CN113258812A - 一种低应力升压逆变器及其实现方法 - Google Patents

一种低应力升压逆变器及其实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种低应力升压逆变器及其实现方法，所述低应力升压逆变器包括左半桥模块、X型双极模块和右半桥模块，所述左半桥模块包括正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ，所述X型双极模块包括反串桥臂Ⅰ、X型桥臂和电容组串，所述右半桥模块包括反串桥臂Ⅱ和正串桥臂Ⅲ；反串桥臂Ⅰ的一端连接正串桥臂Ⅱ的中点，反串桥臂Ⅰ的另一端连接电容组串的中点和反串桥臂Ⅱ的一端，反串桥臂Ⅱ的另一端连接正串桥臂Ⅲ的中点；正串桥臂Ⅰ的中点和正串桥臂Ⅲ的中点作为低应力升压逆变器的交流电压输出端；通过扩展X型双极模块，能够提升升压增益以及输出电平数，但开关管承受的最大反向电压应力保持不变。

Description

一种低应力升压逆变器及其实现方法
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，具体的说，涉及了一种低应力升压逆变器及其实现方法。
背景技术
随着全球能源危机和环境保护意识的觉醒，构建以可再生清洁能源为主导的能源供应体系已成为人类社会的普遍共识。太阳能具有易利用性、普遍性和清洁性等特点，成为化石能源的最优替代选项，光伏发电产业因此得到快速发展。光伏发电系统中，光伏逆变器有着至关重要的作用，其性能影响着整个供电系统的稳定性。
多电平逆变器具有能够输出近似正弦阶梯波形、降低电压总谐波失真率、减小器件峰值反向电压、更小的du/dt值和减小电磁干扰等优点，在光伏发电等微电网领域得到广泛的应用。传统多电平逆变器分为三类典型结构，即二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥型，其中二极管钳位型、飞跨电容型多电平逆变器需要使用较多的二极管或者电容进行中位点钳位，结构复杂，使用器件较多；另外，上述两种多电平逆变器还存在电容电压不平衡的问题；级联H桥型多电平逆变器则需要使用大量的隔离电压源。
上述传统多电平逆变器多为降压型逆变器，在需要升压的应用场合，如分布式光伏发电领域中，光伏发电装置的光伏阵列通常为直流低压源，其输出电压增益通常不能满足并网条件或者达不到用电设备的额定电压。因此，需要在逆变器的前端和输出后端分别增设DC-DC和AC-AC升压变换器，变压器的笨重铁芯和多绕组线圈会导致系统结构变得复杂，降低输出功率，增加占地的面积。
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，从而提供一种低应力升压逆变器及其实现方法。
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低应力升压逆变器，设置在直流电源Vdc与负载之间，所述低应力升压逆变器包括左半桥模块、X型双极模块和右半桥模块，所述左半桥模块包括正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ，所述X型双极模块包括反串桥臂Ⅰ、X型桥臂和电容组串，所述右半桥模块包括反串桥臂Ⅱ和正串桥臂Ⅲ；
所述反串桥臂Ⅰ的一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点，所述反串桥臂Ⅰ的另一端连接所述电容组串的中点和所述反串桥臂Ⅱ的一端，所述反串桥臂Ⅱ的另一端连接所述正串桥臂Ⅲ的中点；
所述正串桥臂Ⅰ的中点和所述正串桥臂Ⅲ的中点作为所述低应力升压逆变器的交流电压输出端；
所述正串桥臂Ⅰ包括开关管ST1和开关管ST2，所述正串桥臂Ⅱ包括开关管SV和开关管SU；
所述开关管ST1的漏极分别连接所述直流电源Vdc的正极和所述开关管SV的漏极，所述开关管SV的源极连接所述开关管SU的漏极，所述开关管SU的源极分别连接所述直流电源Vdc的负极和所述开关管ST2的源极，所述开关管ST2的漏极连接所述开关管ST1的源极；
所述反串桥臂Ⅰ包括开关管SW1和开关管SW1'，所述X型桥臂包括开关管SU1、开关管SV1、开关管SX1和开关管SX2，所述电容组串包括电解电容C1和电解电容C2；
所述开关管SU1的漏极分别连接所述开关管SX1的漏极和所述正串桥臂Ⅱ的一端，所述开关管SX1的源极分别连接所述电解电容C2的阴极和所述开关管SV1的漏极，所述开关管SV1的源极分别连接所述开关管SX2的源极和所述正串桥臂Ⅱ的另一端，所述开关管SX2的漏极分别连接所述开关管SU1的源极和所述电解电容C1的阳极，所述电解电容C1的阴极分别连接所述电解电容C2的阳极和所述开关管SW1'的漏极，所述开关管SW1'的源极连接所述开关管SW1的源极；
所述反串桥臂Ⅱ包括开关管ST3'和开关管ST4'，所述正串桥臂Ⅲ包括开关管ST3和开关管ST4；
所述开关管ST3的漏极连接所述电容组串的一端，所述开关管ST3的源极分别连接所述开关管ST4的漏极和所述开关管ST3'的漏极，所述开关管ST3'的源极连接所述开关管ST4'的源极，所述开关管ST4'的漏极连接所述电容组串的中点，所述开关管ST4的源极连接所述电容组串的另一端。
本发明第二方面提供一种低应力升压逆变器的实现方法，包括七种工作模态的切换：
