CN110071654A - 一种多端口开关电容多电平逆变器及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多端口开关电容多电平逆变器及其调制方法，其中，多端口开关电容多电平逆变器由两个直流输入电源V in1、V in2，开关电容结构以及六开关H桥单元组成；开关电容结构由开关管S 7、S 8、S 9、S 10、二极管D 0、以及分压电容C 1、C 2构成；六开关H桥由开关管S 1、S 2、S 3、S 4、S 5、S 6构成；所述直流输入电源V in1与V in2单独或者同时给负载供电，当电源V in2或V in1单独供电时，所述逆变器输出3或5电平波形；当电源V in1与V in2同时供电时，根据两输入电源的电压比例不同，所述逆变器分别输出7、9或11电平波形。本发明所述逆变器能够提高功率器件复用率和输入端口容错性。

Description

一种多端口开关电容多电平逆变器及其调制方法
技术领域
本发明属于电力电子功率变换领域，具体的说，涉及了一种多端口开关电容多电平逆变器及其调制方法。
背景技术
在电力电子功率变换领域，单端口逆变器由于其仅需一个输入单元即可完成逆变过程，因此具有适用范围广泛的优点。但是在具有大量输入电源的场合，如新能源发电、电动汽车等领域，单端口逆变器中每个输入电源均需要一个独立的逆变器，因此系统器件多、体积大、成本高、功率密度低、供电可靠性差。多端口逆变器通过整合多个输入单元，实现能量的集中管理与控制，具有集成度高、功率密度大、可靠性高、成本低等优势。
开关电容技术采用无磁性结构，通过开关控制电容的充放电实现能量的变换与传输，具有体积小、功率密度大、转换效率高、易于集成等优点；将开关电容技术与多端口逆变器相结合，能够进一步提高系统能源利用率和功率器件复用率、减小设备体积、提高逆变效率及系统稳定性，在新能源发电、电动汽车、微电网等领域有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种多端口开关电容多电平逆变器，本发明还提供了该多端口开关电容多电平逆变器的调制方法。
为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多端口开关电容多电平逆变器，包括两个直流输入电源Vin1、Vin2，开关电容结构以及六开关H桥单元；
所述开关电容结构，包括功率开关管S7、S8、S9、S10、二极管D0、以及电解电容C1、C2；所述开关管S7的输出端与所述二极管D0的阳极相连接，所述二极管D0的阴极与所述开关管S8的输入端和所述电容C1的阳极相连接，所述开关管S8的输出端与所述开关管S9的输入端和所述电容C2的阳极相连接，所述开关管S9的输出端与所述电容C1的阴极和所述开关管S10的输入端相连接，所述电容C2的阴极和所述开关管S10的输出端相连接；
所述六开关H桥单元，包括六个功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6；所述开关管S1与S5的输入端与所述电容C1的阳极连接，所述开关管S3的输出端与所述开关管S5的输出端连接，所述开关管S2与S6的输出端与所述开关管S10的输出端连接，所述开关管S4的输入端与所述开关管S6的输入端连接，所述开关管S1的输出端与所述开关管S2的输入端连接作为该逆变器输出端的一端，所述开关管S3的输入端与所述开关管S4的输出端连接作为该逆变器输出端的另一端，该逆变器输出端连接到负载或电网；
所述直流输入电源Vin1的正极连接所述开关管S7的输入端，所述直流输入电源Vin1的负极连接所述电容C2的阴极；所述直流输入电源Vin2的正极连接所述开关管S4与S6的输入端，所述直流输入电源Vin2的负极连接所述开关管S3与S5的输出端。
一种所述多端口开关电容多电平逆变器的调制方法，所述逆变器的11种工作模态为：
工作模态1：控制开关管S1、S3、S6、S9导通，其余开关管关断；
工作模态2：控制开关管S1、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态3：控制开关管S2、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态4：控制开关管S1、S4、S6、S9导通，其余开关管关断；
工作模态5：控制开关管S1、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态6：控制开关管S2、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态7：控制开关管S2、S3、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态8：控制开关管S2、S3、S5、S9导通，其余开关管关断；
工作模态9：控制开关管S1、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态10：控制开关管S2、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态11：控制开关管S2、S4、S5、S9导通，其余开关管关断。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说，本发明提供了一种多端口开关电容多电平逆变器，通过将开关电容技术与多端口逆变器相结合，能够提高功率器件复用率和输入端口容错性，并且能够实现能量的双向流动，具有结构简单、集成度高、器件数量少、控制灵活、可靠性高等优点。
