專利名稱：一種雙向級聯升降壓直流－交流變換器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種雙向級聯升降壓直流-交流變換器，屬于電力電子技術領域。
背景技術：
如今，直流-交流變換器已在商業和工業領域中得到了廣泛的應用。例如，電動汽 車驅動系統、儲能系統、可再生能源發電系統等等中都會用到直流-交流變換器。目前，傳 統的電壓源型變換器的在這些應用中占有較大的市場份額。由于傳統的電壓源型變換器 本質上是基于降壓型直流_直流變換電路拓撲，因此這類型的直流_交流變換器只能運行 在降壓輸出的狀態。但是，在很多應用場合中，如電動汽車、燃料電池、光伏發電系統中，都 要求直流-交流變換器同時具有升壓和降壓輸出能力。不僅如此，在某些應用中還需要直 流-交流變換器具有雙向的能量流動能力，例如雙饋式風力發電系統，軌道交通牽引系統、 并網電儲能系統等等。針對這些應用場合，需要一種既具有雙向能量流動能力又具有升降 壓運行能力的直流_交流變換器。針對雙向升降壓直流_交流變換器的研發，目前已有一些報道。其中較有代表性 的是傳統升壓逆變器方案，ζ源逆變器方案(F.Z.Peng，Z-source inverter, IEEE Trans. Ind. App 1.，vol. 39，no. 2，pp. 504—510，Mar/Apr. 2003)和差動輸出方案(R. 0. Caceres and I. Barbi, A Boost DC-AC Converter Analysis, Design, and Experimentation, IEEE Trans. Power Electron.，vol. 14，no. 1，pp. 134-141，Jan. 1999.)。傳統升壓逆變器由一個 雙向升壓式直流_直流變換電路和一個降壓型電壓源型逆變電路級聯而成，這兩級電路分 別需要一個電感和一個電容作為主要儲能元件，從而使得該方案的體積、重量和成本上都 較高。而且，由于在交流應用中負載瞬時功率是時刻波動的，大幅變化的工作點使得其雙向 升壓式直流_直流變換電路控制困難。Z源逆變器方案雖然能夠將傳統升壓逆變器的兩級 結構合并為一級，從而克服其體積、重量上的缺陷，但由于Z源逆變器系統的階數較高，其 控制和調制策略較為復雜，輸出的動態性能得不到很好地保障。差動輸出方案中，總電路由 兩級具有相同結構的雙向升壓或升降壓直流_直流變換電路組成，總電路的輸出是這兩級 電路輸出的差。這種方案也能夠克服傳統升壓逆變器成本和效率上的不足，但由于升壓或 升降壓直流-直流變換電路本質上存在控制自由不夠的問題，在交流應用中由于工作點的 大幅變化，系統的控制也十分困難。
發明內容
本發明的目的是提出一種雙向級聯升降壓直流_交流變換器，以使變換器同時具 有雙向能量流動和升降壓功能，并使變換器的體積較小、重量和成本較低。本發明提出的雙向級聯升降壓直流_交流變換器，包括 降壓級電路，用于將直流輸入電壓轉換為雙極性的脈寬調制輸出電壓，并具有降 壓能力。降壓級電路由第一晶體管、第二晶體管、第一二極管、第二二極管、直流電壓輸入正 極端子、直流電壓輸入負極端子、降壓級輸出參考正極端子和降壓級輸出參考負極端子組成；第一晶體管的集電極與直流電壓輸入正極端子相連，第一晶體管的發射極與降壓級輸 出參考正極端子相連，第一二極管的陽極與直流電壓輸入負極端子相連，第一二極管的陰 極與降壓級輸出參考正極端子相連；第二晶體管的發射極與直流電壓輸入負極端子相連， 第二晶體管的集電極與降壓級輸出參考負極端子相連，第二二極管的陰極與直流電壓輸入 正極端子相連，第二二極管的陽極與降壓級輸出參考負極端子相連；升壓級電路，用于將直流輸入電流轉換為雙極性的脈寬調制輸出電流后注入到輸 出電容中，從而實現雙極性的電壓輸出，并具有升壓能力。