CN110572064A - 一种复合多电平功率变换电路及方法 - Google Patents

一种复合多电平功率变换电路及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110572064A
CN110572064A CN201910802148.XA CN201910802148A CN110572064A CN 110572064 A CN110572064 A CN 110572064A CN 201910802148 A CN201910802148 A CN 201910802148A CN 110572064 A CN110572064 A CN 110572064A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switching tube
tube
bridge arm
capacitor
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910802148.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN110572064B (zh
Inventor
王要强
王凯歌
李忠文
海德伦
王金凤
章健
梁军
袁艺森
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhengzhou University
Original Assignee
Zhengzhou University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhengzhou University filed Critical Zhengzhou University
Priority to CN201910802148.XA priority Critical patent/CN110572064B/zh
Publication of CN110572064A publication Critical patent/CN110572064A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110572064B publication Critical patent/CN110572064B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483Converters with outputs that each can have more than two voltages levels

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明提供了一种复合多电平功率变换电路及方法,该复合多电平功率变换电路包括单个直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元;所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ;每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂;所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂;所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端;该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态;所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。本发明具有功率器件少、输出电平多和调制策略简单的优点。

Description

一种复合多电平功率变换电路及方法
技术领域
本发明涉及电能变换与新能源发电领域,具体的说,涉及了一种复合多电平功率变换电路及方法。
背景技术
传统燃料能源对环境的污染问题日益严重,已经引起人类的极大重视。作为它们的替代能源——可再生能源,尤其是太阳能,将会在未来的全球能源格局中占据越来越重要的地位。在光伏发电等可再生能源利用领域,多电平变换器受到研究人员的广泛关注;多电平变换器具备能够通过增加输出阶梯波电压的电平数量,降低输出波形的总谐波畸变,进而提高输出电能质量等优点。
传统的多电平DC/AC变换器主要分为中点钳位型、飞跨电容型和级联H桥型三类。其中,中点钳位型和飞跨电容型变换器存在拓扑结构复杂、电容电压不易平衡等缺点;级联H桥型变换器虽然具有模块化结构简单、输出控制容易等优点,但随着输出电平数量的增加,需要大量的隔离直流电源,一定程度上限制了它们在工程中的应用。
为了解决以上存在的问题,人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,从而提供一种复合多电平功率变换电路及方法。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
本发明第一方面提供一种复合多电平功率变换电路,包括直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元;
所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ;
所述电容组串与所述直流母线电源并联连接;
所述正串桥臂Ⅰ的一端分别连接所述直流母线电源的阳极和所述电容组串的一端,所述正串桥臂Ⅰ的另一端分别连接所述电容组串的中点和所述正串桥臂Ⅱ的一端,所述正串桥臂Ⅱ的另一端分别连接所述电容组串的另一端和所述直流母线电源的阴极;
每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂;
其中,所述正串桥臂Ⅲ的中点连接所述正串桥臂Ⅰ的中点,所述正串桥臂Ⅲ的一端连接所述电容的阳极,所述正串桥臂Ⅲ的另一端分别连接所述电容的阴极和所述中间桥臂的一端,所述中间桥臂的另一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点;
