CN115051586A - 一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器 - Google Patents

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耿家乐
方潜生
黄雪婷
肖融
谢陈磊
朱徐来
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Abstract

本发明提出一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器，属于多电平逆变器技术领域。该升压型五电平逆变器包括直流输入电源、倍压充电单元和H桥型逆变单元，所述倍压充电单元包括一个升压电容，所述H桥型逆变单元包括六个开关管。通过倍压充电单元各个开关管的不同开关状态组合，使该逆变器可以分别输出0、±Vdc和±2Vdc三种不同的电平，而且升压电容与直流输入电源在不同的工作状态下进行并联充电或者串联放电两种模式，可以实现两倍的电压增益的五电平输出。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问题。

Description

一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器
技术领域
本发明涉及多电平逆变器技术领域，具体涉及一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器。
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》(CN 112564529A)。
中国发明专利申请文献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文献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：一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器，包括一个直流输入电源，一个倍压充电单元、一个H桥型逆变单元和一个负载；所述倍压充电单元包括一个电感L、一个升压电容C1、一对互补导通的开关管T1与开关管T2，所述H桥型逆变单元包括六个开关管，分别记为开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6；在开关管T1、开关管T2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6上均反向并联一个二极管D；
所述直流输入电源的正极分别与开关管T1、开关管S3和开关管S5的漏极连接，直流输入电源的负极分别与电感L的一端、升压电容C1的正极、开关管S1漏极连接；所述开关管T1的源极分别与开关管T2的漏极、电感L的另一端连接；所述开关管T2的源极分别与升压电容C1的负极、开关管S4的源极、开关管S6的源极连接；所述开关管S1的源极与开关管S2的源极连接；
开关管S2的漏极分别与开关管S3的源极、开关管S4的漏极连接，其连接点记为点A；所述开关管S5的源级与开关管S6的漏级连接，其连接点记为点B；
负载接在点A和点B之间，具体的，负载的负极接点A，负载的正极接点B。
优选地，将所述具有两倍电压增益的升压型五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负载电压uo，所述逆变器包括以下六种工作状态：
第一种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S4和开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc；
第二种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S5导通，其余三个开关管关断，此时，仅直流输入电源对负载供电，升压电容C1处于闲置状态，负载有电流流过，负载电压uo＝+Vdc；
第三种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S3与开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝+0；
第四种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S4与开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝-0；
第五种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S6导通，其余三个开关管关断，此时，直流输入电源处于闲置状态，升压电容C1对负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝-Vdc；
第六种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S3和开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc；
在以上六种工作状态中，所述倍压充电单元中的开关管T1和开关管T2为一对高频互补导通的开关器件，不参与电压输出，只对电感L和升压电容C1的充放电负责。
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，能够产生两倍电压升压增益；
2、由于本发明的拓扑结构能够输出五电平，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为本发明实施例中第一种工作状态的电路工作示意图；
图3为本发明实施例中第二种工作状态的电路工作示意图；
图4为本发明实施例中第三种工作状态的电路工作示意图；
图5为本发明实施例中第四种工作状态的电路工作示意图；
图6为本发明实施例中第五种工作状态的电路工作示意图；
图7为本发明实施例中第六种工作状态的电路工作示意图；
图8为本发明实施例中六种工作状态下进行逻辑组合得到H桥型逆变单元中各开关管的驱动信号示意图；
图9为本发明实施例的交流负载电压波形仿真图；
图10为本发明实施例的负载电流波形仿真图。
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，本发明一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器，包括一个直流输入电源，一个倍压充电单元、一个H桥型逆变单元和一个负载；所述倍压充电单元包括一个电感L、一个升压电容C1、一对互补导通的开关管T1与开关管T2，所述H桥型逆变单元包括六个开关管，分别记为开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6。在开关管T1、开关管T2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6上均反向并联一个二极管D。
所述直流输入电源的正极分别与开关管T1、开关管S3和开关管S5的漏极连接，直流输入电源的负极分别与电感L的一端、升压电容C1的正极、开关管S1漏极连接；所述开关管T1的源极分别与开关管T2的漏极、电感L的另一端连接；所述开关管T2的源极分别与升压电容C1的负极、开关管S4的源极、开关管S6的源极连接；所述开关管S1的源极与开关管S2的源极连接；
开关管S2的漏极分别与开关管S3的源极、开关管S4的漏极连接，其连接点记为点A；所述开关管S5的源级与开关管S6的漏级连接，其连接点记为点B；
负载接在点A和点B之间，具体的，负载的负极接点A，负载的正极接点B。
在本实施例中，所述开关管T1、开关管T2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6均为功率开关管。
图2-图7给出了本发明实例中六种工作状态的电路工作示意图。由图2-图7可见，将所述具有两倍电压增益的升压型五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负载电压uo，所述逆变器包括以下六种工作状态：
第一种工作状态(图2)：H桥型逆变单元中开关管S4和开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc。
第二种工作状态(图3)：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S5导通，其余三个开关管关断，此时，仅直流输入电源对负载供电，升压电容C1处于闲置状态，负载有电流流过，负载电压uo＝+Vdc。
第三种工作状态(图4)：H桥型逆变单元中开关管S3与开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝+0。
第四种工作状态(图5)：H桥型逆变单元中开关管S4与开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝-0。
第五种工作状态(图6)：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S6导通，其余三个开关管关断，此时，直流输入电源处于闲置状态，升压电容C1对负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝-Vdc。
第六种工作状态(图7)：H桥型逆变单元中开关管S3和开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc。
在以上六种工作状态中，所述倍压充电单元中的开关管T1和开关管T2为一对高频互补导通的开关器件，不参与电压输出，只对电感L和升压电容C1的充放电负责。
图8为本发明实施例中六种工作状态下进行逻辑组合得到H桥型逆变单元中各开关管的驱动信号示意图。由图8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。[+2]、[+1]、[+0]、[-0]、[-1]、[-2]分别为本发明拓扑结构六种工作状态下H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态。
具体的，其中[+2]表示负载电压uo＝+2Vdc时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态；[+1]表示负载电压uo＝+Vdc时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态；[+0]表示负载电压uo＝+0时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态；[-0]表示逆变电路负载电压uo＝-0时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态；[-1]表示负载电压uo＝-Vdc时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态；[-2]表示逆变电路负载电压uo＝-2Vdc时H桥型逆变单元中各开关管所对应的工作状态。
下表给出了与图2-图7对应的六种工作状态下H桥型逆变单元中各个开关管的导通关断情况，其中，0代表开关管断开，1代表开关管导通。
表1.所提拓扑各工作状态下开关管的导通与关断
Figure BDA0003714479310000081
为了佐证本发明的技术效果，对本发明进行了仿真。图9为本发明实施例的电压波形仿真图，图10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9可见，负载电压uo的波形为七电平交流电压，最大负载电压为200V，即是直流输入电压Vdc的2倍。由图10可见，该电路的负载电流为交流电流。

