CN114567196A - 一种可幂次电平扩展的dc/ac变换器及方法 - Google Patents
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Abstract
为降低变换器有源器件数量并改善输出电能质量，本发明提出一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器及方法。通过分压电容单元与对称开关电容单元的逻辑组合，该DC/AC变换器能够以较少的器件实现高电压增益和多电平输出，且具备带感性负载的能力；两个半桥取代后端H桥实现逆变，可以降低开关管总电压应力；在模块化扩展结构中，电容逐级充电的工作方式可使得半周期内的输出电平数以及输出电压增益随对称开关电容单元数目呈幂次方扩展；在完整的正弦周期中，分压电容对与开关电容对的充放电方式均对称，无需额外的辅助电路即可实现电容电压自平衡。因此本发明提供的变换器能够提供可靠高质量的输出电压，在直流电转化为交流电方面有其独特优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器及方法，属于电能变换与新能源发电领域。
背景技术
近年来，能源紧张与环境恶化问题愈发严峻，清洁可再生能源的研究开发迫在眉睫。为了将新能源发电源连接到电网或本地负载，功率变换器被广泛研究。其中，多电平逆变器由于能够提供可靠高质量的输出电压，在直流电转化为交流电方面有其独特优势。
传统的多电平逆变器主要分为：二极管钳位型、飞跨电容型以及级联H桥型。随着输出电平数的升高，二极管钳位型和飞跨电容型拓扑中器件数量显著增加。而且二者均存在电容电压不平衡的问题，需要辅助电路和复杂的控制算法来维持电容电压平衡。级联H桥型拓扑通过扩展H桥模块提高其输出水平，使用非对称独立直流电源可合成最佳输出电平。但是，多个独立直流电源的需求为逆变器的设计带来困难。
为进一步提高输出电压增益、增加输出电平数量以及降低器件数量，开关电容技术逐渐被应用到多电平逆变器中。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器及方法，具体方案如下：
本发明第一方面提供一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器，包括单个直流输入电源V dc、分压电容单元、n级对称开关电容单元和用于逆变的半桥单元，其中，n≥1；
所述直流输入电源V dc为电路提供能量，一是与开关电容和分压电容并联充电、二是与开关电容和分压电容串联为输出侧供电；
所述半桥单元，包括开关管S 3、开关管S 4和开关管S 5和开关管S 6；
所述开关管S 4的输入端与所述开关管S 3的输出端相连接，所述开关管S 5的输出端与所述开关管S 6的输入端相连接；
所述开关管S 3和所述开关管S 4的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压负输出端A，所述开关管S 5和所述开关管S 6的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压正输出端B；
所述分压电容单元，包括双向开关T、电解电容C a和C b；
所述电解电容C a的阳极连接到所述直流输入电源V dc的正极和所述开关管S 3的输入端，所述电解电容C a的阴极与所述双向开关T的输入端和所述电解电容C b的阳极相连接，所述电解电容C b的阴极连接到所述直流输入电源V dc的负极和所述开关管S 4的输出端，所述双向开关T的输出端连接到该DC/AC变换器的交流电压负输出端；
所述对称开关电容单元，包含开关管S n1 、开关管S n2 、二极管D n1 、二极管D n2 以及电解电容C n1 、电解电容C n2 ；
所述开关管S n1 的输入端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阳极，所述开关管S n2 的输出端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阴极；
所述二极管D n1 的阳极与所述开关管S n1 的输入端相连接，所述二极管D n1 的阴极与所述电解电容C n1 的阳极相连接；所述二极管D n2 的阴极与所述开关管S n2 的输入端相连接，所述二极管D n2 的阳极与所述电解电容C n2 的阴极相连接；
所述电解电容C n1 的阴极和所述电解电容C n2 的阴极相连接，所述开关管S n1 的输出端和所述开关管S n2 的输入端相连接，两连接点相连接；