所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂,所述左桥臂的一端分别连接所述正串桥臂Ⅲ的一端、所述电容的阳极和所述右桥臂的一端,所述左桥臂的另一端分别连接所述中间桥臂的另一端和所述右桥臂的另一端;
所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端。
本发明第二方面提供一种复合多电平功率变换方法,应用于上述复合多电平功率变换电路,该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态;所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。
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:
本发明提供了一种复合多电平功率变换电路及方法,通过所述母线分压电容单元中两个电解电容的充电或者放电,对所述直流母线电源Vdc进行分割处理,通过控制所述开关电容单元中开关电容的充电或者放电,正串桥臂Ⅲ和中间桥臂的导通或者截止,以及通过H桥单元对输出电压的正负极性转换,从而实现该复合多电平功率变换电路输出更多不同电位的电平;本发明简化了拓扑结构,提高了电能变换质量;并且,本发明可通过对开关电容单元的扩展,设置多个并联连接的开关电容单元,进一步提高该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益;因此,本发明具有功率器件少、输出电平多和调制策略简单等优点,尤其适用于输出电平多、升压要求适中的场合;
由于所述母线分压电容单元中的电解电容Ca和电解电容Cb的充放电状态在该复合多电平功率变换电路工作的正负半周期内具有对称交替互补工作特性,不存在电容的电压不平衡问题,且减小了其电压纹波。
附图说明
图1和图2为实施例1中所述复合多电平功率变换电路的电路结构图。
图3至图11分别为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的九种工作模态的电流通路示意图。
图12为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的调制原理图。
图13为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的各个开关管的门极驱动脉冲波形图。
图14为实施例2中所述复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时的输出电压和负载电流波形图。
图15为发明实施例2中所述复合多电平功率变换电路带阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图。
图16为实施例3中所述复合多电平功率变换电路的扩展结构图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
实施例1
如附图1和附图2所示,一种复合多电平功率变换电路,它包括单个直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元;所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ;所述电容组串与所述直流母线电源并联连接;所述正串桥臂Ⅰ的一端分别连接所述直流母线电源的阳极和所述电容组串的一端,所述正串桥臂Ⅰ的另一端分别连接所述电容组串的中点和所述正串桥臂Ⅱ的一端,所述正串桥臂Ⅱ的另一端分别连接所述电容组串的另一端和所述直流母线电源的阴极;每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂;其中,所述正串桥臂Ⅲ的中点连接所述正串桥臂Ⅰ的中点,所述正串桥臂Ⅲ的一端连接所述电容的阳极,所述正串桥臂Ⅲ的另一端分别连接所述电容的阴极和所述中间桥臂的一端,所述中间桥臂的另一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点;所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂,所述左桥臂的一端分别连接所述正串桥臂Ⅲ的一端、所述电容的阳极和所述右桥臂的一端,所述左桥臂的另一端分别连接所述中间桥臂的另一端和所述右桥臂的另一端;所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端。
在上述复合多电平功率变换电路的基础上,本实施例还公开了一种复合多电平功率变换方法,该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态;所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。
本发明的复合多电平功率变换电路及方法,通过所述母线分压电容单元中两个电解电容的充电或者放电,对所述直流母线电源Vdc进行分割处理,通过控制所述开关电容单元中电容的充电或者放电,正串桥臂Ⅲ和中间桥臂的导通或者截止,以及通过H桥单元对输出电压的正负极性转换,从而实现该复合多电平功率变换电路输出更多不同电位的电平;本发明简化了拓扑结构,提高了电能变换质量。
实施例2
本实施例给出了一种母线分压电容单元的具体实施方式,所述母线分压电容单元包括电解电容Ca、电解电容Cb、开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4;所述电解电容Ca和所述电解电容Cb构成所述电容组串,所述开关管S1和所述开关管S2构成所述正串桥臂Ⅰ,所述开关管S3和所述开关管S4构成所述正串桥臂Ⅱ;其中,所述电解电容Ca的阳极与所述开关管S1的输入端和所述直流母线电源Vdc的正极相连接,所述开关管S1的输出端与所述开关管S2的输入端相连接;所述开关管S2的输出端分别与所述开关管S3的输入端、所述电解电容Ca的阴极和所述电解电容Cb的阳极相连接;所述开关管S3的输出端与所述开关管S4的输入端相连接,所述开关管S4的输出端分别与电解电容Cb的阴极和所述直流母线电源Vdc的负极相连接,所述电解电容Cb的阳极还分别与所述电解电容Ca的阴极和所述开关管S3的输入端相连接。
