CN108521233A - 一种基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器。该逆变器包括顺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、交流滤波输出模块构成，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均分电源电压并通过并联方式为后级提供多电平；高频变压器采用推挽拓扑，用于电能传递；周波变换器采用全波形式，将变压器原边的单极性脉冲电压调制成双极性脉冲电压，并为负载提供续流反馈回路；交流滤波输出模块用于实现交流输出。本发明能够实现直流电容电压平衡，电平控制逻辑简单、可靠性高，可以实现功率的双向流动，并且降低了开关管的电压应力，使得输出的交流波形具有更小的总谐波畸变。

Description

一种基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器
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推挽高频五电平逆变器。
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。逆变技术是直流转换成交流电源的技术，是现代发电、输电、配电和有效利用电源的关键技术之一。逆变器在变频调速、空调调节、不间断电源、弧焊电源、感应加热、高压直流输电、电动汽车驱动、静止无功补偿器、有源滤波器、柔性交流输电系统、直流电源如获得电能的太阳能电池板或燃料电池等领域起关键作用。随着各种用电设备容量越来越大，而各种开关管的更新换代却较慢，因此多电平技术越来越得到重视，以减小开关管电压应力实现设备大容量化。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。两电平逆变器最大的缺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。
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。多电平逆变电路大拓扑结构经过多年发展，主要分为以下三类：二极管钳位型多电平逆变器、飞跨电容型多电平逆变器和级联多电平逆变器。
然而这三类多电平逆变器对于三电平以上的多电平逆变器不具备良好的扩展性，且设备规模较大，极大地制约了多电平技术的发展。目前所研究的高频隔离多电平逆变器主要是基于二极管钳位形式的分压电容串联供电多电平，这种逆变器在三电平逆变器中由于良好的对称性因而无需考虑电容电压的平衡问题，然而对基于二极管钳位的五电平逆变器的均压问题，需要额外的电容电压检测单元以及复杂的算法控制。
发明内容
本发明目的在于提供一种能够保持直流分压电容稳定工作、周波变换器简化、输入输出电气隔离的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器。
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推挽高频五电平逆变器，包括顺次连接的输入直流电源单元、开关电容五电平模块、高频变压器、周波变换器、交流滤波输出模块，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均分电源电压，并通过并联方式为后级提供多电平；
高频变压器采用推挽拓扑，用于电能传递；
周波变换器采用全波形式，将变压器原边的单极性脉冲电压调制成双极性脉冲电压，并为负载提供续流反馈回路；
交流滤波输出模块用于实现交流输出。
进一步地，所述输入直流电源单元包括输入直流电源，输入直流电源单元与开关电容五电平模块连接。
进一步地，所述开关电容五电平模块包括第一功率开关管、第一二极管、第二功率开关管、第二二极管、第三功率开关管、第三二极管、第四功率开关管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容；
所述第一功率开关管的漏极与输入直流电源的参考正极相连接，第一二极管反并联于第一功率开关管两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接、第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第一功率开关管的源极与第一电容的正极连接，第一电容的负极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管反并联于第二功率开关管两端，即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接、第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接，第二功率开关管的源极与第二电容的正极连接，第二电容的负极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管反并联于第三功率开关管两端，即第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接、第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接，第三功率开关管的源极与第三电容的正极连接，第三电容的负极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管反并联于第四功率开关管两端，即第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接、第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接，第四功率开关管的源极与第四电容的正极连接，第四电容的负极与输入直流电源的参考负极相连接。
进一步地，所述高频变压器包括第五功率开关管、第十一二极管、第六功率开关管、第十二二极管、第一原边绕组、第二原边绕组、第一副边绕组、第二副边绕组；