工作模态Ⅰ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4和所述反串桥臂II的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为0；
工作模态Ⅱ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和反串桥臂II的开关管ST4ʹ导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc；
工作模态Ⅲ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc；
工作模态Ⅳ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc；
工作模态Ⅴ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述X型桥臂的开关管SV1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc；
工作模态Ⅵ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ导通、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc；
工作模态Ⅶ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc。
本发明第三方面提供一种低应力升压逆变系统，包括逆变器和控制器，所述逆变器为上述的低应力升压逆变器。
本发明第四方面提供一种低应力升压逆变系统，包括逆变器和控制器，所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行上述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
本发明第五方面提供一种可读存储介质，其上存储有指令，其特征在于：该指令被处理器执行时实现如上述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
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：
1）本发明提出的低应力升压逆变器中的X型双极模块固有输出电平极性转换的能力，随着X型双极模块的扩展，其升压增益以及输出电平数均得到提高，但是所提拓扑的每个开关管承受的峰值反向电压应力不超过4Vdc；
2）所述低应力升压逆变器中的电容电压具有自平衡的能力，拓扑的上下桥臂电容分别同步充电，充电回路的开关管驱动信号高度重合，简化了拓扑多级扩展后的实现方法；
3）采用消除特定谐波脉冲宽度实现方法消除了特定谐波，降低了逆变器输出电压的谐波畸变率；开关管的开关频率最大为基频的3倍，这也使得所提逆变器适用于高频场合。
附图说明
图1为本发明的具有i个X型双极模块的低应力升压逆变器的结构图；
图2为本发明的具有1个X型双极模块的低应力升压逆变器的结构图；
图3为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅰ的工作原理图；
图4为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅱ的工作原理图；
图5为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅲ的工作原理图；
图6为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅳ的工作原理图；
图7为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅴ的工作原理图；
图8为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅵ的工作原理图；
图9为图2中低应力升压逆变器工作模态Ⅶ的工作原理图；
图10为图2中低应力升压逆变器的消除特定谐波脉冲宽度调制原理图；
图11为图2中低应力升压逆变器半桥电压波形图；
图12为图2中低应力升压逆变器连接阻感性负载时的输出电压波形图和负载电流波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
实施例1
如附图2所示，一种设置在直流电源Vdc与负载之间的低应力升压逆变器，它包括左半桥模块、X型双极模块和右半桥模块，所述左半桥模块包括正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ，所述X型双极模块包括反串桥臂Ⅰ、X型桥臂和电容组串，所述右半桥模块包括反串桥臂Ⅱ和正串桥臂Ⅲ；
所述反串桥臂Ⅰ的一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点，所述反串桥臂Ⅰ的另一端连接所述电容组串的中点和所述反串桥臂Ⅱ的一端，所述反串桥臂Ⅱ的另一端连接所述正串桥臂Ⅲ的中点；
所述正串桥臂Ⅰ的中点和所述正串桥臂Ⅲ的中点作为所述低应力升压逆变器的交流电压输出端；
所述正串桥臂Ⅰ包括开关管ST1和开关管ST2，所述正串桥臂Ⅱ包括开关管SV和开关管SU；
