反激高频隔离式三电平逆变器制造技术

本实用新型专利技术公开了一种反激高频隔离式三电平逆变器。该逆变器的电路结构由输入直流电源、输入滤波器、高频隔离式反激三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和交流负载构成；本实用新型专利技术能够实现将不稳定、劣质的直流电压变换为所需要的稳定、优质的正弦交流电压的功能。通过改变高频隔离式反激三电平变换单元和周波变换器的类型，可以得到单管反激型、双管反激型、半桥反激型、全桥反激型高频隔离三电平逆变器的电路拓扑族。本实用新型专利技术具有电路拓扑简洁、双向功率流两级变换、功率开关管电压应力小、输出滤波器前端电压频谱特性好、输出滤波器体积小、负载适应能力强等良好特点，适用于高电压输入场合。

【技术实现步骤摘要】
反激高频隔离式三电平逆变器
本技术属于电力电子变换
，特别是一种反激高频隔离式三电平逆变器。
技术介绍
DC-AC变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种静止变流技术，供交流负载使用，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。 迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直一交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平直一交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、交-交和交-直变换器，而对于多电平直一交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式多电平直一交变换器，对高频隔离式多电平两级功率变换的逆变器研究却比较少。 自从德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，日本的A Nabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式多电平逆变电路。经过几十年的发展，多电平逆变技术目前主要有三类拓扑结构:(I) 二极管箝位型逆变器、(2)飞跨电容箝位型逆变器、(3)级联型多电平逆变器。Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念，利用高频变压器代替传统低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性，必将取代低频环节逆变器，得到广泛应用。 近十年来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少有价值的研究成果。1998年浙江大学黄敏超博士提出了基于buck-boost (反激)变换器的电流源高频链逆变器电路结构，包括单管单向、单管双向、推挽、半桥及全桥式拓扑，该系列反激逆变器具有拓扑简洁、两级功率变换、变换效率高、可靠性高、输出只需电容滤波等优点。但是它们均为两电平逆变器，由于拓扑的限制，其开关管电压与电流应力均比较大，输出容量小，不能应用在高电压大功率电能变换场合。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种具有两级功率变换(直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、降低开关器件的电压应力、输出滤波器体积小、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的反激高频隔离式三电平逆变器。 实现本技术目的的技术解决方案为: 一种反激高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、高频隔离式反激三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和交流负载构成，其中: 输入直流电源单元与输入滤波器一端连接，输入滤波器另一端与高频隔离式反激三电平变换单元一端连接，高频隔离式反激三电平变换单元另一端经过高频隔离式变压器与周波变换器一端连接，周波变换器另一端与输出滤波器一端连接，输出滤波器另一端与交流负载连接。 作为可选的实施方式，反激高频隔离式三电平逆变器可采用单管反激型拓扑、双管反激型拓扑、半桥反激型拓扑、全桥反激型拓扑中的一种。 以单管反激型拓扑为例，根据本技术的公开，反激高频隔离式三电平逆变器由依次连接的输入直流电源、输入滤波器、高频隔离式反激三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和交流负载构成；其中:输入直流电源单兀与输入滤波器一端连接，输入滤波器另一端与高频隔离式反激三电平变换单元一端连接，高频隔离式反激三电平变换单元另一端与周波变换器一端连接，周波变换器另一端与输出滤波器一端连接，输出滤波器另一端与输出交流负载连接。即输入直流电源的正极与第一输入滤波电容的正极相连，输入直流电源的负极与第二输入滤波电容的负极相连；所述的输入滤波器由第一输入滤波电容和第二输入滤波电容构成；第一输入滤波电容的负极与第二输入滤波电容的正极相连；所述单管反激高频隔离三电平变换单元由第一功率开关管、第二功率开关管、第一二极管、第二二极管、第三二极管、高频隔离式变压器第一原边绕组、高频隔离变压器第一副边绕组、高频隔离变压器第二副边绕组构成；第一功率开关管的漏极与第一输入滤波电容的正极相连，第一二极管反并联于第一功率开关管的两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第三二极管阳极与第一输入滤波电容的负极、第二输入滤波电容的正极相连，第三二极管的阴极与第一功率开关管的源极相连，高频隔离式变压器第一原边绕组的同名端与第一功率开关管的源极、第三二极管的阴极相连，第二功率开关管的漏极与高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端相连，第二二极管反并联于第二功率开关管的两端，即第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接，第二功率开关管的源极与第二输入滤波电容的负极相连，高频隔离变压器第一副边绕组的同名端与高频隔离变压器第二副边绕组的非同名端相连。