所述第五功率开关管的漏极与第一电容的正极连接，第五二极管反并联于第五功率开关管两端，即第五二极管的阴极与第五功率开关管的漏极连接、第五二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第六功率开关管的漏极与第一电容的正极连接，第十二二极管反并联于第六功率开关管两端，即第十二二极管的阴极与第六功率开关管的漏极连接、第十二二极管的阳极与第六功率开关管的源极连接，第一原边绕组的同名端与第五功率开关管的源极连接，第一原边绕组的非同名端与第二原边绕组的同名端连接，第二原边绕组的同名端与第四电容的负极连接，第二原边绕组的非同名端与第十二二极管的阳极相连，第一副边绕组的非同名端和第二副边绕组的同名端连接。
进一步地，所述周波变换器包括第七功率开关管、第十三二极管、第八功率开关管、第十四二极管、第九功率开关管、第十五二极管、第十功率开关管、第十六二极管；
所述第七功率开关管的漏极与第一副边绕组的同名端连接，第十三二极管反并联于第七功率开关管两端，即第十三二极管的阴极与第七功率开关管的漏极连接、第十三二极管的阳极与第七功率开关管的源极连接，第八功率开关管的源极与第七功率开关管的源极连接，第十四二极管反并联于第八功率开关管两端，即第十四二极管的阴极与第八功率开关管的漏极连接、第十四二极管的阳极与第八功率开关管的源极连接，第九功率开关管的漏极与第二副边绕组的非同名端连接，第十五二极管反并联于第九功率开关管两端，即第十五二极管的阴极与第九功率开关管的漏极连接、第十五二极管的阳极与第九功率开关管的源极连接，第十功率开关管的源极与第九功率开关管的源极连接，第十六二极管反并联于第十功率开关管两端，即第十六二极管的阴极与第十功率开关管的漏极连接、第十六二极管的阳极与第十功率开关管的源极连接。
进一步地，所述交流滤波输出模块包括输出滤波电感、输出滤波电容和交流负载；
所述输出滤波电感的一端同时与第八功率开关管的漏极、第十四二极管的阴极的公共端连接，输出滤波电感的另一端与输出滤波电容的一端连接，输出滤波电容的另一端与第一副边绕组的非同名端连接，交流负载的一端与输出滤波电容的一端、输出滤波电感的公共端连接，交流负载的另一端与输出滤波电容的另一端连接。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)基于开关电容式的多电平技术具有良好的扩展性及可靠性，可方便地扩展为七电平及更多电平数的逆变电路，通过并联的方式改变电压等级，并能利用并联单元自动均压的特点以维持直流电容电压的恒定；(2)采用的推挽形式最大程度地利用了副边的全波电路，将能量传递、电压极性变化、副边电流续流和能量反馈四种功能集于一身，高频变压器实现了双向励磁，减少了对开关管数量的需求；(3)与三电平逆变器相比，能够实现输出电压电流波形更小的畸变，同时可以承受更高的直流电压输入；(4)直流电容因为自带电压补偿特性，因此在同等输入输出条件小，可以采用小电容值的电解电容，采用简化的控制方法且无需对电容电压进行采样。
附图说明
图1是本发明基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器的电路拓扑功能示意图。
图2是本发明基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器的电路拓扑结构图。
具体实施方式
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，通过并联开关单元从而改变电平数，并联单元具有自动均衡电压的能力，使得电容电压降能够保持均等，从而在实现更小的直流电容以及更简单的控制下保证设备的稳定工作。
结合图1～2，本发明基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，包括顺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、交流滤波输出模块5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用于均分输入直流高压，自动维系电压均分，通过并联方式为后级提供多电平；
高频变压器3采用推挽拓扑，用于电能传递以及实现原副边电气隔离；
周波变换器4采用全波形式，用于改变电压脉冲的极性，将变压器原边的单极性脉冲电压调制成双极性脉冲电压，并为负载提供续流反馈回路；
交流滤波输出模块5用于对高频斩波进行平滑滤波，保证负载稳定可靠工作。
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与开关电容五电平模块2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的负极与输入直流电源Ui的参考负极相连接。
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、第一副边绕组N3、第二副边绕组N4、第五功率开关管S5、第十一二极管D11、第六功率开关管S6；
所述第五功率开关管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，第六功率开关管S6的漏极与第一电容C1的正极连接，第十二二极管D12反并联于第六功率开关管S6两端，即第十二二极管D12的阴极与第六功率开关管S6的漏极连接、第十二二极管D12的阳极与第六功率开关管S6的源极连接，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包括第七功率开关管S7、第十三二极管D13、第八功率开关管S8、第十四二极管D14、第九功率开关管S9、第十五二极管D15、第十功率开关管S10、第十六二极管D16；
所述第七功率开关管S7的漏极与第一副边绕组N3的同名端连接，第十三二极管D13反并联于第七功率开关管S7两端，即第十三二极管D13的阴极与第七功率开关管S7的漏极连接、第十三二极管D13的阳极与第七功率开关管S7的源极连接，第八功率开关管S8的源极与第七功率开关管S7的源极连接，第十四二极管D14反并联于第八功率开关管S8两端，即第十四二极管D14的阴极与第八功率开关管S8的漏极连接、第十四二极管D14的阳极与第八功率开关管S8的源极连接，第九功率开关管S9的漏极与第二副边绕组N4的非同名端连接，第十五二极管D15反并联于第九功率开关管S9两端，即第十五二极管D15的阴极与第九功率开关管S9的漏极连接、第十五二极管D15的阳极与第九功率开关管S9的源极连接，第十功率开关管S10的源极与第九功率开关管S9的源极连接，第十六二极管D16反并联于第十功率开关管S10两端，即第十六二极管D16的阴极与第十功率开关管S10的漏极连接、第十六二极管D16的阳极与第十功率开关管S10的源极连接。
