CN111740623A - 17电平低电压应力开关电容式逆变器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种17电平低电压应力开关电容式逆变器及调制方法，该拓扑具有升压的功能，较之以往的17电平开关电容式多电平逆变器，本发明提出的拓扑产生17阶电平阶梯波只需要2个电源、2个电感、4个电容、12个开关管，减少了开关器件的数量并降低了结构的复杂度。

Description

17电平低电压应力开关电容式逆变器及调制方法

技术领域

本发明属于多电平逆变器领域，具体涉及一种17电平低电压应力开关电容 式逆变器及调制方法。

背景技术

在全球环境问题日益凸显的今天，电能系统、电动车辆(EV)和分布式发电 (DG)系统等成为了研究的热点。

电动汽车和电网连接分布式发电系统时，需要一个将直流电转换为交流电的 逆变器。当输入电压小于输出电压时，升压转换器或变压器广泛应用于上述系统。 然而由于升压变换器中存在着电感器件，这使得系统的体积非常大，因为变压器 和电感中必须含有大体积大重量的磁芯来维持磁通用以维持高功率的电能传输。

多电平逆变器由于其结构中不含有电感器件以及变压器，可以很好地解决上 述问题。传统的多电平逆变器包括二极管箝位型、飞跨电容型和级联H桥型逆 变器，因具有通过低压器件实现较高电压输入输出的优点而被广泛应用于低频领 域。为减小逆变器输出的THD，将传统多电平逆变器扩展、级联、混合以获得 更多的电平输出，但此类结构存在电容电压不平衡的缺点，需采用基于高频调制 的电压平衡控制策略，而高频调制必然会使开关器件工作频率大幅上升，导致开 关器件的开关损耗增加，当频率过高时，普通的硅半导体器件将无法使用。

为了解决这个问题，没有任何电感器件且具有电容自平衡的开关电容式多电 平逆变器被提出。但是对于目前的开关电容式多电平逆变器，输出电平数量较少， 导致输出波形的谐波过多，降低了逆变器整体的效率，当输出电平数量提高时， 开关器件过多，结构过于复杂。

发明内容

本发明的目的在于提出一种17电平低电压应力开关电容式逆变器及调制方 法，输出为17电平阶梯波，减少了谐波，并且使用的开关器件较少，使结构更 加简单。

实现本发明目的的技术方案为：一种17电平低电压应力开关电容式逆变器， 包括2个直流输入电压源、4个电容、2个电感和12个开关管；

直流输入电压源V_in1的正极连接于电感L₁的正极；直流输入电压源V_in1的负极 连接于开关管S_a、开关管S₅、开关管S₆的源极和电容C₂的负极；电感L₁的负极 连接于开关管S_a的漏极和二极管D₁的正极；二极管D₁的负极连接于开关管S₁、 开关管S₂的漏极和电容C₁的正极；电容C₁的负极连接于电容C₂的正极和开关管 S₈的源极；开关管S₈的漏极连接于开关管S₇的漏极；开关管S₇的源极连接于开 关管S₁的源极和开关管S₆的漏极；

直流输入电压源V_in2的正极连接于电感L₂的正极；直流输入电压源V_in2的负 极连接于开关管S_b、开关管S₃、开关管S₂的源极和电容C₃的负极；电感L₂的负 极连接于开关管S_b的漏极和二极管D₂的正极；二极管D₂的负极连接于开关管S₄、 开关管S₅的漏极和电容C₄的正极；电容C₄的负极连接于电容C₃的正极和开关管 S₉的源极；开关管S₉的漏极连接于开关管S₁₀的漏极；开关管S₁₀的源极连接于 开关管S₄的源极和开关管S₃的漏极。

一种17电平低电压应力开关电容式逆变器的调制方法，直流输入电压源的 输出电压V_in2为直流输入电压源的输出电压V_in1的三倍；该结构输出17个电平的 阶梯波由8个正负对称的准方波叠加合成，ω为输出波形基波角频率，θ_j表示 第j个准方波的初始导通角，j＝1,2,…,8；

在该结构输出波形的第一个周期内，当时间t＝0时，开关管S₁、开关管S₂、 开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0；当时间

时，开关 管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输 出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₉和开关管 S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1；当时间

时，开关管S₂、 开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输 出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₆、开关管S₉和开关管 S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当 时间

时，开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关 器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₄和开 关管S₆开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝8V_in1；当时间

时， 开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其 余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关 管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开 通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₁、 开关管S₂、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开 关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1；当时间