所述开关管ST1的漏极分别连接所述直流电源Vdc的正极和所述开关管SV的漏极，所述开关管SV的源极连接所述开关管SU的漏极，所述开关管SU的源极分别连接所述直流电源Vdc的负极和所述开关管ST2的源极，所述开关管ST2的漏极连接所述开关管ST1的源极；
所述反串桥臂Ⅰ包括开关管SW1和开关管SW1'，所述X型桥臂包括开关管SU1、开关管SV1、开关管SX1和开关管SX2，所述电容组串包括电解电容C1和电解电容C2；
所述开关管SU1的漏极分别连接所述开关管SX1的漏极和所述正串桥臂Ⅱ的一端，所述开关管SX1的源极分别连接所述电解电容C2的阴极和所述开关管SV1的漏极，所述开关管SV1的源极分别连接所述开关管SX2的源极和所述正串桥臂Ⅱ的另一端，所述开关管SX2的漏极分别连接所述开关管SU1的源极和所述电解电容C1的阳极，所述电解电容C1的阴极分别连接所述电解电容C2的阳极和所述开关管SW1'的漏极，所述开关管SW1'的源极连接所述开关管SW1的源极；
所述反串桥臂Ⅱ包括开关管ST3'和开关管ST4'，所述正串桥臂Ⅲ包括开关管ST3和开关管ST4；
所述开关管ST3的漏极连接所述电容组串的一端，所述开关管ST3的源极分别连接所述开关管ST4的漏极和所述开关管ST3'的漏极，所述开关管ST3'的源极连接所述开关管ST4'的源极，所述开关管ST4'的漏极连接所述电容组串的中点，所述开关管ST4的源极连接所述电容组串的另一端。
需要说明的是，所述左半桥模块、所述X型双极模块和所述右半桥模块并联连接；所述左半桥模块与所述右半桥模块之间设置至少一个X型双极模块，所述X型双极模块通过X型桥臂开关管实现不同极性电平的输出，各个X型双极模块的结构相同。
如附图1所示，所述X型双极模块是可扩展的，第i个X型双极模块包括开关管SUi、开关管SVi、开关管SWi、开关管SWi'、开关管SX(2i-1)、开关管SX2i、电解电容C(2i-1)和C2i；所述开关管SUi的漏极与前级X型双极模块的开关管SU(i-1)的源极和电解电容C(2i-3)的阳极相连接；所述开关管SVi的漏极与后级X型双极模块的开关管SV(i+1)的源极相连接；所述开关管SWi的漏极与前级X型双极模块的开关管SW(i-1)'的漏极和电解电容C(2i-3)的阴极相连接；所述开关管SWi'的漏极与后级X型双极模块的开关管SW(i+1)的漏极和电解电容C(2i-1)的阴极相连接；所述开关管SX(2i-1)的漏极与开关管SUi的漏极相连接；所述开关管SX2i的漏极与开关管SUi的源极相连接。
可以理解，相邻的X型双极模块并联连接；扩展的X型双极模块的输入端并联连接在上一级X型双极模块中的电容组串的两端，扩展的X型双极模块中的反串桥臂Ⅰ的输入端连接上一级X型双极模块中的反串桥臂Ⅰ的输出端，扩展的X型双极模块中的电容组串的两端并联连接在下一级X型双极模块中的输入端，且最后一级X型双极模块中的电容组串并联在所述正串桥臂Ⅲ的两端，最后一级X型双极模块中的反串桥臂Ⅰ的输出端连接所述反串桥臂Ⅱ的输入端。
需要说明的是，通过X型双极模块的扩展，逆变器可以输出更多的电平数和更大的升压增益，所述X型双极模块的个数i与所述低应力升压逆变器的输出电平数N之间的关系为N=4i+3，所述X型双极模块的个数i与所述低应力升压逆变器的输出电压增益G之间的关系为G=2i+1。
实施例2
在实施例1中具有1个X型双极模块的低应力升压逆变器的基础上，本实施例给出了一种低应力升压逆变器的实现方法的具体实施方式：
该低应力升压逆变器在一个工作周期内输出7种电平，包括七种工作模态的切换：
工作模态Ⅰ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4和所述反串桥臂II的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为0；
如附图3所示，所述电容组串的电解电容C2与直流电源Vdc并联充电到Vdc，电解电容C1保持不变；
工作模态Ⅱ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和反串桥臂II的开关管ST4ʹ导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc；
如图4所示，所述电容组串的电解电容C1与直流电源Vdc并联充电到Vdc，电解电容C2保持不变；
工作模态Ⅲ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc；
如图5所示，所述电容组串的电解电容C2参与逆变器的输出，电解电容C1保持不变；
工作模态Ⅳ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc；
如图6所示，所述电容组串的电解电容C2和电解电容C1均参与逆变器的输出；
工作模态Ⅴ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述X型桥臂的开关管SV1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc；
如图7所示，所述电容组串的电解电容C2与与直流电源Vdc并联充电，电解电容C1保持不变；
工作模态Ⅵ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ导通、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc；
