本實用新型屬于電力電子變換技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種高頻隔離式五電平逆變器。

背景技術(shù)：

直－交(DC-AC)變換技術(shù)是指應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將直流電能轉(zhuǎn)換成恒壓恒頻交流電能的一種變流技術(shù)，簡稱逆變技術(shù)，其廣泛地應(yīng)用于國防、工礦企業(yè)、科研院所、大學(xué)實驗室和日常生活中。隨著新能源技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，逆變技術(shù)在新能源中的應(yīng)用也越來越多。

迄今為止，國內(nèi)外電力電子研究人員對于直－交變換器的研究，主要集中在非電氣隔離式、低頻和高頻電氣隔離式等兩電平直－交變換器；對于多電平變換器的研究，主要集中在多電平直-直、交-交和交-直變換器，而對于多電平直－交變換器的研究則非常少，且僅僅局限于非隔離式、低頻或中頻隔離式多電平直－交變換器，對高頻隔離式多電平兩級功率變換的逆變器研究卻比較少。

在傳統(tǒng)的逆變器中，最早廣泛應(yīng)用的是兩電平逆變器，這種逆變器最大的缺點是受開關(guān)管功率和耐壓能力的限制，不適用于高壓大功率場合。隨著電力系統(tǒng)直流輸電無功補償、有源電力濾波器及高壓大功率交流電動機變頻調(diào)速和新能源發(fā)電等系統(tǒng)發(fā)展的需要，多電平逆變器開始出現(xiàn)。大功率電力電子器件的發(fā)展也為多電平逆變裝置的研究提供了技術(shù)支持。1977年德國學(xué)者Holtz首次提出了利用開關(guān)管來輔助中點箝位的三電平逆變器主電路，1980年日本的A Nabae等人對其進行了發(fā)展，提出了二極管箝位式多電平逆變電路。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，多電平逆變技術(shù)目前主要有三類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：(1)二極管箝位型逆變器、(2)飛跨電容箝位型逆變器、(3)具有獨立直流電源直流的級聯(lián)型逆變器。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器適用于高輸入電壓大功率逆變器場合；具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平逆變器則適用于低輸入、高輸出電壓大功率逆變場合。但是二極管箝位型、電容箝位型多電平多點平逆變技術(shù)存在拓?fù)湫问絾我?、無電氣隔離等缺陷；具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平逆變技術(shù)存在電路拓?fù)鋸?fù)雜輸入側(cè)功率因數(shù)低、變換效率偏低、功率密度低等缺陷。

常規(guī)的逆變技術(shù)通常在逆變器和輸出端之間加入一級工頻變壓器來調(diào)整電壓比和作為電氣隔離，但是工頻變壓器具有體積大、會產(chǎn)生音頻噪聲、動態(tài)響應(yīng)特性差及輸出 濾波器體積大等諸多缺點。1977年Mr.ESPELAGE提出了高頻鏈逆變技術(shù)的新概念，利用高頻變壓器代替?zhèn)鹘y(tǒng)低頻環(huán)節(jié)逆變技術(shù)中的工頻變壓器，克服了低頻逆變技術(shù)的缺點，顯著提高了逆變器的特性，必將取代低頻環(huán)節(jié)逆變器，并得到廣泛應(yīng)用。隨著航空科技和航空電子的快速發(fā)展，飛機二次電源必須向高功率密度、高效率和模塊化方向發(fā)展；在新能源的開發(fā)利用中，適用于太陽能陣列與電網(wǎng)并聯(lián)的逆變器和燃料電池逆變器以及不間斷電源UPS的關(guān)鍵技術(shù)—逆變環(huán)節(jié)等需要逆變技術(shù)的場合，高頻環(huán)節(jié)逆變器都具有廣泛的應(yīng)用前景。

