CN114070108A - 一种新型开关电容准谐振多电平逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，包括开关电容模块、准谐振模块和全桥逆变模块，开关电容模块的输入端与驱动电源V1连接，准谐振模块串联在开关电容模块和全桥逆变模块之间；所述开关电容模块与全桥逆变模块配合，输出所需五电平。本发明在实现五电平输出和两倍升压增益的同时完成了电容与电感间的谐振，消除了电容充放电过程的电压尖峰和电流变化率过快等问题。

Description

一种新型开关电容准谐振多电平逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域，特别是一种新型开关电容准谐振多电平逆变器。
背景技术
逆变器是把直流电能转变成定频定压或调频调压交流电(一般为220V，50Hz正弦波)的转换器，由逆变桥、控制逻辑和滤波电路组成。常见的逆变器类型有传统逆变器、多电平逆变器、改进的级联型逆变器、开关电容单元级联结构以及基于开关电容的改进型多电平逆变器等等，这几种逆变器均有各自的优缺点：1)传统的逆变器大多采用了飞跨电容型单元、二极管箝位式结构，不仅增加了电路的复杂性，并且控制策略需要大量数据计算，增加了任务量；2)多电平逆变器则采用了大量的开关器件以及电容电感等储能元器件实现，不仅结构复杂，使得开关损耗增大，而且电容电压难以得到均衡输出；3)改进的级联型逆变器，其拓扑的优化使得输出电压等级增加，并且相较于全桥逆变器拥有更低的输出谐波，但是，简单的控制电路无法弥补大量存在的开关器件造成的功率密度低的问题；4)开关电容单元级联结构，利用电容直接与电源串并联的结构，其操作更为灵活，此类拓扑虽通过复用开关器件的方式减少了开关管数量，但需要多个输入电源，成本过高；5)基于开关电容的改进型多电平逆变器，具备自均压的能力，适用于高频逆变器等，但在直流电压输入时，电容在充放电过程中产生的电压尖峰对器件的耐压提出了挑战。
发明内容
本发明需要解决的技术问题是提供一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，能够在以少量器件实现多电平输出的基础上，消除电压尖峰，提高输出电压增益。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。
一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，包括开关电容模块、准谐振模块和全桥逆变模块，开关电容模块的输入端与驱动电源V1连接，准谐振模块串联在开关电容模块和全桥逆变模块之间；所述开关电容模块与全桥逆变模块配合，输出所需五电平。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述准谐振模块与开关电容模块、全桥逆变模块分时复用，实现串联谐振。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述开关电容模块与全桥逆变模块，构成多电平逆变器电路结构，根据全桥电路的桥臂输出正负两种电平，实现电压均衡输出。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述全桥逆变模块与负载电阻串并联连接，实现正负电平的输出。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述开关电容模块包括电容C1、二极管D1、第一开关管S1和第二开关管S2，电容C1和电感L1构成准谐振模块。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述第一开关管S1的源极连接在驱动电源V1的正极端，二极管D1、电容C1、第二开关管S2以及电感L1串联连接后并联连接在驱动电源V1的两端。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述全桥逆变模块包括负载支路以及组成全桥电路单元的上半桥支路单元和下半桥支路单元。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述上半桥支路单元包括源极相连的开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1和开关管Q2的共源极与二极管D1负极连接，开关管Q1和开关管Q2的漏极分别与负载R1的两端相连。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述下半桥支路单元包括漏极相连的开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3和开关管Q4的共漏极与驱动电源V1的负极端连接，开关管Q3和开关管Q4的源极分别与负载R1的两端相连；开关管Q1漏极与开关管Q3源极的共接点与第一开关管S1的漏极连接。