如图8所示，所述电容组串的电解电容C1与直流电源Vdc串联参与逆变器输出，电解电容C2保持不变；
工作模态Ⅶ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc；
如图9所示，所述电容组串的电解电容C2和电解电容C1均参与逆变器的输出。
可以理解，为了降低开关频率，减少损耗，在各个工作模态切换时，除了电流回路（放电回路）中开关管需要动作外，其余开关管由于不参与电流回路，可维持当前状态（上一工作模态中的状态）不变。
在正半周期内，该低应力升压逆变器从工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅱ至工作模态Ⅰ依次变化，输出电平0、+Vdc、+2Vdc、+3Vdc、+2Vdc、+Vdc、0；
在负半周期内，该低应力升压逆变器从工作模态Ⅰ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅴ至工作模态Ⅰ依次变化，输出0、-Vdc、-2Vdc、-3Vdc、-2Vdc、-Vdc、0。
需要说明的是，增加所述X型双极模块的扩展级数，以使具有i个X型双极模块的低应力升压逆变器输出4i+3种电平，获得2i+1倍的电压增益。
实际应用中，X型双极模块的电容组串中的电解电容分别同步充电，电解电容的充电额定电压均为Vdc；开关管的驱动逻辑高度重合；编号U（SU、SUi）的开关管工作状态一致，编号V（SV、SVi）的开关管工作状态一致，且编号U的开关管和编号V的开关管工作状态互补；开关管ST1和开关管ST2工作状态互补；开关管SWi和开关管SWi'工作状态互补；开关管ST3和开关管ST3'工作状态互补；开关管ST4和开关管ST4'工作状态互补。
在上述低应力升压逆变器的基础上，本实施例给出了一种消除特定谐波脉冲宽度调制方法，如图10所示：
采用特定谐波消除脉宽调制技术(Selective Harmonic Elimination PulseWidth Modulation, SHEPWM)，使用正弦波es作为调制波，以4i+2个幅值不同的恒定信号作为载波，并根据调制波幅值和4i+2个导通角计算出4i+2个载波幅值；
将调制波与4i+2个载波进行比较，在调制波大于载波的部分输出高电平，在调制波小于载波的部分输出低电平，由此获得4i+2个矩形脉冲信号；
将得到的矩形脉冲信号进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号。
具体的，将4i+3级阶梯波形进行傅里叶展开，在每个阶梯电平的导通角为0时，获得基波幅值V1p的最大值；
根据基波幅值V1p的最大值和输出期望电压V1的比值获得调制指数Ma，将调制指数Ma代入预设模型，获得4i+2个导通角；其中，预设模型根据X型双极模块的个数
载波幅值ej=A×sinθj，其中，θj表示第j个导通角。
对于具有1个X型双极模块的低应力升压逆变器进行调制时，先对7级阶梯波形，其傅里叶展开为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，θ1，θ2，……，θZ为每个阶梯电平的导通角，Z=7；当所有导通角均为0时，其基波幅值V1p的最大值为：
Figure 38952DEST_PATH_IMAGE002
输出期望电压V1与基波幅值V1p的比值定义为调制指数Ma，所述低应力升压逆变器，可以选择消除5次谐波和7次谐波，导通角可由以下公式（预设模型）得出：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
该实现方法使用正弦波作为调制波，6个恒定信号作为载波，载波幅值ej由导通角θj和调制波幅值A确定，其中，j=1、2、3。
需要说明的是，对于具有1个X型双极模块的低应力升压逆变器，该实现方法消除了5次谐波和7次谐波；对于具有多个X型双极模块的低应力升压逆变器，根据自己需求选择消除谐波的次数，以降低总谐波失真THD。
可以理解，将j=1、2、3依次代入载波幅值ej=A×sinθj，获得e3、e2、e1以及-e1、-e2、-e3六个载波信号，如附图10中的第一个坐标轴所示，将e1、e2、e3以及-e1、-e2、-e3分别与调制波es进行比较，获得u1、u2、u3、u4、u5、u6六个矩形脉冲信号，如附图10中的第二个坐标轴所示；将六个矩形脉冲信号按以下公式进行逻辑组合，获得14个开关管的驱动信号：
Figure 815147DEST_PATH_IMAGE004
。
本实施例根据上述调制方式通过仿真对具有1个X型双极模块的低应力升压逆变器进行了验证，图11和图12分别为半桥电压波形图和逆变器阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图。由仿真结果图11可以看出，低应力升压逆变器左端子VA（V）和右端子VB（V）的输出电压与理论分析保持一致，证明了逆变器工作原理和实现方法的正确性；由仿真结果图12可以看出，低应力升压逆变器输出具有7个电平的阶梯波形，负载电流具有良好的正弦性且滞后电压一定的角度，证明了低应力升压逆变器带感性负载的能力。
实施例3
本实施例给出一种低应力升压逆变系统，包括逆变器和控制器，所述逆变器为上述的低应力升压逆变器。
