CN113839575A - 一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器，属于多电平逆变器技术领域。该升压型七电平逆变器包括一个E型升压电路，两个个H半桥，具体包括两个浮动电容器和十二个功率开关管。升压电路中各个开关管的不同开关状态组合，使该电路可以分别输出Vdc、2Vdcc和3Vdc三种不同的电平，而且两个电容在电路的不同的工作状态下存在串联充电或者并联放电两种模式，即共可以输出七种电平，且实现三倍的电压增益。本发明具有高的电压增益、电容自均衡、电路结构简单且成本比较低的优点，解决了目前的逆变电路结构比较复杂且需要较多的电子器件的。

Description

一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器
技术领域
本发明涉及多电平逆变器技术领域，具体涉及一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器。
背景技术
目前，国内外都在大力开发新能源发电，但在一般情况下，新能源发电装置输出的直流电不稳定，不能直接供给需要交流电的用户使用。因此，需要采用DC-AC变换的逆变技术来将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。多电平逆变器因为具有输出电压谐波含量少，开关管电压应力低、开关损耗少、电磁干扰少等优点，已被广泛应用于新能源发电。传统的多电平逆变器有二极管钳位型、飞跨电容型和级联H桥等逆变电路。但是，随着输出电平数增加，目前的逆变电路结构比较复杂且需要较多的电子器件，增加了系统成本和系统控制的复杂程度。
但是，传统多电平逆变器存在电压增益不足的问题，因此如何使用较少数量的元件去产生更高的电压增益已经成为研究的热点问题。目前对于该课题，既有学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如发明专利申请公开《一种升压型单相七电平逆变器》(CN 108616224A)和《一种升压型七电平逆变器》(CN112564529A)。
中国发明专利申请公开书CN 108616224A于2018年10月6日公开的《一种升压型单相七电平逆变器》主要由直流电源、开关管、电容、电感和二极管组合设计而成的七电平逆变电路。该逆变电路可以输出七电平电压，产生1.5倍的电压增益，可以有效降低输出电流的谐波。但是，该单相七电平逆变器存在如下不足：
1)电压增益不足，输出电压最大值仅为输入电压的1.5倍。
2)电路中使用元件种类与数目过多，导致电路结构十分复杂。
中国发明专利申请公开书CN 112564529A于2020年12月9日公开的《一种升压型七电平逆变器》主要由直流电源、二极管、浮动电容器和开关管组成。该逆变电路可以输出七电平电压，产生1.5倍的电压增益可以有效降低输出电流的谐波。但是，该单相七电平逆变器存在如下不足：
1)电压增益不足，输出电压最大值仅为输入电压的1.5倍。
2)电路中使用元件种类与数目过多，导致电路结构十分复杂。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：现有多电平逆变电路电压增益不足、电路结构比较复杂的问题。
本发明所提供的技术方案为：一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器，包括直流输入电源、第一H半桥电路、第二H半桥电路和E型升压电路；所述第一H半桥电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述第二H半桥电路包括开关管S11、开关管S12和两个相同的浮动电容器，所述E型升压电路包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9和开关管S10；所述两个相同的浮动电容器分别记为浮动电容器C1和浮动电容器C2；
所述直流输入电源的正极分别与开关管S1、开关管S3的漏极连接，所述直流输入电源的负极分别与开关管S2、开关管S4的源极连接，所述开关管S1的源极与开关管S2的漏极连接，其连接点记为点 A；所述开关管S3的源极分别与开关管S5的漏极、开关管S9的源极连接，所述开关管S4的漏级分别与开关管S6的源极、开关管S10的漏级连接；
所述开关管S9的漏级分别与浮动电容器C1的一端、开关管S11 的漏级连接，所述开关管S10的源极分别与浮动电容器C2的一端、开关管S12的源极连接，浮动电容器C1的另一端与浮动电容器C2的另一端相连接、其连接点记为点Z，开关管S11的源极与开关管S12的漏级连接，其连接点记为点B；所述开关管S5的源极与开关管S6的漏级连接，其接点记为点Y，所述开关管S7的漏极接点Y，开关管S7 的源极与开关管S8的源极连接，开关管S8的漏极与点Z连接。
优选地，将所述具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器记为逆变器、逆变器的直流输入电源处的电压记为直流输入电压Vdc、逆变器的交流输出电压记为交流输出电压U，所述逆变器包括以下八种工作状态：
第一种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S10、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S12关断，浮动电容器C1和浮动电容器C2与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压U＝+3Vdc；
第二种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管S12关断，浮动电容器C1与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压U＝+2Vdc；
第三种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11导通，开关管S1、开关管S5、开关管S10、开关管S12关断，直流输入电源对浮动电容器 C1进行充电，交流输出电压U＝+Vdc；
第四种工作状态：开关管S1、开关管S3、开关管S9、开关管S11 导通，开关管S2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12关断，交流输出电压U＝+0；
第五种工作状态：开关管S2、开关管S4、开关管S10、开关管S12 导通，开关管S1、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11关断，交流输出电压U＝-0；
第六种工作状态：开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12导通，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11关断，直流输入电源对浮动电容器C2进行充电，交流输出电压U＝-Vdc；
第七种工作状态：开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S9、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器 C2进行反向串联放电，交流输出电压U＝-2Vdc；