第1级对称开关电容单元的开关管S 11 的输入端连接到所述电解电容C a的阳极，第1级对称开关电容单元的开关管S 12 的输出端连接到所述电解电容C b的阴极；
第n级对称开关电容单元的电解电容的C n1 的阳极连接到所述开关管S 5 的输入端，第n级对称开关电容单元的电解电容的C n2 的阴极连接到所述开关管S 6 的输出端。
本发明第二方面提供一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法，生成驱动信号，通过所述驱动信号控制所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器中电容与直流电源的串并联状态的切换以及分压电容与开关电容的串并联转换，使该可幂次电平扩展的DC/AC变换器的输出电平数N为2 n+2+1个和电压增益G为2 n Vdc。
本发明第三方面提供一种可幂次电平扩展的DC/AC变换系统，包括控制器和多电平变换器，所述多电平变换器采用所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器。
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：
（1）对称开关电容单元仅包含两个开关管和两个电容，不仅结构简单、节约成本且开关管互补的工作状态有利于简化变换器的控制；
（2）分压电容和开关电容的逻辑组合，不仅使拓扑结构能够以较少数量的器件实现多电平输出和高电压增益，且分压电容单元中的电解电容与对称开关电容单元中的电解电容的充电和放电时间均对称，无需额外的辅助电路即可实现电容电压自平衡，简化了拓扑的结构和控制，还使具有带感性负载的能力；
（3）用两个端侧半桥取代后端H桥生成双极性输出电压，有利于降低开关管总电压应力TSV；
（4）该DC/AC变换器的模块化扩展结构中，通过电容逐级充电的工作方式，后级电容的充电幅值为前级单容单元幅值之和，此种充电方式下，使得半周期内的输出电平数以及输出电压增益随对称开关电容单元数目呈幂次方扩展；当变换器中对称开关电容单元的个数为n时，每级对称开关电容单元可提供的电平为±2 n-1 V dc（n=1.2…N，N为自然数）；通过分压电容单元与对称开关电容单元的串并联转换，在输出侧可得到电压增益为2 n 的2 n+2+1电平输出。
（5）分压电容单元中电解电容C a和C b的充电电压为直流输入电压V dc的一半，对称开关电容单元中电解电容C n1和C n2的充电电压为直流输入电压V dc，使得电容电压纹波较小，有利于降低输出电压总谐波失真，提高输出电能质量。
附图说明
图1为本发明实施例1中所述DC/AC变换器的拓扑图。
图2为本发明实施例2中所述DC/AC变换器的拓扑图。
图3为本发明实施例2中所述变换器模态1的工作原理图。
图4为本发明实施例2中所述变换器模态2的工作原理图。
图5为本发明实施例2中所述变换器模态3的工作原理图。
图6为本发明实施例2中所述变换器模态4的工作原理图。
图7为本发明实施例2中所述变换器模态5的工作原理图。
图8为本发明实施例2中所述变换器模态6的工作原理图。
图9为本发明实施例2中所述变换器模态7的工作原理图。
图10为本发明实施例2中所述变换器模态8的工作原理图。
图11为本发明实施例2中所述变换器模态9的工作原理图。
图12为本发明实施例2中所述变换器的载波层叠脉冲宽度调制原理图。
图13为本发明实施例2中所述变换器带纯阻性负载时的输出电压和输出电流波形图。
图14为本发明实施例2中所述变换器带阻感性负载时的输出电压和输出电流波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加明确，下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述，但本发明并不限于这些实施方式。
实施例1
如图1所示，一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器，包括单个直流输入电源V dc、分压电容单元、n级对称开关电容单元和用于逆变的半桥单元，其中，n≥1；
所述直流输入电源V dc为电路提供能量，一是与开关电容和分压电容并联充电、二是与开关电容和分压电容串联为输出侧供电；
所述半桥单元，包括开关管S 3、开关管S 4和开关管S 5和开关管S 6；
所述开关管S 4的输入端与所述开关管S 3的输出端相连接，所述开关管S 5的输出端与所述开关管S 6的输入端相连接；
所述开关管S 3和所述开关管S 4的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压负输出端A，所述开关管S 5和所述开关管S 6的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压正输出端B；