隨著高頻鏈逆變技術(shù)新概念的提出，國內(nèi)外學(xué)者對其做了大量的研究工作，并取得了不少有價值的研究成果。1990年S.R.Narayana Prakask等人提出的“單向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”，由高頻電氣隔離的DC/DC變換器和buck型逆變橋級聯(lián)而成，具有單向功率流、三級功率變換(DC-HFAC-DC-LFAC)、變換效率高、采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)時功率器件開關(guān)損耗大、成本高等特點。I.Yamato等人于1988年提出了“雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”，該逆變器由高頻電氣隔離逆變器與Buck型周波變換器級聯(lián)而成，由四象限功率開關(guān)構(gòu)成的周波變換器在任何導(dǎo)通周期均有兩個或四個功率器件同時導(dǎo)通，導(dǎo)通損耗較大，具有雙向功率流、直流—高頻脈沖交流—低頻交流的兩級結(jié)構(gòu)、效率較高、導(dǎo)通損耗大等特點。但是這種“雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”在濾波電感前端產(chǎn)生的電壓為±Ui兩電平或為±U、0三電平，考慮到在高壓輸入場合下擴大功率器件的選擇范圍，功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力要低，所以這一固有缺陷制約了這種“雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”在高輸入電壓大功率逆變器場合的應(yīng)用。

而目前所研究的高頻隔離型式多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)大多數(shù)集中在中間帶有直流環(huán)節(jié)的高頻環(huán)節(jié)逆變器。只是在高頻電氣隔離的DC/DC變換器中加入了多電平技術(shù)。只是減小了高頻電氣隔離的DC/DC變換器中開關(guān)管的電壓應(yīng)力，而在輸出濾波電感前端并沒有真正實現(xiàn)多電平，并沒有減小逆變橋開關(guān)管的電壓應(yīng)力，輸出濾波電感電容值都沒有得到減小。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種具有兩級功率變換(直流DC-高頻交流HFAC-低頻交流LFAC)、雙向功率流、輸出濾波器前端電壓頻譜特性好、高功率密度、降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力、輸出濾波器體積小、能夠?qū)崿F(xiàn)交流負(fù)載與直流電源高頻電氣隔離的高頻隔離式五電平逆變器。

實現(xiàn)本實用新型目的的技術(shù)解決方案為：

一種高頻隔離式五電平逆變器，由依次連接的輸入直流電源單元、分壓電容、高頻隔離式五電平變換單元、高頻隔離變壓器、輸出周波變換器、輸出濾波器、和輸出交流負(fù)載組成。輸入直流電源的正極與分壓電容的正極連接，輸入直流電源的負(fù)極與分壓電容的負(fù)極連接，分壓電容的正極與高頻隔離式五電平變換單元正極連接，輸入電容的負(fù)極與高頻隔離式五電平變換單元的負(fù)極連接，高頻隔離式五電平變換單元的輸出端與高頻隔離式變壓器的初級繞組連接，高頻隔離式變壓器的次級繞組與輸出周波變換器的輸入端連接，輸出周波變換器的輸出端與輸出濾波器的輸入端連接，輸出濾波器的輸出端與輸出交流負(fù)載相連。

分壓電容具有第一輸入電容和第二輸入電容。第一輸入電容的正極、第一功率開關(guān)管的漏極和第一二極管的陰極、第九功率開關(guān)管的漏極、第九二極管的陰極、第三功率開關(guān)管的漏極、第三二極管的陰極相連，第一輸入電容的負(fù)極、第二輸入電容的正極、第五功率開關(guān)管的漏極和第五二極管的陰極相連，第一功率開關(guān)管的源極、第一二極管的陽極、第二功率開關(guān)管的源極、第二二極管的陽極相連，第九功率開關(guān)管的源極、第九二極管的陽極、第十功率開關(guān)管的源極和第十二極管的陽極相連，第三功率開關(guān)管的源極、第三二極管的陽極、第四功率開關(guān)管的源極和第四二極管的陽極相連，第五功率開關(guān)管的源極、第五二極管的陽極、第六功率開關(guān)管的源極和第六二極管的陽極相連，第六功率開關(guān)管漏極、第六二極管的陰極、第十功率開關(guān)管的漏極、第十二極管的陰極、第八功率開關(guān)管的漏極、第八二極管的陰極相連，第二輸入電容的負(fù)極、第七功率開關(guān)管的漏極、第七二極管的陰極相連，第七功率開關(guān)管源極、第七二極管的陽極、第八功率開關(guān)管的源極、第八二極管的陽極相連，第一輸入電容的正極和第二輸入電容的負(fù)極分別為輸入直流電源的兩端，第二功率開關(guān)管的漏極和第十功率開關(guān)管的漏極分別為第一輸出交流的兩端，第十功率開關(guān)管的漏極和第一功率開關(guān)管的漏極分別為第二輸出交流的兩端。

