CN116317648A - 一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器 - Google Patents

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CN116317648A CN202310315133.7A CN202310315133A CN116317648A CN 116317648 A CN116317648 A CN 116317648A CN 202310315133 A CN202310315133 A CN 202310315133A CN 116317648 A CN116317648 A CN 116317648A
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姚佳
张泽宇
赵志宏
张建栋
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Abstract

本发明公开了一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器，包括输入单元、可拓展开关电容单元(M1)以及输出单元，可产生多电平交流输出电压。本发明在高压输出端无需逆变桥电路，从而避免采用高耐压功率半导体器件。通过输入单元、输出单元以及可拓展开关电容单元(M1)级联产生共地的交流输出电压。与同类共地多电平逆变器相比，本发明所提出的开关电源拓扑所使用的器件数量更少，器件承受电压应力更低，且具备高增益、可拓展、输出总谐波畸变率较低的优点。本发明所公开的一种共地型开关电容多电平逆变器无需感性元件，效率高，功率密度高，可消除电源系统接地寄生电容的漏电流问题，可应用于光伏发电、电动汽车等领域。

Description

一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器
技术领域
本发明属于多电平逆变器与新能源分布式并网发电领域，具体涉及一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器及其调制方法。
背景技术
目前，多电平逆变装置已被广泛应用于可再生能源并网系统、电动汽车、柔性交流输电系统以及其他交流分布式发电系统。
开关电容型多电平逆变器普遍拥有着结构灵活，效率高，输出总谐波畸变(THD)低的优点，另外在光伏发电系统的应用中，共地型开关电容多电平逆变器可以有效消除漏电流、获得高增益、减小THD。
共地型多电平逆变器普遍要面临三个挑战，一是拓展困难，电路输出电压变比较低，电平数较少，仍需要较大的输出滤波器，二是需要的器件数量多，这大大增加了电路成本，三是器件承受的电压应力高，其器件承受的最高电压应力与输出电压峰值相同，所以电路中的器件的成本及损耗都会显著提升，因此，在保证拓展性的基础上拥有较少的器件数量以及较低的器件电压应力成为共地型多电平逆变器研究的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有高增益开关电容型多电平逆变器拓扑的不足，而提出一种新型可拓展的共地型开关电容多电平逆变器拓扑。该拓扑器件数量较少，承受的电压应力低(等于输入电压源电压)，使用的所有功率开关管均单向耐压，且都承受一倍输入电压的电压应力，大大降低了器件损耗，有助于整体效率提升，同时显著降低了元件价格成本。
实现本发明目的的技术方案为：一种共地型开关电容多电平逆变器，包括直流输入端、交流输出端、输入单元、可拓展的开关电容基本单元(M1)以及输出单元。其中：
所述输入单元包括三个单向耐压功率开关管，其中第一功率开关管S1的第一端子与直流输入端的正极连接，其第二端子与第三功率开关管S3的第一端子以及可拓展的开关电容基本单元(M1)的1端口连接；第三功率开关管S3的第二端子与直流输入端的负极、交流输出端的负极以及第二功率开关管S2的第一端子连接；第二功率开关管S2的第二端子与可拓展的开关电容基本单元(M1)的2端口连接；
所述可拓展的开关电容基本单元(M1)包括一个电容C和五个单向耐压功率开关管，其中电容C的正极与第一功率二极管S11的第一端子连接组成M1的1端口；电容C的负极与第四功率二极管S14的第二端子连接组成M1的2端口；第一功率二极管S11的第二端子与第三功率二极管S13的第一端子以及第二功率二极管S12的第二端子连接；第四功率二极管S14的第一端子与第三功率二极管S13的第二端子以及第五功率二极管S15的第一端子连接；第二功率二极管S12的第一端子为M1的3端口；第五功率二极管S15的第二端子为M1的4端口；
所述可拓展的开关电容基本单元(M1)级联时为前一个单元的3，4端口分别与后一个单元的1，2端口连接；
所述输出单元包括一个电容和两个单向耐压功率开关管，其中电容Cn的正极与M1的3端口以及其第一功率开关管Sa的第一端子连接，电容Cn的负极与M1的4端口以及其第二功率开关管Sb的第二端子连接；第一功率开关管Sa的第二端子与第二功率开关管Sb的第一端子以及交流输出端的正极连接。
进一步的，所述的共地型开关电容多电平逆变器中所有功率开关管均为单向耐压的功率二极管，另外，所述单向耐压的功率开关管采用全控功率开关器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；
进一步的，所述直流输入端、可拓展开关电容单元(M1)的电容C以及输出单元中的电容器可通过串并联方式输出多电平交流电压，所述共地型开关电容多电平逆变器可采用但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、特定谐波消去法(SHE)、最近电平逼近法(NLC)实现调制，使逆变器产生多电平交流输出电压。当交流输出电压峰值为nVin(n为任意大于2的整数)时，需要(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)。具体控制时序为：
交流输出电压Vo＝0时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、每个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余开关管关断。此时，所有电容处于充电状态，充电电压为Vin；
交流输出电压Vo＝Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，所有电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin给负载供电；