第八种工作状态：开关管S1、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S9、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器C1和浮动电容器C2进行反向串联放电，交流输出电压U＝-3Vdc。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、由于本发明的拓扑结构，能够产生三倍电压升压增益；
2、由于本发明的拓扑结构能够输出七电平，较传统的三电平逆变器THD更小；
3、由于本发明的拓扑结构，实际调控中可以采用载波移相调制策略，电容电压能够自动均衡。
附图说明
图1为本发明实施例中的拓扑结构图；
图2为本发明实例中第一种工作状态的电路工作示意图；
图3为本发明实例中第二种工作状态的电路工作示意图；
图4为本发明实例中第三种工作状态的电路工作示意图；
图5为本发明实例中第四种工作状态的电路工作示意图；
图6为本发明实例中第五种工作状态的电路工作示意图；
图7为本发明实例中第六种工作状态的电路工作示意图；
图8为本发明实例中第七种工作状态的电路工作示意图；
图9为本发明实例中第八种工作状态的电路工作示意图；
图10为本发明实施例中八种工作状态下各开关管所对应的工作状态；
图11为本发明实施例中八种工作状态下进行逻辑组合得到各开关管的驱动信号；
图12为本发明实施例的交流输出电压波形仿真图；
图13为本发明实施例的输出电流波形仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
图1为本发明实施例中的拓扑图，由该图可见，本发明一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器，包括直流输入电源、第一H半桥电路、第二H半桥电路和E型升压电路。所述第一H半桥电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述第二H半桥电路包括开关管S11、开关管S12和两个相同的浮动电容器，所述E型升压电路包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9和开关管S10。所述两个相同的浮动电容器分别记为浮动电容器C1和浮动电容器C2。
所述直流输入电源的正极分别与开关管S1、开关管S3的漏极连接，所述直流输入电源的负极分别与开关管S2、开关管S4的源极连接，所述开关管S1的源极与开关管S2的漏极连接，其连接点记为点 A。所述开关管S3的源极分别与开关管S5的漏极、开关管S9的源极连接，所述开关管S4的漏级分别与开关管S6的源极、开关管S10的漏级连接。
所述开关管S9的漏级分别与浮动电容器C1的一端、开关管S11 的漏级连接，所述开关管S10的源极分别与浮动电容器C2的一端、开关管S12的源极连接，浮动电容器C1的另一端与浮动电容器C2的另一端相连接、其连接点记为点Z，开关管S11的源极与开关管S12的漏级连接，其连接点记为点B。所述开关管S5的源极与开关管S6的漏级连接，其接点记为点Y，所述开关管S7的漏极接点Y，开关管S7 的源极与开关管S8的源极连接，开关管S8的漏极与点Z连接。
在本实施例中，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管 S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11和开关管S12均为功率开关管。
另外，从图1上可见，在本实施例中，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管 S8、开关管S9、开关管S10、开关管S11、开关管S12上均反向并联一个二极管D。
图2-图9给出了本发明实例中八种工作状态的电路工作示意图。由图2-图9可见，将所述具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器记为逆变器、逆变器的直流输入电源处的电压记为直流输入电压 Vdc、逆变器的交流输出电压记为交流输出电压U，所述逆变器包括以下八种工作状态：
第一种工作状态(图2)：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S10、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S12关断，浮动电容器C1 和浮动电容器C2与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压 U＝+3Vdc。即通过第一种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成 +3Vdc交流输出电压。
第二种工作状态(图3)：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管S12关断，浮动电容器C1与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压U＝+2Vdc。即通过第二种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成+2Vdc的交流输出电压。
第三种工作状态(图4)：开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11导通，开关管S1、开关管S5、开关管S10、开关管S12关断，直流输入电源对浮动电容器C1进行充电，交流输出电压U＝+Vdc。即通过第三种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成+Vdc的交流输出电压。
第四种工作状态(图5)：开关管S1、开关管S3、开关管S9、开关管S11导通，开关管S2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12关断，交流输出电压 U＝+0。即通过第四种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成+0的交流输出电压。
第五种工作状态(图6)：开关管S2、开关管S4、开关管S10、开关管S12导通，开关管S1、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11关断，交流输出电压 U＝-0。即通过第五种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成-0的交流输出电压。
第六种工作状态(图7)：开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12导通，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11关断，直流输入电源对浮动电容器C2进行充电，交流输出电压U＝-Vdc。即通过第六种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成-Vdc的交流输出电压。
第七种工作状态(图8)：开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S9、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器C2进行反向串联放电，交流输出电压U＝-2Vdc。即通过第七种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成-2Vdc的交流输出电压。
