CN205212724U - 单电源九电平高频逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种单电源九电平高频逆变器，包括开关电容单元X、反向串联开关管单元Y和全桥单元Z；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VD₁、第二二极管VD₂、第三二极管VD₃、第十二极管VD₁₀、第十一二极管VD₁₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃；反向串联开关管单元Y包括第四二极管VD₄、第五二极管VD₅、第四开关管S₄和第五开关管S₅；全桥单元Z包括第六二极管VD₆、第七二极管VD₇、第八二极管VD₈、第九二极管VD₉、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉。具有通过单个电源和少量的器件实现九电平输出等优点。

Description

单电源九电平高频逆变器

技术领域

本实用新型涉及高频交流配电系统(HighFrequencyACPowerDistributionSystem，HFACPDS)领域，特别涉及一种单电源九电平高频逆变器。

背景技术

高频交流配电系统(HFACPDS)与传统的直流配电系统(DCPDS)相比，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在计算机、通信、电动汽车、可再生能源微网等领域获得广泛的应用。高频逆变器完成将由蓄电池、燃料电池、光伏太阳能电池或其它发电或储电装置提供的直流电转换成高频交流电，并馈送至高频交流母线，进而实现能源的再分配。随着对供电容量、供电质量和供电效率要求的不断提高，对多电平逆变器输出波形的要求也越来越高。目前的多电平逆变器常采用增加输入直流源和开关器件的数量实现更多的电平输出以提高输出性能，使得逆变器的结构变得异常复杂，同时降低了逆变器的效率。

实用新型内容

本实用新型的目的在于以单个电源和更少量器件实现更多的电平输出，提出一种单电源九电平高频逆变器，该单电源九电平高频逆变器适用于高频交流配电领域，具体可以应用于计算机、通信、电动汽车、可再生能源微网等领域将直流电转换成高频交流电，该逆变器只需单个输入直流源，并且以更少量的器件实现九电平输出，有效地降低了输出交流电的谐波畸变，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。

本实用新型的目的通过以下技术方案实现：单电源九电平高频逆变器，包括：开关电容单元X、反向串联开关管单元Y和全桥单元Z；所述开关电容单元(X)、反向串联开关管单元(Y)和全桥单元(Z)两两相互连接；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VD₁、第二二极管VD₂、第三二极管VD₃、第十二极管VD₁₀、第十一二极管VD₁₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃；所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂的电容值相等；所述第十二极管VD₁₀的阳极、第一二极管VD₁的阴极、第二二极管VD₂的阴极、第一开关管S₁的漏级均和第二开关管S₂的漏级相连接；所述第一二极管VD₁的阳极、第十一二极管VD₁₁的阳极均和第一开关管S₁的源级相连接；所述第十二极管VD₁₀的阴极和第一电解电容C₁的正极相连接；所述第十一二极管VD₁₁的阴极、第一电解电容C₁的负极均和第二电解电容C₂的正极相连接；所述第二二极管VD₂的阳极、第三二极管VD₃的阴极、第二电解电容C₂负极、第二开关管S₂的源级均和第三开关管S₃的漏级相连接；所述第三二极管VD₃的阳极和第三开关管S₃的源级相连接；所述反向串联开关管单元Y包括第四二极管VD₄、第五二极管VD₅、第四开关管S₄和第五开关管S₅；所述第四二极管VD₄的阴极和第四开关管S₄的漏级相连接；所述第四二极管VD₄的阳极、第五二极管VD₅的阳极、第四开关管S₄的源级均和第五开关管S₅的源级相连接；所述第五二极管VD₅的阴极和第五开关管S₅的漏级相连接；所述全桥单元Z包括第六二极管VD₆、第七二极管VD₇、第八二极管VD₈、第九二极管VD₉、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉；所述第六二极管VD₆的阴极、第八二极管VD₈的阴极、第六开关管S₆的漏级均和第八开关管S₈的漏级相连接；所述第六二极管VD₆的阳极、第七二极管VD₇的阴极、第六开关管S₆的源级均和第七开关管S₇的漏级相连接；所述第八二极管VD₈的阳极、第九二极管VD₉的阴极、第八开关管S₈的源级均和第九开关管S₉的漏级相连接；所述开关电容单元X中第一电解电容C₁的正极与全桥单元Z中第六开关管S₆的漏级相连接；所述开关电容单元X中第一电解电容C₁的负极与反向串联开关管单元Y中第四开关管S₄的漏极相连接；所述反向串联开关管单元Y中第五开关管S₅的漏级与全桥单元Z中第六开关管S₆的源级相连接；所述开关电容单元X中第三开关管S₃的源级与全桥单元Z中第七开关管S₇的源级相连接。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、第八开关管S₈和第九开关管S₉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、第八驱动信号G₈和第九驱动信号G₉由基本PWM波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；所述单电源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导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，第六开关管S₆和第九开关管S₉导通，逆变器输出V_out为2V_dc电平。