本实施例中,所述母线分压电容单元中,当开关管S1与开关管S3导通、开关管S2与开关管S4关断时,由电解电容Ca放电,提供电压Vdc/2;当开关管S2与开关管S4导通、开关管S1与开关管S3关断时,由电解电容Cb放电,提供电压Vdc/2;当开关管S1与开关管S4导通、开关管S2与开关管S3关断时,由直流母线电源放电,提供电压Vdc;因此,所述母线分压电容单元利用电解电容Ca和Cb分割电源电压,以提供更多电平。
本实施例给出了一种开关电容单元的具体实施方式,所述开关电容单元包括开关电容C1、开关管S11、开关管S12、开关管S13以及二极管D1,所述开关管S11、开关管S12构成所述正串桥臂Ⅲ,所述开关管S13和所述二极管D1构成所述中间桥臂;所述H桥单元包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4,所述开关管T1和所述开关管T2构成H桥单元的左桥臂,所述开关管T3和所述开关管T4构成H桥单元的右桥臂;其中,所述开关管S11的输出端与所述开关管S12的输入端相连接,所述开关管S11的输入端与所述开关电容C1阳极相连接,所述开关管S12的输出端分别与所述开关电容C1的阴极和所述开关管S13的输入端相连接,所述开关管S13的输出端与所述二极管D1的阳极相连接;所述开关管T1的输入端与所述开关管T3的输入端相连接,所述开关管T2的输出端与所述开关管T4的输出端;所述开关管T1的输出端与所述开关管T2的输入端相连接,作为该复合多电平功率变换电路的正输出端;所述开关管T4的输入端与所述开关管T3的输出端相连接,作为该复合多电平功率变换电路的负输出端;所述开关管S11与所述开关管S12之间的连接点与所述开关管S1与所述开关管S2之间的连接点相连接,所述开关管S11与所述开关电容C1之间的连接点与所述开关管T1与所述开关管T3之间的连接点相连接;所述二极管D1的阴极分别与所述开关管S4与所述开关管S3之间的连接点以及所述开关管T2与所述开关管T4之间的连接点相连接。
本实施例中,该复合多电平功率变换电路输出Vdc电平时,所述开关电容单元中开关管S11和开关管S13导通,开关电容C1被充电至电源电压Vdc;当开关管S12导通时,开关电容C1放电,提供电压Vdc。所述H桥单元中,当开关管T1和开关管T4导通、开关管T2和开关管T3关断时,变换器工作在正半周期,输出电平为正;当开关管T2和开关管T3导通、开关管T1和开关管T4关断时,该复合多电平功率变换电路工作在负半周期,输出电平为负;当开关管T1和开关管T3导通、开关管T2和开关管T4关断,或者开关管T2和开关管T4导通、开关管T1和开关管T3关断时,该复合多电平功率变换电路输出0电平;因此,所述开关电容单元通过控制开关电容C1的充放电,实现变换器的多电平输出和升压增益;H桥单元用来完成直流侧输出电平的正负极性转换。
具体的,所述电解电容Ca和所述电解电容Cb的规格参数一致;开关电容Ci(i=1,2,…,n)的规格参数一致。各个开关管均为带有反并联二极管的IGBT或MOSFET,其中,所述开关管S1与开关管S2、开关管S3与开关管S4、开关管S11与开关管S12、开关管S13与开关管S12、开关管T1与开关管T2、开关管T3与开关管T4分别工作在互补状态,所述二极管D1的作用旨在抵消开关管S13内部反并联二极管的作用。
在上述复合多电平功率变换电路的基础上,本实施例对所述复合多电平功率变换方法中的九种工作模态进行了详细说明。所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。
附图3至附图11示出了该复合多电平功率变换电路工作在九种工作模态下的电流通路;各个工作模态的具体工作原理如下:
工作模态Ⅰ:如附图3所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4导通,开关管S2和开关管S3关断,由所述直流母线电源放电,提供电压Vdc;所述开关电容单元的开关管S12导通,开关管S11和开关管S13关断,开关电容C1与直流源处于串联放电状态;所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,开关管T2和开关管T3关断;该复合多电平功率变换电路工作在正半周期,输出电平2Vdc
工作模态Ⅱ:如附图4所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S3导通,开关管S2和开关管S4关断,由电解电容Ca放电,提供电压Vdc/2;所述开关电容单元的开关管S12导通,开关管S11和开关管S13关断,开关电容C1与电解电容Ca处于串联放电状态;所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,开关管T2和开关管T3关断;该复合多电平功率变换电路工作在正半周期,输出电平3Vdc/2;
工作模态Ⅲ:如附图5所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4导通,开关管S2和开关管S3关断,由所述直流母线电源放电,提供电压Vdc;所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13导通,开关管S12关断,开关电容C1与直流母线电源Vdc并联;所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,开关管T2和开关管T3开关管关断;该复合多电平功率变换电路工作在正半周期,输出电平Vdc
工作模态Ⅳ:如附图6所示,所述母线分压电容单元的开关管的S2和开关管S4导通,开关管的S1和开关管S3关断,由电解电容Cb放电,提供电压Vdc/2;所述开关电容单元的开关管S11导通,开关管S12和开关管S13关断,二极管D1处于反偏截止状态,开关电容C1不参与工作;所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,其余开关管关断;开关管T2和开关管T3开关管关断;该复合多电平功率变换电路工作在正半周期,输出电平Vdc/2;