交流输出电压Vo＝2Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～(n-2)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管S(n-1)1、S(n-1)3、S(n-1)5以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，全部可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin和输出单元的电容Cn串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝i*Vin(i＝3，…，n/n为任意3～n区间的整数)时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-i-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-i)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，第1～第(n-i)个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入源Vin，第(n-i+1)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的电容，以及输出单元电容Cn串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝n*Vin时(n为任意大于3的整数)，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、全部可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管S1导通，其余功率开关管关断。此时，第1个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin与第2～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的电容以及输出单元的电容Cn串联给负载供电。
交流输出电压Vo＝-Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-2)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管S(n-1)2、S(n-1)3、S(n-1)4以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时，全部的可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，输出单元的电容Cn给负载供电；
交流输出电压Vo＝-i*Vin(i＝2，3，…，n/n为任意2～n区间的整数)时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-i-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-i)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时，第1～第(n-i)个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，第(n-i+1)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)和输出单元的电容串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝-n*Vin时(n为任意大于2的整数)，输入单元的第三功率开关管S3、全部可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时所有电容串联给负载供电。
附图说明
图1是本发明实施例中逆变器的电路图；
图2是本发明实施例中逆变器使用两个M1单元的电路图；
图3是本发明实施例中逆变器工作模态1的工作电流通路示意图；
图4是本发明实施例中逆变器工作模态2的工作电流通路示意图；
图5是本发明实施例中逆变器工作模态3的工作电流通路示意图；
图6是本发明实施例中逆变器工作模态4的工作电流通路示意图；
图7是本发明实施例中逆变器工作模态5的工作电流通路示意图；
图8是本发明实施例中逆变器工作模态6的工作电流通路示意图；
图9是本发明实施例中逆变器工作模态7的工作电流通路示意图；
图10是本发明实施例中漏电流波形图；
图11是本发明实施例中逆变器的输出电压波形图。
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、完整的描述，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。
如图2所示，使用直流输入端、交流输出端、输入单元、两个可拓展的开关电容基本单元(M1)以及输出单元级联组成开关电容型逆变器。输入单元包括三个单向耐压功率开关管，其中第一功率开关管S1的第一端子与直流输入端的正极连接，其第二端子与第三功率开关管S3的第一端子以及可拓展的开关电容基本单元(M1)的1端口连接；第三功率开关管S3的第二端子与直流输入端的负极、交流输出端的负极以及第二功率开关管S2的第一端子连接；第二功率开关管S2的第二端子与可拓展的开关电容基本单元(M1)的2端口连接；
两个可拓展的开关电容基本单元(M1)包括都一个电容和五个单向耐压功率开关管，其中电容的正极与第一功率二极管的第一端子连接组成M1的1端口；电容C的负极与第四功率二极管的第二端子连接组成M1的2端口；第一功率二极管的第二端子与第三功率二极管的第一端子以及第二功率二极管的第二端子连接；第四功率二极管S14的第一端子与第三功率二极管的第二端子以及第五功率二极管的第一端子连接；第二功率二极管的第一端子为M1的3端口；第五功率二极管的第二端子为M1的4端口；第一个M1单元的3，4端口分别与第二个M1单元的1，2端口连接；
输出单元包括一个电容和两个单向耐压功率开关管，其中电容C3的正极与第二个M1的3端口以及其第一功率开关管Sa的第一端子连接，电容Cn的负极与M1的4端口以及其第二功率开关管Sb的第二端子连接；第一功率开关管Sa的第二端子与第二功率开关管Sb的第一端子以及交流输出端的正极连接。
