CN110224613A - 自跟随飞跨电容五电平ac-ac变换器及其工作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种自跟随飞跨电容五电平AC‑AC变换器及其工作方法，包括交流输入电源、四绕组变压器、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载；五电平变换单元包括八个四象限开关管和分别与四绕组变压器的三个副边绕组并联的三个飞跨电容；第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间。本发明既能保证输出电压可在全占空比范围内调节，又能避免多电平变换器飞跨电容的控制问题，与两电平相比，还可以使得开关管的电压应力降低至原来的1/4倍。

Description

自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器及其工作方法
技术领域
本发明涉及电力电子变换技术，具体涉及一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器及其工作方法。
背景技术
AC-AC变换技术是应用电力电子器件，将某一频率和幅值的交流电能转换为另一频率和幅值的交流电能的变换技术。经过长达半个多世纪的快速发展，已广泛应用于需要电能变换的各个领域。在低压小功率的用电场合，AC-AC变换技术的许多方面已逐渐成熟；而在高压大功率的输配电和工业场合，AC-AC变换技术的应用正成为当今的研究重点和热点，受电力电子器件耐压值的限制，多电平技术成了解决这一问题的有效途径。
迄今为止，多电平变换器的基本结构主要有二极管箝位型多电平变换器、飞跨电容箝位型多电平变换器、独立电源级联型多电平变换器，它们都存在拓扑结构和控制策略复杂的缺点。
发明内容
本发明目的是提供一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器及其工作方法，既能保证输出电压可在全占空比范围内调节，又能避免多电平变换器飞跨电容的控制问题，与两电平相比，还可以使得开关管的电压应力降低至原来的1/4倍。
本发明的技术方案是：一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，包括交流输入电源、四绕组变压器、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载，所述交流输入电源、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载依次连接；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点和第二输出端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到变换器交流输入电源的第一输出端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端连接到变换器交流输入电源的第二输出端点；
所述输出滤波器的第一输入端点连接到第四节点，所述输出滤波器的第二输入端点连接到变换器交流输入电源的第二输出端点。
上述技术方案中，所述第一四象限开关管包括反向串联的第一功率开关管和第二功率开关管；
所述第二四象限开关管包括反向串联的第三功率开关管和第四功率开关管；
所述第三四象限开关管包括反向串联的第五功率开关管和第六功率开关管；
所述第四四象限开关管包括反向串联的第七功率开关管和第八功率开关管；
所述第五四象限开关管包括反向串联的第九功率开关管和第十功率开关管；
所述第六四象限开关管包括反向串联的第十一功率开关管和第十二功率开关管；
所述第七四象限开关管包括反向串联的第十三功率开关管和第十四功率开关管；
所述第八四象限开关管包括反向串联的第十五功率开关管和第十六功率开关管。
上述技术方案中，所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管、第十一功率开关管、第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管、第十五功率开关管和第十六功率开关管均为IGBT开关管或MOSFET开关管。
上述技术方案中，所述输出滤波器包括输出电感和输出滤波电容。
上述技术方案中，所述四绕组变压器的原边绕组与第一副边绕组的匝数比为4:1；
所述四绕组变压器的原边绕组与第二副边绕组的匝数比为4:2；
所述四绕组变压器的原边绕组与第三副边绕组的匝数比为4:3。
上述技术方案中，所述四绕组变压器的原边、第三副边、第二副边、第一副边的同名端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点、第一节点、第二节点和第三节点。
上文中，所述四绕组变压器的原边的同名端对应连接到变换器交流输入电源的第一输出端点，所述四绕组变压器的第三副边的同名端对应连接到第一节点，所述四绕组变压器的第二副边的同名端对应连接到第二节点，所述四绕组变压器的第一副边的同名端对应连接到第三节点。
一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器的工作方法，通过使用四绕组变压器的三个独立的副边为三个飞跨电容供电，使得三个飞跨电容的电压自动跟随于1/4、1/2、3/4倍输入电压实现飞跨电容的钳位作用。