本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點：

(1)將箝位型多電平拓?fù)涞臉?gòu)造思路運用于傳統(tǒng)推挽逆變電路中。并在輸入直流電源與交流負(fù)載中插入高頻隔離變壓器，實現(xiàn)了輸入側(cè)與負(fù)載側(cè)的電氣隔離，同時實現(xiàn)變換器的小型化、輕量化，提高變換器的效率。

(2)與傳統(tǒng)兩電平逆變器相比，該變換器能在輸出濾波器前端獲得Udc、Udc/2、0、-Udc/2、-Udc五個電平，減小了開關(guān)管電壓應(yīng)力和輸出濾波器體積，同時改善了輸出電壓波形，更適用于高電壓大功率場合。

(3)本實用新型具有功率變換級數(shù)少(直流DC-高頻交流HFAC-低頻交流LFAC)，雙向功率流，在一個輸出交流周期內(nèi)高頻隔離變壓器磁芯被雙向磁化，變壓器磁芯的利用率高，輸出濾波器前端電壓頻譜特性好等優(yōu)點，因而提高變換效率和功率密度、減小體積和重量。

附圖說明

圖1為本實用新型一種高頻隔離式五電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖2為本實用新型一種高頻隔離全波式五電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

圖3為本實用新型一種高頻隔離全橋式五電平逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。

具體實施方式

結(jié)合圖1～圖3：本實用新型一種高頻隔離式五電平逆變器，由依次連接的輸入直流電源單元1、分壓電容2、高頻隔離式五電平變換單元3、高頻隔離變壓器4、輸出周波變換器5、輸出濾波器6和輸出交流負(fù)載7組成。

輸入直流電源單元1包括輸入直流電源Udc，輸入直流電源單元1與分壓電容一端連接，分壓電容另一端與高頻隔離式五電平變換單元一端連接，高頻隔離式五電平變換單元另一端與高頻隔離變壓器4一端連接，高頻隔離變壓器4另一端與輸出周波變換器一端連接，輸出周波變換器另一端與輸出濾波器一端連接，輸出濾波器另一端與輸出交流負(fù)載連接。

所述分壓電容2包括第一分壓電容C1，第二分壓電容C2；第一分壓電容C1的正極與輸入直流電源單元1的正極連接，第一分壓電容C1的負(fù)極與第二分壓電容C2的正極連接，第二分壓電容C2的負(fù)極與輸入直流電源Udc的參考負(fù)極連接。

