正激式五電平逆變器的制作方法

本發明屬于電力電子變換技術領域，特別是一種正激式五電平逆變器。

背景技術：

直-交(DC-AC)變換技術是指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、科研院所、大學實驗室和日常生活中。隨著新能源技術的發展與應用，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、直-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、低頻或中頻隔離式直-交型多電平直-交變換器，而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。

多電平逆變器主要有三類拓撲結構：(1)二極管箝位型逆變器、(2)電容箝位型逆變器、(3)具有獨立直流電源直流的級聯型逆變器。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器具有適用與高輸入電壓大功率逆變器場合的優點：具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變器具有適用于低輸入、高輸出電壓大功率逆變場合的優點。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。

高頻環節逆變技術用高頻變壓器代替了低頻環節逆變技術中的工頻變壓器，克服了低頻逆變技術的缺點，顯著提高了逆變器的特性，必將取代低頻環節逆變器，得到廣泛應用。隨著航空科技和航空電子的快速發展，飛機二次電源必須向高功率密度、高效率和模塊化方向發展；另外再生能源的開發利用中，適用于太陽能陣列與電網并聯的逆變器和燃料電池逆變器以及不間斷電源等逆變場合，高頻環節逆變器都具有廣泛的應用前景，特別是對逆變器的體積、重量有較高要求的逆變場合有更重要的應用前景。

進十年來，圍繞高頻環節逆變技術，國內外學者做了大量的研究工作，取得了不少的有價值的研究成果。1990年S.R.Narayana Prakask等人提出的“單向Buck型高頻環節逆變器”，由高頻電氣隔離的DC/DC變換器和buck型逆變橋級聯而成，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PWM技術時功率器件開關損耗大、成本高等特點。I.Yamato等人于1988年提出了“雙向Buck型高頻環節逆變器”，該逆變器由高頻電氣隔離逆變器與Buck型周波變換器級聯而成，由四象限功率開關構成的周波變換器在任何導通周期均有兩個或四個功率器件同時導通，導通損耗較大。具有雙向功率流、直流—高頻脈沖交流—低頻交流的兩級結構、效率較高、導通損耗大等特點。但是這種“雙向Buck型高頻環節逆變器”在濾波電感前端產生的電壓為±Ui兩電平或為±Ui、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，功率開關管的電壓應力要低，所以這一固有缺陷制約了這種“雙向Buck型高頻環節逆變器”在高輸入電壓大功率逆變器場合的應用。

而目前所研究的高頻隔離型式多電平拓撲結構大多數集中在中間帶有直流環節的單向Buck型高頻環節逆變器。只是在高頻電氣隔離的DC/DC變換器中加入了多電平技術。只是減小了高頻電氣隔離的DC/DC變換器中開關管的電壓應力，而在輸出濾波電感前端并沒有真正實現多電平，并沒有減小Buck型逆變橋的開關管的電壓應力，輸出濾波電感電容值都沒有得到減小。而且這種多電平拓撲是在單向Buck型高頻環節逆變器的基礎上提出的，由于單向Buck型高頻環節逆變器的固有缺陷，所以這一系列的高頻隔離型式多電平拓撲應用場合受到限制。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種正激式五電平逆變器。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種正激式五電平逆變器，由依次連接的輸入直流電源單元、分壓電容、正激式五電平變換單元、周波變換器、輸出濾波器和輸出交流負載構成，其中：

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；

正激式五電平變換單元用于將分壓電容產生的電平調制成雙極性、多電平的高頻脈沖電壓；

周波變換器用于將雙極性高頻脈沖電壓解調成單極性低頻脈沖電壓；

輸出濾波器用于對周波變換器輸出的低頻脈沖進行濾波處理。

本發明與現有技術相比，其顯著優點為：

(1)將箝位型多電平拓撲的構造思路運用于Buck型逆變器中，并在輸入直流電源與交流負載中插入高頻隔離變壓器，實現了輸入側與負載側的電氣隔離；高頻隔離變壓器的使用實現了變換器的小型化、輕量化，提高了變換器的效率；