本实施例还给出另一种低应力升压逆变系统的具体实施方式，包括逆变器和控制器，所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行上述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
本实施例给出一种可读存储介质的具体实施方式，其上存储有指令，该指令被处理器执行时实现如上述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，上述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
上述集成的模块如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，上述的计算机程序可存储于计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，上述计算机程序包括计算机程序代码，上述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。
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 (9)

1.一种低应力升压逆变器，设置在直流电源Vdc与负载之间，其特征在于：包括左半桥模块、X型双极模块和右半桥模块，所述左半桥模块包括正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ，所述X型双极模块包括反串桥臂Ⅰ、X型桥臂和电容组串，所述右半桥模块包括反串桥臂Ⅱ和正串桥臂Ⅲ；
所述反串桥臂Ⅰ的一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点，所述反串桥臂Ⅰ的另一端连接所述电容组串的中点和所述反串桥臂Ⅱ的一端，所述反串桥臂Ⅱ的另一端连接所述正串桥臂Ⅲ的中点；
所述正串桥臂Ⅰ的中点和所述正串桥臂Ⅲ的中点作为所述低应力升压逆变器的交流电压输出端；
所述正串桥臂Ⅰ包括开关管ST1和开关管ST2，所述正串桥臂Ⅱ包括开关管SV和开关管SU；
所述开关管ST1的漏极分别连接所述直流电源Vdc的正极和所述开关管SV的漏极，所述开关管SV的源极连接所述开关管SU的漏极，所述开关管SU的源极分别连接所述直流电源Vdc的负极和所述开关管ST2的源极，所述开关管ST2的漏极连接所述开关管ST1的源极；
所述反串桥臂Ⅰ包括开关管SW1和开关管SW1'，所述X型桥臂包括开关管SU1、开关管SV1、开关管SX1和开关管SX2，所述电容组串包括电解电容C1和电解电容C2；
所述开关管SU1的漏极分别连接所述开关管SX1的漏极和所述正串桥臂Ⅱ的一端，所述开关管SX1的源极分别连接所述电解电容C2的阴极和所述开关管SV1的漏极，所述开关管SV1的源极分别连接所述开关管SX2的源极和所述正串桥臂Ⅱ的另一端，所述开关管SX2的漏极分别连接所述开关管SU1的源极和所述电解电容C1的阳极，所述电解电容C1的阴极分别连接所述电解电容C2的阳极和所述开关管SW1'的漏极，所述开关管SW1'的源极连接所述开关管SW1的源极；
所述反串桥臂Ⅱ包括开关管ST3'和开关管ST4'，所述正串桥臂Ⅲ包括开关管ST3和开关管ST4；
所述开关管ST3的漏极连接所述电容组串的一端，所述开关管ST3的源极分别连接所述开关管ST4的漏极和所述开关管ST3'的漏极，所述开关管ST3'的源极连接所述开关管ST4'的源极，所述开关管ST4'的漏极连接所述电容组串的中点，所述开关管ST4的源极连接所述电容组串的另一端。
2.根据权利要求1所述的低应力升压逆变器，其特征在于：所述左半桥模块与所述右半桥模块之间设置至少一个X型双极模块，各个X型双极模块的结构相同。
3.根据权利要求2所述的低应力升压逆变器，其特征在于：所述X型双极模块的个数i与所述低应力升压逆变器的输出电平数N之间的关系为N=4i+3，
所述X型双极模块的个数i与所述低应力升压逆变器的输出电压增益G之间的关系为G=2i+1。
4.一种基于权利要求1所述的低应力升压逆变器的实现方法，其特征在于，包括七种工作模态的切换：
工作模态Ⅰ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4和所述反串桥臂II的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为0；
工作模态Ⅱ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和反串桥臂II的开关管ST4ʹ导通，其余开关管关断，输出电平为+Vdc；
工作模态Ⅲ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+2Vdc；
工作模态Ⅳ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST2、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SU、所述X型桥臂的开关管SU1和开关管SX1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST3、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为+3Vdc；