第一輸入電容C1的正極、第一功率開關(guān)管S1的漏極和第一二極管D1的陰極、第九功率開關(guān)管S9的漏極、第九二極管D9的陰極、第三功率開關(guān)管S3的漏極、第三二極管D3的陰極相連，第一輸入電容C1的負(fù)極、第二輸入電容C2的正極、第五功率開關(guān)管S5的漏極和第五二極管D5的陰極相連，第一功率開關(guān)管S1的源極、第一二極管D1的陽極、第二功率開關(guān)管S2的源極、第二二極管D2的陽極相連，第九功率開關(guān)管S9的源極、第九二極管D9的陽極、第十功率開關(guān)管S10的源極和第十二極管D10的陽極相連，第三功率開關(guān)管S3的源極、第三二極管D3的陽極、第四功率開關(guān)管S4的源極和第四二極管D4的陽極相連，第五功率開關(guān)管S5的源極、第五二極管D5的陽極、第六功率開關(guān)管S6的源極和第六二極管D6的陽極相連，第六功率開關(guān)管S6的漏極、第六二極管D6的陰極、第十功率開關(guān)管S10的漏極、第十二極管D10的陰極、第八功率開關(guān)管S8的漏極、第八二極管D8的陰極相連，第二輸入電容C2的負(fù)極、第七功率開關(guān)管S7的漏極、第七二極管D7的陰極相連，第七功率開關(guān)管S7的源極、第七二極管D7的陽極、第八功率開關(guān)管S8的源極、第八二極管D8的陽極相連，第一輸入電容C1的正極和第二輸入電容C2的負(fù)極分別為輸入直流電源的兩端，第二功率開關(guān)管S2的漏極和第十功率開關(guān)管S10的漏極分別為第一輸出交流N1的兩端，第十功率開關(guān)管S10的漏極和第一功率開關(guān)管S1的漏極分別為第二輸出交流N2的兩端。

所述的輸出周波變換器為全橋式周波變換器5，高頻隔離式變壓器4的第一副邊繞組N3的同名端與所述全橋式周波變換器5的第十一功率開關(guān)管S11的漏極、第十一二極管D11的陰極、第十三功率開關(guān)管S13的漏極、第十三二極管D13的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5第十一功率開關(guān)管S11的源極、第十一二極管D11的陽極、第十二功率開關(guān)管S12的源極、第十二二極管D12的陽極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十二功率開關(guān)管S12的漏極、第十二二極管D12陰極、第十五功率S15開關(guān)管的漏極、第十五二極管D15的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十五功率開關(guān)管S15的源極、第十五二極管D15的陽極、第十六功率開關(guān)管S16的源極、第十六二極管D16的陽極連在一起，高頻隔離式變壓器4的第一副邊繞組N2的非同名端與所述全橋式周波變換器5的第十六功率開關(guān)管S16的漏極、第十六二極管D16的陰極、第十八功率開關(guān)管S18的漏極、第十八二極管D18的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十八功率開關(guān)管S18的源極、第十八二極管D18的陽極、第十七功率開關(guān)管S17的源極、第十七二極管D17的陽極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十七功率開關(guān)管S17的漏極、第十七二極管D17的陰極、第十四功率開關(guān)管S14的漏極、第十四二極管D14的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器第十四功率開關(guān)管S14的源極、第十四二極管D14的陽極、第十三功率開關(guān)管S13的源極、第十三二極管D13的陽極連在一起，第十一功率開關(guān)管S11、第十二功率開關(guān)管S12和第十一二極管D11、第十四極管D14構(gòu)成第一四象限功率開關(guān)管SA，第十三功率開關(guān)管S13、第十四功率開關(guān)管S14和第十三二極管D13、第十四二極管D14構(gòu)成第二四象限功率開關(guān)管SB，第十五功率開關(guān)管S15、第十六功率開關(guān)管S16和第十五二極管D15、第十六二極管D16構(gòu)成第三四象限功率開關(guān)管SC，第十七功率開關(guān)管S17、第十八功率開關(guān)管S18和第十七二極管D17、第十八二極管D18構(gòu)成第四四象限功率開關(guān)管SD，四個四象限功率開關(guān)管構(gòu)成所述全橋式周波變換器4。

