CN205160401U - 一种电容自均压多电平高频逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种电容自均压多电平高频逆变器，包括：开关电容单元，包括第一、二电解电容、第一、二、三、四、九、十、十一二极管、第一、二、三、四开关管；全桥单元，包括第五、六、七、八二极管、第五、六、七、八开关管。第一、二极管、第一开关管接第二开关管，第一、九二极管接第一开关管，第三、十二极管、第三开关管接第一电解电容，第三、十一二极管、第三开关管接第二电解电容，第二、四、十二极管、第二、四开关管接第二电解电容，第九、十一二极管、第一电解电容接第五、七二极管、第五、七开关管，第四二极管、第四开关管接第六、八二极管、第六、八开关管。本实用新型具有开关频率低、传输效率高、电容自均压等优点。

Description

一种电容自均压多电平高频逆变器

技术领域

本实用新型涉及高频交流配电系统(HighFrequencyACPowerDistributionSystem，HFACPDS)领域，尤其是指一种电容自均压多电平高频逆变器。

背景技术

传统的直流配电系统(DCPDS)因其可靠性低、传输效率低、动态响应慢等缺点，在许多对供电要求较高的场合已不再适用。高频交流电(HFACPDS)因具有高可靠性、高效率、高功率密度、可实现无线传输等优点而受到越来越广泛的关注，相关研究也已逐步运用于计算机、通信、电动汽车、可再生能源微网等领域。与此同时，高频逆变器作为高频交流配电系统的前级，其研究也取得了突破性的进展。高频逆变器用于将直流电转换为高频交流电，并馈送至高频交流母线(HFACBUS)供后级HFAC/DC变换器再分配，对高频逆变器的要求是输出波形的谐波含量小，逆变器的传输效率高。谐波含量与逆变器能够输出的电平数有关，通常输出电平数越多，谐波含量越小；传输效率高要求传输损耗小，逆变器的传输损耗主要包括开关损耗和导通损耗，通常开关频率越低，逆变器所用的器件越少，传输损耗越小，效率越高。

发明内容

本实用新型的目的在于利用电容储能的性质，用电容来代替直流源，以少量器件实现更多的电平输出，提出一种新型的电容自均压多电平高频逆变器，该电容自均压多电平高频逆变器适用于高频交流配电领域；本实用新型只需单个输入直流源，电容储能增加了输出的电平数量，有效地降低了输出交流电的谐波畸变，减少了使用器件的数量，提高了逆变器的效率，同时也有效地减少了逆变器所需的驱动电路和安装空间；本实用新型通过使两只电容同时串联充电、串联或并联放电，实现电容自均压，有效地避免的电容电压不平衡问题的产生，简化了调制方式。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：一种电容自均压多电平高频逆变器，包括并联连接的开关电容单元与全桥单元，其中，所述开关电容单元包括第一电解电容、第二电解电容、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第九二极管、第十二极管、第十一二极管、第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管，所述全桥单元包括第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第八开关管；所述第一电解电容和第二电解电容的电容值相等，所述第一二极管的阴极、第二二极管的阴极、第一开关管的漏级分别与第二开关管的漏级相连接，所述第一二极管的阳极、第九二极管的阳极分别与第一开关管的源级相连接，所述第三二极管的阳极、第十二极管的阴极、第三开关管的源级分别与第一电解电容的负极相连接，所述第三二极管的阴极、第十一二极管的阳极、第三开关管的漏级分别与第二电解电容的正极相连接，所述第二二极管的阳极、第四二极管的阴极、第十二极管的阳极、第二开关管的源级、第四开关管的漏级分别与第二电解电容的负极相连接，所述第五二极管的阳极、第六二极管的阴极、第五开关管的源级分别与第六开关管的漏级相连接，所述第七二极管的阳极、第八二极管的阴极、第七开关管的源级分别与第八开关管的漏级相连接，所述第九二极管阴极、第十一二极管的阴极、第一电解电容的正极分别与第五二极管的阴极、第七二极管的阴极、第五开关管的漏级和第七开关管的漏级相连接，所述第四二极管的阳极和第四开关管的源级分别与第六二极管的阳极、第八二极管的阳极、第六开关管的源级和第八开关管的源级相连接。

本实用新型与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、与现有的三电平、五电平或七电平逆变器相比，本实用新型通过电容实现了更多的电平输出，电平数量的增加有效地减少了输出电压的谐波含量。

2、与现有的九电平逆变器相比，本实用新型使用的器件更少，降低导通损耗的同时，也节省了安装空间。

3、现有的多电平逆变器通常需要两个或两个以上的电源来实现更多的电平输出，本实用新型使用电容替代独立源的作用，只需单个电源便可实现更多电平输出，适用范围更加广泛。

4、本实用新型所述的电容自均压多电平高频逆变器，开关频率仅为输出阶梯波的两倍，当输出频率为25kHz时，开关频率仅为50kHz，与现有的多电平逆变器相比，降低了开关频率和开关损耗，因此特别适用于HFACPDS。