附图说明
图1为本发明实施例所述逆变器的拓扑结构框图。
图2(a)～(k)为本发明实施例所述逆变器11种工作模态的工作电流通路示意图。
图3为本发明实施例所述逆变器的调制策略原理图。
图4(a)、(b)为本发明实施例所述逆变器输入电源Vin2单独供电时输出电压和负载电流实例波形图。
图5(a)、(b)为本发明实施例所述逆变器输入电源Vin1单独供电时输出电压和负载电流实例波形图。
图6(a)、(b)为本发明实施例所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:1时输出电压和负载电流实例波形图。
图7(a)、(b)为本发明实施例所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:2时输出电压和负载电流实例波形图。
图8(a)、(b)为本发明实施例所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:3时输出电压和负载电流实例波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，但本发明并不限于这些实施方式：
本实施例提供了一种多端口开关电容多电平逆变器，逆变器拓扑结构如图1所示，其由两个直流输入电源Vin1、Vin2，开关电容结构以及六开关H桥单元组成。
两个直流输入电源Vin1、Vin2提供稳定的直流电；开关电容结构用以实现分压电容C1与C2的串并联转换；六开关H桥单元用以实现输入电源Vin1与Vin2以及分压电容C1与C2之间的组合输出。
开关电容结构包括：功率开关管S7、S8、S9、S10、二极管D0、以及电解电容C1、C2；所述开关管S7的输出端与所述二极管D0的阳极相连接，所述二极管D0的阴极与所述开关管S8的输入端和所述电容C1的阳极相连接，所述开关管S8的输出端与所述开关管S9的输入端和所述电容C2的阳极相连接，所述开关管S9的输出端与所述电容C1的阴极和所述开关管S10的输入端相连接，所述电容C2的阴极和所述开关管S10的输出端相连接。
六开关H桥单元包括：六个功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6；所述开关管S1与S5的输入端与所述电容C1的阳极连接，所述开关管S3的输出端与所述开关管S5的输出端连接，所述开关管S2与S6的输出端与所述开关管S10的输出端连接，所述开关管S4的输入端与所述开关管S6的输入端连接，所述开关管S1的输出端与所述开关管S2的输入端连接作为该逆变器输出端的一端，所述开关管S3的输入端与所述开关管S4的输出端连接作为该逆变器输出端的另一端，该逆变器输出端连接到负载或电网。
所述直流输入电源Vin1的正极连接所述开关管S7的输入端，所述直流输入电源Vin1的负极连接所述电容C2的阴极；所述直流输入电源Vin2的正极连接所述开关管S4与S6的输入端，所述直流输入电源Vin2的负极连接所述开关管S3与S5的输出端。
所述逆变器中直流输入电源Vin1与Vin2可以单独或者同时给负载供电，当电源Vin2或Vin1单独供电时，所述逆变器输出3或5电平波形；当电源Vin1与Vin2同时供电时，根据两输入电源的电压比例不同，所述逆变器分别输出7、9或11电平波形。
当所述逆变器中直流输入电源Vin2单独对负载供电，所述逆变器输出3电平：0、±Vin2。
当所述逆变器中直流输入电源Vin1单独对负载供电，所述逆变器输出5电平：0、±Vin1、±2Vin1。
当所述逆变器中直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:1时，所述逆变器输出7电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1。
当所述逆变器中直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:2时，所述逆变器输出9电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1、±4Vin1。
当所述逆变器中直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:3时，所述逆变器输出11电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1、±4Vin1、±5Vin1。
图2(a)～(k)示出了所述逆变器各个工作模态的工作电流通路，图中实线表示逆变器负载电流正向流通路径，虚线表示负载电流反向流通路径。所述逆变器各个工作模态的工作原理具体分析为：
工作模态1：工作电流通路如图2(a)所示，开关管S1、S3、S6、S9导通，其余开关管关断，输入电源Vin2串联电容C1与C2对负载供电，逆变器输出电压Vin2+VC1+VC2；
工作模态2：工作电流通路如图2(b)所示，开关管S1、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。输入电源Vin1与Vin2串联对负载供电；与此同时，输入电源Vin1对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压为Vin1+Vin2；
工作模态3：工作电流通路如图2(c)所示，开关管S2、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。此状态下输入电源Vin2单独对负载供电；与此同时，输入电源Vin1对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压Vin2；