状态II：第二开关管S₂导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，第四开关管S₄和第九开关管S₉导通，逆变器输出V_out为3/2V_dc电平。

状态III：第三开关管S₃、第六开关管S₆和第九开关管S₉导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，逆变器输出V_out为V_dc电平。

状态IV：第三开关管S₃、第四开关管S₄、第九开关管S₉导通，第二电解电容C₂放电，逆变器输出V_out为1/2V_dc电平。

状态V：第三开关管S₃导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，第六开关管S₆和第八开关管S₈导通，逆变器输出V_out为0电平。

状态VI：第三开关管S₃、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁放电，逆变器输出V_out为-1/2V_dc电平。

状态VII：第三开关管S₃、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，逆变器输出V_out为-V_dc电平。

状态VIII：第一开关管S₁、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁和电源串联，逆变器输出V_out为-3/2V_dc电平。

状态IX：第二开关管S₂、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，逆变器输出V_out为-2V_dc电平。

所述单电源高频逆变器输出九电平阶梯波由上述九种状态组成，阶梯波的角频率为ω，对所述单电源高频逆变器输出的九电平阶梯波进行傅里叶分解可得：

$v_{out}=\underset{k=1,2,3,4}{\Σ}\underset{n=1,3,5...}{\Σ}\frac{2V_{dc}}{n\mathrm{\π}}cos\left(n\right(\frac{\mathrm{\π}-{\mathrm{\δ}}_k}{2}\left)\right)\sin n\mathrm{\ω}t,$

式中：k和n为求和变量，且k＝1,2,3,4，n＝1,3,5…；V_c为三角载波尖峰值，V_mk为直流调制波电压值，且0<V_m1<V_m2<V_m3<V_m4<V_c。

所述单电源九电平高频逆变器的输出电压总谐波畸变(totalharmonicdistortion，THD)的表达式为：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{n=3,5,7...}{\&Sigma;}(\underset{k=1,2,3,4}{\&Sigma;}\frac{1}{n}cos\left(n\left(\frac{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&delta;}}_k}{2}\right)\right){)}^2}}{\underset{k=1,2,3,4}{\&Sigma;}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&delta;}}_k}{2}\right)},$

式中，k和n为求和变量，且k＝1,2,3,4，n＝3,5,7…。

所述单电源九电平高频逆变器，根据输出电压的总谐波畸变THD值的表达式选择参数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总谐波畸变THD值满足要求。

与现有的多电平逆变器相比，本实用新型具有如下优点和有益效益：

(1)与现有的三电平、五电平或七电平逆变器相比，本实用新型拥有九电平输出阶梯，可有效地减少输出电压的谐波含量，进而提高逆变器的效率。

(2)与现有的九电平逆变器相比，本实用新型使用更少量的器件实现九电平输出，可有效减少逆变器所需要的驱动电路，降低能量的传输损耗，同时，逆变器的安装空间也可有效地减少。

(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，本实用新型只需单个电源便可实现九电平输出，适用于仅有单个电源供电的场合。

(4)本实用新型所述的单电源九电平高频逆变器，通过调制方式使第一电解C₁和第二电解电容C₂在输出波形的正半周和负半周放电时间相同，从而有效地解决了两只电容串联使用时存在的电容均压的问题。