(2)與傳統的“雙向Buck型高頻環節逆變器”相比，本發明在輸出濾波電感前端能夠得到五電平，從而減小了功率開關管的電壓應力，拓寬了功率開關管的選擇范圍，濾波電感電容值都得以減小；在民用、工業、國防等要求電氣隔離的高壓大容量逆變場合，采用本發明的逆變拓撲可以很好的適應，是比較理想的逆變電源解決方案；

(3)本發明中的高頻隔離變壓器磁芯能夠在每個開關周期被雙向磁化，提高了變壓器磁芯的利用率；

(4)本發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點，因而提高了變換效率和功率密度、減小了體積和重量。

附圖說明

圖1是本發明正激式五電平逆變器的電路拓撲結構圖。

圖2是本發明半波整流正激式五電平逆變器的電路拓撲結構圖。

圖3是本發明全波整流正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3，本發明的一種正激式五電平逆變器，由依次連接的輸入直流電源單元1、分壓電容2、正激式五電平變換單元3、周波變換器4、輸出濾波器5和輸出交流負載6構成，其中：

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；

正激式五電平變換單元3用于將分壓電容2產生的電平調制成雙極性、多電平的高頻脈沖電壓；

周波變換器4用于將雙極性高頻脈沖電壓解調成單極性低頻脈沖電壓；

輸出濾波器5用于對周波變換器4輸出的低頻脈沖進行濾波處理。

進一步的，所述輸入直流電源單元1包括輸入直流電源Ui，輸入直流電源單元Ui與分壓電容連接。

進一步的，所述分壓電容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單元Ui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Ui的參考負極連接。

進一步的，所述正激式五電平變換單元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、第三功率開關管S3、第三二極管D3、第四功率開關管S4、第四二極管D4、第五功率開關管S5、第五二極管D5、第六功率開關管S6、第六二極管D6、第七功率開關管S7、第七二極管D7、第八功率開關管S8、第八二極管D8、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、第十四二極管D14、第十五二極管D15、第十六二極管D16、第十七二極管D17、第十八二極管D18、高頻隔離式變壓器T第一原邊繞組N1、高頻隔離式變壓器T第二原邊繞組N2以及高頻隔離式變壓器T副邊繞組；