为了验证本发明方案的有效性，进行如下仿真实验。
本实施例中，输入电压Vin为120V，负载Zo为100Ω，输出频率fo为50HZ，输出功率为480W。电容C1＝330μF，C2＝C3＝2200μF。使用的功率开关管均为金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)。采用正弦脉宽调制方式(SPWM)，其调制度为0.865。
通过电源和电容的串并联转换，逆变器可以使交流输出Vo的负载Zo获得如下电平：
Vo：0、±Vin、±2Vin、±3Vin；
图3～图9分别为逆变器七种工作模态的工作电流通路，图中带箭头的虚线和实线分别表示所述共地型开关电容多电平逆变器的充电回路和放电回路，逆变器的工作模态如下：
工作模态1：控制输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第一、二、四、五功率开关管S11、S12、S14、S15，第二个M1的第一、二、四、五功率开关管S21、S22、S24、S25，输出单元的第二功率开关管Sb导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2、C3与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。逆变器的输出为：Vo＝0，工作电流通路如图4所示。
工作模态2：控制输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第一、二、四、五功率开关管S11、S12、S14、S15，第二个M1的第一、二、四、五功率开关管S21、S22、S24、S25，输出单元的第一功率开关管Sa导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2、C3与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vdc放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝Vin，工作电流通路如图4所示。
工作模态3：控制输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第一、二、四、五功率开关管S11、S12、S14、S15，第二个M1的第一、三、五功率开关管S21、S23、S25，输出单元的第一功率开关管Sa导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin和电容C3串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝2Vin，工作电流通路如图5所示。
工作模态4：控制输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第一、三、五功率开关管S11、S13、S15，第二个M1的第一、三、五功率开关管S21、S23、S25，输出单元的第一功率开关管Sa导通，控制其余开关器件关断。电容C1与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电源Vin和电容C2、C3串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝3Vin，工作电流通路如图6所示。
工作模态5：输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第一、二、四、五功率开关管S11、S12、S14、S15，第二个M1的第二、三、四功率开关管S22、S23、S24，输出单元的第二功率开关管Sb导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电容C3放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝-Vin，工作电流通路如图7所示。
工作模态6：控制输入单元的第一、二功率开关管S1、S2，第一个M1的第二、三、四功率开关管S12、S13、S14，第二个M1的第二、三、四功率开关管S22、S23、S24，输出单元的第二功率开关管Sb导通，控制其余开关器件关断。电容C1与电源Vin并联，处于充电状态，其充电电压为Vin。电容C2、C3串联放电到负载Zo，逆变器的输出为：Vo＝-2Vin，工作电流通路如图8所示。
工作模态7：输入单元的第三功率开关管S3，第一个M1的第二、三、四功率开关管S12、S13、S14，第二个M1的第二、三、四功率开关管S22、S23、S24，输出单元的第二功率开关管Sb导通，控制其余开关器件关断。电容C1、C2、C3串联放电到负载Zo，逆变器的输出为Vo＝-3Vin，工作电流通路如图9所示。
利用PSIM仿真得到以下结果。图10为漏电流波形，电流显示为零，验证了该拓扑的共地特性可消除漏电流。图11为输出电压波形，方均根值为220V，输出频率为50Hz，符合理论分析，该结构具有一定的升压能力，验证了该结构的可行性。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，包括直流输入端、交流输出端、输入单元、可拓展开关电容单元(M1)以及输出单元。其中：
所述输入单元包括三个单向耐压功率开关管，其中第一功率开关管S1的第一端子与直流输入端的正极连接，其第二端子与第三功率开关管S3的第一端子以及可拓展开关电容单元(M1)的1端口连接；第三功率开关管S3的第二端子与直流输入端的负极、交流输出端的负极以及第二功率开关管S2的第一端子连接；第二功率开关管S2的第二端子与可拓展开关电容单元(M1)的2端口连接；
所述可拓展开关电容单元(M1)包括一个电容C和五个单向耐压功率开关管，其中电容C的正极与第一功率二极管S11的第一端子连接组成M1的1端口；电容C的负极与第四功率二极管S14的第二端子连接组成M1的2端口；第一功率二极管S11的第二端子与第三功率二极管S13的第一端子以及第二功率二极管S12的第二端子连接；第四功率二极管S14的第一端子与第三功率二极管S13的第二端子以及第五功率二极管S15的第一端子连接；第二功率二极管S12的第一端子为M1的3端口；第五功率二极管S15的第二端子为M1的4端口；