工作模态4：工作电流通路如图2(d)所示，开关管S1、S4、S6、S9导通，其余开关管关断。此状态下，电容C1与C2串联对负载供电，逆变器输出电压VC1+VC2；
工作模态5：工作电流通路如图2(e)所示，开关管S1、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。此状态下，输入电源Vin1一方面对负载供电，另一方面对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压Vin1；
工作模态6：工作电流通路如图2(f)所示，开关管S2、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。此状态下，电源Vin1对并联的电容C1与C2充电，开关管S2、S4、S6导通构成闭合的续流回路，逆变器输出电压为0；
工作模态7：工作电流通路如图2(g)所示，开关管S2、S3、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。此状态下，输入电源Vin1一方面对负载供电，另一方面对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压-Vin1；
工作模态8：工作电流通路如图2(h)所示，开关管S2、S3、S5、S9导通，其余开关管关断。此状态下，电容C1与C2串联对负载供电，逆变器输出电压-VC1+VC2；
工作模态9：工作电流通路如图2(i)所示，开关管S1、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。此状态下输入电源Vin2单独对负载供电；与此同时，输入电源Vin1对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压-Vin2；
工作模态10：工作电流通路如图2(j)所示，开关管S2、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断。输入电源Vin1与Vin2串联对负载供电；与此同时，输入电源Vin1对并联的电容C1与C2充电，逆变器输出电压为-Vin1+Vin2；
工作模态11：工作电流通路如图2(k)所示，开关管S2、S4、S5、S9导通，其余开关管关断，输入电源Vin2串联电容C1与C2对负载供电，逆变器输出电压-Vin2+VC1+VC2。
由于各开关管均分别反向并联一续流二极管，无论负载电流的方向如何，所述逆变器所有工作模态的正向电流通路和反向电流通路有相同的输出电压，所述逆变器能够实现能量的双向流动。
本实施例所述逆变器的调制策略如图3所示，所述逆变器的调制策略由一个正弦调制波es与5对上下层叠的三角载波e1～e5进行比较，产生10路脉冲信号u1～u10。这5对三角载波有相同的工作频率fc和峰-峰值Ac，正弦调制波的工作频率和幅值分别为fref和Aref。则逆变器载波调制比M为：
调制比M的取值范围为0＜M≤1，逆变器调制比M与输出电平之间的关系如下表所示：
根据调制波与三角载波的比较区域的不同，可将逆变器的调制周期划分为不同的区间，逆变器各个调制区间所对应的初始调制相角θ1～θ4设定如下：
逆变器调制比M与初始调制相角θ1～θ4之间的关系如下表所示：
所述逆变器中各个开关管驱动信号的逻辑组合为：
S6＝u6
S8＝S7
S10＝S7。
根据上述调制方式对所述逆变器进行调制，图4(a)、(b)为本发明所述逆变器输入电源Vin2单独供电时输出电压和负载电流实例波形图，逆变器输出电压为3电平波形；图5(a)、(b)为本发明所述逆变器输入电源Vin1单独供电时输出电压和负载电流实例波形图，逆变器输出电压为5电平波形；图6(a)、(b)为本发明所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:1时输出电压和负载电流实例波形图，逆变器输出电压为7电平波形；图7(a)、(b)为本发明所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:2时输出电压和负载电流实例波形图，逆变器输出电压为9电平波形；图8(a)、(b)为本发明所述逆变器两输入电源Vin1：Vin2＝1:3时输出电压和负载电流实例波形图，逆变器输出电压为11电平波形。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (10)

1.一种多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于：包括两个直流输入电源Vin1、Vin2，开关电容结构以及六开关H桥单元；
所述开关电容结构，包括功率开关管S7、S8、S9、S10、二极管D0、以及电解电容C1、C2；所述开关管S7的输出端与所述二极管D0的阳极相连接，所述二极管D0的阴极与所述开关管S8的输入端和所述电容C1的阳极相连接，所述开关管S8的输出端与所述开关管S9的输入端和所述电容C2的阳极相连接，所述开关管S9的输出端与所述电容C1的阴极和所述开关管S10的输入端相连接，所述电容C2的阴极和所述开关管S10的输出端相连接；