所述分压电容单元，包括双向开关T（由两个单向开关背靠背连接）、电解电容C a和C b；
所述电解电容C a的阳极连接到所述直流输入电源V dc的正极和所述开关管S 3的输入端，所述电解电容C a的阴极与所述双向开关T的输入端和所述电解电容C b的阳极相连接，所述电解电容C b的阴极连接到所述直流输入电源V dc的负极和所述开关管S 4的输出端，所述双向开关T的输出端连接到该DC/AC变换器的交流电压负输出端；
所述对称开关电容单元，包含开关管S n1 、开关管S n2 、二极管D n1 、二极管D n2 以及电解电容C n1 、电解电容C n2 ；
所述开关管S n1 的输入端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阳极，所述开关管S n2 的输出端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阴极；
所述二极管D n1 的阳极与所述开关管S n1 的输入端相连接，所述二极管D n1 的阴极与所述电解电容C n1 的阳极相连接；所述二极管D n2 的阴极与所述开关管Sn2的输入端相连接，所述二极管D n2 的阳极与所述电解电容C n2 的阴极相连接；
所述电解电容C n1 的阴极和所述电解电容C n2 的阴极相连接，所述开关管S n1 的输出端和所述开关管S n2 的输入端相连接，两连接点相连接；
第1级对称开关电容单元的开关管S 11 的输入端连接到所述电解电容C a的阳极，第1级对称开关电容单元的开关管S 12 的输出端连接到所述电解电容C b的阴极；
第n级对称开关电容单元的电解电容的C n1 的阳极连接到所述开关管S 5 的输入端，第n级对称开关电容单元的电解电容的C n2 的阴极连接到所述开关管S 6 的输出端。
图1为可幂次电平扩展的DC/AC变换器图，其中实线为电容的充电电流路径，虚线为直流电源与电容串联放电的电流路径。当变换器的输出电平为2 n-1 V dc时，直流输入电源V dc与充电完成的电解电容C 11-C (n-1)1串联放电；n级对称开关电容单元中的电解电容C n1由前级对称开关电容单元中的两个电解电容串联充电，使得电解电容C n1的幅值为2 n-1 V dc；由于对称开关电容单元的上下结构对称，电解电容C n2在变换器的输出电平为–2 n-1 V dc时完成充电过程；充电完成的电解电容C n1和C n2参与放电，变换器可实现输出具有2 n 倍增益的2 n+2+1电平输出，即该种电容充放电方式使得半周期内的输出电平数以及输出电压增益随开关电容单元数目呈幂次方扩展。
本实施例的可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法，包括：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器中电容与直流电源的串并联状态的切换以及分压电容与开关电容的串并联转换，使该可幂次电平扩展的DC/AC变换器的输出电平数N为2 n+2+1个和电压增益G为2 n Vdc。
具体的，选择同相载波层叠PWM法对所述DC/AC变换器进行调制：
用2 n+2个三角载波
与正弦调制波V ref进行比较，产生的脉冲根据开关状态进行逻辑组合来控制各开关管的导通和关断；
在调制方法中，三角载波
具有相同的幅值A c和频率f c，正弦波的幅值为A ref，调制比M和电压增益G分别定义为：
M=A ref/（2 n+1 A c）
G=V out/（V dc）
式中，V out为输出电压幅值，V dc为输入电压；调制比M的取值范围为0<M≤1；
当
时，j∈[1、2、…、2 n+1]，变换器输出2j+1电平。
本实施例变换器中的所有开关管均为带有反并联二极管的IGBT或MOSFET，使得变换器负载具有反向电流流通的路径，因此具备带感性负载的能力。
实施例2
以该变换器的9电平配置(n＝1)为例，如图2所示，所述变换器在一个周期内可划分为9个工作模态，图3-图11给出了变换器在各个模态下的工作原理图，其中虚线为变换器中电解电容C 1和C 2的充电电流路径，具体工作原理描述如下：