附图说明

图1是本实用新型所述的单电源九电平高频逆变器的结构图。

图2是本实用新型所述的单电源九电平高频逆变器中开关管的驱动信号及输出九电平电压波形示意图。

具体实施方式

为进一步阐述本实用新型的内容及特点，以下结合附图对本实用新型的具体实施方案进行具体说明。

实施例

如图1所示，为单电源九电平高频逆变器的结构图。所述单电源九电平高频逆变器包括：开关电容单元X、反向串联开关管单元Y和全桥单元Z；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VD₁、第二二极管VD₂、第三二极管VD₃、第十二极管VD₁₀、第十一二极管VD₁₁、第一开关管S₁、第二开关管S₂和第三开关管S₃；所述第一电解电容C₁和第二电解电容C₂的电容值相等；所述第十二极管VD₁₀的阳极、第一二极管VD₁的阴极、第二二极管VD₂的阴极、第一开关管S₁的漏级均和第二开关管S₂的漏级相连接；所述第一二极管VD₁的阳极、第十一二极管VD₁₁的阳极均和第一开关管S₁的源级相连接；所述第十二极管VD₁₀的阴极和第一电解电容C₁的正极相连接；所述第十一二极管VD₁₁的阴极、第一电解电容C₁的负极均和第二电解电容C₂的正极相连接；所述第二二极管VD₂的阳极、第三二极管VD₃的阴极、第二电解电容C₂负极、第二开关管S₂的源级均和第三开关管S₃的漏级相连接；所述第三二极管VD₃的阳极和第三开关管S₃的源级相连接；所述反向串联开关管单元Y包括第四二极管VD₄、第五二极管VD₅、第四开关管S₄和第五开关管S₅；所述第四二极管VD₄的阴极和第四开关管S₄的漏级相连接；所述第四二极管VD₄的阳极、第五二极管VD₅的阳极、第四开关管S₄的源级均和第五开关管S₅的源级相连接；所述第五二极管VD₅的阴极和第五开关管S₅的漏级相连接；所述全桥单元Z包括第六二极管VD₆、第七二极管VD₇、第八二极管VD₈、第九二极管VD₉、第六开关管S₆、第七开关管S₇、第八开关管S₈和第九开关管S₉；所述第六二极管VD₆的阴极、第八二极管VD₈的阴极、第六开关管S₆的漏级均和第八开关管S₈的漏级相连接；所述第六二极管VD₆的阳极、第七二极管VD₇的阴极、第六开关管S₆的源级均和第七开关管S₇的漏级相连接；所述第八二极管VD₈的阳极、第九二极管VD₉的阴极、第八开关管S₈的源级均和第九开关管S₉的漏级相连接；所述开关电容单元X中第一电解电容C₁的正极与全桥单元Z中第六开关管S₆的漏级相连接；所述开关电容单元X中第一电解电容C₁的负极与反向串联开关管单元Y中第四开关管S₄的漏极相连接；所述反向串联开关管单元Y中第五开关管S₅的漏级与全桥单元Z中第六开关管S₆的源级相连接；所述开关电容单元X中第三开关管S₃的源级与全桥单元Z中第七开关管S₇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、第八开关管S₈和第九开关管S₉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、第八驱动信号G₈和第九驱动信号G₉由基本PWM波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；所述单电源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导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，第六开关管S₆和第九开关管S₉导通，逆变器输出V_out为2V_dc电平。

状态II：第二开关管S₂导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，第四开关管S₄和第九开关管S₉导通，逆变器输出V_out为3/2V_dc电平。

状态III：第三开关管S₃、第六开关管S₆和第九开关管S₉导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，逆变器输出V_out为V_dc电平。

状态IV：第三开关管S₃、第四开关管S₄、第九开关管S₉导通，第二电解电容C₂放电，逆变器输出V_out为1/2V_dc电平。

状态V：第三开关管S₃导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，第六开关管S₆和第八开关管S₈导通，逆变器输出V_out为0电平。

状态VI：第三开关管S₃、第五开关管S₅和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁放电，逆变器输出V_out为-1/2V_dc电平。

状态VII：第三开关管S₃、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁和第二电解电容C₂串联充电，逆变器输出V_out为-V_dc电平。

状态VIII：第一开关管S₁、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁和电源串联，逆变器输出V_out为-3/2V_dc电平。

状态IX：第二开关管S₂、第七开关管S₇和第八开关管S₈导通，第一电解电容C₁、第二电解电容C₂与电源串联，逆变器输出V_out为-2V_dc电平。

所述单电源高频逆变器输出九电平阶梯波由上述九种状态组成，阶梯波的频率为ω，对所述单电源高频逆变器输出的九电平阶梯波进行傅里叶分解可得：

$v_{out}=\underset{k=1,2,3,4}{\&Sigma;}\underset{n=1,3,5...}{\&Sigma;}\frac{2V_{dc}}{n\mathrm{\&pi;}}cos\left(n\right(\frac{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&delta;}}_k}{2}\left)\right)\sin n\mathrm{\&omega;}t,---\left(1\right)$

式(1)中：k和n为求和变量，且k＝1,2,3,4，n＝1,3,5…； ${\mathrm{\&delta;}}_k=\mathrm{\&pi;}(1-\frac{V_{mk}}{V_c}),$ V_c为三角载波尖峰值，V_mk为直流调制波电压值，且0<V_m1<V_m2<V_m3<V_m4<V_c。