升壓級電路由第三晶體管、第四 晶體管、第五晶體管和第六晶體管、輸出電容、升壓級電路輸入參考正極端子、升壓級電路 輸入參考負極端子、交流電壓輸出參考正極端子和交流電壓輸出參考負極端子組成；第三 晶體管的集電極與升壓級電路輸入參考正極端子相連，第三晶體管的發射極與交流電壓輸 出參考正極端子相連；第四晶體管的發射極與升壓級電路輸入參考負極端子相連，第四晶 體管的集電極與交流電壓輸出參考正極端子相連；第五晶體管的集電極與升壓級電路輸入 參考正極端子相連，第五晶體管的發射極與交流電壓輸出參考負極端子相連；第六晶體管 的發射極與升壓級電路輸入參考負極端子相連，第六晶體管的集電極與交流電壓輸出參考 負極端子相連；輸出電容的兩端分別與交流電壓輸出參考正極端子和交流電壓輸出參考負 極端子相連。直流母線電感，用于存儲能量，并保證直流母線電流有較小的紋波。直流母線電感 串聯在上述降壓級輸出參考正極端子和上述升壓級電路輸入參考正極端子之間，或者串連 在上述降壓級輸出參考負極端子和上述升壓級電路輸入參考負極端子之間，或同時串聯在 上述降壓級輸出參考正極端子和上述升壓級電路輸入參考正極端子之間以及上述降壓級 輸出參考負極端子和上述升壓級電路輸入參考負極端子之間；上述直流-交流變換器，其中的第一晶體管和第二晶體管為絕緣柵雙極型晶體 管、金屬_氧化層_半導體_場效晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管中的任 何一種。上述直流-交流變換器中，所述的第三晶體管、第四晶體管、第五晶體管和第六晶 體管為門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或反向阻斷型絕緣柵雙極型晶體管中的任 何一種。本發明提出的雙向級聯升降壓直流-交流變換器，其優點是，相比傳統升壓逆變 器方案、Z源逆變器方案和差動輸出方案，由于變換器中只有一個儲能電感器，因此具有較 小體積、較輕的重量和較低的成本；同時根據其工作原理可知，本變換器具有雙向能量流 動能力，既可升壓也可降壓運行。此外，本變換器的動態模型結構簡單、階數低，因此相比傳 統方案，其動態性能更加優良，控制系統的軟件設計也更加簡單。
圖1是本發明提出的雙向級聯升降壓直流-交流變換器的電路圖。 圖2是本發明提出的雙向級聯升降壓直流-交流變換器的直流母線電感的三種具 體實施方式，其中圖2(a)是直流母線電感串聯在降壓級輸出參考正極端子和升壓級電路 輸入參考正極端子之間的實施示意圖，圖2(b)是直流母線電感串聯在降壓級輸出參考負 極端子和升壓級電路輸入參考負極端子之間的實施示意圖，圖2(c)是直流母線電感同時串聯在降壓級輸出參考正極端子和升壓級電路輸入參考正極端子之間以及降壓級輸出參 考負極端子和升壓級電路輸入參考負極端子之間的實施示意圖。圖3是本發明變換器中降壓級電路的導通模式示意圖，其中圖3(a)是降壓級電路 處于正向降壓導通模式下的開關器件導通情況，圖3(b)是降壓級電路處于續流導通模式 下的開關器件導通情況，圖3(c)是降壓級電路處于反向降壓導通模式下的開關器件導通 情況。圖4是本發明變換器中升壓級電路的導通模式示意圖，其中圖4(a)是升壓級電路 處于正向升壓導通模式下的開關器件導通情況，圖4(b)是升壓級電路處于續流模式下的 開關器件導通情況，圖4(c)是升壓級電路處于反向升壓導通模式下的開關器件導通情況。圖5是本發明變換器的等效電路圖及工作原理示意圖。圖1-圖4中，1-1是正極端子，1-2是負極端子，2是降壓級電路，3是，4是直流母 線電感，6是升壓級電路。
具體實施方式