Claims (2)

1.一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器，其特征在于，包括一个直流输入电源，一个倍压充电单元、一个H桥型逆变单元和一个负载；所述倍压充电单元包括一个电感L、一个升压电容C1、一对互补导通的开关管T1与开关管T2，所述H桥型逆变单元包括六个开关管，分别记为开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6；在开关管T1、开关管T2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5和开关管S6上均反向并联一个二极管D；
所述直流输入电源的正极分别与开关管T1、开关管S3和开关管S5的漏极连接，直流输入电源的负极分别与电感L的一端、升压电容C1的正极、开关管S1漏极连接；所述开关管T1的源极分别与开关管T2的漏极、电感L的另一端连接；所述开关管T2的源极分别与升压电容C1的负极、开关管S4的源极、开关管S6的源极连接；所述开关管S1的源极与开关管S2的源极连接；
开关管S2的漏极分别与开关管S3的源极、开关管S4的漏极连接，其连接点记为点A；所述开关管S5的源级与开关管S6的漏级连接，其连接点记为点B；
负载接在点A和点B之间，具体的，负载的负极接点A，负载的正极接点B。
2.根据权利要求1所述的一种具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器，其特征在于，将所述具有两倍电压增益的升压型五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负载电压uo，所述逆变器包括以下六种工作状态：
第一种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S4和开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc；
第二种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S5导通，其余三个开关管关断，此时，仅直流输入电源对负载供电，升压电容C1处于闲置状态，负载有电流流过，负载电压uo＝+Vdc；
第三种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S3与开关管S5导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝+0；
第四种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S4与开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1均未向负载供电，负载没有电流流过，负载电压uo＝-0；
第五种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S1、开关管S2和开关管S6导通，其余三个开关管关断，此时，直流输入电源处于闲置状态，升压电容C1对负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝-Vdc；
第六种工作状态：H桥型逆变单元中开关管S3和开关管S6导通，其余四个开关管关断，此时，直流输入电源与升压电容C1同时向负载反向供电，负载有电流流过，负载电压uo＝+2Vdc；
在以上六种工作状态中，所述倍压充电单元中的开关管T1和开关管T2为一对高频互补导通的开关器件，不参与电压输出，只对电感L和升压电容C1的充放电负责。
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