所述六开关H桥单元，包括六个功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6；所述开关管S1与S5的输入端与所述电容C1的阳极连接，所述开关管S3的输出端与所述开关管S5的输出端连接，所述开关管S2与S6的输出端与所述开关管S10的输出端连接，所述开关管S4的输入端与所述开关管S6的输入端连接，所述开关管S1的输出端与所述开关管S2的输入端连接作为该逆变器输出端的一端，所述开关管S3的输入端与所述开关管S4的输出端连接作为该逆变器输出端的另一端，该逆变器输出端连接到负载或电网；
所述直流输入电源Vin1的正极连接所述开关管S7的输入端，所述直流输入电源Vin1的负极连接所述电容C2的阴极；所述直流输入电源Vin2的正极连接所述开关管S4与S6的输入端，所述直流输入电源Vin2的负极连接所述开关管S3与S5的输出端。
2.根据权利要求1所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于：所述直流输入电源Vin1与Vin2单独或者同时给负载供电，当电源Vin2或Vin1单独供电时，所述逆变器输出3或5电平波形；当电源Vin1与Vin2同时供电时，根据两输入电源的电压比例不同，所述逆变器分别输出7、9或11电平波形。
3.根据权利要求2所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于，当所述直流输入电源Vin2单独对负载供电，所述逆变器输出3电平：0、±Vin2。
4.根据权利要求2所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于，当所述直流输入电源Vin1单独对负载供电，所述逆变器输出5电平：0、±Vin1、±2Vin1。
5.根据权利要求2所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于，当所述直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:1时，所述逆变器输出7电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1。
6.根据权利要求2所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于，当所述直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:2时，逆变器输出9电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1、±4Vin1。
7.根据权利要求2所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于，当所述直流输入电源Vin1与Vin2同时对负载供电且输入电压比例为1:3时，逆变器输出11电平：0、±Vin1、±2Vin1、±3Vin1、±4Vin1、±5Vin1。
8.根据权利要求1-7任一项所述的多端口开关电容多电平逆变器，其特征在于：各开关管均分别反向并联一续流二极管。
9.一种权利要求1-8任一项所述多端口开关电容多电平逆变器的调制方法，其特征在于，所述逆变器的11种工作模态为：
工作模态1：控制开关管S1、S3、S6、S9导通，其余开关管关断；
工作模态2：控制开关管S1、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态3：控制开关管S2、S3、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态4：控制开关管S1、S4、S6、S9导通，其余开关管关断；
工作模态5：控制开关管S1、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态6：控制开关管S2、S4、S6、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态7：控制开关管S2、S3、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态8：控制开关管S2、S3、S5、S9导通，其余开关管关断；
工作模态9：控制开关管S1、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态10：控制开关管S2、S4、S5、S7、S8、S10导通，其余开关管关断；
工作模态11：控制开关管S2、S4、S5、S9导通，其余开关管关断。
10.根据权利要求9所述的调制方法，其特征在于：由一个正弦调制波es与5对上下层叠的三角载波e1～e5进行比较，产生10路脉冲信号u1～u10；
其中，5对三角载波有相同的工作频率fc和峰-峰值Ac，正弦调制波的工作频率和幅值分别为fref和Aref；
逆变器载波调制比M为：
当调制比M的取值范围为0＜M≤0.2，逆变器输出3电平，当调制比M的取值范围为0.2＜M≤0.4，逆变器输出5电平，当调制比M的取值范围为0.4＜M≤0.6，逆变器输出7电平，当调制比M的取值范围为0.6＜M≤0.8，逆变器输出9电平，当调制比M的取值范围为0.8＜M≤1，逆变器输出11电平；
根据调制波与三角载波的比较区域的不同，将逆变器的调制周期划分为不同的区间，逆变器各个调制区间所对应的初始调制相角θ1～θ4设定如下：
所述逆变器中各个开关管驱动信号的逻辑组合为：
S6＝u6
S8＝S7
S10＝S7。
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