本發明提出的雙向級聯升降壓直流-交流變換器，其結構如圖1所示，包括降壓級電路2，用于將直流輸入電壓轉換為雙極性的脈寬調制輸出電壓，并具有 降壓能力。降壓級電路2由第一晶體管2-1、第二晶體管2-4、第一二極管2-2、第二二極 管2-3、直流電壓輸入正極端子1-1、直流電壓輸入正極端子1-2、降壓級輸出參考正極端子 3-1和降壓級輸出參考負極端子3-2組成；第一晶體管2-1的集電極與直流電壓輸入正極 端子1-1相連，第一晶體管2-1的發射極與降壓級輸出參考正極端子3-1相連，第一二極管 2-2的陽極與直流電壓輸入正極端子1-2相連，第一二極管2-2的陰極與降壓級輸出參考 正極端子3-1相連；第二晶體管2-4的發射極與直流電壓輸入正極端子1-2相連，第二晶體 管2-4的集電極與降壓級輸出參考負極端子3-2相連，第二二極管2-3的陰極與直流電壓 輸入正極端子1-1相連，第二二極管2-3的陽極與降壓級輸出參考負極端子3-2相連；升壓級電路6，用于將直流輸入電流轉換為雙極性的脈寬調制輸出電流后注入到 輸出電容6-5中，從而實現雙極性的電壓輸出，并具有升壓能力。升壓級電路6由第三晶 體管6-1、第四晶體管6-2、第五晶體管6-3和第六晶體管6-4、輸出電容6_5、升壓級電路輸 入參考正極端子5-1、升壓級電路輸入參考負極端子5-2、交流電壓輸出參考正極端子7-1 和交流電壓輸出參考負極端子7-2組成；第三晶體管6-1的集電極與升壓級電路輸入參考 正極端子5-1相連，第三晶體管6-1的發射極與交流電壓輸出參考正極端子7-1相連；第四 晶體管6-2的發射極與升壓級電路輸入參考負極端子5-2相連，第四晶體管6-2的集電極 與交流電壓輸出參考正極端子7-1相連；第五晶體管6-3的集電極與升壓級電路輸入參考 正極端子5-1相連，第五晶體管6-3的發射極與交流電壓輸出參考負極端子7-2相連；第六 晶體管6-4的發射極與升壓級電路輸入參考負極端子5-2相連，第六晶體管6-4的集電極 與交流電壓輸出參考負極端子7-2相連；輸出電容6-5的兩端分別與交流電壓輸出參考正 極端子7-1和交流電壓輸出參考負極端子7-2相連。直流母線電感4，用于存儲能量，并保證直流母線電流有較小的紋波。直流母線 電感串聯在上述降壓級輸出參考正極端子3-1和上述升壓級電路輸入參考正極端子5-1 之間，或者串連在上述降壓級輸出參考負極端子3-2和上述升壓級電路輸入參考負極端子5-2之間，或同時串聯在上述降壓級輸出參考正極端子3-1和上述升壓級電路輸入參考正 極端子5-1之間以及上述降壓級輸出參考負極端子3-2和上述升壓級電路輸入參考負極端 子5-2之間；所述的 第一晶體管2-1和第二晶體管2-4為絕緣柵雙極型晶體管、金屬_氧化 層_半導體_場效晶體管、門極可關斷晶閘管或集成門極換流晶閘管中的任何一種。第三晶體管6-1、第四晶體管6-2、第五晶體管6-3和第六晶體管6_4為門極可關 斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或反向阻斷型絕緣柵雙極型晶體管中的任何一種。圖2是本發明提出的雙向級聯升降壓直流-交流變換器的直流母線電感4的三種具體實施方式
，其中圖2(a)是直流母線電感4串聯在降壓級輸出參考正極端子3-1和升壓 級電路輸入參考正極端子5-1之間的實施示意圖，圖2(b)是直流母線電感4串聯在降壓級 輸出參考負極端子3-2和升壓級電路輸入參考負極端子5-2之間的實施示意圖，圖2 (c)是 直流母線電感4同時串聯在降壓級輸出參考正極端子3-1和升壓級電路輸入參考正極端子 5-1之間以及降壓級輸出參考負極端子3-2和升壓級電路輸入參考負極端子5-2之間的實 施示意圖。圖3 圖5是本發明提出的雙向級聯升降壓直流_交流變換器的工作原理和工作 過程。圖3是本發明變換器中降壓級電路的導通模式示意圖。加粗的部分表示的是電流 的通路。圖3(a)表示的是降壓級電路處于正向降壓導通模式下的開關器件導通情況。在 正向降壓導通模式下，降壓級電路的第一晶體管2-1、第二晶體管2-4導通，而第一二極管 2-2、第二二極管2-3關斷。電流從直流電壓輸入正極端子1-1流出，經過第一晶體管2-1、 第二晶體管2-4、直流母線電感4以及升壓級電路后，從直流電壓輸入負極端子1-2流回。 