上述一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、第一开关管S1以及第二开关管S2的栅极分别接收控制信号。
由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。
本发明相较于其他拓扑结构，功率器件数量得到了简化，在实现五电平输出和两倍升压增益的同时完成了电容与电感间的谐振，消除了电容充放电过程的电压尖峰和电流变化率过快等问题，利用级联H桥输出桥臂，提高了输出电压增益。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的逆变器电流流动路径示意图；
图3为本发明的控制策略的驱动信号示意图；
图4为本发明输出五电平电压波形和对应开关管驱动信号的示意图；
图5为本发明的输出电压、电容充放电电压和负载两端电流的波形图；
图6为本发明在有无谐振时电容电压输出的波形对比图；
图7(a)为本发明在输入电压为15V时有无谐振时输出电感电流的波形对比图；
图7(b)为本发明在输入电压为50V时有无谐振时输出电感电流的波形对比图；
图7(c)为本发明在输入电压为100V时有无谐振时输出电感电流的波形对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步详细说明。
一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其电路原理图如图1所示，包括开关电容模块、准谐振模块和全桥逆变模块，开关电容模块的输入端与驱动电源V1连接，准谐振模块串联在开关电容模块和全桥逆变模块之间。
开关电容模块与全桥逆变模块配合，输出所需五电平，准谐振模块与开关电容模块、全桥逆变模块分时复用，实现串联谐振。
开关电容模块包括电容C1、二极管D1、第一开关管S1和第二开关管S2，电容C1和电感L1构成准谐振模块，第一开关管S1的源极连接在驱动电源V1的正极端，二极管D1、电容C1、第二开关管S2以及电感L1串联连接后并联连接在驱动电源V1的两端，通过串联谐振的作用，实现多电平的输出。
准谐振模块包括串联连接的电容C1和电感L1，第二开关管S2串联连接在电容C1和电感L1之间，控制谐振的发生，在电源给电容C1充电过程中，发生串联谐振，有效地改善了电容电压和电流的指令，降低了谐波干扰；并且在串联谐振过程中，实现了电容的充放电，以及输出0、±V1电平。
全桥逆变模块包括负载支路以及组成全桥电路单元的上半桥支路单元和下半桥支路单元。开关电容模块与全桥逆变模块，可以构成多电平逆变器电路结构，根据全桥电路的桥臂可以输出正负两种电平，并且实现了电压均衡输出。
上半桥支路单元包括源极相连的开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1和开关管Q2的共源极与二极管D1负极连接，开关管Q1和开关管Q2的漏极分别与负载R1的两端相连。下半桥支路单元包括漏极相连的开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3和开关管Q4的共漏极与驱动电源V1的负极端连接，开关管Q3和开关管Q4的源极分别与负载R1的两端相连。开关管Q1漏极与开关管Q3源极的共接点与第一开关管S1的漏极连接；开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、第一开关管S1以及第二开关管S2的栅极分别接收控制信号。
全桥逆变模块通过与负载电阻的串并联连接，实现了正负电平的输出，并实现逆变的转换。开关电容模块与全桥逆变模块组成了升压逆变器，在第一开关管S1开通时，电容C1与电源串联供电，由于电容C1在与电源并联充电的过程中，其电压值达到了电源电压，此时在全桥逆变模块中可输出±2V1两种电压值。
在五电平逆变器中，设定直流电压源两端电压为V1，直接给并联电容C1供电，在电容C1充电过程中，会与电感L1发生串联谐振，通过控制开关器件导通顺序，逆变器可输出五种电平，即2V1，V1，0，-V1，-2V1。
