功率开关管（S5）的漏极与第一电容（C1）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）的阳极与第一功率开关管（S5）的源极连接。
4.根据权利要求1所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述高频变压器（3）包括第一原边绕组（N1）、第二原边绕组（N2）、副边绕组、第一副边绕组（N3）、第二副边绕组（N4）、第十二二极管（D12），第一原边绕组（N1）的同名端与第五功率开关管（S5）的源极连接，第一原边绕组（N1）的非同名端与第二原边绕组（N2）的同名端连接，第二原边绕组（N2）的同名端与第四电容（C4）的负极连接，第二原边绕组（N2）的非同名端与第十二二极管（D12）的阳极相连，第十二二极管（D12）的阴极与第一功率开关管（S1）的漏极连接，第一副边绕组（N3）的非同名端和第二副边绕组（N4）的同名端连接。
5.根据权利要求1所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述周波变换器（4）包括第一双向功率开关管（SA）、第二双向功率开关管（SB）和第三双向功率开关管（SC），第一双向功率开关管（SA）的一端与第一副边绕组（N3）的同名端连接，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）的另一端与第一副边绕组（N3）的非同名端连接，第二双向功率开关管（SB）的一端与第二副边绕组（N4）的同名端连接，第二双向功率开关管（SB）的另一端与第一双向功率开关管（SA）和第三双向功率开关管（SC）的公共端连接。
6.根据权利要求5所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述第一双向功率开关管（SA）包括第六功率开关管（S6）、第十三二极管（D12）、第七功率开关管（S7）、第十四极管（D4），第二双向功率开关管（SB）包括第八功率开关管（S8）、第十五二极管（D15）、第九功率开关管（S9）、第十六二极管（D16），第三双向功率开关管（SC）包括第十功率开关管（S10）、第十七二极管（D17）、第十一功率开关管（S11）、第十八二极管（D18），第六功率开关管（S6）的漏极与第十三二极管（D13）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的一端，与第一副边绕组（N3）的同名端连接，第七功率开关管（S7）的漏极与第十四极管（D14）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的另一端，第六功率开关管（S6）的源极、第七功率开关管（S7）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；第八功率开关管（S8）的漏极与第十五二极管（D15）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的一端，与第二副边绕组（N4）的非同名端连接，第九功率开关管（S9）的漏极与第十六极管（D16）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的另一端，第八功率开关管（S8）的源极、第九功率开关管（S9）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；第十功率开关管（S10）的漏极与第十七二极管（D17）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的一端，第十一功率开关管（S11）的漏极与第十八极管（D18）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的另一端，与第二副边绕组（N4）的同名端连接，第十功率开关管（S10）的源极、第十一功率开关管（S11）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；第七功率开关管（S7）的漏极、第十四二极管（D14）的阴极、第九功率开关管（S9）的漏极、第十六二极管（D16）的阴极、第十功率开关管（S10）的漏极、第十七二极管（D17）的阴极连接在一起。
7.根据权利要求1所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述输出滤波器（5）包括输出滤波电感（Lf）和输出滤波电容（Cf）；输出滤波电感（Lf）的一端同时与第一双向功率开关管（SA）、第二双向功率开关管（SB）和第二双向功率开关管（SC）的公共端连接，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）的另一端连接。
8.根据权利要求1或7所述的基于开关电容式的正激五电平逆变器，其特征在于：所述输出交流负载（6）包括交流负载（ZL），交流负载（ZL）的一端与输出滤波电容（Cf）的一端、输出滤波电感（Lf）的另一端连接，交流负载（ZL）的另一端与输出滤波电容（Cf）的另一端连接。
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