一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，包括交流输入电源、输入电感、五电平变换单元、四绕组变压器、输出滤波电容和交流负载，所述交流输入电源、输入电感、五电平变换单元、输出滤波电容和交流负载依次连接；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到输出滤波电容的第一端点和第二端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到输出滤波电容的第一端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端分别连接到变换器交流输入电源的第二输出端点和输出滤波电容的第二端点；
所述第四节点经输入电感连接到变换器交流输入电源的第一输出端点。
一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，包括交流输入电源、五电平变换单元、储能电感、四绕组变压器、输出滤波电容和交流负载；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点和输出滤波电容的第一端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到变换器交流输入电源的第一输出端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端连接到输出滤波电容的第一端点；
所述第四节点经储能电感分别连接到变换器交流输入电源的第二输出端点和输出滤波电容的第二端点。
一种基于自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器拓展得到的自跟随飞跨电容任意整数电平AC-AC变换器。
本发明的优点是：
1.本发明通过四绕组变压器的三个独立的副边为三个飞跨电容供电，不仅能够使得三个飞跨电容的电压自动跟随于1/4、1/2、3/4倍输入电压实现飞跨电容的钳位作用，还能够避免多电平AC-AC变换器中飞跨电容电压的控制问题，极大的简化了多电平AC-AC变换器的控制策略，且该四绕组变压器的容量很小理论上只需满足三个飞跨电容的无功负载即可；
2.本发明的五电平AC-AC变换器可以降低开关管的电压应力，其电压应力仅为两电平时的1/4；
3.本发明的五电平AC-AC变换器在工作时可在输出滤波之前即G、E两点处得到频率为开关管工作频率的四倍的高频输出电压，这样可以极大的减小输出滤波器的大小；
4.基于本发明的五电平的拓扑结构，可以得到任意整数电平的AC-AC变换器。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明实施例一的电路原理图。
图2为本发明实施例一的占空比D＜0.25时，各开关管时序和主要波形图。
图3为本发明实施例一的占空比0.25≤D＜0.5时，各开关管时序和主要波形图。
图4为本发明实施例一的占空比0.5≤D＜0.75时，各开关管时序和主要波形图。
图5为本发明实施例一的占空比0.75≤D时，各开关管时序和主要波形图。
图6为本发明实施例二的电路原理图。
图7为本发明实施例三的电路原理图。
具体实施方式
实施例一：
参见图1所示，一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，具体为在Buck功能模式下，包括交流输入电源ui、四绕组变压器Tr、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载Ro，所述交流输入电源ui、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载Ro依次连接；所述五电平变换单元与交流输入电源ui，用于将输入电压在其输出侧转变为0、1/4、1/2、3/4、1倍输入电压五种电平；输出滤波器用于滤除五电平变换单元中的高频分量，与交流负载Ro连接，为交流负载Ro提供高质量的输出电压波形；
具体地，所述五电平变换单元包括第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第三四象限开关管S3、第四四象限开关管S4、第五四象限开关管S5、第六四象限开关管S6、第七四象限开关管S7、第八四象限开关管S8、第一飞跨电容Cy1、第二飞跨电容Cy2和第三飞跨电容Cy3；
所述第七四象限开关管S7和第五四象限开关管S5之间形成第一节点J；所述第五四象限开关管S5和第三四象限开关管S3之间形成第二节点K；所述第三四象限开关管S3和第一四象限开关管S1之间形成第三节点L；所述第一四象限开关管S1和第二四象限开关管S2之间形成第四节点G；所述第二四象限开关管S2和第四四象限开关管S4之间形成第五节点M；所述第四四象限开关管S4和第六四象限开关管S6之间形成第六节点H；所述第六四象限开关管S6和第八四象限开关管S8之间形成第七节点F；
所述第一飞跨电容Cy1跨接在第三节点L和第五节点M之间，所述第二飞跨电容Cy2跨接在第二节点K和第六节点H之间，所述第三飞跨电容Cy3跨接在第一节点J和第七节点F之间；
所述四绕组变压器Tr的原边绕组N1的两端分别连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I和第二输出端点E，所述四绕组变压器Tr的第一副边绕组N21与第一飞跨电容Cy1并联，所述四绕组变压器Tr的第二副边绕组N22与第二飞跨电容Cy2并联，所述四绕组变压器Tr的第三副边绕组N23与第三飞跨电容Cy3并联；