所述可拓展开关电容单元(M1)级联时为前一个单元的3，4端口分别与后一个单元的1，2端口连接；
所述输出单元包括一个电容和两个单向耐压功率开关管，其中电容Cn的正极与M1的3端口以及其第一功率开关管Sa的第一端子连接，电容Cn的负极与M1的4端口以及其第二功率开关管Sb的第二端子连接；第一功率开关管Sa的第二端子与第二功率开关管Sb的第一端子以及交流输出端的第一端子连接。
2.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所有功率开关管均为单向耐压的功率二极管，另外，所述单向耐压的功率开关管采用全控功率开关器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
3.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述直流输入端、可拓展开关电容单元(M1)的电容C以及输出单元中的电容器可通过串并联方式输出多电平交流电压，所述共地型开关电容多电平逆变器可采用但不限于正弦脉宽调制(SPWM)、特定谐波消去法(SHE)、最近电平逼近法(NLC)实现调制，使逆变器产生多电平交流输出电压。当交流输出电压峰值为nVin(n为任意大于2的整数)时，需要(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)。具体控制时序为：
交流输出电压Vo＝0时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、每个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余开关管关断。此时，所有电容处于充电状态，充电电压为Vin；
交流输出电压Vo＝Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，所有电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin给负载供电；
交流输出电压Vo＝2Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～(n-2)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管S(n-1)1、S(n-1)3、S(n-1)5以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，全部可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin和输出单元的电容Cn串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝i*Vin(i＝3，...，n/n为任意3～n区间的整数)时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-i-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-i)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管Sa导通，其余功率开关管关断。此时，第1～第(n-i)个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入源Vin，第(n-i+1)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的电容，以及输出单元电容Cn串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝n*Vin时(n为任意大于3的整数)，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、全部可拓展开关电容单元(M1)的第一、三、五功率开关管以及输出单元的第一功率开关管S1导通，其余功率开关管关断。此时，第1个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，直流输入端Vin与第2～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的电容以及输出单元的电容Cn串联给负载供电。
交流输出电压Vo＝-Vin时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-2)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管S(n-1)2、S(n-1)3、S(n-1)4以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时，全部的可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，输出单元的电容Cn给负载供电；
交流输出电压Vo＝-i*Vin(i＝2，3，...，n/n为任意2～n区间的整数)时，输入单元的第一、二功率开关管S1、S2、第1～第(n-i-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第一、二、四、五功率开关管、第(n-i)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时，第1～第(n-i)个可拓展开关电容单元(M1)的电容处于充电状态，充电电压为Vin，第(n-i+1)～第(n-1)个可拓展开关电容单元(M1)和输出单元的电容串联给负载供电；
交流输出电压Vo＝-n*Vin时(n为任意大于2的整数)，输入单元的第三功率开关管S3、全部可拓展开关电容单元(M1)的第二、三、四功率开关管以及输出单元的第二功率开关管Sb导通，其余功率开关管关断。此时所有电容串联给负载供电。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117277850A (zh) * 2023-10-07 2023-12-22 苏州东菱振动试验仪器有限公司 一种多电平逆变器的拓扑电路及多电平逆变装置
CN117477975A (zh) * 2023-12-27 2024-01-30 南京理工大学 一种共地型开关电容多电平逆变器

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