所述的輸出周波變換器為全波式周波變換器8，高頻隔離式變壓器4的第二副邊繞組N3’的同名端與所述全波式周波變換器8的第十九功率開關(guān)管S11’的漏極和第十九二極管D11’的陰極連在一起，所述全波式周波變換器8的第十九功率開關(guān)管S11’的源極、第十九二極管D11’的陽極、第二十功率開關(guān)管S12’的源極、第二十二極管D12’的陽極連在一起，高頻隔離式變壓器4的第二副邊繞組N3’的非同名端與高頻隔離式變壓器4的第三副邊繞組N4的同名端連接，高頻隔離式變壓器4的第三副邊繞組N4的非同名端與所述全波式周波變換器8的第二十一功率開關(guān)管S13’的漏極、第二十一二極管D13’的陰極連接，所述全波式周波變換器8第二十一功率開關(guān)管S13’的源極、第二十一二極管D13’的陽極、第二十二功率開關(guān)管S14’的源極、第二十二二極管D14’的陽極連在一起，所述全波式周波變換器8第二十二功率開關(guān)管S14’的漏極、第二十二二極管D14’的陰極、第二十功率開關(guān)管S12’的漏極、第二十二極管D12’的陰極連在一起，第十九功率開關(guān)管S11’、第二十功率開關(guān)管S12’和第十九二極管D11’、第二十二極管D12’構(gòu)成第五四象限功率開關(guān)管，第二十一功率開關(guān)管S13’、第二十二功率開關(guān)管S14’和第二十一二極管D13’、第二十二二極管D14’構(gòu)成第六四象限功率開關(guān)管，第五四象限功率開關(guān)管和第六四象限功率開關(guān)管構(gòu)成所述全波式周波變換器8。

實施例1：結(jié)合圖2，一種高頻隔離式五電平逆變器適用于高頻電氣隔離的高電壓、大功率逆變場合的電路拓?fù)?，即輸入直流電源Udc的正極連與第一輸入電容C1的正極相連，第一輸入電容C1的正極、第一功率開關(guān)管S1的漏極和第一二極管D1的陰極、第九功率開關(guān)管S9的漏極、第九二極管D9的陰極、第三功率開關(guān)管S3的漏極、第三二極管D3的陰極相連，第一輸入電容C1的負(fù)極、第二輸入電容C2的正極、第五功率開關(guān)管S5的漏極和第五二極管D5的陰極相連，第一功率開關(guān)管S1的源極、第一二極管D1的陽極、第二功率開關(guān)管S2的源極、第二二極管D2的陽極相連，第二功率開關(guān)管S2的漏極、第二二極管D2的陰極與高頻隔離變壓器4的第一原邊繞組N1的同名端相連接，第九功率開關(guān)管S9的漏極、第九二極管D9的陰極、第十功率開關(guān)管S10的漏極和第十二極管D10的陰極相連，第五功率開關(guān)管S5的漏極、第五二極管D5的陰極、第六功率開關(guān)管S6的漏極和第六二極管D6的陰極相連，第六功率開關(guān)管S6的漏極、第六二極管D6的陰極、第十功率開關(guān)管S10的漏極、第十二極管D10的陰極、第八功率開關(guān)管S8的漏極、第八二極管D8的陰極與高頻隔離變壓器4的第一原邊繞組N1的非同名端、與高頻隔離變壓器4的第二原邊繞組N2的同名端相連接，第二輸入電容C2的負(fù)極、第七功率開關(guān)管S7的漏極、第七二極管D7的陰極相連，第七功率開關(guān) 管S7的源極、第七二極管D7的陽極、第八功率開關(guān)管S8的源極、第八二極管D8的陽極相連，第三功率開關(guān)管S3的源極、第三二極管D3的陽極、第四功率開關(guān)管S4的源極和第四二極管D4的陽極相連，第四功率開關(guān)管S4的漏極、第四二極管D4的陰極與與高頻隔離變壓器4的第二原邊繞組N2的非同名端相連接。高頻隔離式變壓器4的第一副邊繞組N3的同名端與所述全橋式周波變換器5的第十一功率開關(guān)管S11的漏極、第十一二極管D11的陰極、第十三功率開關(guān)管S13的漏極、第十三二極管D13的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5第十一功率開關(guān)管S11的源極、第十一二極管D11的陽極、第十二功率開關(guān)管S12的源極、第十二二極管D12的陽極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十二功率開關(guān)管S12的漏極、第十二二極管D12陰極、第十五功率S15開關(guān)管的漏極、第十五二極管D15的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十五功率開關(guān)管S15的源極、第十五二極管D15的陽極、第十六功率開關(guān)管S16的源極、第十六二極管D16的陽極連在一起，高頻隔離式變壓器4的第一副邊繞組N2的非同名端與所述全橋式周波變換器5的第十六功率開關(guān)管S16的漏極、第十六二極管D16的陰極、第十八功率開關(guān)管S18的漏極、第十八二極管D18的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十八功率開關(guān)管S18的源極、第十八二極管D18的陽極、第十七功率開關(guān)管S17的源極、第十七二極管D17的陽極連在一起，所述全橋式周波變換器5的第十七功率開關(guān)管S17的漏極、第十七二極管D17的陰極、第十四功率開關(guān)管S14的漏極、第十四二極管D14的陰極連在一起，所述全橋式周波變換器第十四功率開關(guān)管S14的源極、第十四二極管D14的陽極、第十三功率開關(guān)管S13的源極、第十三二極管D13的陽極連在一起，第十二功率開關(guān)S12的漏極連于輸出濾波電感Lf的前端，濾波電感Lf的后端連于濾波電容的正極，第十七功率開關(guān)管S17的漏極與濾波電容Cf的負(fù)極相連后接“地”，濾波電容Cf的兩端接交流負(fù)載ZL。