所述全波式周波变换器由第一双向功率开关管和第二双向功率开关管构成；所述的第一双向功率开关管和第二双向功率开关管都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管包括第三功率开关管、第四功率开关管、第四二极管、第五二极管，第二双向功率开关管包括第五功率开关管、第六功率开关管、第六二极管，第七二极管;第一双向功率开关管的一端与高频隔离变压器第一副边绕组的非同名端相连，第二双向功率开关管的一端与高频隔离变压器第二副边绕组的同名端与相连，第二双向功率开关管的另一端与第一双向功率开关管的另一端连接；第三功率开关管的漏极和第四二极管的阴极相连作为第一双向功率开关管的一端，第四功率开关管的漏极和第五二极管的阴极相连作为第一双向功率开关管的另一端，第三功率开关管的源极、第四功率开关管的源极、第四二极管的阳极、第五二极管的阳极连接在一起，第五功率开关管的漏极和第六二极管的阴极相连作为第二双向功率开关管的一端，第六功率开关管的漏极和第七二极管的阴极相连作为第二双向功率开关管的另一端，第五功率开关管的源极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极、第七二极管的阳极连接在一起。所述输出滤波器包含输出滤波电容；输出滤波电容的正极与第四功率开关管的漏极、第五二极管的阴极、第六功率开关管的漏极、第七二极管的阴极连接，输出滤波电容的负极与高频隔离变压器第一副边绕组的同名端、高频隔离变压器第二副边绕组的非同名端连接。所述输出交流负载包含交流负载，交流负载的正极与输出滤波电容的正极相连，交流负载的负极与输出滤波电容的负极相连。 本技术与现有技术相比，本技术的显著优点在于: (I)将箝位型多电平拓扑的构造思路运用于传统Buck — boost型(反激型)逆变器中。并在输入直流电源与交流负载中插入高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离，高频隔离变压器的使用实现了变换器的小型化、轻量化，提高了变换器的效率。 (2)与其他拓扑形式逆变器相比，反激型逆变器具有拓扑简洁输出滤波器体积小(只需电容滤波)、转换效率高等优点，与传统的“双向反激型高频环节逆变器”相比，本技术在输出滤波电感前端能够得到三电平，从而减小了功率开关管的电压应力，拓宽了功率开关管的选择范围，滤波电容值更小，适用于高电压输入场合。在民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量逆变场合，采本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种反激高频隔离式三电平逆变器，其特征在于：由依次连接的输入直流电源单元(1)、输入滤波器(2)、高频隔离式反激三电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和交流负载(6)构成，其中： 输入直流电源单元(1)与输入滤波器(2)一端连接，输入滤波器(2)另一端与高频隔离式反激三电平变换单元(3)一端连接，高频隔离式反激三电平变换单元(3)另一端经过高频隔离式变压器(T)与周波变换器(4)一端连接，周波变换器(4)另一端与输出滤波器(5)一端连接，输出滤波器(5)另一端与交流负载(6)连接。

【技术特征摘要】
1.一种反激高频隔离式三电平逆变器，其特征在于:由依次连接的输入直流电源单元(I)、输入滤波器(2)、高频隔离式反激三电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和交流负载(6)构成，其中: 输入直流电源单元(I)与输入滤波器(2) —端连接，输入滤波器(2)另一端与高频隔离式反激三电平变换单元(3) —端连接，高频隔离式反激三电平变换单元(3)另一端经过高频隔离式变压器(T)与周波变换器(4) 一端连接，周波变换器(4)另一端与输出滤波器(5) 一端连接，输出滤波器(5)另一端与交流负载(6)连接。2.根据权利要求书I所述的一种反激高频隔离式三电平逆变器，其特征在于:依次连接的输入直流电源(I)、输入滤波器(2)、单管反激高频隔离三电平变换单元(3)、高频隔离式变压器(T)、全波式周波变换器(4)、输出滤波器(5)和交流负载(6)构成适用于高压输入DC-AC变换场合的单管反激电路拓扑，其中: 所述的输入滤波器(2)由第一输入滤波电容(Cl)和第二输入滤波电容(C2)构成,第一输入滤波电容(Cl)的负极与第二输入滤波电容(C2)的正极相连，输入直流电源(I)的正极与第一输入滤波电容(Cl)的正极相连，输入直流电源(I)的负极与第二输入滤波电容(C2)的负极相连； 所述单管反激高频隔离三电平变换单元(3)由第一功率开关管(SI)、第二功率开关管(S2)、第一二极管(Dl)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、高频隔离式变压器(T)第一原边绕组(NI)、高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N2)、高频隔离变压器(T)第二副边绕组(N3)构成；第一功率开关管(SI)的漏极与第一输入滤波电容(Cl)的正极相连，第一二极管(Dl)反并联于第一功率开关管(SI)的两端，即第一二极管(Dl)的阴极与第一功率开关管(SI)的漏极连接，第一二极管(Dl)的阳极与第一功率开关管(SI)的源极连接，第三二极管(D3)阳极与第一输入滤波电容(Cl)的负极、第二输入滤波电容(C2)的正极相连，第三二极管(D3)的阴极与第一功率开关管(SI)的源极相连，高频隔离式变压器(T)第一原边绕组(NI)的同名端与第一功率开关管(SI)的源极、第三二极管(D3)的阴极相连，第二功率开关管(S2)的漏极与高频隔离变压器(T)第一原边绕组(NI)的非同名端相连，第二二极管(D2)反并联于第二功率开关管(S2)的两端，即第二二极管(D2)的阴极与第二功率开关管(S2)的漏极连接，第二二极管(D2)的阳极与第二功率开关管(S2)的源极连接，第二功率开关管(S2)的源极与第二输入滤波电容(C2)的负极相连，高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N2)的同名端与高频隔离变压器(T)第二副边绕组(N3)的非同名端相连； 