时，开关管S₁、 开关管S₂、开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0；

当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其 余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和 开关管S₅开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开 关管S₅、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电 压v_o＝-3V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时， 输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开 通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₃、 开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压 v_o＝-7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₃和开关管S₅开通，其余 开关器件断开时，输出电压v_o＝-8V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关 管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-7V_in1； 当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开通，其余开关器件断 开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关 管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通， 其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₅、 开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝-3V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和开关管S₅开通，其余开关管断开， 输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和 开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开 关管S₄、开关管S₅、开关管S₆开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0。

上述为该结构输出波形的第一个周期内调制内容，其余周期与其相同。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出的结构具有升压和 电容电压自平衡的功能；(2)本发明提出的结构简单，只需要2个电源、2个电 感、4个电容、12个开关管，减少了开关器件的数量并降低了结构的复杂度。

附图说明

图1为本发明17电平开关电容式逆变器示意图。

图2(a)～图2(j)为该结构在仿真实验时，各开关管驱动信号波形图，图 2(k)为开关管S_a的驱动信号图，图2(l)为开关管S_b的驱动信号图。

图3为该结构在仿真实验时，输出电压波形图。

图4为该结构在仿真实验时，输出电流波形图。

上面附图中的主要符号说明：V_in1和V_in2表示直流电源输入电压；v_o＝v_AB表 示输出电压；S₁,S₂,S₃,S₄,S₅,S₆,S₇,S₈,S₉,S₁₀,S_a,S_b表示开关管；C₁,C₂,C₃,C₄表 示电容；L₁,L₂表示电感；D₁,D₂表示二极管。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案进行详细说明。

本发明提出的17电平开关电容式逆变器结构如图1所示，其结构包括2个 直流输入电压源、4个电容、2个电感和12个开关管。

连接方式为：直流输入电压源V_in1的正极连接于电感L₁的正极；直流输入电 压源V_in1的负极连接于开关管S_a、开关管S₅、开关管S₆的源极和电容C₂的负极； 电感L₁的负极连接于开关管S_a的漏极和二极管D₁的正极；二极管D₁的负极连接 于开关管S₁、开关管S₂的漏极和电容C₁的正极；电容C₁的负极连接于电容C₂的 正极和开关管S₈的源极；开关管S₈的漏极连接于开关管S₇的漏极；开关管S₇的 源极连接于开关管S₁的源极和开关管S₆的漏极；

直流输入电压源V_in2的正极连接于电感L₂的正极；直流输入电压源V_in2的负 极连接于开关管S_b、开关管S₃、开关管S₂的源极和电容C₃的负极；电感L₂的负 极连接于开关管S_b的漏极和二极管D₂的正极；二极管D₂的负极连接于开关管S₄、 开关管S₅的漏极和电容C₄的正极；电容C₄的负极连接于电容C₃的正极和开关管 S₉的源极；开关管S₉的漏极连接于开关管S₁₀的漏极；开关管S₁₀的源极连接于 开关管S₄的源极和开关管S₃的漏极。

该17电平开关电容式逆变器的调制策略为：

开关管S_a和开关管S_b的触发信号为频率为20kHz、占空比为50％的标准 PWM波；直流输入电压源的输出电压V_in2为直流输入电压源的输出电压V_in1的三 倍；该结构输出17个电平的阶梯波可由8个正负对称的准方波叠加合成，ω为 输出波形基波角频率，θ_j表示第j个准方波的初始导通角j＝1,2,…,8。

在该结构输出波形的第一个周期内，当时间t＝0时，开关管S₁、开关管S₂、 开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0；当时间

时，开关 管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输 出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₉和开关管 S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1；当时间

时，开关管S₂、 开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输 出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₆、开关管S₉和开关管 S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1；当时间

时，开关管 S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当 时间

时，开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关 器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₄和开 关管S₆开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝8V_in1；当时间

时， 开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其 余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关 管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开 通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₁、 开关管S₂、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1； 当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开 关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1；当时间

时，开关管S₁、 开关管S₂、开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0。

当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其 余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和 开关管S₅开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开 关管S₅、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电 压v_o＝-3V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时， 输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开 通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₃、 开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₃和开关管S₅开通，其余 开关器件断开时，输出电压v_o＝-8V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关 管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-7V_in1； 当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开通，其余开关器件断 开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关 管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通， 其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₅、 开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝-3V_in1； 当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和开关管S₅开通，其余开关管断开， 输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和 开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开 关管S₄、开关管S₅、开关管S₆开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0。

