CN108448924B - 一组双输入双向单元及双输入五电平三相逆变器拓扑族 - Google Patents

一组双输入双向单元及双输入五电平三相逆变器拓扑族 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一组共6个双输入双向单元，它们分别由四个开关管、四个二极管构成。双输入双向单元由双buck单元组成，使用相同、不完全相同的单元都可以构成无直通双输入五电平三相DC‑AC变换器。变换器处于任何模态时，桥臂都没有直通风险，可靠性较高。同时，变换器有两个电压不等的直流电压输入源，通过双输入电源和开关的组合变换，可以达到双输入源分时向逆变器供电的目的，并构成五电平输出。与传统五电平逆变器相比，结构简单，无直通风险，提高了系统的效率和功率密度。

Description

一组双输入双向单元及双输入五电平三相逆变器拓扑族
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，尤其属于直流-交流变换技术领域，具体指一组双输入双向单元与无直通双输入五电平三相DC-AC拓扑族。
背景技术
随着航空电源、新能源发电、电动汽车等技术的快速发展，高可靠性高效率逆变技术得到了广泛的关注。
传统三相逆变器的开关桥臂由两个开关管串联而成，有桥臂直通风险，为了解决桥臂直通风险的问题，人们提出了双降压逆变器等结构。但是三电平的输出特性不利于提高逆变器的效率、减小滤波器的体积。
另一方面，在高电压大功率逆变场合中，人们提出了通过多电平逆变技术，提高逆变器效率，减小滤波器体积，并相应地提出了不同的电路拓扑结构和控制策略，但是多电平逆变器仍然存在电路复杂、控制方法复杂等缺点，影响逆变器系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于公开一组双输入双向电压源单元，系统地提出利用双输入双向电压源单元构造无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的方法。
为实现上述目的，本发明公开一组双输入双向单元，分别记为1型单元～6型单元，该组单元的共同特征在于：输入1连接于第一开关管(S1)的漏极和第四二极管(D4)的负极；地连接于第三二极管(D3)的正极和第二开关管(S2)的源极；
该组单元的不同特征在于：输入2、正向单元引出端、负向单元引出端的连接方式各不相同，具体如下：
①1型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极连接于第一二极管(D2)的负极，第三开关管(S3)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
②2型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第三开关管(S3)的源极；第二二极管(D2)的负极与第三开关管(S3)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第四开关管(S4)的漏极连接于第一二极管(D1)的负极，第四开关管(S4)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
③3型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第四开关管(S4)的源极；第二二极管(D2)的负极与第四开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
④4型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
⑤5型单元：
输入2连接于第二二极管(D2)的负极和第三开关管(S3)的漏极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端；
⑥6型单元：
输入2连接于第三开关管(S3)的漏极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端。
由3个相同的双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
由三个1型单元、三个2型单元、三个3型单元、三个4型单元、三个5型单元、三个6型单元均可构成三相DC-AC变换器，三个相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端；
具体来说，由3个1型单元构成附图2所示DC-AC变换器1；由3个2型单元构成附图3所示DC-AC变换器2；由3个3型单元构成附图4所示DC-AC变换器3；由3个4型单元构成附图5所示DC-AC变换器4；由3个5型单元构成附图6所示DC-AC变换器5；由3个6型单元构成附图7所示DC-AC变换器6。
由不完全相同的三个双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
由不完全相同的三个单元构成三相DC-AC变换器，三个不完全相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端。
以不完全相同的三个单元构成的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器如附图8所示。
有益效果：
系统地提出了无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的构造方法，利用上述六种单元，都可以构造无直通双输入五电平三相DC-AC变换器，在具体应用时，可以根据不同的应用场合选用不同的变换器拓扑。
利用所构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器，可以连接两个独立的直流电压源，达到双输入源分时向逆变器供电的目的，并构成五电平输出，有利于减小滤波器体积，提高系统功率密度和变换效率。
附图说明
附图1为本发明一族无直通双输入双向单元；
附图2为本发明利用1型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图3为本发明利用2型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图4为本发明利用3型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图5为本发明利用4型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图6为本发明利用5型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图7为本发明利用6型单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
附图8为本发明利用不完全相同的三个单元构造的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器；
上面附图中的主要符号说明：Vin1和Vin2分别为第一直流输入电压源和第二直流输入电压源，S1、S2、S3、S4分别为第一、第二、第三、第四开关管，D1、D2、D3、D4分别为第一、第二、第三、第四二极管。Sa1、Sa2、Sa3、Sa4分别为A相第一、第二、第三、第四开关管，Da1、Da2、Da2、Da4分别为A相第一、第二、第三、第四二极管；Sb1、Sb2、Sb3、Sb4分别为B相第一、第二、第三、第四开关管，Db1、Db2、Db3、Db4分别为B相第一、第二、第三、第四二极管；Sc1、Sc2、Sc3、Sc4分别为C相第一、第二、第三、第四开关管，Dc1、Dc2、Dc3、Dc4分别为C相第一、第二、第三、第四二极管。La1、La2分别为A相第一、第二电感；Lb1、Lb2分别为B相第一、第二电感；Lc1、Lc2分别为C相第一、第二电感。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1所示为本发明公开的一组双输入双向电压源单元，分别记为1型单元～6型单元，该组单元的共同特征在于：输入1连接于第一开关管(S1)的漏极和第四二极管(D4)的负极；地连接于第三二极管(D3)的正极和第二开关管(S2)的源极；