模态1：如图3所示，输出电压为+2V dc。在此模态中开关管S 1、S 4、S 5闭合，其余开关管关断。二极管D 2导通、D 1反向截止。电容C 2被充电至V dc，电容C 1与直流输入电源V dc串联向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态2：如图4所示，输出电压为+1.5V dc。在此模态中开关管S 1、T、S 5闭合，其余开关管关断。二极管D 2导通、D 1反向截止。电容C 2被充电至V dc，电容C 1与分压电容C a串联向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态3：如图5所示，输出电压为+V dc。在此模态中开关管S 2、S 4、S 5闭合，其余开关管关断。二极管D 1导通、D 2反向截止。电容C 1被充电至V dc，直流电源向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态4：如图6所示，输出电压为+0.5V dc。在此模态中开关管S 2、T、S 5闭合，其余开关管关断。二极管D 1导通、D 2反向截止。电容C 1被充电至V dc，分压电容C a向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态5：如图7所示，输出电压为0。在此模态中开关管S 2、S 3、S 5闭合，其余开关管关断。二极管D 1导通、D 2反向截止。电容C 1被充电至V dc，半桥的开关管S 3、S 5连接到交流电压正、负输出端B、A，输出为0；
模态6：如图8所示，输出电压为-0.5V dc。在此模态中开关管S 1、T、S 6闭合，其余开关管关断。二极管D 2导通、D 1反向截止。电容C 2被充电至V dc，分压电容C b向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态7：如图9所示，输出电压为-V dc。在此模态中开关管S 1、S 3、S 6闭合，其余开关管关断。二极管D 2导通、D 1反向截止。电容C 2被充电至V dc，直流电源向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态8：如图10所示，输出电压为-1.5V dc。在此模态中开关管S 2、T、S 6闭合，其余开关管关断。二极管D 1导通、D 2反向截止。电容C 1被充电至V dc，电容C 2与分压电容C b串联向交流电压正、负输出端B、A供电；
模态9：如图11所示，输出电压为-2V dc。在此模态中开关管S 2、S 3、S 6闭合，其余开关管关断。二极管D 1导通、D 2反向截止。电容C 1被充电至V dc，电容C 2与直流电源串联向输出端供电。
在上述电解电容对称充放电的工作方式的基础上，本实施例还给出了载波层叠脉冲宽度调制的调制原理，具体实施如下：
如图12所示，用8个三角载波V t1-V t8与正弦调制波V ref进行比较，产生的脉冲根据开关状态进行逻辑组合来控制开关管的导通和关断；
本实施例的调制方法中，载波具有相同的幅值A c和频率f c，正弦波的幅值为A ref，变换器的调制比M由调制波幅值A S和载波的幅值A C共同决定，即：
M=A ref/（4A c）
调制比M的取值范围为0<M≤1：当0＜M≤0.25时，变换器输出3电平，电压增益G为0.5；当0.25＜M≤0.5时，变换器输出5电平，电压增益G为1；当0.5<M≤0.75时，变换器输出7电平，电压增益G为1.5；当0.75<M≤1时，变换器输出9电平，电压增益G为2。
本实施例根据载波层叠脉冲宽度调制的原理通过仿真对所述变换器进行了验证，图13和图14分别为变换器带阻性负载和阻感性负载时的输出电压和输出电流仿真波形。仿真结果显示，当变换器带阻性负载时，其输出电压和输出电流均呈现具有9个电平的PWM波形，且输出电压达到了2倍的升压增益；当变换器带阻感性负载时，输出电压仍呈现具有9个电平的PWM波形，升压增益不变，负载使输出电流更接近正弦波。
实施例3
本实施例提供一种可幂次电平扩展的DC/AC变换系统，包括控制器和多电平变换器，所述多电平变换器采用实施例1所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器；所述控制器控制所述可幂次电平扩展的DC/AC变换器中的开关管动作时，执行实施例1所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法的步骤。
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 (6)
1.一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器，其特征在于：
包括单个直流输入电源V dc、分压电容单元、n级对称开关电容单元和用于逆变的半桥单元，其中，n≥1；