所述第七四象限开关管S7的一端连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I，所述第七四象限开关管S7的另一端依次经第五四象限开关管S5、第三四象限开关管S3、第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第四四象限开关管S4、第六四象限开关管S6连接到第八四象限开关管S8的一端，所述第八四象限开关管S8的另一端连接到变换器交流输入电源ui的第二输出端点E；
所述输出滤波器的第一输入端点连接到第四节点G，所述输出滤波器的第二输入端点连接到变换器交流输入电源ui的第二输出端点E。
本实施例中，所述第一四象限开关管S1包括反向串联的第一功率开关管S1a和第二功率开关管S1b；所述第二四象限开关管S2包括反向串联的第三功率开关管S2a和第四功率开关管S2b；所述第三四象限开关管S3包括反向串联的第五功率开关管S3a和第六功率开关管S3b；所述第四四象限开关管S4包括反向串联的第七功率开关管S4a和第八功率开关管S4b；所述第五四象限开关管S5包括反向串联的第九功率开关管S5a和第十功率开关管S5b；所述第六四象限开关管S6包括反向串联的第十一功率开关管S6a和第十二功率开关管S6b；所述第七四象限开关管S7包括反向串联的第十三功率开关管S7a和第十四功率开关管S7b；所述第八四象限开关管S8包括反向串联的第十五功率开关管S8a和第十六功率开关管S8b。
具体地，所述第十三功率开关管S7a的发射极连接到第十四功率开关管S7b的发射极，所述第十三功率开关管S7a的集电极连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I，所述第十四功率开关管S7b的集电极连接到第一节点J；
所述第九功率开关管S5a的发射极连接到第十功率开关管S5b的发射极，所述第九功率开关管S5a的集电极连接到第一节点J，所述第十功率开关管S5b的集电极连接到第二节点K；
所述第五功率开关管S3a的发射极连接到第六功率开关管S3b的发射极，所述第五功率开关管S3a的集电极连接到第二节点K，所述第六功率开关管S3b的集电极连接到第三节点L；
所述第一功率开关管S1a的发射极连接到第二功率开关管S1b的发射极，所述第一功率开关管S1a的集电极连接到第三节点L，所述第二功率开关管S1b的集电极连接到第四节点G；
所述第三功率开关管S2a的发射极连接到第四功率开关管S2b的发射极，所述第三功率开关管S2a的集电极连接到第四节点G，所述第四功率开关管S2b的集电极连接到第五节点M；
所述第七功率开关管S4a的发射极连接到第八功率开关管S4b的发射极，所述第七功率开关管S4a的集电极连接到第五节点M，所述第八功率开关管S4b的集电极连接到第六节点H；
所述第十一功率开关管S6a的发射极连接到第十二功率开关管S6b的发射极，所述第十一功率开关管S6a的集电极连接到第六节点H，所述第十二功率开关管S6b的集电极连接到第七节点F；
所述第十五功率开关管S8a的发射极连接到第十六功率开关管S8b的发射极，所述第十五功率开关管S8a的集电极连接到第七节点F，所述第十六功率开关管S8b的集电极连接到变换器交流输入电源ui的第二输出端点E。
本实施例中，所述第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b、第五功率开关管S3a、第六功率开关管S3b、第七功率开关管S4a、第八功率开关管S4b、第九功率开关管S5a、第十功率开关管S5b、第十一功率开关管S6a、第十二功率开关管S6b、第十三功率开关管S7a、第十四功率开关管S7b、第十五功率开关管S8a和第十六功率开关管S8b均为IGBT开关管，然而本发明并不仅限于使用IGBT开关管，还可以用MOSFET开关管或其他类型的开关管等进行替换，以MOSFET开关管为例，此时，MOSFET开关管的源极对应IGBT开关管的发射极，MOSFET开关管的漏极对应IGBT开关管的集电极。
本实施例中，所述输出滤波器包括输出电感Lf和输出滤波电容Cf。
本实施例中，所述四绕组变压器的原边绕组与第一副边绕组的匝数比为4:1；所述四绕组变压器的原边绕组与第二副边绕组的匝数比为4:2；所述四绕组变压器的原边绕组与第三副边绕组的匝数比为4:3。用于将第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第三四象限开关管S3、第四四象限开关管S4、第五四象限开关管S5、第六四象限开关管S6、第七四象限开关管S7、第八四象限开关管S8的电压应力箝位在1/4倍输入电压。
本实施例中，所述四绕组变压器Tr的原边、第三副边、第二副边、第一副边的同名端分别连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I、第一节点J、第二节点K和第三节点L。
本实施例还公开了一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器的工作方法，通过使用四绕组变压器的三个独立的副边为三个飞跨电容供电，使得三个飞跨电容的电压自动跟随于1/4、1/2、3/4倍输入电压实现飞跨电容的钳位作用。