所述单电源九电平高频逆变器的输出电压总谐波畸变(totalharmonicdistortion，THD)的表达式为：

$THD=\frac{\sqrt{\underset{n=3,5,7...}{\&Sigma;}(\underset{k=1,2,3,4}{\&Sigma;}\frac{1}{n}cos\left(n\left(\frac{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&delta;}}_k}{2}\right)\right){)}^2}}{\underset{k=1,2,3,4}{\&Sigma;}\cos \left(\frac{\mathrm{\&pi;}-{\mathrm{\&delta;}}_k}{2}\right)},---\left(2\right)$

式(2)中，k和n为求和变量，且k＝1,2,3,4，n＝3,5,7…。

所述单电源九电平高频逆变器，在选择参数时，需满足0<V_m1<V_m2<V_m3<V_m4<V_c，根据公式(2)输出电压的总谐波畸变THD值的表达式选择参数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总谐波畸变THD值满足要求。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其它任何未背离本实用新型原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种单电源九电平高频逆变器，包括：开关电容单元(X)、反向串联开关管单元(Y)和全桥单元(Z)，其特征在于：所述开关电容单元(X)、反向串联开关管单元(Y)和全桥单元(Z)两两相互连接。

2.根据权利要求1所述的单电源九电平高频逆变器，其特征在于，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(VD₁)、第二二极管(VD₂)、第三二极管(VD₃)、第十二极管(VD₁₀)、第十一二极管(VD₁₁)、第一开关管(S₁)、第二开关管(S₂)和第三开关管(S₃)；所述第一电解电容(C₁)和第二电解电容(C₂)的电容值相等；所述第十二极管(VD₁₀)的阳极、第一二极管(VD₁)的阴极、第二二极管(VD₂)的阴极、第一开关管(S₁)的漏级均和第二开关管(S₂)的漏级相连接；所述第一二极管(VD₁)的阳极、第十一二极管(VD₁₁)的阳极均和第一开关管(S₁)的源级相连接；所述第十二极管(VD₁₀)的阴极和第一电解电容(C₁)的正极相连接；所述第十一二极管(VD₁₁)的阴极、第一电解电容(C₁)的负极均和第二电解电容(C₂)的正极相连接；所述第二二极管(VD₂)的阳极、第三二极管(VD₃)的阴极、第二电解电容(C₂)负极、第二开关管(S₂)的源级均和第三开关管(S₃)的漏级相连接；所述第三二极管(VD₃)的阳极和第三开关管(S₃)的源级相连接。

3.根据权利要求2所述的单电源九电平高频逆变器，其特征在于，所述反向串联开关管单元(Y)包括第四二极管(VD₄)、第五二极管(VD₅)、第四开关管(S₄)和第五开关管(S₅)；所述第四二极管(VD₄)的阴极和第四开关管(S₄)的漏级相连接；所述第四二极管(VD₄)的阳极、第五二极管(VD₅)的阳极、第四开关管(S₄)的源级均和第五开关管(S₅)的源级相连接；所述第五二极管(VD₅)的阴极和第五开关管(S₅)的漏级相连接。

4.根据权利要求3所述的单电源九电平高频逆变器，其特征在于，所述全桥单元(Z)包括第六二极管(VD₆)、第七二极管(VD₇)、第八二极管(VD₈)、第九二极管(VD₉)、第六开关管(S₆)、第七开关管(S₇)、第八开关管(S₈)和第九开关管(S₉)；所述第六二极管(VD₆)的阴极、第八二极管(VD₈)的阴极、第六开关管(S₆)的漏级均和第八开关管(S₈)的漏级相连接；所述第六二极管(VD₆)的阳极、第七二极管(VD₇)的阴极、第六开关管(S₆)的源级均和第七开关管(S₇)的漏级相连接；所述第八二极管(VD₈)的阳极、第九二极管(VD₉)的阴极、第八开关管(S₈)的源级均和第九开关管(S₉)的漏级相连接；所述第七二极管(VD₇)的阳极、第九二极管(VD₉)的阳极、第七开关管(S₇)的源级均和第九开关管(S₉)的源级相连接。

5.根据权利要求4所述的单电源九电平高频逆变器，其特征在于，所述开关电容单元(X)中第一电解电容(C₁)的正极与全桥单元(Z)中第六开关管(S₆)的漏级相连接；所述开关电容单元(X)中第一电解电容(C₁)的负极与反向串联开关管单元(Y)中第四开关管(S₄)的漏极相连接；所述反向串联开关管单元(Y)中第五开关管(S₅)的漏级与全桥单元(Z)中第六开关管(S₆)的源级相连接；所述开关电容单元(X)中第三开关管(S₃)的源级与全桥单元(Z)中第七开关管(S₇)的源级相连接。