相较于其他拓扑结构，功率器件数量得到了简化，同时由于准谐振的引入也适用于中低压场合应用。此外，在实现五电平输出和两倍升压增益的同时完成了电容C1与电感L1间的谐振，消除了电容充放电过程的电压尖峰和电流变化率过快等问题。
下面以图2所示的逆变器电流流动路径示意图说明本发明的工作原理。
模态1：在该电流回路中，第二开关管S2，开关管Q3，开关管Q4导通，其余开关管保持关闭状态，此时该回路在谐振电流作用下给电容充电，使其电压等于直流电源电压+V1，此过程和传统的串联谐振相似，此时逆变器输出0电平。
模态2：在该电流回路中，第二开关管S2、开关管Q1、开关管Q4导通，其余开关管处于关断状态，该回路在谐振电流作用下给负载供电，此时逆变器输出+V1电平。
模态3：在该电流回路中，第一开关管S1、开关管Q1、开关管Q4开通，其他开关管处于关断状态，由于电容C1的作用，二极管D1被反向截止，直流电源和电容C1共同为负载供电，此时逆变器的输出的电平为+2V1。
模态4：在该电流回路中，第二开关管S2、开关管Q2、开关管Q3开通，其他开关管处于关断状态，该闭合回路在谐振电流作用下给负载供电，由于负载两端输出电压极性发生改变，此时逆变器输出-V1电平。
模态5：在该电流回路中，第一开关管S1、开关管Q2、开关管Q3开通，其他处于关断状态，由于电容C1作用，二极管D1被反向截止，直流电源与电容C1共同为负载供电，输出电压的极性由正变负，此时逆变器的输出的电平为-2V1。
准谐振五电平逆变器包括上述五种工作模态，其控制策略的原理如下所述。
为了降低谐波的干扰，采取载波层叠调制法来实现多电平输出控制，本实施例中，将频率为5kHz的三角波作为载波，与正弦调制波进行比较，得到最终调制波形，其结果与理论分析的PWM调制波形一致。调制完成后，控制策略中各驱动信号的示意图如图3所示，图中采用了四路三角载波和正弦波进行比较和调制得到u1-u4四种信号，并根据逻辑关系可以得出六个开关管的驱动信号如下：
Figure BDA0003308916110000061
Figure BDA0003308916110000062
VGQ1＝u2
Figure BDA0003308916110000063
Figure BDA0003308916110000064
VGQ4＝u3
在多电平逆变器设计中，电容的选取尤为关键，其值过小过大都会影响电路的稳定性及运行成本。
首先对电容C1的最大连续放电量进行计算，其结果为：
Figure BDA0003308916110000065
其中：id为输出电流，f为工频状况下的输入频率，ω为工频状况下的角频率。
在[α，θ]和[π-θ，π-α]工作区间内，逆变器输出的电压为V1；在[θ，π-θ]，逆变器输出的电压为2V1，则可得电容C1的最大连续放电量：
Figure BDA0003308916110000066
其中：负载电阻值为R0。
对上式简化可得：
Figure BDA0003308916110000071
在电路设计中，电容电压波纹应小于电容额定电压的10％，则电容取值应满足：
Figure BDA0003308916110000072
其中：VC为电容的额定电压，ΔQ为放电量变化值。
进一步，可得逆变器最小电容值Cm为：
Figure BDA0003308916110000073
在满足输入频率f时，电容在充电过程中，和传统电路发生的串联谐振相同，可以得谐振电感为：
Figure BDA0003308916110000074
本发明的多电平逆变器电路设计完成后，根据以下设计数据，对其进行仿真实验。
本实施例中，电路中各元件的参数如表1所示，根据表1中的设计参数，对电路进行仿真实验。
表1
电路参数 参数值
V<sub>r</sub>(正弦调制波)/V 2
V<sub>c1</sub>(三角载波)/V 1
V<sub>c2</sub>(三角载波)/V 1
V<sub>c3</sub>(三角载波)/V 1
V<sub>c4</sub>(三角载波)/V 1
V<sub>1</sub>(直流源输入值)/V 15
L<sub>1</sub>(谐振电感)/μH 4.54
C<sub>1</sub>(电容)/μF 2200
R<sub>1</sub>(输出负载)/Ω 50
f<sub>c</sub>(载波频率)/H<sub>Z</sub> 5000
本发明的输出电压与对应开关管工作状态的波形如图4所示。