第八种工作状态(图9)：开关管S1、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S9、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器C1和浮动电容器C2进行反向串联放电，交流输出电压 U＝-3Vdc。即通过第八种工作状态，将直流输入电压Vdc转换成 -3Vdc的交流输出电压。
图10为本发明实施例中八种工作状态下各开关管所对应的工作状态。由图10可见，使用载波移相调制策略，用正弦调制波与三个的三角载波进行比较来进行开关状态计算，其中|x|是对正弦波加绝对值。[+3]、[+2]、[+1]、[+0]、[-0]、[-1]、[-2]、[-3]分别为所述具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器拓扑结构八种工作状态下各开关管所对应的工作状态。
图11为本发明实施例中八种工作状态下进行逻辑组合得到各开关管的驱动信号。其中，[+3]表示逆变电路交流输出电压U＝+3Vdc 时，各开关管所对应的工作状态；[+2]表示逆变电路交流输出电压U＝+2Vdc时，各开关管所对应的工作状态；[+1]表示逆变电路交流输出电压U＝+Vdc时，各开关管所对应的工作状态；[+0]表示逆变电路交流输出电压U＝+0时，各开关管所对应的工作状态；[-0]表示逆变电路交流输出电压U＝-0时，各开关管所对应的工作状态；[-1] 表示逆变电路交流输出电压U＝-Vdc时，各开关管所对应的工作状态；[-2]表示逆变电路交流输出电压U＝-2Vdc时，各开关管所对应的工作状态；[-3]表示逆变电路交流输出电压U＝-3Vdc时，各开关管所对应的工作状态。
下表给出了与图10、图11对应的八种工作状态下开关管 Si(i＝1，2，...，12)的导通关断情况，其中，0代表开关管断开，1代表开关管导通。
Figure RE-GDA0003342044520000101
为了佐证本发明的技术效果，对本发明进行了仿真。图12为本发明实施例的电压波形仿真图，图13为本发明实施例的电流波形仿真图。在仿真中，取直流输入电压Vdc为100V。由图12可见，该电路的交流输出电压U的波形为七电平交流电压，最大交流输出电压为 300V，即3Vdc，是直流输入电压Vdc的3倍。由图13可见，该电路的输出电流为交流电流。

Claims (2)

1.一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器，其特征在于，包括直流输入电源、第一H半桥电路、第二H半桥电路和E型升压电路；所述第一H半桥电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3和开关管S4，所述第二H半桥电路包括开关管S11、开关管S12和两个相同的浮动电容器，所述E型升压电路包括开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9和开关管S10；所述两个相同的浮动电容器分别记为浮动电容器C1和浮动电容器C2；
所述直流输入电源的正极分别与开关管S1、开关管S3的漏极连接，所述直流输入电源的负极分别与开关管S2、开关管S4的源极连接，所述开关管S1的源极与开关管S2的漏极连接，其连接点记为点A；所述开关管S3的源极分别与开关管S5的漏极、开关管S9的源极连接，所述开关管S4的漏级分别与开关管S6的源极、开关管S10的漏级连接；
所述开关管S9的漏级分别与浮动电容器C1的一端、开关管S11的漏级连接，所述开关管S10的源极分别与浮动电容器C2的一端、开关管S12的源极连接，浮动电容器C1的另一端与浮动电容器C2的另一端相连接、其连接点记为点Z，开关管S11的源极与开关管S12的漏级连接，其连接点记为点B；所述开关管S5的源极与开关管S6的漏级连接，其接点记为点Y，所述开关管S7的漏极接点Y，开关管S7的源极与开关管S8的源极连接，开关管S8的漏极与点Z连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器，其特征在于，将所述具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器记为逆变器、逆变器的直流输入电源处的电压记为直流输入电压Vdc、逆变器的交流输出电压记为交流输出电压U，所述逆变器包括以下八种工作状态：
第一种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S10、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S12关断，浮动电容器C1和浮动电容器C2与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压U＝+3Vdc；
第二种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S11导通，开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S9、开关管S10、开关管S12关断，浮动电容器C1与直流输入电源进行串联放电，交流输出电压U＝+2Vdc；
第三种工作状态：开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11导通，开关管S1、开关管S5、开关管S10、开关管S12关断，直流输入电源对浮动电容器C1进行充电，交流输出电压U＝+Vdc；
第四种工作状态：开关管S1、开关管S3、开关管S9、开关管S11导通，开关管S2、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12关断，交流输出电压U＝+0；
第五种工作状态：开关管S2、开关管S4、开关管S10、开关管S12导通，开关管S1、开关管S3、开关管S5、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S9、开关管S11关断，交流输出电压U＝-0；
第六种工作状态：开关管S1、开关管S3、开关管S4、开关管S5、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S12导通，开关管S2、开关管S6、开关管S9、开关管S11关断，直流输入电源对浮动电容器C2进行充电，交流输出电压U＝-Vdc；
第七种工作状态：开关管S1、开关管S4、开关管S6、开关管S7、开关管S8、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S5、开关管S9、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器C2进行反向串联放电，交流输出电压U＝-2Vdc；
第八种工作状态：开关管S1、开关管S4、开关管S5、开关管S6、开关管S9、开关管S12导通，开关管S2、开关管S3、开关管S7、开关管S8、开关管S10、开关管S11关断，直流输入电源与浮动电容器C1和浮动电容器C2进行反向串联放电，交流输出电压U＝-3Vdc。
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