工作模态Ⅴ:如附图7所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4导通,开关管S2和开关管S3关断;所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13导通,开关管S12关断,所述H桥单元的开关管T1和开关管T3导通,开关管T2和开关管T4关断;该复合多电平功率变换电路输出电平0;
工作模态Ⅵ:如附图8所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S3导通,开关管S2和开关管S4关断,由电解电容Ca放电,提供电压Vdc/2;所述开关电容单元的开关管S11导通,开关管S12和开关管S13关断,二极管D1处于反偏截止状态,开关电容C1不参与工作;所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,开关管T1和开关管T4关断;该复合多电平功率变换电路工作在负半周期,输出电平-Vdc/2;
工作模态Ⅶ:如附图9所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4导通,开关管S2和开关管S3关断,由所述直流母线电源放电,提供电压Vdc;所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13导通,开关管S12关断,开关电容C1与直流母线电源Vdc并联;所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,开关管T1和开关管T4关断;该复合多电平功率变换电路工作在负半周期,输出电平-Vdc
工作模态Ⅷ:如附图10所示,所述母线分压电容单元的开关管S2和开关管S4导通,开关管S1和开关管S3关断,由电解电容Ca放电,提供电压Vdc/2;所述开关电容单元的开关管S12导通,开关管S11和开关管S13关断,开关电容C1与电解电容Cb处于串联放电状态;所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,开关管T1和开关管T4关断;该复合多电平功率变换电路工作在负半周期,输出电平-3Vdc/2;
工作模态Ⅸ:如附图11所示,所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4导通,开关管S2和开关管S3关断,由所述直流母线电源放电,提供电压Vdc;所述开关电容单元的开关管S12导通,开关管S11和开关管S13关断,开关电容C1与直流母线电源Vdc处于串联放电状态;所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,开关管T1和开关管T4关断;该复合多电平功率变换电路工作在负半周期,输出电平-2Vdc
需要说明的是,该复合多电平功率变换电路中由于使用了较多相邻两个开关之间互补工作的开关对,如开关管S1与开关管S2、开关管S13与开关管S12、开关管T1与开关管T2,因此,在实际应用中,该复合多电平功率变换电路在模态切换时必须设置死区时间,以避免变换器直通对电源和电容造成损坏。
本实施例中,所述电解电容Ca和所述电解电容Cb的充放电状态在该复合多电平功率变换电路工作的正负半周期内具有对称交替互补工作特性,不存在电容的电压不平衡问题,且减小了其电压纹波。
在上述复合多电平功率变换电路及方法的基础上,本实施例还给出了各个开关管的驱动信号的具体实施方式。
通过比较八个相同幅值的三角载波信号e1~e8与一个调制波信号es,产生八个原始脉冲信号u1~u8;将原始脉冲信号u1~u8进行逻辑组合,获得各个开关管的驱动信号;各个开关管的驱动信号的计算公式为:
其中,VGS1至VGS4分别对应表示开关管S1至开关管S4的驱动信号,VGS11至VGS13分别对应表示开关管S11至开关管S13的驱动信号,VGT1至VGT4分别对应表示开关管T1至开关管T4的驱动信号。
本实施例中,该复合多电平功率变换电路在载波层叠调制方式下的调制比,由三角载波的幅值fc和正弦调制波的幅值fs共同决定,可以表达为:M=As/4Ac ;其中,Ac为单个三角载波的幅值,As为单个正弦调制波的幅值。调制比的总体取值范围为0<M≤1;当0<M≤0.25时,该复合多电平功率变换电路输出三电平;当0.25<M≤0.5时,该复合多电平功率变换电路输出五电平;当0.5<M≤0.75时,该复合多电平功率变换电路输出七电平;当0.75<M≤1时,该复合多电平功率变换电路输出九电平,对应本实施例的九种工作模态。
本实施例通过仿真对该复合多电平功率变换电路及方法进行了验证,根据上述复合多电平功率变换方法对所述复合多电平功率变换电路进行调制。
附图12示出了该复合多电平功率变换电路的调制原理图,图13示出了该复合多电平功率变换电路的各个开关管的门极驱动脉冲波形图;附图14示出了该复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时的输出电压和负载电流波形图;当该复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时,负载电流与输出电压波形相似,呈现正弦阶梯PWM波形。图15示出了该复合多电平功率变换电路带阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图;当该复合多电平功率变换电路带阻感性负载时,负载电流受电感的滤波作用,波形的正弦性较好。该复合多电平功率变换电路输出电压和输出电流的纹波均稳定,且满足逆变器工作的条件;说明该复合多电平功率变换电路及方法能够输出正确的目标波形,验证了该复合多电平功率变换电路及方法的正确性。
实施例3