上述为该结构输出波形的第一个周期内调制内容，其余周期与其相同。驱动 信号波形如图2(a)～2(l)所示，其中图2(a)～图2(j)分别为开关管S₁～S₁₀的驱动信号波形，图2(k)为开关管S_a的驱动信号。图2(l)为开关管S_b的驱 动信号。

本实施例的参数选为：各准方波初始角θ₁＝5.625°,θ₂＝16.875° θ₃＝28.125°,θ₄＝39.375°，θ₅＝50.625°,θ₆＝61.875°,θ₇＝73.125°,θ₈＝84.375°；电 容C₁＝C₂＝1000μF、输入电压V_in1＝12V、输入电压V_in2＝36V；输出电压频率 f_o＝1000Hz、负载选为阻感性负载即取R＝20Ω,L＝1mH。

为了验证该17电平开关电容式逆变器的正确性和可行性，设计17电平开关 电容式逆变器仿真实验。以下结构均利用MATLAB仿真得到。

图3为输出电压波形，为17电平阶梯波，符合理论分析，并且说明了该结 构具有一定的升压能力，验证了该结构的可行性，与理论分析相符。

图4为输出电流波形，近似为正弦波，符合理论分析。

以上分析用于说明本发明17电平开关电容式逆变器工作原理和调制过程。

Claims (3)

1.一种17电平低电压应力开关电容式逆变器，其特征在于，包括2个直流输入电压源、4个电容、2个电感和12个开关管；

直流输入电压源V_in1的正极连接于电感L₁的正极；直流输入电压源V_in1的负极连接于开关管S_a、开关管S₅、开关管S₆的源极和电容C₂的负极；电感L₁的负极连接于开关管S_a的漏极和二极管D₁的正极；二极管D₁的负极连接于开关管S₁、开关管S₂的漏极和电容C₁的正极；电容C₁的负极连接于电容C₂的正极和开关管S₈的源极；开关管S₈的漏极连接于开关管S₇的漏极；开关管S₇的源极连接于开关管S₁的源极和开关管S₆的漏极；

直流输入电压源V_in2的正极连接于电感L₂的正极；直流输入电压源V_in2的负极连接于开关管S_b、开关管S₃、开关管S₂的源极和电容C₃的负极；电感L₂的负极连接于开关管S_b的漏极和二极管D₂的正极；二极管D₂的负极连接于开关管S₄、开关管S₅的漏极和电容C₄的正极；电容C₄的负极连接于电容C₃的正极和开关管S₉的源极；开关管S₉的漏极连接于开关管S₁₀的漏极；开关管S₁₀的源极连接于开关管S₄的源极和开关管S₃的漏极。

2.一种基于权利要求1所述17电平低电压应力开关电容式逆变器的调制方法，其特征在于，直流输入电压源的输出电压V_in2为直流输入电压源的输出电压V_in1的三倍；该结构输出17个电平的阶梯波由8个正负对称的准方波叠加合成，ω为输出波形基波角频率，θ_j表示第j个准方波的初始导通角，j＝1,2,…,8；

在该结构输出波形的第一个周期内，当时间t＝0时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₄和开关管S₆开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝8V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₄、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂和开关管S₄开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝6V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝5V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝4V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝3V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃和开关管S₆开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝2V_in1；当时间

时，开关管S₂、开关管S₃、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0；

当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和开关管S₅开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝-3V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-7V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₃和开关管S₅开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-8V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-7V_in1；当时间

时，开关管S₃、开关管S₅和开关管S₆开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-6V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₅、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-5V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₇、开关管S₈、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关器件断开时，输出电压v_o＝-4V_in1；当时间

时，开关管S₅、开关管S₆、开关管S₉和开关管S₁₀开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝-3V_in1；当时间

时，开关管S₁、开关管S₄和开关管S₅开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-2V_in1；当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₇和开关管S₈开通，其余开关管断开，输出电压v_o＝-V_in1；当时间

时，开关管S₄、开关管S₅、开关管S₆开通，其余开关管断开时，输出电压v_o＝0。

上述为该结构输出波形的第一个周期内调制内容，其余周期与其相同。

3.根据权利要求2所述的17电平低电压应力开关电容式逆变器的调制方法，其特征在于，开关管S_a和开关管S_b的触发信号为频率为20kHz、占空比为50％的标准PWM波。

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