工作模态Ⅴ，设置：所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述X型桥臂的开关管SV1和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-Vdc；
工作模态Ⅵ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ导通、所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'和开关管ST4'导通，其余开关管关断，输出电平为-2Vdc；
工作模态Ⅶ，设置：所述正串桥臂Ⅱ的开关管SV、所述X型桥臂的开关管SV1和开关管SX2、所述正串桥臂Ⅰ的开关管ST1、所述正串桥臂Ⅲ的开关管ST4、所述反串桥臂Ⅰ的开关管SW1ʹ和所述反串桥臂Ⅱ的开关管ST3'导通，其余开关管关断，输出电平为-3Vdc。
5.根据权利要求4所述的低应力升压逆变器的实现方法，其特征在于：增加所述X型双极模块的扩展级数，以使具有i个X型双极模块的低应力升压逆变器输出4i+3种电平，获得2i+1倍的电压增益。
6.根据权利要求5所述的低应力升压逆变器的实现方法，其特征在于：采用特定谐波消除脉宽调制技术，使用正弦波es作为调制波，以4i+2个幅值不同的恒定信号作为载波，并根据调制波幅值和4i+2个导通角计算出4i+2个载波幅值；
将调制波与4i+2个载波进行比较，在调制波大于载波的部分输出高电平，在调制波小于载波的部分输出低电平，由此获得4i+2个矩形脉冲信号；
将得到的矩形脉冲信号进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号。
7.一种低应力升压逆变系统，包括逆变器和控制器，其特征在于：所述逆变器为权利要求1至3任一项所述的低应力升压逆变器。
8.一种低应力升压逆变系统，包括逆变器和控制器，其特征在于：所述控制器控制逆变器中的开关管动作时，执行权利要求4-6任一项所述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
9.一种可读存储介质，其上存储有指令，其特征在于：该指令被处理器执行时实现如权利要求4-6任一项所述的低应力升压逆变器的实现方法的步骤。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130242617A1 (en) * 2012-03-15 2013-09-19 Huaguang Zhang H-bridge micro inverter grid-connected device
CN104734551A (zh) * 2015-03-19 2015-06-24 南京航空航天大学 一种隔离型z源逆变器
WO2016177011A1 (zh) * 2015-05-01 2016-11-10 华南理工大学 一种共地的高增益z源升压变换器
CN207625466U (zh) * 2017-10-25 2018-07-17 哈尔滨理工大学 一种改进双向串联型高增益三电平z源逆变器
CN111682790A (zh) * 2020-05-30 2020-09-18 郑州大学 一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法
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

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130242617A1 (en) * 2012-03-15 2013-09-19 Huaguang Zhang H-bridge micro inverter grid-connected device
CN104734551A (zh) * 2015-03-19 2015-06-24 南京航空航天大学 一种隔离型z源逆变器
WO2016177011A1 (zh) * 2015-05-01 2016-11-10 华南理工大学 一种共地的高增益z源升压变换器
CN207625466U (zh) * 2017-10-25 2018-07-17 哈尔滨理工大学 一种改进双向串联型高增益三电平z源逆变器
CN111682790A (zh) * 2020-05-30 2020-09-18 郑州大学 一种双输入扩展增益多电平逆变器及其控制方法
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

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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LOUELSON AFRANIO LEUGIRDES DE AZEVEDO CAVALCANTI COSTA 等: "X-Type Current Source Converters", 《IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS》 *

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