所述交流滤波输出模块5包括输出滤波电感Lf、输出滤波电容Cf和交流负载ZL；
所述输出滤波电感Lf的一端同时与第八功率开关管S8的漏极、第十四二极管D14的阴极的公共端连接，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的非同名端连接，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的公共端连接，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推挽高频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，开关电容交替导通对称工作。直流电容均分输入电压Ui，每个电容电压为+Ui/4，每一个开关电容单元的关闭会使得输入电压减少+Ui/4，对开关关闭数目的控制可以得到+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4四种电平，通过推挽电路及副边全波电路，可以产生额外的零电平以及相应的副电压，所以总共可以产生+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4、0、-Ui/4、-2Ui/4、-3Ui/4、-Ui正负各五电平电压，最后在交流滤波输出模块的作用下转换成平滑的交流输出。

Claims (6)

1.一种基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，其特征在于，包括顺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)、交流滤波输出模块(5)，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)用于均分电源电压并通过并联方式为后级提供多电平；
高频变压器(3)采用推挽拓扑，用于电能传递；
周波变换器(4)采用全波形式，将变压器原边的单极性脉冲电压调制成双极性脉冲电压，并为负载提供续流反馈回路；
交流滤波输出模块(5)用于实现交流输出。
2.根据权利要求1所述的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，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)，输入直流电源单元(Ui)与开关电容五电平模块(2)连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，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)的负极与输入直流电源(Ui)的参考负极相连接。
4.根据权利要求3所述的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，其特征在于，所述高频变压器(3)包括第五功率开关管(S5)、第十一二极管(D11)、第六功率开关管(S6)、第十二二极管(D12)、第一原边绕组(N1)、第二原边绕组(N2)、第一副边绕组(N3)、第二副边绕组(N4)；
所述第五功率开关管(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，第六功率开关管(S6)的漏极与第一电容(C1)的正极连接，第十二二极管(D12)反并联于第六功率开关管(S6)两端，即第十二二极管(D12)的阴极与第六功率开关管(S6)的漏极连接、第十二二极管(D12)的阳极与第六功率开关管(S6)的源极连接，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4所述的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，其特征在于，所述周波变换器(4)包括第七功率开关管(S7)、第十三二极管(D13)、第八功率开关管(S8)、第十四二极管(D14)、第九功率开关管(S9)、第十五二极管(D15)、第十功率开关管(S10)、第十六二极管(D16)；
所述第七功率开关管(S7)的漏极与第一副边绕组(N3)的同名端连接，第十三二极管(D13)反并联于第七功率开关管(S7)两端，即第十三二极管(D13)的阴极与第七功率开关管(S7)的漏极连接、第十三二极管(D13)的阳极与第七功率开关管(S7)的源极连接，第八功率开关管(S8)的源极与第七功率开关管(S7)的源极连接，第十四二极管(D14)反并联于第八功率开关管(S8)两端，即第十四二极管(D14)的阴极与第八功率开关管(S8)的漏极连接、第十四二极管(D14)的阳极与第八功率开关管(S8)的源极连接，第九功率开关管(S9)的漏极与第二副边绕组(N4)的非同名端连接，第十五二极管(D15)反并联于第九功率开关管(S9)两端，即第十五二极管(D15)的阴极与第九功率开关管(S9)的漏极连接、第十五二极管(D15)的阳极与第九功率开关管(S9)的源极连接，第十功率开关管(S10)的源极与第九功率开关管(S9)的源极连接，第十六二极管(D16)反并联于第十功率开关管(S10)两端，即第十六二极管(D16)的阴极与第十功率开关管(S10)的漏极连接、第十六二极管(D16)的阳极与第十功率开关管(S10)的源极连接。
6.根据权利要求5所述的基于开关电容式的推挽高频五电平逆变器，其特征在于，所述交流滤波输出模块(5)包括输出滤波电感(Lf)、输出滤波电容(Cf)和交流负载(ZL)；
所述输出滤波电感(Lf)的一端同时与第八功率开关管(S8)的漏极、第十四二极管(D14)的阴极的公共端连接，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)的非同名端连接，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)的公共端连接，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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