本发明的输出电压、电容充放电电压和负载两端电流的波形图如图5所示。由输入不同直流源电压时的输出电压电流波形可以看出，电容电压在周期内呈现出稳定的放电和充电状态，同时仿真结果还证明了本发明的拓扑结构可满足较大输入电压的情况，扩大了该拓扑结构的应用范围。
本发明在有无谐振时逆变器电容电压输出的波形如图6所示，输入电压V1为15V、20V和50V时，所测得的输出电压效率可达到96.3％。根据三组波形图对比可知，在没有引入准谐振的电路中，电容电压在充电时存在的尖峰使得输出电压不平稳；而引入准谐振电路后，电容充放电的电压波形平缓圆滑，证明了本发明的拓扑结构在引入准谐振电路的情况下，极大地改善了电容充放电过程。
本发明在有无谐振时多电平逆变器电感电流输出的波形仿真图7所示，其中图7(a)为输入电压V1为15V时无谐振的电感电流输出的波形仿真图，从图中可以看出，有谐振的电路中所测得的输出电流为12.5A，无谐振的电路中测得最大输出电流纹波为22.5A；其中图7(b)为输入电压V1为50V时无谐振的电感电流输出的波形仿真图，从图中可以看出，有谐振的电路中所测得的输出电流为45A，无谐振的电路中测得最大输出电流纹波为75A；其中图7(c)为输入电压V1为100V时无谐振的电感电流输出的波形仿真图，从图中可以看出，有谐振的电路中所测得的输出电流为90A，无谐振的电路中测得最大输出电流纹波为130A。从上述数据可以得出，由于准谐振电路的引入使得测量的输出电流减少了约44％，在一定程度上减小了电流纹波。在引入准谐振的电路中极大地减弱了电路电流的尖峰值，并且电流的瞬时变化率也得到改善，对整体系统起到很好的保护作用。

Claims (10)

1.一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：包括开关电容模块、准谐振模块和全桥逆变模块，开关电容模块的输入端与驱动电源V1连接，准谐振模块串联在开关电容模块和全桥逆变模块之间；所述开关电容模块与全桥逆变模块配合，输出所需五电平。
2.根据权利要求1所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述准谐振模块与开关电容模块、全桥逆变模块分时复用，实现串联谐振。
3.根据权利要求1所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述开关电容模块与全桥逆变模块，构成多电平逆变器电路结构，根据全桥电路的桥臂输出正负两种电平，实现电压均衡输出。
4.根据权利要求1所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述全桥逆变模块与负载电阻串并联连接，实现正负电平的输出。
5.根据权利要求1所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述开关电容模块包括电容C1、二极管D1、第一开关管S1和第二开关管S2，电容C1和电感L1构成准谐振模块。
6.根据权利要求5所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述第一开关管S1的源极连接在驱动电源V1的正极端，二极管D1、电容C1、第二开关管S2以及电感L1串联连接后并联连接在驱动电源V1的两端。
7.根据权利要求1所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述全桥逆变模块包括负载支路以及组成全桥电路的上半桥支路单元和下半桥支路单元。
8.根据权利要求7所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述上半桥支路单元包括源极相连的开关管Q1和开关管Q2，开关管Q1和开关管Q2的共源极与二极管D1负极连接，开关管Q1和开关管Q2的漏极分别与负载R1的两端相连。
9.根据权利要求8所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述下半桥支路单元包括漏极相连的开关管Q3和开关管Q4，开关管Q3和开关管Q4的共漏极与驱动电源V1的负极端连接，开关管Q3和开关管Q4的源极分别与负载R1的两端相连；开关管Q1漏极与开关管Q3源极的共接点与第一开关管S1的漏极连接。
10.根据权利要求9所述的一种新型开关电容准谐振多电平逆变器，其特征在于：所述开关管Q1、开关管Q2、开关管Q3、开关管Q4、第一开关管S1以及第二开关管S2的栅极分别接收控制信号。
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