本实施例给出了拓展的复合多电平功率变换电路的具体实施方式。如附图16所示,本发明可通过对开关电容单元的扩展,设置多个并联连接的开关电容单元,进一步提高该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益;当所述开关电容单元的数量大于1时,多个开关电容单元之间并联连接。
也就是说,当所述开关电容单元的数量N=1时,该复合多电平功率变换电路最多输出九种不同的电平;当所述开关电容单元的数量N≥2时,该复合多电平功率变换电路设置4N+5种工作模态,即每增加一个开关电容单元,该复合多电平功率变换电路输出的电平数量增加4种。例如,当N=2时,该复合多电平功率变换电路中设置两个开关电容单元,此时该复合多电平功率变换电路输出13种电平:0、±Vdc/2、±Vdc、±3Vdc/2、±2Vdc、±5Vdc/2、±3Vdc
因此,本实施例通过可设置多个并联连接的开关电容单元,该复合多电平功率变换电路进行拓展,进一步提高了该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益。
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 (7)

1.一种复合多电平功率变换电路,其特征在于:包括单个直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元;
所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ;
所述电容组串与所述直流母线电源并联连接;
所述正串桥臂Ⅰ的一端分别连接所述直流母线电源的阳极和所述电容组串的一端,所述正串桥臂Ⅰ的另一端分别连接所述电容组串的中点和所述正串桥臂Ⅱ的一端,所述正串桥臂Ⅱ的另一端分别连接所述电容组串的另一端和所述直流母线电源的阴极;
每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂;
其中,所述正串桥臂Ⅲ的中点连接所述正串桥臂Ⅰ的中点,所述正串桥臂Ⅲ的一端连接所述电容的阳极,所述正串桥臂Ⅲ的另一端分别连接所述电容的阴极和所述中间桥臂的一端,所述中间桥臂的另一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点;
所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂,所述左桥臂的一端分别连接所述正串桥臂Ⅲ的一端、所述电容的阳极和所述右桥臂的一端,所述左桥臂的另一端分别连接所述中间桥臂的另一端和所述右桥臂的另一端;
所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端。
2.根据权利要求1所述的复合多电平功率变换电路,其特征在于:所述母线分压电容单元包括电解电容Ca、电解电容Cb、开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4;所述电解电容Ca和所述电解电容Cb构成所述电容组串,所述开关管S1和所述开关管S2构成所述正串桥臂Ⅰ,所述开关管S3和所述开关管S4构成所述正串桥臂Ⅱ;
其中,所述电解电容Ca的阳极与所述开关管S1的输入端和所述直流母线电源Vdc的正极相连接,所述开关管S1的输出端与所述开关管S2的输入端相连接;所述开关管S2的输出端分别与所述开关管S3的输入端、所述电解电容Ca的阴极和所述电解电容Cb的阳极相连接;所述开关管S3的输出端与所述开关管S4的输入端相连接,所述开关管S4的输出端分别与电解电容Cb的阴极和所述直流母线电源Vdc的负极相连接,所述电解电容Cb的阳极还分别与所述电解电容Ca的阴极和所述开关管S3的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的复合多电平功率变换电路,其特征在于:所述开关电容单元包括开关电容C1、开关管S11、开关管S12、开关管S13以及二极管D1,所述开关管S11、开关管S12构成所述正串桥臂Ⅲ,所述开关管S13和所述二极管D1构成所述中间桥臂;所述H桥单元包括开关管T1、开关管T2、开关管T3和开关管T4,所述开关管T1和所述开关管T2构成H桥单元的左桥臂,所述开关管T3和所述开关管T4构成H桥单元的右桥臂;
其中,所述开关管S11的输出端与所述开关管S12的输入端相连接,所述开关管S11的输入端与所述开关电容C1阳极相连接,所述开关管S12的输出端分别与所述开关电容C1的阴极和所述开关管S13的输入端相连接,所述开关管S13的输出端与所述二极管D1的阳极相连接;所述开关管T1的输入端与所述开关管T3的输入端相连接,所述开关管T2的输出端与所述开关管T4的输出端;所述开关管T1的输出端与所述开关管T2的输入端相连接,作为该复合多电平功率变换电路的正输出端;所述开关管T4的输入端与所述开关管T3的输出端相连接,作为该复合多电平功率变换电路的负输出端;
所述开关管S11与所述开关管S12之间的连接点与所述开关管S1与所述开关管S2之间的连接点相连接,所述开关管S11与所述开关电容C1之间的连接点与所述开关管T1与所述开关管T3之间的连接点相连接;所述二极管D1的阴极分别与所述开关管S4与所述开关管S3之间的连接点以及所述开关管T2与所述开关管T4之间的连接点相连接。
4.根据权利要求3所述的复合多电平功率变换电路,其特征在于:当所述开关电容单元的数量大于1时,多个开关电容单元之间并联连接。
5.一种复合多电平功率变换方法,应用于权利要求1-4所述的复合多电平功率变换电路,其特征在于:该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态;所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ;其中,