所述直流输入电源V dc为电路提供能量，一是与开关电容和分压电容并联充电、二是与开关电容和分压电容串联为输出侧供电；
所述半桥单元，包括开关管S 3、开关管S 4和开关管S 5和开关管S 6；
所述开关管S 4的输入端与所述开关管S 3的输出端相连接，所述开关管S 5的输出端与所述开关管S 6的输入端相连接；
所述开关管S 3和所述开关管S 4的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压负输出端A，所述开关管S 5和所述开关管S 6的连接点作为该DC/AC变换器的交流电压正输出端B；
所述分压电容单元，包括双向开关T、电解电容C a和C b；
所述电解电容C a的阳极连接到所述直流输入电源V dc的正极和所述开关管S 3的输入端，所述电解电容C a的阴极与所述双向开关T的输入端和所述电解电容C b的阳极相连接，所述电解电容C b的阴极连接到所述直流输入电源V dc的负极和所述开关管S 4的输出端，所述双向开关T的输出端连接到该DC/AC变换器的交流电压负输出端；
所述对称开关电容单元，包含开关管S n1 、开关管S n2 、二极管D n1 、二极管D n2 以及电解电容C n1 、电解电容C n2 ；
所述开关管S n1 的输入端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阳极，所述开关管S n2 的输出端连接到上一级对称开关电容单元的电解电容C (n-1)1 的阴极；
所述二极管D n1 的阳极与所述开关管S n1 的输入端相连接，所述二极管D n1 的阴极与所述电解电容C n1 的阳极相连接；所述二极管D n2 的阴极与所述开关管S n2 的输入端相连接，所述二极管D n2 的阳极与所述电解电容C n2 的阴极相连接；
所述电解电容C n1 的阴极和所述电解电容C n2 的阴极相连接，所述开关管S n1 的输出端和所述开关管S n2 的输入端相连接，两连接点相连接；
第1级对称开关电容单元的开关管S 11 的输入端连接到所述电解电容C a的阳极，第1级对称开关电容单元的开关管S 12 的输出端连接到所述电解电容C b的阴极；
第n级对称开关电容单元的电解电容的C n1 的阳极连接到所述开关管S 5 的输入端，第n级对称开关电容单元的电解电容的C n2 的阴极连接到所述开关管S 6 的输出端。
2.根据权利要求1所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器，其特征在于：拓扑中的所有开关管均为带有反并联二极管的IGBT或MOSFET。
3.一种可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法，其特征在于：生成驱动信号，通过所述驱动信号控制权利要求1-2任一项所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器中电容与直流电源的串并联状态的切换以及分压电容与开关电容的串并联转换，使该可幂次电平扩展的DC/AC变换器的输出电平数N为2 n+2+1个和电压增益G为2 n Vdc。
4.根据权利要求3所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法，其特征在于，选择同相载波层叠PWM法对所述DC/AC变换器进行调制：
用2 n+2个三角载波
与正弦调制波V ref进行比较，产生的脉冲根据开关状态进行逻辑组合来控制各开关管的导通和关断；
在调制方法中，三角载波
具有相同的幅值A c和频率f c，正弦波的幅值为A ref，调制比M和电压增益G分别定义为：
M=A ref/（2 n+1 A c）
G=V out/（V dc）
式中，V out为输出电压幅值，V dc为输入电压；调制比M的取值范围为0<M≤1；
当
时，j∈[1、2、…、2 n+1]，变换器输出2j+1电平。
5.一种可幂次电平扩展的DC/AC变换系统，包括控制器和多电平变换器，其特征在于：所述多电平变换器采用权利要求1-2任一项所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器。
6.根据权利要求5所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换系统，其特征在于：所述控制器控制所述可幂次电平扩展的DC/AC变换器中的开关管动作时，执行权利要求3-4任一项所述的可幂次电平扩展的DC/AC变换器的调制方法的步骤。
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