實施例2：結(jié)合圖3，一種高頻隔離式五電平逆變器適用于高頻電氣隔離的高電壓、大功率逆變場合的電路拓?fù)?，即即輸入直流電源Udc的正極連與第一輸入電容C1的正極相連，第一輸入電容C1的正極、第一功率開關(guān)管S1的漏極和第一二極管D1的陰極、第九功率開關(guān)管S9的漏極、第九二極管D9的陰極、第三功率開關(guān)管S3的漏極、第三二極管D3的陰極相連，第一輸入電容C1的負(fù)極、第二輸入電容C2的正極、第五功率開關(guān)管S5的漏極和第五二極管D5的陰極相連，第一功率開關(guān)管S1的源極、第一二極管D1的陽極、第二功率開關(guān)管S2的源極、第二二極管D2的陽極相連，第二功率開關(guān)管S2的漏極、第二二極管D2的陰極與高頻隔離變壓器4的第一原邊繞組N1的同名端 相連接，第九功率開關(guān)管S9的漏極、第九二極管D9的陰極、第十功率開關(guān)管S10的漏極和第十二極管D10的陰極相連，第五功率開關(guān)管S5的漏極、第五二極管D5的陰極、第六功率開關(guān)管S6的漏極和第六二極管D6的陰極相連，第六功率開關(guān)管S6的漏極、第六二極管D6的陰極、第十功率開關(guān)管S10的漏極、第十二極管D10的陰極、第八功率開關(guān)管S8的漏極、第八二極管D8的陰極與高頻隔離變壓器4的第一原邊繞組N1的非同名端、與高頻隔離變壓器4的第二原邊繞組N2的同名端相連接，第二輸入電容C2的負(fù)極、第七功率開關(guān)管S7的漏極、第七二極管D7的陰極相連，第七功率開關(guān)管S7的源極、第七二極管D7的陽極、第八功率開關(guān)管S8的源極、第八二極管D8的陽極相連，第三功率開關(guān)管S3的源極、第三二極管D3的陽極、第四功率開關(guān)管S4的源極和第四二極管D4的陽極相連，第四功率開關(guān)管S4的漏極、第四二極管D4的陰極與與高頻隔離變壓器4的第二原邊繞組N2的非同名端相連接。高頻隔離式變壓器4的第二副邊繞組N3’的同名端與所述全波式周波變換器8的第十九功率開關(guān)管S11’的漏極和第十九二極管D11’的陰極連在一起，所述全波式周波變換器8的第十九功率開關(guān)管S11’的源極、第十九二極管D11’的陽極、第二十功率開關(guān)管S12’的源極、第二十二極管D12’的陽極連在一起，高頻隔離式變壓器4的第二副邊繞組N3’的非同名端與高頻隔離式變壓器4的第三副邊繞組N4的同名端連接，高頻隔離式變壓器4的第三副邊繞組N4的非同名端與所述全波式周波變換器8的第二十一功率開關(guān)管S13’的漏極、第二十一二極管D13’的陰極連接，所述全波式周波變換器8第二十一功率開關(guān)管S13’的源極、第二十一二極管D13’的陽極、第二十二功率開關(guān)管S14’的源極、第二十二二極管D14’的陽極連在一起，所述全波式周波變換器8第二十二功率開關(guān)管S14’的漏極、第二十二二極管D14’的陰極、第二十功率開關(guān)管S12’的漏極、第二十二極管D12’的陰極連于輸出濾波電感Lf的前端，濾波電感Lf的后端連于濾波電容的正極，高頻隔離式變壓器4的第二副邊繞組N3’的非同名端、高頻隔離式變壓器4的第三副邊繞組N4的同名端與濾波電容Cf的負(fù)極相連后接“地”，濾波電容Cf的兩端接交流負(fù)載ZL。