工作模态Ⅰ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S12,以及所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅱ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S3,所述开关电容单元的开关管S12,以及所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅲ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13,以及所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅳ,设置:所述母线分压电容单元的开关管的S2和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S11,以及所述H桥单元的开关管T1和开关管T4导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅴ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13,以及所述H桥单元的开关管T1和开关管T3导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅵ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S3,所述开关电容单元的开关管S11,以及所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅶ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S11和开关管S13,以及所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅷ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S2和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S12,以及所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,其余开关管关断;
工作模态Ⅸ,设置:所述母线分压电容单元的开关管S1和开关管S4,所述开关电容单元的开关管S12,以及所述H桥单元的开关管T2和开关管T3导通,其余开关管关断。
6.根据权利要求5所述的复合多电平功率变换方法,其特征在于:比较八个相同幅值的三角载波信号e1~e8与一个调制波信号es,产生八个原始脉冲信号u1~u8;将原始脉冲信号u1~u8进行逻辑组合,获得各个开关管的驱动信号;各个开关管的驱动信号的计算公式为:
7.根据权利要求6所述的复合多电平功率变换方法,其特征在于:当所述开关电容单元的数量N≥2时,该复合多电平功率变换电路设置4N+5种工作模态。
CN201910802148.XA 2019-08-28 2019-08-28 一种复合多电平功率变换电路及方法 Active CN110572064B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910802148.XA CN110572064B (zh) 2019-08-28 2019-08-28 一种复合多电平功率变换电路及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910802148.XA CN110572064B (zh) 2019-08-28 2019-08-28 一种复合多电平功率变换电路及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110572064A true CN110572064A (zh) 2019-12-13
CN110572064B CN110572064B (zh) 2021-02-05

Family

ID=68776574

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910802148.XA Active CN110572064B (zh) 2019-08-28 2019-08-28 一种复合多电平功率变换电路及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110572064B (zh)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111740628A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 分布式发电多电平变换器及其调制方法
CN111740627A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 非桥式多电平变换装置及其控制方法
CN111740626A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140319919A1 (en) * 2013-04-30 2014-10-30 Futurewei Technologies, Inc. Soft Switching Inverter Device and Method
CN205212724U (zh) * 2015-11-30 2016-05-04 华南理工大学 单电源九电平高频逆变器
CN108599604A (zh) * 2018-04-19 2018-09-28 西安理工大学 一种单相七电平逆变电器及其pwm信号调制方法
CN110048629A (zh) * 2019-05-14 2019-07-23 郑州大学 一种单输入开关电容多电平逆变器及其调制方法
CN110138005A (zh) * 2019-05-13 2019-08-16 郑州大学 一种级联多模态光伏并网逆变器及其调制方法
CN110149065A (zh) * 2019-05-13 2019-08-20 郑州大学 一种升降压开关电容多电平逆变器及其调制方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140319919A1 (en) * 2013-04-30 2014-10-30 Futurewei Technologies, Inc. Soft Switching Inverter Device and Method