5、本实用新型所述的电容自均压多电平高频逆变器，通过电容储能的性质实现更多的电平输出，两只电容串联充电、串联或并联放电，有效地避免了电容电压不平衡问题的产生，简化了驱动电路的设计。

6、本实用新型所述的电容自均压多电平高频逆变器，同时降低了开关损耗和导通损耗，提高了逆变器的传输效率。

附图说明

图1为本实用新型所述的电容自均压多电平高频逆变器的结构示意图。

图2为本实用新型所述的电容自均压多电平高频逆变器中开关管的驱动信号及输出电压波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实施例所述的电容自均压多电平高频逆变器，包括并联连接的开关电容单元X与全桥单元Y，其中，所述开关电容单元X包括第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃和第四开关管S₄，所述全桥单元Y包括第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈；所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂的电容值相等，所述第一二极管D₁的阴极、第二二极管D₂的阴极、第一开关管S₁的漏级分别与第二开关管S₂的漏级相连接，所述第一二极管D₁的阳极、第九二极管D₉的阳极分别与第一开关管S₁的源级相连接，所述第三二极管D₃的阳极、第十二极管D₁₀的阴极、第三开关管S₃的源级分别与第一电解电容C₁的负极相连接，所述第三二极管D₃的阴极、第十一二极管D₁₁的阳极、第三开关管S₃的漏级分别与第二电解电容C₂的正极相连接，所述第二二极管D₂的阳极、第四二极管D₄的阴极、第十二极管D₁₀的阳极、第二开关管S₂的源级、第四开关管S₄的漏级分别与第二电解电容C₂的负极相连接，所述第五二极管D₅的阳极、第六二极管D₆的阴极、第五开关管S₅的源级分别与第六开关管S₆的漏级相连接，所述第七二极管D₇的阳极、第八二极管D₈的阴极、第七开关管S₇的源级分别与第八开关管S₈的漏级相连接，所述第九二极管D₉的阴极、第十一二极管D₁₁的阴极、第一电解电容C₁的正极分别与第五二极管D₅的阴极、第七二极管D₇的阴极、第五开关管S₅的漏级和第七开关管S₇的漏级相连接，所述第四二极管D₄的阳极和第四开关管S₄的源级分别与第六二极管D₆的阳极、第八二极管D₈的阳极、第六开关管S₆的源级和第八开关管S₈的源级相连接。

如图2所示，所述第一开关管S₁、第二开关管S₂、第三开关管S₃、第四开关管S₄、第五开关管S₅、第六开关管S₆、第七开关管S₇和第八开关管S₈的第一驱动信号G₁、第二驱动信号G₂、第三驱动信号G₃、第四驱动信号G₄、第五驱动信号G₅、第六驱动信号G₆、第七驱动信号G₇和第八驱动信号G₈由基本PWM波直接或经过基本逻辑运算得到，基本的PWM波由三角载波V_c和直流电压V_m1、V_m2、V_m3、V_m4比较得到；本实施例上述的电容自均压多电平高频逆变器按输出电平等级分析，一个工作周期共有九种工作状态：

状态I：第二开关管S₂、第三开关管S₃、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，第九二极管D₉、第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁均反向截止，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂和电源V_dc串联，逆变器输出为2V_dc。

状态II：第二开关管S₂、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，第九二极管D₉反向截止，第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂并联后与电源V_dc串联，逆变器的输出为3/2V_dc。

状态III：第一开关管S₁、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，第九二极管D₉导通，电源V_dc直接加到负载两侧，输出为V_dc；与此同时，第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁截止，第四二极管S₄导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电至1/2V_dc。

状态IV：第五开关管S₅、第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂并联后通过第四二极管D₄放电，逆变器输出电压为1/2V_dc。

状态V：第五开关管S₅和第七开关管S₇导通，电流流经第五开关管S₅和第七二极管D₇，逆变器输出为0；当第六开关管S₆和第八开关管S₈导通时，逆变器的输出也是0。

状态VI：第六开关管S₆、第七开关管S₇导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂并联后通过第四二极管D₄放电，全桥单元Y改变输出电压的极性，逆变器输出电压为-1/2V_dc。

状态VII：第一开关管S₁、第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，第九二极管D₉导通，电源V_dc直接加到负载两侧，全桥单元Y改变输出电压的极性，输出为-V_dc；与此同时，第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁截止，第四开关管S₄导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电至1/2V_dc。

状态VIII：第二开关管S₂、第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，第九二极管D₉反向截止，第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂并联后与电源V_dc串联，全桥单元Y改变输出电压的极性，逆变器的输出为-3/2V_dc。