以上结构的变换器，四绕组变压器Tr副边电压u1＝ui/4、u2＝ui/2、u3＝3ui/4，根据变换器占空比D的不同，变换器工作情况可分为D＜0.25、0.25≤D＜0.5、0.5≤D＜0.75和0.75≤D四种情况，以输入电压ui和电感电流iLf皆大于零为例(ui为正时，开关管S1b、S2b、S3b、S4b、S5b、S6b、S7b、S8b恒导通；ui为负时，开关管S1a、S2a、S3a、S4a、S5a、S6a、S7a、S8a恒导通)，具体如下：
当D＜0.25时，如图2所示：
(1)开关模态1[t0，t1]
t0时刻，开关管S2a、S3a、S6a、S8a导通，S1a、S4a、S5a、S7a关断。在电源ui作用下，电感Lf储存能量，其电流iLf线性增加，G、E两点压降uGE＝u2-u1＝ui/4。
(2)开关模态2[t1，t2]
t1时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S8a导通，S1a、S3a、S5a、S7a关断。电感Lf释放能量，其电流iLf线性减小，G、E两点压降uGE＝0。
(3)开关模态3[t2，t3]
t2时刻，开关管S2a、S4a、S5a、S8a导通，S1a、S3a、S6a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u3-u2＝ui/4。
(4)开关模态4[t3，t4]
t3时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S8a导通，S1a、S3a、S5a、S7a关断，其工作过程同模态2。
(5)开关模态5[t4，t5]
t4时刻，开关管S1a、S4a、S6a、S8a导通，S2a、S3a、S5a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u1＝ui/4。
(6)开关模态6[t5，t6]
t5时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S8a导通，S1a、S3a、S5a、S7a关断，其工作过程同模态2。
(7)开关模态7[t6，t7]
t6时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S7a导通，S1a、S3a、S5a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝ui-u3＝ui/4。
(8)开关模态8[t7，t8]
t7时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S8a导通，S1a、S3a、S5a、S7a关断，其工作过程同模态2。
当0.25≤D＜0.5时，如图3所示(当D＝0.25时，此时G、E两点的压降为1/4倍的输入电压)：
(1)开关模态9[t8，t9]
t8时刻，开关管S2a、S4a、S6a、S7a导通，S1a、S3a、S5a、S8a关断。电感Lf释放能量，其电流iLf线性减小。G、E两点压降uGE＝ui-u3＝ui/4。
(2)开关模态10[t9，t10]
t9时刻，开关管S2a、S3a、S6a、S7a导通，S1a、S4a、S5a、S8a关断。在电源ui作用下，电感Lf储存能量，其电流iLf线性增加。G、E两点压降uGE＝ui/2。
(3)开关模态11[t10，t11]
t10时刻，开关管S2a、S3a、S6a、S8a导通，S1a、S4a、S5a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u2-u1＝ui/4。
(4)开关模态12[t11，t12]
t11时刻，开关管S2a、S3a、S5a、S8a导通，S1a、S4a、S6a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u3-u1＝ui/2。
(5)开关模态13[t12，t13]
t12时刻，开关管S2a、S4a、S5a、S8a导通，S1a、S3a、S6a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u3-u2＝ui/4。
(6)开关模态14[t13，t14]
t13时刻，开关管S1a、S4a、S5a、S8a导通，S2a、S3a、S6a、S7a关断，其工作过程同模态10。
(7)开关模态15[t14，t15]
t14时刻，开关管S1a、S4a、S6a、S8a导通，S2a、S3a、S5a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝u1＝ui/4。
(8)开关模态16[t15，t16]
t15时刻，开关管S1a、S4a、S6a、S7a导通，S2a、S3a、S5a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝ui/2。
当0.5≤D＜0.75时，如图4所示(当D＝0.5时，此时G、E两点的压降为1/2倍的输入电压)：
(1)开关模态17[t16，t17]
t16时刻，开关管S2a、S3a、S6a、S7a导通，S1a、S4a、S5a、S8a关断。电感Lf释放能量，其电流iLf线性减小。G、E两点压降uGE＝ui/2。
(2)开关模态18[t17，t18]
t17时刻，开关管S2a、S3a、S5a、S7a导通，S1a、S4a、S6a、S8a关断。在电源ui作用下，电感Lf储存能量，其电流iLf线性增加。G、E两点压降uGE＝ui-u1＝3ui/4。
