CN203933435U - 基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、推挽式三电平逆变单元、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，输入直流电源单元与输入滤波器的一端连接，输入滤波器的另一端与推挽式三电平逆变单元的一端连接，推挽式三电平逆变单元的另一端与高频变压器的初级绕组连接，高频变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出交流负载连接。本实用新型的逆变器具有功率变换级数少、功率开关器件少、功率开关管电压应力低、双向功率流、高频电气隔离、输出滤波器前端电压频谱特性好的特性。

Description

基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器

技术领域

本实用新型属于电力电子变换技术领域，特别是一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器。

背景技术

直－交（DC-AC）变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流技术，该恒压恒频交流电可供交流负载用电或与交流电网并网发电使用，现广泛地应用于工业生产、科学研究等多个方面。直－交变换器是实现该静止变流技术的关键。目前，国内外对于直－交变换器的研制，主要集中在两电平直－交变换器以及多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平直－交变换器，尤其是高频隔离式多电平两级功率变换的逆变器研究却鲜见有相关技术公开。

现有的多电平逆变器主要有三类拓扑结构：（1）二极管箝位型逆变器；（2）电容箝位型逆变器；（3）具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器具有适用于高输入电压大功率逆变器场合的优点：具有独立直流电源的级联型多电平逆变器具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平多点平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷：具有独立直流电源的级联型多电平逆变技术存在电路拓扑复杂输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷。

迄今为止，国内外对于DC/AC变换器的研究和开发主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平DC/AC变换器，对推挽式变换器的研究，主要集中在推挽式DC/DC、AC/AC、AC/DC变换器，包括非电气隔离式和电气隔离式。然而，传统的推挽式两电平逆变器因其具有开关管两端电压应力高、输入侧功率因素低等缺陷，不适用于高压大功率场合。

实用新型内容

针对现有技术中多电平逆变器在开关管两端电压应力高、输入侧功率因素低的问题，本实用新型目的在于提供一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，其具有两级功率变换（直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC）、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、开关器件的电压应力低，而且能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离。

为达成上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、推挽式三电平逆变单元、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：输入直流电源单元与输入滤波器的一端连接，输入滤波器的另一端与推挽式三电平逆变单元的一端连接，推挽式三电平逆变单元的另一端与高频变压器的初级绕组连接，高频变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出交流负载连接。

进一步的实施例中，所述周波变换器为桥式周波变换器。

进一步的实施例中，所述输入滤波器包括输入滤波电感和输入滤波电容，其中，输入直流电源的参考正极与输入滤波电感的一端连接，输入滤波电感的另一端分别与输入滤波电容的正极和推挽式三电平逆变单元的一端，输入滤波电容的负极与输入直流电源的参考负极连接；

所述高频变压器包括第一原边绕组、第二原边绕组和第三副边绕组，第一原边绕组和第二原边绕组与所述推挽式三电平逆变单元连接，第三副边绕组与所述周波变换器连接；

所述推挽式三电平逆变单元包括第一功率开关管及第一二极管，第二功率开关管及第二二极管，第三功率开关管及第三二极管，第四功率开关管及第四二极管，第五功率开关管及第五二极管，第六功率开关管及第六二极管，其中，第一功率开关管的阳极分别和第二功率开关管的漏极以及第三功率开关管的漏极相连，第一二极管、第二二极管和第三二极管分别反并联于第一功率开关管、第二功率开关管以及第三功率开关管的两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接，第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接，第四功率开关管的阳极分别和第五功率开关管的漏极以及第六功率开关管的漏极相连，第四二极管、第五二极管和第六二极管分别反并联于第四功率开关管、第五功率开关管以及第六功率开关管的两端，即第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接，第五二极管的阴极与第五功率开关管的漏极连接，第五二极管的阳极与第五功率开关管的源极连接，第六二极管的阴极与第六功率开关管的漏极连接，第六二极管的阳极与第六功率开关管的源极连接，第二功率开关管的源极与高频变压器的第一原边绕组的同名端连接，第五功率开关管的源极与高频变压器的第二原边绕组的非同名端连接，第一原边绕组的非同名端与第二原边绕组的同名端连接后与第三功率开关管的源极以及六功率开关管的源极连接，第三功率开关管的源极以及第六功率开关管的源极连接后与输入滤波器的负极连接，再与输入直流电源的负极连接；