所述第一功率開關管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的源極與第二功率開關管S2的漏極連接，第二二極管D2反并聯于第二功率開關管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，第二功率開關管S2的源極與第三功率開關管S3的漏極連接，第三二極管D3反并聯于第三功率開關管S3兩端，即第三二極管D3的陰極與第三功率開關管S3的漏極連接，第三二極管D3的陽極與第三功率開關管S3的源極連接，第三功率開關管S3的源極與第一原邊繞組N1的同名端連接，第一原邊繞組N1的非同名端與第四功率開關管S4的漏極連接，第四二極管D4反并聯于第四功率開關管S4兩端，即第四二極管D4的陰極與第四功率開關管S4的漏極連接，第四二極管D4的陽極與第四功率開關管S4的源極連接，第四功率開關管S4的源極與第四分壓電容C4的負極連接，第五功率開關管S5的漏極與第一分壓電容C1的正極連接，第五二極管D5反并聯于第五功率開關管S5兩端，即第五二極管D5的陰極與第五功率開關管S5的漏極連接，第五二極管D5的陽極與第五功率開關管S5的源極連接，第五功率開關管S5的源極與第二原邊繞組N2的非同名端連接，第二原邊繞組N2的同名端與第六功率開關管S6的漏極連接，第六二極管D6反并聯于第六功率開關管S6兩端，即第六二極管D6的陰極與第六功率開關管S6的漏極連接，第六二極管D6的陽極與第六功率開關管S6的源極連接，第六功率開關管S6的源極與第七功率開關管S7的漏極連接，第七二極管D7反并聯于第七功率開關管S7兩端，即第七二極管D7的陰極與第七功率開關管S7的漏極連接，第七二極管D7的陽極與第七功率開關管S7的源極連接，第七功率開關管S7的源極與第八功率開關管S8的漏極連接，第八二極管D8反并聯于第八功率開關管S8兩端，即第八二極管D8的陰極與第八功率開關管S8的漏極連接，第八二極管D8的陽極與第八功率開關管S8的源極連接，第八功率開關管S8的源極與第四分壓電容C4的負極連接，第九功率開關管S9的漏極與第四功率開關管S4的漏極連接，第九二極管D9反并聯于第九功率開關管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，第九功率開關管S9的源極與第十一二極管D11的陽極連接，第十一二極管D11的陰極與第四分壓電容C4的正極連接，第十功率開關管S10的漏極與第二分壓電容C2的正極連接，第十二極管D10反并聯于第十功率開關管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，第十功率開關管S10的源極與第十二二極管D12的陽極連接，第十二二極管D12的陰極與第五功率開關管S5的源極連接，第十三二極管D13的陽極與第二分壓電容C2的正極連接，陰極與第一功率開關管S1的源極連接，第十四二極管D14的陽極與第三分壓電容C3的正極連接，陰極與第二功率開關管S2的源極連接，第十五二極管D15的陽極與第四分壓電容C4的正極連接，陰極與第三功率開關管S3的源極連接，第十六二極管D16的陽極與第六功率開關管S6的漏極連接，陰極與第二分壓電容C2的正極連接，第十七二極管D17的陽極與第七功率開關管S7的漏極連接，陰極與第三分壓電容C3的正極連接，第十八二極管D18的陽極與第八功率開關管S8的漏極連接，陰極與第四分壓電容C4的正極連接；所述半波式周波變換器4包括第一雙向功率開關管S_A和第二雙向功率開關管S_B，副邊繞組的同名端與第一雙向功率開關管S_A的一端連接，第一雙向功率開關管S_A的另一端與第二雙向功率開關管S_B的一端連接，第二雙向功率開關管S_B的另一端與副邊繞組的非同名端連接。

進一步的，如圖2所示，所述副邊繞組包括第一副邊繞組N3，第一副邊繞組N3的同名端與第一雙向功率開關管S_A的一端連接，第一雙向功率開關管S_A的另一端與第二雙向功率開關管S_B的一端連接，第二雙向功率開關管S_B的另一端與第一副邊繞組N3的非同名端連接。

所述第一雙向功率開關管S_A包括第十一功率開關管S_a、第十九二極管D_a、第十二功率開關管S_b、第二十二極管D_b，第二雙向功率開關管S_D包括第十三功率開關管S_c、第二十一二極管D_c、第十四功率開關管S_d、第二十二二極管D_d，第十一功率開關管S_a的漏極與第十九二極管D_a的陰極相連作為第一雙向功率開關管S_A的一端，與第一副邊繞組N3的同名端連接，第十二功率開關管S_b的漏極與第二十二極管D_b的陰極相連作為第一雙向功率開關管S_A的另一端，與第二雙向功率開關管S_B連接，第十一功率開關管S_a的源極、第十二功率開關管S_b的源極、第十九二極管D_a的陽極、第二十二極管D_b的陽極連接在一起；第十三功率開關管S_c的漏極與第二十一二極管D_c的陰極同時與第十二功率開關管S_b的漏極與第二十二極管D_b的陰極相連，第十四功率開關管S_d的漏極與第二十二二極管D_d的陰極相連，同時與第一副邊繞組N3的非同名端連接，第十三功率開關管S_c的源極、第十四功率開關管S_d的源極、第二十一二極管D_c的陽極、第二十二二極管D_d的陽極連接在一起。