在這種導通情況下，降壓級電路的開關函數Sbu。k。n取值為1。圖3(b)表示的是降壓級電路處于續流導通模式下的開關器件導通情況。在續流 導通模式下，降壓級電路中第二晶體管2-4和第一二極管2-2導通，而第一晶體管2-1和第 二二極管2-3關斷。電流從導通的第一二極管2-2流出，流經過直流母線電感4以及升壓 級電路后，從導通的第二晶體管2-4流回。在這種導通情況下，降壓級電路的開關函數Sbu。k。n 取值為0。圖3(c)表示的是降壓級電路處于反向降壓導通模式下的開關器件導通情況。在 反向降壓導通模式下，降壓級電路中的第一二極管2-2、第二二極管2-3導通，而第一晶體 管2-1和第二晶體管2-4關斷。電流直流電壓輸入負極端子1-2流出，經過第一二極管2-2、 第二二極管2-3、直流母線電感4以及升壓級電路后，從直流電壓輸入正極端子1-1流回。 在這種導通情況下，降壓級電路的開關函數Sbu。k。n取值為-1。圖4是本發明變換器中升壓級電路的導通模式示意圖。加粗的部分表示的是電流 的通路。圖4(a)表示的是升壓級電路處于正向升壓導通模式下的開關器件導通情況。在 正向升壓導通模式下，升壓級電路中，第三晶體管6-1以及第六晶體管6-4導通，而第四晶 體管6-2和第五晶體管6-3關斷。電流從升壓級電路輸入參考正極端子5-1流出，經過第 三晶體管6-1以及第六晶體管6-4、輸出電容6-5，以及負載后，從升壓級電路輸入參考負極端子5-2流回。在正向升壓導通模式下，升壓級電路的開關函數S—^取1。圖4(b)表示的是升壓級電路處于續流模式下的開關器件導通情況。在續流模式 下，升壓級電路中，第三晶體管6-1以及第四晶體管6-2導通，而第五晶體管6-3和第六晶 體管6-4關斷。電流從升壓級電路輸入參考正極端子5-1流出，經過第三晶體管6-1以及 第四晶體管6-2，從升壓級電路輸入參考負極端子5-2流回，同時，輸出電容6-5和負載之間 形成的回路中也有電流流過。在續流模式下，升壓級電路的開關函數3— 取0。圖4(c)表示的是升壓級電路處于反向升壓導通模式下的開關器件導通情況。在 反向升壓導通模式下，升壓級電路中，第五晶體管6-3以及第四晶體管6-2導通，而第三晶 體管6-1和第六晶體管6-4關斷。電流從升壓級電路輸入參考正極端子5-1流出，經過第 五晶體管6-3以及第四晶體管6-2、輸出電容6-5，以及負載后，從升壓級電路輸入參考負極 端子5-2流回。在反向升壓導通模式下，升壓級電路的開關函數Sb。。st。ff取-1。圖5是本發明變換器的等效電路圖及工作原理示意圖。該等效電路圖的建立是 基于前述降壓級電路以及升壓級電路的導通模式。通過所述的直流-交流變換器的控制 軟件，適當改變降壓級電路以及升壓級電路的導通模式，從而調節降壓級電路的開關函數 Sbu。k。n和升壓級電路的開關函數Sb。。st。ff，保持流過直流母線電感的直流母線電流k開關周 期平均值恒定。這里，直流母線電流ι的開關周期平均值I定義為^ = -)0 iLdt其中T為開關周期。以下其他變量的開關周期平均值定義類似。在這種控制方式下，有Wout = ^buckon Um
boostoff其中，‘和^out分別是輸入電壓和輸出電壓的開關周期平均值，Dbu。k。n*Db。。st。ff 分別是降壓級電路的開關函數sbu。k。n和升壓級電路的開關函數的開關周期平均值，取值在 [_1，1]之間。電路的輸入平均功率為iL =AuckonVL由以上兩式可以看出，1)當|Dbu。k。n|彡Dboostoff時，輸出電壓高于輸入電壓，電路具有升壓功能。2)當|Dbu。k。n| ^ |Dboostoff|是，輸出電壓低于輸入電壓，電路具有降壓功能。3) Dbuckon和Db。。st。ff都具有雙極性，因此輸出電壓也具有雙極性，即電路能夠產生具 有雙極性電壓的交流輸出。4) Dbuckon和Db。。st。ff都具有雙極性，因此輸入平均功率A也具有雙極性，即電路可 以實現能量的雙向流動。雖然本發明參照其特定示例性實施方案進行了描述和解釋，但這并非試圖將本發 明限制在這些示例性實施例上，本領域技術人員將能夠做出變形和修改而不偏離下邊權利 要求所定義的本發明的實質范圍。因此，這意味著在本發明中包含所有這些落在所附權利 要求和其等效的范圍中的變形和修改。