(3)开关模态19[t18，t19]
t18时刻，开关管S2a、S3a、S5a、S8a导通，S1a、S4a、S6a、S7a关断。电感Lf释放能量，其电流iLf线性减小。G、E两点压降uGE＝u3-u1＝ui/2。
(4)开关模态20[t19，t20]
t19时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S8a导通，S2a、S4a、S6a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝3ui/4。
(5)开关模态21[t20，t21]
t20时刻，开关管S1a、S4a、S5a、S8a导通，S2a、S3a、S6a、S7a关断。G、E两点压降uGE＝ui/2。
(6)开关模态22[t21，t22]
t21时刻，开关管S1a、S4a、S5a、S7a导通，S2a、S3a、S6a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝3ui/4。
(7)开关模态23[t22，t23]
t22时刻，开关管S1a、S4a、S6a、S7a导通，S2a、S3a、S5a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝ui/2。
(8)开关模态24[t23，t24]
t23时刻，开关管S1a、S3a、S6a、S7a导通，S2a、S4a、S5a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝3ui/4。
当0.75≤D＜1时，如图5所示(当D＝0.75时，此时G、E两点的压降为3/4倍的输入电压)：
(1)开关模态25[t24，t25]
t24时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S7a导通，S2a、S4a、S6a、S8a关断。在电源ui作用下，电感Lf储存能量，其电流iLf线性增加，G、E两点压降uGE＝ui。
(2)开关模态26[t25，t26]
t25时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S8a导通，S2a、S4a、S6a、S7a关断。电感Lf释放能量，其电流iLf线性减小。G、E两点压降uGE＝u3＝3ui/4。
(3)开关模态27[t26，t27]
t26时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S7a导通，S2a、S4a、S6a、S8a关断。其工作过程同模态25。
(4)开关模态28[t27，t28]
t27时刻，开关管S1a、S4a、S5a、S7a导通，S2a、S3a、S6a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝u3＝3ui/4。
(5)开关模态29[t28，t29]
t28时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S7a导通，S2a、S4a、S6a、S8a关断，其工作过程同模态25。
(6)开关模态30[t29，t30]
t29时刻，开关管S1a、S3a、S6a、S7a导通，S2a、S4a、S5a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝u3＝3ui/4。
(7)开关模态31[t30，t31]
t30时刻，开关管S1a、S3a、S5a、S7a导通，S2a、S4a、S6a、S8a关断，其工作过程同模态25。
(8)开关模态32[t31，t32]
t31时刻，开关管S2a、S3a、S5a、S7a导通，S1a、S4a、S6a、S8a关断。G、E两点压降uGE＝ui-u1＝3ui/4。
以上，本发明的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，可在输出电感Lf前端得到0、1/4、1/2、3/4、1倍输入电压五种电平，既能保证输出电压可在全占空比范围内调节，又能避免多电平变换器飞跨电容的控制问题，与两电平相比，还可以使得开关管的电压应力降低至原来的1/4倍。
另，基于开关管的电压应力减小，因此可采用低耐压及低导通电阻的开关管，降低成本及增大电源变换效率；滤波电感电流和滤波电容电压在一个开关周期内脉动4次，因此能够减小输出滤波器的体积重量。
实施例二：
参见图6所示，一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，具体为在Boost功能模式下，包括交流输入电源ui、输入电感Lf、五电平变换单元、四绕组变压器Tr、输出滤波电容Cf和交流负载Ro，所述交流输入电源ui、输入电感Lf、五电平变换单元、输出滤波电容Cf和交流负载Ro依次连接；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第三四象限开关管S3、第四四象限开关管S4、第五四象限开关管S5、第六四象限开关管S6、第七四象限开关管S7、第八四象限开关管S8、第一飞跨电容Cy1、第二飞跨电容Cy2和第三飞跨电容Cy3；
所述第七四象限开关管S7和第五四象限开关管S5之间形成第一节点J；所述第五四象限开关管S5和第三四象限开关管S3之间形成第二节点K；所述第三四象限开关管S3和第一四象限开关管S1之间形成第三节点L；所述第一四象限开关管S1和第二四象限开关管S2之间形成第四节点G；所述第二四象限开关管S2和第四四象限开关管S4之间形成第五节点M；所述第四四象限开关管S4和第六四象限开关管S6之间形成第六节点H；所述第六四象限开关管S6和第八四象限开关管S8之间形成第七节点F；