所述輸出濾波器5包括輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf；輸出濾波電感Lf的一端同時與第一雙向功率開關管S_A和第二雙向功率開關管S_B的一端連接，輸出濾波電感Lf的另一端與輸出濾波電容Cf的一端連接，輸出濾波電容Cf的另一端與第一副邊繞組N3的非同名端、第二雙向功率開關管S_B的另一端連接；

所述輸出交流負載6包括交流負載Z_L，交流負載Z_L的一端與輸出濾波電容Cf的一端、輸出濾波電感Lf的另一端連接，交流負載Z_L的另一端與輸出濾波電容Cf的另一端連接。

進一步的，如圖3所示，所述副邊繞組包括第一副邊繞組N3和第二副邊繞組N4，第一副邊繞組N3的同名端與第一雙向功率開關管S_A的一端連接，第一副邊繞組N3的非同名端與第二副邊繞組N4的同名端連接，第二副邊繞組N4的非同名端與第二雙向功率開關管S_B的一端連接。

所述第一雙向功率開關管S_A包括第十一功率開關管S_a、第十九二極管D_a、第十二功率開關管S_b、第二十二極管D_b，第二雙向功率開關管S_D包括第十三功率開關管S_c、第二十一二極管D_c、第十四功率開關管S_d、第二十二二極管D_d，第十一功率開關管S_a的漏極與第十九二極管D_a的陰極相連作為第一雙向功率開關管S_A的一端，與第一副邊繞組N3的同名端連接，第十二功率開關管S_b的漏極與第二十二極管D_b的陰極相連作為第一雙向功率開關管S_A的另一端，與第二雙向功率開關管S_B連接，第十一功率開關管S_a的源極、第十二功率開關管S_b的源極、第十九二極管D_a的陽極、第二十二極管D_b的陽極連接在一起；第十三功率開關管S_c的漏極與第二十一二極管D_c的陰極同時與第二副邊繞組N4的非同名端連接，第十四功率開關管S_d的漏極與第二十二二極管D_d的陰極相連，同時與第十二功率開關管S_b的漏極與第二十二極管D_b的陰極相連，第十三功率開關管S_c的源極、第十四功率開關管S_d的源極、第二十一二極管D_c的陽極、第二十二二極管D_d的陽極連接在一起。

所述輸出濾波器包括輸出濾波電感Lf和輸出濾波電容Cf；輸出濾波電感Lf的一端同時與第一雙向功率開關管S_A和第二雙向功率開關管S_B的一端連接，輸出濾波電感Lf的另一端與輸出濾波電容Cf的一端連接，輸出濾波電容Cf的另一端與第一副邊繞組N3的非同名端、第二副邊繞組N4的同名端連接；

所述輸出交流負載包括交流負載Z_L，交流負載Z_L的一端同時與輸出濾波電容Cf和輸出濾波電感Lf的一端連接，交流負載Z_L的另一端與輸出濾波電容Cf的另一端連接。

本發明正激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。輸入電壓經直流側四分壓電容分壓后得到四種電平(+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4)，分壓后的輸入電壓經過正激式五電平變換單元將其調制成雙極性、多電平(+Ui、+3Ui/4、+2Ui/4、+Ui/4、0、-Ui/4、-2Ui/4、-3Ui/4、-Ui)的高頻脈沖電壓u1和u2，經高頻隔離變壓器的隔離、傳遞后，周波變換器將其解調成單極性、多電平(+UiN3/N1、+3UiN3/4N1、+2UiN3/4N1、+UiN3/4N1、0、-UiN3/4N2、-2UiN3/4N2、-3UiN3/4N2、-UiN3/N2)的低頻脈沖電壓再經輸出濾波器進行輸出濾波后得到穩定或可調的正弦交流電壓uo，此逆變器具有四象限工作能力，因此可以帶感性、容性、阻性和整流性負載，此逆變器的控制電路可根據交流負載的性質進行調整，從而在輸出端得到穩定或可調的電壓。