權利要求
1.一種雙向級聯升降壓直流-交流變換器，其特征在于該變換器包括降壓級電路，用于將直流輸入電壓轉換為雙極性的脈寬調制輸出電壓，并具有降壓能 力。降壓級電路由第一晶體管、第二晶體管、第一二極管、第二二極管、直流電壓輸入正極端 子、直流電壓輸入負極端子、降壓級輸出參考正極端子和降壓級輸出參考負極端子組成；第 一晶體管的集電極與直流電壓輸入正極端子相連，第一晶體管的發射極與降壓級輸出參考 正極端子相連，第一二極管的陽極與直流電壓輸入負極端子相連，第一二極管的陰極與降 壓級輸出參考正極端子相連；第二晶體管的發射極與直流電壓輸入負極端子相連，第二晶 體管的集電極與降壓級輸出參考負極端子相連，第二二極管的陰極與直流電壓輸入正極端 子相連，第二二極管的陽極與降壓級輸出參考負極端子相連；升壓級電路，用于將直流輸入電流轉換為雙極性的脈寬調制輸出電流后注入到輸出電 容中，從而實現雙極性的電壓輸出，并具有升壓能力。升壓級電路由第三晶體管、第四晶體 管、第五晶體管和第六晶體管、輸出電容、升壓級電路輸入參考正極端子、升壓級電路輸入 參考負極端子、交流電壓輸出參考正極端子和交流電壓輸出參考負極端子組成；第三晶體 管的集電極與升壓級電路輸入參考正極端子相連，第三晶體管的發射極與交流電壓輸出參 考正極端子相連；第四晶體管的發射極與升壓級電路輸入參考負極端子相連，第四晶體管 的集電極與交流電壓輸出參考正極端子相連；第五晶體管的集電極與升壓級電路輸入參考 正極端子相連，第五晶體管的發射極與交流電壓輸出參考負極端子相連；第六晶體管的發 射極與升壓級電路輸入參考負極端子相連，第六晶體管的集電極與交流電壓輸出參考負極 端子相連；輸出電容的兩端分別與交流電壓輸出參考正極端子和交流電壓輸出參考負極端 子相連。直流母線電感，用于存儲能量，并保證直流母線電流有較小的紋波。直流母線電感串聯 在上述降壓級輸出參考正極端子和上述升壓級電路輸入參考正極端子之間，或者串連在上 述降壓級輸出參考負極端子和上述升壓級電路輸入參考負極端子之間，或同時串聯在上述 降壓級輸出參考正極端子和上述升壓級電路輸入參考正極端子之間以及上述降壓級輸出 參考負極端子和上述升壓級電路輸入參考負極端子之間；
2.如權利要求1所述的直流_交流變換器，其特征在于其中所述的第一晶體管和第二 晶體管為絕緣柵雙極型晶體管、金屬_氧化層_半導體_場效晶體管、門極可關斷晶閘管或 集成門極換流晶閘管中的任何一種。
3.如權利要求1所述的直流-交流變換器，其特征在于其中所述的第三晶體管、第四晶 體管、第五晶體管和第六晶體管為門極可關斷晶閘管、集成門極換流晶閘管或反向阻斷型 絕緣柵雙極型晶體管中的任何一種。
全文摘要
本發明涉及一種雙向級聯升降壓直流-交流變換器，屬于電力電子技術領域。包括降壓級電路、直流母線電感、升壓級電路和控制電路。降壓級電路由兩個全控器件和兩個二極管組成H橋結構，能夠在直流母線上產生雙極性的交流電壓；升壓級電路由四個單向全控開關器件形成H橋結構，能夠再輸出端產生雙極性的交流電壓。本發明的變換器中，控制電路通過適當改變降壓級電路以及升壓級電路各自的導通模式，控制直流母線電流的開關周期平均值恒定，從而保證變流器具有升降壓能力，雙向能量流動的能力以及直流-交流變換能力。
文檔編號H02M7/527GK102097969SQ201110020718
公開日2011年6月15日 申請日期2011年1月18日 優先權日2011年1月18日
發明者周宏林, 楊耕, 耿華, 肖帥 申請人:清華大學