所述桥式周波变换器由第一四象限功率开关管、第二四象限功率开关管、第三四象限功率开关管、第四四象限功率开关管构成，第一四象限功率开关管由第七功率开关管、第八功率开关管、第七二极管、第八二极管构成，第二四象限功率开关管由第九功率开关管、第十功率开关管、第九二极管、第十二极管构成，第三四象限功率开关管由第十一功率开关管、第十二功率开关管、第十一二极管、第十二二极管构成，第四四象限功率开关管由第十三功率开关管、第十四功率开关管、第十三二极管、第十四二极管构成，其中：

高频变压器的第三副边绕组的同名端与所述桥式周波变换器的第八功率开关管的漏极、第八二极管的阴极、第十一功率开关管的漏极、第十一二极管的阴极连接在一起，所述桥式周波变换器的第八功率开关管的源极、第八二极管的阳极、第七功率开关管的源极、第七二极管的阳极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第七功率开关管的漏极、第七二极管的阴极、第九功率开关管的漏极、第九二极管的阴极连接在一起，所述桥式周波变换器的第八器功率开关管的源极、第九二极管的阳极、第十功率开关管的源极、第十二极管的阳极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十功率开关管的漏极、第十二极管的阴极、第十三功率开关管的漏极、第十三二极管的阴极连接在一起，高频变压器的第三副边绕组的非同名端与所述桥式周波变换器的第十功率开关管的漏极、第十二极管的阴极、第十三功率开关管的漏极、第十三二极管的阴极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十三功率开关管的源极、第十三二极管的阳极、第十四功率开关管的源极、第十三二极管的阳极连接在一起，所述桥式周波变换器的第十四功率开关管的漏极、第十四二极管的阴极、第十二功率开关管的漏极、第十二二极管的阴极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十二功率开关管的源极、第十二二极管的阳极、第十一功率开关管的源极、第十一二极管的阳极连接在一起；

所述输出滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容，其中，输出滤波电容的正极与周波变换器中的第七功率开关管的漏极、第七二极管的阴极、第九功率开关管的漏极、第九二极管的阴极连接，输出滤波电容的负极与周波变换器中的第十二功率开关管的漏极、第十二二极管的阴极、第十四功率开关管的漏极、第十四二极管的阴极连接；

所述输出滤波器的输出滤波电容的正极和负极分别连接输出交流负载的两端。

进一步的实施例中，该基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器采用有源箝位的脉冲调制斩波方式进行控制。

由以上本实用新型的技术方案可知，本实用新型提出的基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）挽式高频链三电平逆变器与推挽式两电平逆变器相比较，该逆变器的功率开关两端电压为三电平电压波，降低了功率开关的电压应力，能够适用于高频电气隔离的高压逆变场合，拓宽了三电平逆变器的应用领域；

（2）在输入直流电源与交流负载中插入高频隔离变压器，可实现输入侧与负载侧的电气隔离，高频隔离变压器的使用可实现变换器的小型化、轻量化，提高变换器的效率；

（3）与传统的多电平逆变器相比，该逆变器电路拓扑简洁、减少了功率变换级数、并可实现功率的双向流动。

（4）输出电压稳定，效率高，可适用于要求电气隔离的高压大容量场合。

附图说明

图1为本实用新型一实施方式基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器的电路拓扑图。

具体实施方式

为了更了解本实用新型的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

图1所示为本实用新型一实施方式基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器的电路拓扑图结构，其中，一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、输入滤波器2、推挽式三电平逆变单元3、高频变压器4、周波变换器5、输出滤波器6和输出交流负载7构成，输入直流电源单元1与输入滤波器2的一端连接，输入滤波器2的另一端与推挽式三电平逆变单元3的一端连接，推挽式三电平逆变单元3的另一端与高频变压器4的初级绕组连接，高频变压器4的次级绕组与周波变换器5的输入端连接，周波变换器5的输出端与输出滤波器6的输入端连接，输出滤波器6的输出端与输出交流负载7连接。

作为优选的实施方式，周波变换器5选用桥式周波变换器。

如图1所示，本实施例中，输入滤波器2包括输入滤波电感L₀和输入滤波电容C₀，其中，输入直流电源U_i的参考正极与输入滤波电感L₀的一端连接，输入滤波电感L₀的另一端分别与输入滤波电容C₀的正极和推挽式三电平逆变单元3的一端，输入滤波电容C₀的负极与输入直流电源U_i的参考负极连接。

所述高频变压器包括第一原边绕组N1、第二原边绕组N2和第三副边绕组N3，第一原边绕组N1和第二原边绕组N2与所述推挽式三电平逆变单元3连接，第三副边绕组N3与所述周波变换器5连接。第一原边绕组N1、第二原边绕组N2为所述的初级绕组，第三副边绕组N3为所述的次级绕组。

所述的推挽式三电平逆变单元3包括第一功率开关管S1及第一二极管D1，第二功率开关管S2及第二二极管D2，第三功率开关管S3及第三二极管D3，第四功率开关管S4及第四二极管D4，第五功率开关管S5及第五二极管D5，第六功率开关管S6及第六二极管D6，其中：

第一功率开关管S1的阳极分别和第二功率开关管S2的漏极以及第三功率开关管S3的漏极相连，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3分别反并联于第一功率开关管S1、第二功率开关管S2以及第三功率开关管S3的两端，即第一二极管的阴极D1与第一功率开关管S1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第二二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的漏极连接，第二二极管D2的阳极与第二功率开关管S2的源极连接，第三二极管D3的阴极与第三功率开关管S3的漏极连接，第三二极管D3的阳极与第三功率开关管S3的源极连接，第四功率开关管S4的阳极分别和第五功率开关管S5的漏极以及第六功率开关管S6的漏极相连，第四二极管D4、第五二极管D5和第六二极管D6分别反并联于第四功率开关管S4、第五功率开关管S5以及第六功率开关管S6的两端，即第四二极管的阴极D4与第四功率开关管S4的漏极连接，第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极连接，第五二极管D5的阴极与第五功率开关管S5的漏极连接，第五二极管D5的阳极与第五功率开关管S5的源极连接，第六二极管D6的阴极与第六功率开关管S6的漏极连接，第六二极管D6的阳极与第六功率开关管S6的源极连接，第二功率开关管S2的源极与高频变压器4的第一原边绕组N1的同名端连接，第五功率开关管S5的源极与高频变压器4的第二原边绕组N2的非同名端连接，第一原边绕组N1的非同名端与第二原边绕组N2的同名端连接后与第三功率开关管S3的源极以及六功率开关管S6的源极连接，第三功率开关管S3的源极以及六功率开关管S6的源极连接后与输入滤波器2的负极连接，再与输入直流电源U_i的负极连接。

输入直流电源U_i的参考正极与输入滤波电感L₀的一端连接，输入滤波电感L₀的另一端分别与输入滤波电容C₀的正极和第一功率开关管S1的漏极、第四功率开关管S4的漏极连接。

所述桥式周波变换器5由第一四象限功率开关管SA、第二四象限功率开关管SB、第三四象限功率开关管SC、第四四象限功率开关管SD构成，第一四象限功率开关管SA由第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第七二极管D7、第八二极管D8构成，第二四象限功率开关管SB由第九功率开关管S9、第十功率开关管S10、第九二极管D9、第十二极管D10构成，第三四象限功率开关管SC由第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12、第十一二极管D11、第十二二极管D12构成，第四四象限功率开关管SD由第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14、第十三二极管D13、第十四二极管D14构成，其中：

高频变压器4的第三副边绕组N3的同名端与所述桥式周波变换器5的第八功率开关管S8的漏极、第八二极管D8的阴极、第十一功率开关管S11的漏极、第十一二极管D11的阴极连接在一起，所述的桥式周波变换器5的第八功率开关管S8的源极、第八二极管D8的阳极、第七功率开关管S7的源极、第七二极管D7的阳极连接在一起，所述桥式周波变换器（5）的第七功率开关管S7的漏极、第七二极管D7的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极连接在一起，所述的桥式周波变换器5的第八器功率开关管S9的源极、第九二极管D9的阳极、第十功率开关管S10的源极、第十二极管D10的阳极连接在一起，所述桥式周波变换器5的第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连接在一起，高频变压器4的第三副边绕组N3的非同名端与所述桥式周波变换器5的第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连接在一起，所述的桥式周波变换器5的第十三功率开关管S13的源极、第十三二极管D13的阳极、第十四功率开关管S14的源极、第十三二极管D14的阳极连接在一起，所述的桥式周波变换器5的第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极、第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12的阴极连接在一起，所述的桥式周波变换器5的第十二功率开关管S12的源极、第十二二极管D12的阳极、第十一功率开关管S11的源极、第十一二极管D11的阳极连接在一起。

如图1，所述输出滤波器6包括输出滤波电感L_f和输出滤波电容C_f，其中，输出滤波电容C_f的正极与周波变换器5中的第七功率开关管S7的漏极、第七二极管D7的阴极、第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极连接，输出滤波电容C_f的负极与周波变换器5中的第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12的阴极、第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极连接。

所述输出交流负载7包括交流负载Z_L，交流负载Z_L的两端分别与输出滤波电容C_f的正极和负极连接。

图1实施例所示的基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，优选地采用有源箝位的脉冲调制（SPWM）斩波的控制方式。当不稳定的高压输入直流U_i向交流负载Z_L传递功率时，通过功率开关管的交替导通，可以使得功率开关管两端得到三种电平u1、u2、u3，输入电源电压经过高频隔离式三电平逆变单元将其调制成双极性的高频脉冲电压，通过高频变压器的隔离、传递后，周波变换器将其解调成单极性的低频脉冲电压，再经输出滤波器进行输出滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压u_o，此逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载，此逆变器的控制电路可根据交流负载的性质进行调整，从而在输出端得到稳定或可调的电压。该变换器将不稳定的高压直流电变换成稳定或可调的正弦电，并减少功率变换级数，实现高频电气隔离，适用于高压直—交变换场合，Lf、Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压中的高压谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (3)

1.一种基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、推挽式三电平逆变单元、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：输入直流电源单元与输入滤波器的一端连接，输入滤波器的另一端与推挽式三电平逆变单元的一端连接，推挽式三电平逆变单元的另一端与高频变压器的初级绕组连接，高频变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出交流负载连接。

2.根据权利要求1所述的基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，其特征在于，所述周波变换器为桥式周波变换器。

3.根据权利要求2所述的基于推挽变换器的高频隔离式三电平逆变器，其特征在于，所述输入滤波器包括输入滤波电感和输入滤波电容，其中，输入直流电源的参考正极与输入滤波电感的一端连接，输入滤波电感的另一端分别与输入滤波电容的正极和推挽式三电平逆变单元的一端，输入滤波电容的负极与输入直流电源的参考负极连接；