本實用新型一種高頻隔離式五電平逆變器的基本工作原理如下：輸入電壓經(jīng)直流側(cè)兩分壓電容分壓后得到Udc/2電平，輸入電源電壓經(jīng)高頻隔離五電平變換單元將其調(diào)制成雙極性的高頻脈沖電壓，通過高頻變壓器的隔離傳遞后，周波變換器將其解調(diào)成低頻脈沖電壓，再經(jīng)輸出濾波進行輸出濾波后得到穩(wěn)定或可調(diào)的正弦交流電壓u_out。逆變器可以采用基于電壓瞬時值反饋控制的有源箝位脈沖調(diào)制(SPWM)斬波的控制方式。將 逆變器輸出的電壓u_out的采樣電壓與正弦基準(zhǔn)電壓u_ref比較，該誤差電壓經(jīng)過比例積分調(diào)節(jié)器后得到誤差放大信號u_e，該誤差信號再與鋸齒形載波交截便能得到SPWM信號波，將所得SPWM信號及正弦基本信號波通過一系列的邏輯變換得到各個開關(guān)管的驅(qū)動信號。

由于逆變器具有四象限工作能力，因此可以帶阻性、容性、感性和整流性負(fù)載。在一個輸出電壓周期中，逆變器有四種工作模式，分別對應(yīng)四象限的工作，不同的負(fù)載條件下逆變器的工作順序也不同。

以高頻隔離式五電平逆變器適用于高頻電氣隔離的高壓逆變場合的全橋式拓?fù)錇槔?，高頻隔離式五電平逆變器在一個輸出電壓周期中的工作過程如下：

1)第一電平+Udc的產(chǎn)生，功率開關(guān)管S1閉合、S8閉合，功率開關(guān)管S2斷開、S3斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S7斷開、S9斷開、S10斷開。第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11導(dǎo)通，SD中的S17導(dǎo)通。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S1—二極管D2—高頻隔離式變壓器第一原邊繞組N1—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第二輸入電容C2負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11—二極管D12—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S17—二極管D18形成回路；第一電平的另一種開關(guān)模態(tài)，功率開關(guān)管S3閉合、S8閉合，S1斷開、S2斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S7斷開、S9斷開、S10斷開。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S3—二極管D4—高頻隔離式變壓器第二原邊繞組N2—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第二輸入電容C2負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S18—二極管D17—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S12—二極管D11形成回路。

2)第二電平+Udc/2的產(chǎn)生，功率開關(guān)管S1閉合、S6閉合，功率開關(guān)管S2斷開、S3斷開、S4斷開、S5斷開、S7斷開、S8斷開、S9斷開、S10斷開。第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11導(dǎo)通，SD中的S17導(dǎo)通。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S1—二極管D2—高頻隔離式變壓器第一原邊繞組N1—功率開關(guān)管S6—二極管D5—第一輸入電容C1負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11—二極管D12—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S17—二極管D18形成回路；第二電平的另一種開關(guān)模態(tài)，功率開關(guān)管S3閉合、S6閉合，S1斷開、S2斷開、S4斷開、S5斷開、S7斷開、 S8斷開、S9斷開、S10斷開。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S3—二極管D4—高頻隔離式變壓器第二原邊繞組N2—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第一輸入電容C1負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第三四象限功率開關(guān)管SD中的S16—二極管D15—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第二四象限功率開關(guān)管SA中的S14—二極管D13形成回路。