CN205212724U (zh) * 2015-11-30 2016-05-04 华南理工大学 单电源九电平高频逆变器
CN108599604A (zh) * 2018-04-19 2018-09-28 西安理工大学 一种单相七电平逆变电器及其pwm信号调制方法
CN110138005A (zh) * 2019-05-13 2019-08-16 郑州大学 一种级联多模态光伏并网逆变器及其调制方法
CN110149065A (zh) * 2019-05-13 2019-08-20 郑州大学 一种升降压开关电容多电平逆变器及其调制方法
CN110048629A (zh) * 2019-05-14 2019-07-23 郑州大学 一种单输入开关电容多电平逆变器及其调制方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BAC-BIEN NGO,等: ""Single-phase multilevel inverter based on switched-capacitor structure"", 《IET POWER ELECTRONICS》 *
RATHINAM MARIMUTHU SEKAR,等: ""Single phase nine level inverter using single DC source supported by capacitor voltage balancing algorithm"", 《IET POWER ELECTRONICS》 *

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111740628A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 分布式发电多电平变换器及其调制方法
CN111740627A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 非桥式多电平变换装置及其控制方法
CN111740626A (zh) * 2020-05-30 2020-10-02 郑州大学 X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法
CN111740627B (zh) * 2020-05-30 2022-07-05 郑州大学 非桥式多电平变换装置及其控制方法
CN111740626B (zh) * 2020-05-30 2023-03-24 郑州大学 X型模块化扩展多电平变换器及其控制方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110572064B (zh) 2021-02-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110149065B (zh) 一种升降压开关电容多电平逆变器及其调制方法
CN111740625B (zh) 扩展多电平升压逆变拓扑及调制方法
CN110572064B (zh) 一种复合多电平功率变换电路及方法
CN108599604B (zh) 一种单相七电平逆变电器及其pwm信号调制方法
CN112039340B (zh) 一种采用双向buck-boost及串联LC的电压均衡拓扑及控制方法
CN112290817B (zh) 扩展t型多电平变流拓扑及调制方法
CN108616224B (zh) 一种升压型单相七电平逆变器
CN110572061B (zh) 一种混合t型多电平逆变装置及其控制方法
CN110572063B (zh) 不对称输入多电平变流装置及控制方法
AbdulSalam et al. Cascaded multilevel split-source inverters: Analysis and modulation
CN116317648A (zh) 一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器
CN111740624B (zh) 高增益多电平dc/ac变流拓扑及方法
CN111740627B (zh) 非桥式多电平变换装置及其控制方法
CN111049403B (zh) 一种升降压型开关电容九电平逆变器
Baksi et al. Performance Analysis of A Switched-Capacitor Based 13-Level Boost Cascaded Multilevel Inverter With Reduced Device Count
CN113381632B (zh) 一种非桥式模块化逆变器及其控制方法
CN113258814B (zh) 一种高增益低应力光伏多电平逆变器及控制方法
CN116365911A (zh) 一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器
CN115967293A (zh) 一种混合级联多电平逆变电路和新能源逆变器
CN113839575B (zh) 一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器
CN114070108A (zh) 一种新型开关电容准谐振多电平逆变器
Kim et al. Hybrid switched-capacitor multi-level inverter for renewable energy systems
CN112290818B (zh) 一种串级式多电平变流器及其实现方法
CN111740628B (zh) 分布式发电多电平变换器及其调制方法
CN114553038B (zh) 一种空间型dc/ac变换器及其容错运行方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant