反激式五電平逆變器的制作方法

文檔序號：12728382閱讀：264來源：國知局

本發(fā)明屬于電力電子變換技術領域，特別是一種反激式五電平逆變器。

背景技術：

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

迄今為止，國內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。

傳統(tǒng)的逆變技術通常在逆變器和輸出端之間加入一級工頻變壓器來調整電壓比和作為電氣隔離，但是工頻變壓器具有體積大、會產生音頻噪聲、動態(tài)響應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的新概念，利用高頻變壓器代替工頻變壓器，克服了低頻逆變技術的缺點，顯著提高了逆變器的特性，并在市場上得到了廣泛應用。

在傳統(tǒng)的兩電平逆變器中，開關管承受的電壓應力大，不適用于高壓大功率場合。1977年德國學者Holtz首次提出了利用開關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等人又對其進行了發(fā)展，提出了二極管箝位式多電平逆變電路。經過近幾十年的發(fā)展，多電平逆變技術目前主要有三類拓撲結構：二極管箝位型逆變器、飛跨電容箝位型逆變器、具有獨立直流電源直流的級聯(lián)型逆變器。其中前兩種多電平逆變器適用于高輸入電壓大功率逆變器場合，后一種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存在拓撲形式單一、無電氣隔離等缺陷，具有獨立直流電源的級聯(lián)型多電平逆變技術存在電路拓撲復雜、輸入側功率因數低、變換效率偏低、功率密度低等缺陷。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種反激式五電平逆變器。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案為：一種反激五電平逆變器，由輸入直流電源單元、分壓電容、五電平變換單元、高頻隔離變壓器、周波變換器、輸出濾波器和輸出交流負載構成；

輸入直流電源單元用于輸入直流電源；

分壓電容用于將輸入的直流電源平均分壓；

五電平變換單元用于將平均分壓后的直流電壓調制成高頻五電平SPWM波；

高頻隔離變壓器用于實現(xiàn)直流側和交流側電氣隔離；

周波變換器用于將隔離后的高頻五電平SPWM波調制成所需頻率的SPWM波；

輸出濾波器用于將周波變換器輸出的SPWM波進行濾波處理，得到正弦波。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，其顯著優(yōu)點為：

(1)本發(fā)明將箝位型多電平拓撲和回路構造法的構造思路運用于反激型逆變電路中，并在輸入直流電源與交流負載中插入高頻隔離變壓器，實現(xiàn)了輸入側與負載側的電氣隔離，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)兩電平逆變器和新型三電平逆變器相比，該變換器能在高頻變壓器上獲得U_i、(3/4)U_i、(2/4)U_i、(1/4)U_i、-(N₁/N₂)u_o五個電平，改善了輸出電壓波形，更適用于高電壓大功率場合；

(3)本發(fā)明具有功率變換級數少(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等優(yōu)點，因而可以提高變換效率和功率密度、減小體積和重量。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種反激式五電平逆變器的電路拓撲結構圖。

圖2為本發(fā)明一種全波整流反激式五電平逆變器的電路拓撲結構圖。

具體實施方式

結合圖1、圖2，一種反激五電平逆變器，由輸入直流電源單元1、分壓電容2、五電平變換單元3、高頻隔離變壓器4、周波變換器5、輸出濾波器6和輸出交流負載7構成；該逆變器能將不穩(wěn)定的高壓直流電變換成可調的正弦交流電，并降低功率變換級數、實現(xiàn)高頻電氣隔離、適用于高壓DC/AC變換場合；

輸入直流電源單元1用于輸入直流電源；

分壓電容2用于將輸入的直流電源平均分壓；

五電平變換單元3用于將平均分壓后的直流電壓調制成高頻五電平SPWM波；

高頻隔離變壓器4用于實現(xiàn)直流側和交流側電氣隔離；

周波變換器5用于將隔離后的高頻五電平SPWM波調制成所需頻率的SPWM波；

輸出濾波器6用于將周波變換器5輸出的SPWM波進行濾波處理，得到正弦波。

進一步的，輸入直流電源單元1包括輸入直流電源U_i，分壓電容2包括第一分壓電容C₁、第二分壓電容C₂、第三分壓電容C₃和第四分壓電容C₄；第一分壓電容C₁的正極與輸入直流電源U_i的正極連接，第一分壓電容C₁的負極與第二分壓電容C₂的正極連接，第二分壓電容C₂的負極與第三分壓電容C₃的正極連接，第三分壓電容C₃的負極與第四分壓電容C₄的正極連接，第四分壓電容C₄的負極與輸入直流電源U_i的參考負極連接。

進一步的，所述五電平變換單元3包括第一功率開關管S₁、第一二極管D₁、第二功率開關管S₂、第二二極管D₂、第一雙向開關管S_A、第二雙向開關管S_B、第三雙向開關管S_C、第九功率開關管S₉、第九二極管D₉、第十功率開關管S₁₀、第十二極管D₁₀、第十一二極管D₁₁、第十二二極管D₁₂、第十三二極管D₁₃和第十四二極管D₁₄；所述的雙向開關管都是由兩個單個的功率開關管反向串聯(lián)而構成承受正向、反向的電壓應力和電流應力的開關，具有雙向阻斷能力；第一雙向開關管S_A包括第三功率開關管S₃、第三二極管D₃、第四功率開關管S₄和第四二極管D₄，第二雙向開關管S_B包括第五功率開關管S₅、第五二極管D₅、第六功率開關管S₆和第六二極管D₆，第三雙向開關管S_C包括第七功率開關管S₇、第七二極管D₇、第八功率開關管S₈和第八二極管D₈；所述高頻隔離變壓器4包括原邊繞組N₁、第一副邊繞組N₂和第二副邊繞組N₃；

第一功率開關管S₁的漏極與第一分壓電容C₁的正極相連接，第一二極管D₁反并聯(lián)于第一功率開關管S₁兩端，即第一二極管D₁的陰極與第一功率開關管S₁的漏極連接，第一二極管D₁的陽極與第一功率開關管S₁的源極連接，第一功率開關管S₁的源極與原邊繞組N₁的同名端和第十一二極管D₁₁的陰極相連接；第二功率開關管S₂的漏極與原邊繞組N₁的非同名端、第十功率開關管S₁₀的漏極、第十二極管D₁₀的陰極相連接，第二功率開關管S₂的源極與第四分壓電容C₄的負極相連接，第二二極管D₂反并聯(lián)于第二功率開關管S₂兩端，即第二二極管D₂的陰極與第二功率開關管S₂的漏極連接，第二二極管D₂的陽極與第二功率開關管S₂的源極連接，第十二極管D₁₀反并聯(lián)于第十功率開關管S₁₀兩端，即第十二極管D₁₀的陰極與第十功率開關管S₁₀的漏極連接，第十二極管D₁₀的陽極與第十功率開關管S₁₀的源極連接，同時第十功率開關管S₁₀的源極、第十二極管D₁₀的陽極和第十四二極管D₁₄的陽極相連接；

第三二極管D₃的陰極和第三功率開關管S₃的漏極同時與第一分壓電容C₁的負極和第二分壓電容C₂的正極相連接，第四二極管D₄的陰極和第四功率開關管S₄的漏極同時與第九功率開關管S₉的漏極、第九二極管D₉的陰極、第十二二極管D12的陰極相連接，第三二極管D₃的陽極、第四二極管D₄的陽極、第三功率開關管S₃的源極、第四功率開關管S₄的源極連接在一起；第九二極管D₉反并聯(lián)于第九功率開關管S₉兩端，即第九二極管D₉的陰極與第九功率開關管S₉的漏極連接，第九二極管D₉的陽極與第九功率開關管S₉的源極連接，同時第九功率開關管S₉的源極、第九二極管D₉的陽極和第十一二極管D₁₁的陽極相連接；第五二極管D₅的陰極和第五功率開關管S₅的漏極同時與第二分壓電容C₂的負極、第三分壓電容C₃的正極相連接，第六二極管D₆的陰極和第六功率開關管S₆的漏極同時與第十三二極管D₁₃的陰極、第十二二極管D₁₂的陽極相連接，第五二極管D₅的陽極、第六二極管D₆的陽極、第五功率開關管S₅的源極、第六功率開關管S₆的源極連接在一起；第七二極管D₇的陰極和第七功率開關管S₇的漏極同時與第三分壓電容C₃的負極和第四分壓電容C₄的正極相連接，第八二極管D₈的陰極和第八功率開關管S₈的漏極同時與第十三二極管D₁₃的陽極、第十四二極管D₁₄的陰極相連接，第七二極管D₇的陽極、第八二極管D₈的陽極、第七功率開關管S₇的源極、第八功率開關管S₈的源極連接在一起。

進一步的，所述周波變換器5包括第四雙向開關管S_D和第五雙向開關管S_E，第四雙向開關管S_D和第五雙向開關管S_E都是由兩個單個的功率開關管反向串聯(lián)而構成承受正向、反向的電壓應力和電流應力的開關，具有雙向阻斷功能；第四雙向開關管S_D包括第十一功率開關管S₁₁、第十二功率開關管S₁₂、第十五二極管D₁₅和第十六二極管D₁₆，第五雙向開關管S_E包括第十三功率開關管S₁₃、第十四功率開關管S₁₄、第十七二極管D₁₇和第十八二極管D₁₈；第十五二極管D₁₅的陰極和第十一功率開關管S₁₁的漏極均與第一副邊繞組N₂的非同名端相連，第十六二極管D₁₆的陰極和第十二功率開關管S₁₂的漏極同時與第十八二極管D₁₈的陰極和第十四功率開關管S₁₄的漏極連接，第十七二極管D₁₇的陰極和第十三功率開關管S₁₃的漏極同時與第二副邊繞組N₃的同名端相連，第十五二極管D₁₅的陽極、第十六二極管D₁₆的陽極、第十一功率開關管S₁₁的源極、第十二功率開關管S₁₂的源極連接在一起，第十七二極管D₁₇的陽極、第十八二極管D₁₈的陽極、第十三功率開關管S₁₃的源極、第十四功率開關管S₁₄的源極連接在一起；

進一步的，所述輸出濾波器6包含輸出濾波電容C_f，輸出濾波電容C_f的一端同時與第十六二極管D₁₆的陰極、第十二功率開關管S₁₂的漏極、第十八二極管D₁₈的陰極和第十四功率開關管S₁₄的漏極連接，輸出濾波電容C_f的另一端與第一副邊繞組N₂的同名端、第二副邊繞組N₃的非同名端連接。

進一步的，所述輸出交流負載7包含交流負載Z_L，交流負載Z_L的一端和輸出濾波電容C_f的一端連接，交流負載Z_L的另一端和輸出濾波電容C_f的另一端連接。

本發(fā)明高頻隔離式五電平逆變器的基本工作原理如下：本逆變器可以采用SPWM控制方式。當高壓直流輸入電源U_i向交流負載Z_L傳遞功率時，輸入電壓U_i經分壓電容和五電平變換單元后可得到U_i、3U_i/4、2U_i/4、U_i/4、-(N₁/N₂)U_o五個電平，通過高頻變壓器的隔離、傳遞后，周波變換器將其解調成低頻脈沖電壓，再經輸出濾波器進行輸出濾波后得到穩(wěn)定或可調的正弦交流電壓u_o。

該逆變器直流側有四個分壓電容，閉環(huán)控制需要采樣四個電容的電壓U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和輸出電壓u_o，保證逆變器工作時輸入側四個電容電壓均衡和輸出電壓u_o的波形質量好。該逆變器采用基于電壓瞬時值反饋控制的有源箝位脈沖調制(SPWM)斬波的控制方式，將逆變器輸出的電壓u_o的采樣電壓與正弦基準電壓u_ref比較，該誤差電壓經過比例積分調節(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開關管的驅動信號。采樣四個電容的電壓為U_C1、U_C2、U_C3、U_C4，比較四個電壓值的大小，得到最大值，這選擇出了該開關周期內哪個電容的工作時間最長，按照最優(yōu)開關序列的選取原則，可以選擇出哪些開關管工作，哪些開關管不工作。根據輸入側四個電容的電壓值選擇出不同的電容組合，若U_C1的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供電平U_i，由C₁、C₂、C₃提供電平(3/4)U_i，由C₁，C₂提供2/4U_i，由C₁提供(1/4)U_i；若U_C2的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供電平U_i，由C₁、C₂、C₃提供電平(3/4)U_i，由C₁，C₂提供(2/4)U_i，由C₂提供(1/4)U_i。若U_C3的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供電平U_i，由C₂、C₃、C₄提供電平(3/4)U_i，由C₃，C₄提供(2/4)U_i，由C₃提供(1/4)U_i；若U_C4的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供電平U_i，由C₂、C₃、C₄提供電平(3/4)U_i，由C₃，C₄提供(2/4)U_i，由C₄提供(1/4)U_i。