所述高频变压器包括第一原边绕组、第二原边绕组和第三副边绕组，第一原边绕组和第二原边绕组与所述推挽式三电平逆变单元连接，第三副边绕组与所述周波变换器连接；

所述推挽式三电平逆变单元包括第一功率开关管及第一二极管，第二功率开关管及第二二极管，第三功率开关管及第三二极管，第四功率开关管及第四二极管，第五功率开关管及第五二极管，第六功率开关管及第六二极管，其中，第一功率开关管的阳极分别和第二功率开关管的漏极以及第三功率开关管的漏极相连，第一二极管、第二二极管和第三二极管分别反并联于第一功率开关管、第二功率开关管以及第三功率开关管的两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接，第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接，第四功率开关管的阳极分别和第五功率开关管的漏极以及第六功率开关管的漏极相连，第四二极管、第五二极管和第六二极管分别反并联于第四功率开关管、第五功率开关管以及第六功率开关管的两端，即第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接，第五二极管的阴极与第五功率开关管的漏极连接，第五二极管的阳极与第五功率开关管的源极连接，第六二极管的阴极与第六功率开关管的漏极连接，第六二极管的阳极与第六功率开关管的源极连接，第二功率开关管的源极与高频变压器的第一原边绕组的同名端连接，第五功率开关管的源极与高频变压器的第二原边绕组的非同名端连接，第一原边绕组的非同名端与第二原边绕组的同名端连接后与第三功率开关管的源极以及六功率开关管的源极连接，第三功率开关管的源极以及第六功率开关管的源极连接后与输入滤波器的负极连接，再与输入直流电源的负极连接；

所述桥式周波变换器由第一四象限功率开关管、第二四象限功率开关管、第三四象限功率开关管、第四四象限功率开关管构成，第一四象限功率开关管由第七功率开关管、第八功率开关管、第七二极管、第八二极管构成，第二四象限功率开关管由第九功率开关管、第十功率开关管、第九二极管、第十二极管构成，第三四象限功率开关管由第十一功率开关管、第十二功率开关管、第十一二极管、第十二二极管构成，第四四象限功率开关管由第十三功率开关管、第十四功率开关管、第十三二极管、第十四二极管构成，其中：

高频变压器的第三副边绕组的同名端与所述桥式周波变换器的第八功率开关管的漏极、第八二极管的阴极、第十一功率开关管的漏极、第十一二极管的阴极连接在一起，所述桥式周波变换器的第八功率开关管的源极、第八二极管的阳极、第七功率开关管的源极、第七二极管的阳极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第七功率开关管的漏极、第七二极管的阴极、第九功率开关管的漏极、第九二极管的阴极连接在一起，所述桥式周波变换器的第八器功率开关管的源极、第九二极管的阳极、第十功率开关管的源极、第十二极管的阳极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十功率开关管的漏极、第十二极管的阴极、第十三功率开关管的漏极、第十三二极管的阴极连接在一起，高频变压器的第三副边绕组的非同名端与所述桥式周波变换器的第十功率开关管的漏极、第十二极管的阴极、第十三功率开关管的漏极、第十三二极管的阴极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十三功率开关管的源极、第十三二极管的阳极、第十四功率开关管的源极、第十三二极管的阳极连接在一起，所述桥式周波变换器的第十四功率开关管的漏极、第十四二极管的阴极、第十二功率开关管的漏极、第十二二极管的阴极连接在一起；

所述桥式周波变换器的第十二功率开关管的源极、第十二二极管的阳极、第十一功率开关管的源极、第十一二极管的阳极连接在一起；

所述输出滤波器包括输出滤波电感和输出滤波电容，其中，输出滤波电容的正极与周波变换器中的第七功率开关管的漏极、第七二极管的阴极、第九功率开关管的漏极、第九二极管的阴极连接，输出滤波电容的负极与周波变换器中的第十二功率开关管的漏极、第十二二极管的阴极、第十四功率开关管的漏极、第十四二极管的阴极连接；

所述输出滤波器的输出滤波电容的正极和负极分别连接输出交流负载的两端。