3)第三電平0的產(chǎn)生，功率開關(guān)管S1閉合，S10閉合，功率開關(guān)管S2斷開、S3斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S7斷開、S8斷開、S9斷開。第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11導(dǎo)通，第四四象限功率開關(guān)管S17導(dǎo)通。此時有回路高頻隔離變壓器第一原邊繞組N1—功率開關(guān)管S10—二極管D9—功率開關(guān)管S1—二極管D2。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11—二極管D12—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S17—二極管D18形成回路；第三電平的另一種開關(guān)模態(tài)，功率開關(guān)管S3閉合，S10閉合。功率開關(guān)管S1斷開、S2斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S74斷開、S8斷開、S9斷開。此時有回路高頻隔離變壓器第二原邊繞組N2—功率開關(guān)管S10—二極管D9—功率開關(guān)管S3—二極管D4。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S18—二極管D17—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S12—二極管D11形成回路。

4)第四電平-Udc/2的產(chǎn)生，功率開關(guān)管S1閉合、S6閉合，功率開關(guān)管S2斷開、S3斷開、S4斷開、S5斷開、S7斷開、S8斷開、S9斷開、S10斷開。第二四象限功率開關(guān)管SB中的S13導(dǎo)通，第三四象限功率開關(guān)管SC中的S15導(dǎo)通。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S1—二極管D2—高頻隔離式變壓器第一原邊繞組N1—功率開關(guān)管S6—二極管D5—第一輸入電容C1負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第二四象限功率開關(guān)管SB中的S13—二極管D14—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第三四象限功率開關(guān)管SC中的S16—二極管D15形成回路；第四電平的另一種開關(guān)模態(tài)，功率開關(guān)管S3閉合、S6閉合，S1斷開、S2斷開、S4斷開、S5斷開、S7斷開、S8斷開、S9斷開、S10斷開。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S3—二極管D4—高頻隔離式變壓器第二原邊繞組N2—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第一輸入電容C1負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S18—二極管D17—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S12—二極管D11形成回路。

5)第五電平-Udc的產(chǎn)生，功率開關(guān)管S1閉合、S8閉合，功率開關(guān)管S2斷開、S3斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S7斷開、S9斷開、S10斷開。第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11導(dǎo)通，SD中的S17導(dǎo)通。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S1—二極管D2—高頻隔離式變壓器第一原邊繞組N1—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第二輸入電容C2負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S18—二極管D17—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S12—二極管D11形成回路；第一電平的另一種開關(guān)模態(tài)，功率開關(guān)管S3閉合、S8閉合，S1斷開、S2斷開、S4斷開、S5斷開、S6斷開、S7斷開、S9斷開、S10斷開。此時有回路第一輸入電容C1正極—功率開關(guān)管S3—二極管D4—高頻隔離式變壓器第二原邊繞組N2—功率開關(guān)管S8—二極管D7—第二輸入電容C2負(fù)極。高頻變壓器4副邊感應(yīng)的能量通過高頻變壓器4的副邊繞組N3—第一四象限功率開關(guān)管SA中的S11—二極管D12—濾波器6—交流負(fù)載ZL—第四四象限功率開關(guān)管SD中的S17—二極管D18形成回路。

輸出交流電壓正半周期，在輸出濾波器前端得到第一、第二和第三種電平，在輸出交流電壓負(fù)半周期，在輸出濾波器前端得到第三、第四和第五種電平。含有這五種電平的交流電經(jīng)過濾波器后可以得到頻譜特性比較好的交流輸出電壓。