该组单元的不同特征在于：输入2、正向单元引出端、负向单元引出端的连接方式各不相同，具体如下：
①1型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极连接于第一二极管(D2)的负极，第三开关管(S3)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
②2型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第三开关管(S3)的源极；第二二极管(D2)的负极与第三开关管(S3)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第四开关管(S4)的漏极连接于第一二极管(D1)的负极，第四开关管(S4)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
③3型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第四开关管(S4)的源极；第二二极管(D2)的负极与第四开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
④4型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
⑤5型单元：
输入2连接于第二二极管(D2)的负极和第三开关管(S3)的漏极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端；
⑥6型单元：
输入2连接于第三开关管(S3)的漏极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端。
由3个相同的双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
①由三个1型单元、三个2型单元、三个3型单元、三个4型单元、三个5型单元、三个6型单元均可构成三相DC-AC变换器，三个相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端；
具体来说，由3个1型单元构成附图2所示DC-AC变换器1；由3个2型单元构成附图3所示DC-AC变换器2；由3个3型单元构成附图4所示DC-AC变换器3；由3个4型单元构成附图5所示DC-AC变换器4；由3个5型单元构成附图6所示DC-AC变换器5；由3个6型单元构成附图7所示DC-AC变换器6。
由不完全相同的三个双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
由不完全相同的三个单元构成三相DC-AC变换器，三个不完全相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端。
以不完全相同的三个单元构成的无直通双输入五电平三相DC-AC变换器如附图8所示。
以上分析用于说明本发明无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的构造方法，需要说明的是，在实际应用中，可以根据具体需要，采用不同的高可靠性双输入双向单元和双输入电压源的连接方式。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一组双输入双向单元，其特征在于：共有6种单元，分别记为1型单元～6型单元，该组单元的共同特征在于：输入1连接于第一开关管(S1)的漏极和第四二极管(D4)的负极；地连接于第三二极管(D3)的正极和第二开关管(S2)的源极；
该组单元的不同特征在于：输入2、正向单元引出端、负向单元引出端的连接方式各不相同，具体如下：
①1型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极连接于第一二极管(D2)的负极，第三开关管(S3)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
②2型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第三开关管(S3)的源极；第二二极管(D2)的负极与第三开关管(S3)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第四开关管(S4)的漏极连接于第一二极管(D1)的负极，第四开关管(S4)的源极与第一开关管(S1)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，构成正向单元引出端；
③3型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第四开关管(S4)的源极；第二二极管(D2)的负极与第四开关管(S4)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，第二二极管(D2)的正极连接于第二开关管(S2)的漏极，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
④4型单元：
输入2连接于第一二极管(D1)的正极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第三开关管(S3)的漏极与第一开关管(S1)的源极、第一二极管(D1)的负极连接，第三开关管(S3)的源极连接于第三二极管(D3)的负极，构成正向单元引出端；
⑤5型单元：
输入2连接于第二二极管(D2)的负极和第三开关管(S3)的漏极；第四开关管(S4)的源极与第二二极管(D2)的正极、第二开关管(S2)的漏极连接，第四开关管(S4)的漏极连接于第四二极管(D4)的正极，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端；
⑥6型单元：
输入2连接于第三开关管(S3)的漏极和第二二极管(D2)的负极；第四开关管(S4)的源极连接于第二二极管(D2)的正极，第四开关管(S4)的漏极与第二开关管(S2)的漏极、第四二极管(D4)的正极连接，构成负向单元引出端；第一二极管(D1)的正极与第三开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的负极连接，第一二极管(D1)的负极连接于第一开关管(S1)的源极，构成正向单元引出端。
2.一组由3个相同的双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
①由三个1型单元、三个2型单元、三个3型单元、三个4型单元、三个5型单元、三个6型单元均可构成三相DC-AC变换器，三个相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端；
②由3个1型单元构成DC-AC变换器1；由3个2型单元构成DC-AC变换器2；由3个3型单元构成DC-AC变换器3；由3个4型单元构成DC-AC变换器4；由3个5型单元构成DC-AC变换器5；由3个6型单元构成DC-AC变换器6。
3.一组由不完全相同的3个双输入双向单元构成无直通双输入五电平三相DC-AC变换器的拓扑构成方法，其特征在于：
由不完全相同的三个单元构成三相DC-AC变换器，三个不完全相同的单元分别作为变换器的A相、B相、C相；三个单元的输入1相互连接，共同接至输入电源1；三个单元的输入2相互连接，共同接至输入电源2，三个单元的地相互连接，共同接至电源地；
三个单元的正向单元引出端分别连接电感La1、Lb1、Lc1，三个单元的负向单元引出端分别连接电感La2、Lb2、Lc2，La1、La2的另一端连接在一起作为A相输出端，Lb1、Lb2的另一端连接在一起作为B相输出端，Lc1、Lc2的另一端连接在一起作为C相输出端。
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