所述第一飞跨电容Cy1跨接在第三节点L和第五节点M之间，所述第二飞跨电容Cy2跨接在第二节点K和第六节点H之间，所述第三飞跨电容Cy3跨接在第一节点J和第七节点F之间；
所述四绕组变压器Tr的原边绕组N1的两端分别连接到输出滤波电容Cf的第一端点和第二端点，所述四绕组变压器Tr的第一副边绕组N21与第一飞跨电容Cy1并联，所述四绕组变压器Tr的第二副边绕组N22与第二飞跨电容Cy2并联，所述四绕组变压器Tr的第三副边绕组N23与第三飞跨电容Cy3并联；
所述第七四象限开关管S7的一端连接到输出滤波电容Cf的第一端点，所述第七四象限开关管S7的另一端依次经第五四象限开关管S5、第三四象限开关管S3、第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第四四象限开关管S4、第六四象限开关管S6连接到第八四象限开关管S8的一端，所述第八四象限开关管S8的另一端分别连接到变换器交流输入电源ui的第二输出端点E和输出滤波电容Cf的第二端点；
所述第四节点G经输入电感Lf连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I。
实施例三：
参见图7所示，一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，具体为在Buck-Boost功能模式下，包括交流输入电源ui、五电平变换单元、储能电感Lf、四绕组变压器Tr、输出滤波电容Cf和交流负载Ro；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第三四象限开关管S3、第四四象限开关管S4、第五四象限开关管S5、第六四象限开关管S6、第七四象限开关管S7、第八四象限开关管S8、第一飞跨电容Cy1、第二飞跨电容Cy2和第三飞跨电容Cy3；
所述第七四象限开关管S7和第五四象限开关管S5之间形成第一节点J；所述第五四象限开关管S5和第三四象限开关管S3之间形成第二节点K；所述第三四象限开关管S3和第一四象限开关管S1之间形成第三节点L；所述第一四象限开关管S1和第二四象限开关管S2之间形成第四节点G；所述第二四象限开关管S2和第四四象限开关管S4之间形成第五节点M；所述第四四象限开关管S4和第六四象限开关管S6之间形成第六节点H；所述第六四象限开关管S6和第八四象限开关管S8之间形成第七节点F；
所述第一飞跨电容Cy1跨接在第三节点L和第五节点M之间，所述第二飞跨电容Cy2跨接在第二节点K和第六节点H之间，所述第三飞跨电容Cy3跨接在第一节点J和第七节点F之间；
所述四绕组变压器Tr的原边绕组N1的两端分别连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I和输出滤波电容Cf的第一端点，所述四绕组变压器Tr的第一副边绕组N21与第一飞跨电容Cy1并联，所述四绕组变压器Tr的第二副边绕组N22与第二飞跨电容Cy2并联，所述四绕组变压器Tr的第三副边绕组N23与第三飞跨电容Cy3并联；
所述第七四象限开关管S7的一端连接到变换器交流输入电源ui的第一输出端点I，所述第七四象限开关管S7的另一端依次经第五四象限开关管S5、第三四象限开关管S3、第一四象限开关管S1、第二四象限开关管S2、第四四象限开关管S4、第六四象限开关管S6连接到第八四象限开关管S8的一端，所述第八四象限开关管S8的另一端连接到输出滤波电容Cf的第一端点；
所述第四节点G经储能电感Lf分别连接到变换器交流输入电源ui的第二输出端点E和输出滤波电容Cf的第二端点。
上述实施例二和三是实施例一通过互换输入端I、输出端O、共地端E扩展得到的自跟随飞跨电容五电平Boost型、Buck-Boost型交-交变换器。
可以在上述自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器的发明基础上拓展得到自跟随飞跨电容任意整数电平AC-AC变换器。
当然上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：包括交流输入电源、四绕组变压器、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载，所述交流输入电源、五电平变换单元、输出滤波器和交流负载依次连接；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点和第二输出端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到变换器交流输入电源的第一输出端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端连接到变换器交流输入电源的第二输出端点；
所述输出滤波器的第一输入端点连接到第四节点，所述输出滤波器的第二输入端点连接到变换器交流输入电源的第二输出端点。
2.根据权利要求1所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：所述第一四象限开关管包括反向串联的第一功率开关管和第二功率开关管；
所述第二四象限开关管包括反向串联的第三功率开关管和第四功率开关管；