状态IX：第二开关管S₂、第三开关管S₃、第六开关管S₆和第七开关管S₇导通，第九二极管D₉、第十二极管D₁₀和第十一二极管D₁₁均反向截止，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂和电源V_dc串联，全桥单元Y改变输出电压的极性，逆变器输出为-2V_dc。

所述的电容自均压多电平高频逆变器的输出由上述九种电平状态组成，对所述电容自均压多电平高频逆变器的输出进行傅里叶分析可得：

$v_{out}=\frac{2V_{dc}}{\mathrm{\π}}\underset{n=1,3,5...}{\Σ}\[cos\left({\mathrm{n\θ}}_1\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_2\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_3\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_4\right)\]\×\frac{\sin n\mathrm{\ω}t}{n}---\left(1\right)$

式中：ω为输出角频率，且0＜V_m1＜V_m2＜V_m3＜V_m4＜V_c。

由式(1)可得，所述电容自均压多电平高频逆变器的输出电压基波为：

$v_{out\_1}=\frac{2V_{dc}}{\mathrm{\π}}\[cos\left({\mathrm{\θ}}_1\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_2\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_3\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_4\right)\]\×sin\mathrm{\ω}t---\left(2\right)$

所述电容自均压多电平高频逆变器的输出电压总谐波畸变THD的表达式为：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{n=3,5,7...}{\Σ}{\[\frac{cos\left({\mathrm{n\θ}}_1\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_2\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_3\right)+cos\left({\mathrm{n\θ}}_4\right)}{n}\]}^2}}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_1\right)+\cos \left({\mathrm{\θ}}_2\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_3\right)+cos\left({\mathrm{\θ}}_4\right)}---\left(3\right)$

所述电容自均压多电平高频逆变器，在选择调制参数时，需满足0<V_m1<V_m2<V_m3<V_m4<V_c，根据公式(2)和(3)输出电压的基波幅值和总谐波畸变THD的表达式选择参数V_m1、参数V_m2、参数V_m3、参数V_m4、参数V_c以确保输出的电压的幅值和总谐波畸变THD满足要求。

以上所述之实施例子只为本实用新型之较佳实施例，并非以此限制本实用新型的实施范围，故凡依本实用新型之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (1)

1.一种电容自均压多电平高频逆变器，其特征在于：包括并联连接的开关电容单元(X)与全桥单元(Y)，其中，所述开关电容单元(X)包括第一电解电容(C₁)、第二电解电容(C₂)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)、第四二极管(D₄)、第九二极管(D₉)、第十二极管(D₁₀)、第十一二极管(D₁₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)、第三开关管(S₃)和第四开关管(S₄)，所述全桥单元(Y)包括第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)、第七二极管(D₇)、第八二极管(D₈)、第五开关管(S₅)、第六开关管(S₆)、第七开关管(S₇)和第八开关管(S₈)；所述第一电解电容(C₁)和第二电解电容(C₂)的电容值相等，所述第一二极管(D₁)的阴极、第二二极管(D₂)的阴极、第一开关管(S₁)的漏级分别与第二开关管(S₂)的漏级相连接，所述第一二极管(D₁)的阳极、第九二极管(D₉)的阳极分别与第一开关管(S₁)的源级相连接，所述第三二极管(D₃)的阳极、第十二极管(D₁₀)的阴极、第三开关管(S₃)的源级分别与第一电解电容(C₁)的负极相连接，所述第三二极管(D₃)的阴极、第十一二极管(D₁₁)的阳极、第三开关管(S₃)的漏级分别与第二电解电容(C₂)的正极相连接，所述第二二极管(D₂)的阳极、第四二极管(D₄)的阴极、第十二极管(D₁₀)的阳极、第二开关管(S₂)的源级、第四开关管(S₄)的漏级分别与第二电解电容(C₂)的负极相连接，所述第五二极管(D₅)的阳极、第六二极管(D₆)的阴极、第五开关管(S₅)的源级分别与第六开关管(S₆)的漏级相连接，所述第七二极管(D₇)的阳极、第八二极管(D₈)的阴极、第七开关管(S₇)的源级分别与第八开关管(S₈)的漏级相连接，所述第九二极管(D₉)的阴极、第十一二极管(D₁₁)的阴极、第一电解电容(C₁)的正极分别与第五二极管(D₅)的阴极、第七二极管(D₇)的阴极、第五开关管(S₅)的漏级和第七开关管(S₇)的漏级相连接，所述第四二极管(D₄)的阳极和第四开关管(S₄)的源级分别与第六二极管(D₆)的阳极、第八二极管(D₈)的阳极、第六开关管(S₆)的源级和第八开关管(S₈)的源级相连接。