所述第三四象限开关管包括反向串联的第五功率开关管和第六功率开关管；
所述第四四象限开关管包括反向串联的第七功率开关管和第八功率开关管；
所述第五四象限开关管包括反向串联的第九功率开关管和第十功率开关管；
所述第六四象限开关管包括反向串联的第十一功率开关管和第十二功率开关管；
所述第七四象限开关管包括反向串联的第十三功率开关管和第十四功率开关管；
所述第八四象限开关管包括反向串联的第十五功率开关管和第十六功率开关管。
3.根据权利要求2所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：所述第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管、第五功率开关管、第六功率开关管、第七功率开关管、第八功率开关管、第九功率开关管、第十功率开关管、第十一功率开关管、第十二功率开关管、第十三功率开关管、第十四功率开关管、第十五功率开关管和第十六功率开关管均为IGBT开关管或MOSFET开关管。
4.根据权利要求1所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：所述输出滤波器包括输出电感和输出滤波电容。
5.根据权利要求1所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：所述四绕组变压器的原边绕组与第一副边绕组的匝数比为4:1；
所述四绕组变压器的原边绕组与第二副边绕组的匝数比为4:2；
所述四绕组变压器的原边绕组与第三副边绕组的匝数比为4:3。
6.根据权利要求1所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：所述四绕组变压器的原边、第三副边、第二副边、第一副边的同名端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点、第一节点、第二节点和第三节点。
7.一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器的工作方法，其特征在于：通过使用四绕组变压器的三个独立的副边为三个飞跨电容供电，使得三个飞跨电容的电压自动跟随于1/4、1/2、3/4倍输入电压实现飞跨电容的钳位作用。
8.一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：包括交流输入电源、输入电感、五电平变换单元、四绕组变压器、输出滤波电容和交流负载，所述交流输入电源、输入电感、五电平变换单元、输出滤波电容和交流负载依次连接；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到输出滤波电容的第一端点和第二端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到输出滤波电容的第一端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端分别连接到变换器交流输入电源的第二输出端点和输出滤波电容的第二端点；
所述第四节点经输入电感连接到变换器交流输入电源的第一输出端点。
9.一种自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器，其特征在于：包括交流输入电源、五电平变换单元、储能电感、四绕组变压器、输出滤波电容和交流负载；
所述五电平变换单元包括第一四象限开关管、第二四象限开关管、第三四象限开关管、第四四象限开关管、第五四象限开关管、第六四象限开关管、第七四象限开关管、第八四象限开关管、第一飞跨电容、第二飞跨电容和第三飞跨电容；
所述第七四象限开关管和第五四象限开关管之间形成第一节点；所述第五四象限开关管和第三四象限开关管之间形成第二节点；所述第三四象限开关管和第一四象限开关管之间形成第三节点；所述第一四象限开关管和第二四象限开关管之间形成第四节点；所述第二四象限开关管和第四四象限开关管之间形成第五节点；所述第四四象限开关管和第六四象限开关管之间形成第六节点；所述第六四象限开关管和第八四象限开关管之间形成第七节点；
所述第一飞跨电容跨接在第三节点和第五节点之间，所述第二飞跨电容跨接在第二节点和第六节点之间，所述第三飞跨电容跨接在第一节点和第七节点之间；
所述四绕组变压器的原边绕组的两端分别连接到变换器交流输入电源的第一输出端点和输出滤波电容的第一端点，所述四绕组变压器的第一副边绕组与第一飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第二副边绕组与第二飞跨电容并联，所述四绕组变压器的第三副边绕组与第三飞跨电容并联；
所述第七四象限开关管的一端连接到变换器交流输入电源的第一输出端点，所述第七四象限开关管的另一端依次经第五四象限开关管、第三四象限开关管、第一四象限开关管、第二四象限开关管、第四四象限开关管、第六四象限开关管连接到第八四象限开关管的一端，所述第八四象限开关管的另一端连接到输出滤波电容的第一端点；
所述第四节点经储能电感分别连接到变换器交流输入电源的第二输出端点和输出滤波电容的第二端点。
10.一种基于权利要求1～9中任一项所述的自跟随飞跨电容五电平AC-AC变换器拓展得到的自跟随飞跨电容任意整数电平AC-AC变换器。
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