所述全波式周波变换器(4)由第一双向功率开关管(SA)和第二双向功率开关管(SB)构成；所述的第一双向功率开关管(SA)和第二双向功率开关管(SB)都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成的用于承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管(SA)包括第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)，第二双向功率开关管(SB)包括第五功率开关管(S5)、第六功率开关管(S6)、第六二极管(D6)，第七二极管(D7);第一双向功率开关管(SA)的一端与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N2)的非同名端相连，第二双向功率开关管(SB)的一端与高频隔离变压器(T)第二副边绕组(N3)的同名端与相连，第二双向功率开关管(SB)的另一端与第一双向功率开关管(SA)的另一端连接；第三功率开关管(S3)的漏极和第四二极管(D4)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的一端，第四功率开关管(S4)的漏极和第五二极管(D5)的阴极相连作为第一双向功率开关管(SA)的另一端，第三功率开关管(S3)的源极、第四功率开关管(S4)的源极、第四二极管(D4)的阳极、第五二极管(D5)的阳极连接在一起，第五功率开关管(S5)的漏极和第六二极管(D6)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的一端，第六功率开关管(S6)的漏极和第七二极管(D7)的阴极相连作为第二双向功率开关管(SB)的另一端，第五功率开关管(S5)的源极、第六功率开关管(S6)的源极、第六二极管(D6)的阳极、第七二极管(D7)的阳极连接在一起； 所述输出滤波器(5)包含输出滤波电容(Cf);输出滤波电容(Cf)的正极与第四功率开关管(S4)的漏极、第五二极管(D5)的阴极、第六功率开关管(S6)的漏极、第七二极管(D7)的阴极连接，输出滤波电容(Cf)的负极与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N2)的同名端、高频隔离变压器(T)第二副边绕组(N3)的非同名端连接； 所述输出交流负载(6)包含交流负载(ZL)，交流负载(ZL)的正极与输出滤波电容(Cf)的正极相连，交流负载(ZL)的负极与输出滤波电容(Cf)的负极相连。3.根据权利要求书I所述的反激高频隔离式三电平逆变器，其特征在于:依次连接的输入直流电源(I)、输入滤波器(2)、双管反激高频隔离三电平变换单元(3)、高频隔离式变压器(T)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和交流负载(6)构成适用于高压输入DC-AC变换场合的单管反激电路拓扑，其中: 所述的输入滤波器(2)由第一输入滤波电容(Cl)和第二输入滤波电容(C2)构成;第一输入滤波电容(Cl)的负极与第二输入滤波电容(C2)的正极相连；输入直流电源(I)的正极与第一输入滤波电容(Cl)的正极相连，输入直流电源(I)的负极与第二输入滤波电容(C2)的负极相连； 所述双管反激高频隔离三电平变换单元(3)由第一功率开关管(SI)、第一二极管(Dl)，第二功率开关管(S2)，第二二极管(D2)，第三功率开关管(S3)，第三二极管(D3)，第四功率开关管(S4)，第四二极管(D4)，第五二极管(D5)第六二极管(D6)，高频隔离变压器(T)第一原边绕组(NI)，高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)，高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N3)构成；第一功率开关管(SI)的漏极和第三功率开关管(S3)的漏极与第一输入滤波电容(Cl)的正极相连接，第一二极管(Dl)和第三二极管(D3)分别反并联于第一功率开关管(SI)和第三功率开关管(S3)两端，即第一二极管(Dl)的阴极与第一功率开关管(SI)的漏极连接，第一二极管(Dl)的阳极与第一功率开关管(SI)的源极连接，第三二极管(D3)的阴极与第三功率开关管(S3)的漏极连接，第三二极管(D3)的阳极与第三功率开关管(S3)的源极连接，第一功率开关管(SI)的源极和高频隔离变压器(T)第一原边绕组(NI)的同名端连接，第三功率开关管(S3)的源极和高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)的非同名端连接，高频隔离变压器(T)第一原边绕组(NI)的非同名端与第二功率开关管(S2)的漏极连接，高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)的同名端与第四功率开关管(S4)的漏极连接，第二二极管(D2)和第四二极管(D4)分别反并联于第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)两端，即第二二极管(D2)的阴极与第二功率开关管(S2)的漏极连接，第二二极管(D2)的阳极与第二功率开关管(S2)的源极连接，第四二极管(D4)的阴极与第四功率开关管(S4)的漏极连接，第四二极管(D4)的阳极与第四功率开关管(S4)的源极连接，第二功率开关管(S2)的源极和第四功率开关管(S4)的源极与第二输入滤波电容(C2)的负极相连，第五二极管(D5)的阳极和第六二极管(D6)的阴极与第二输入滤波电容(C2)的正极相连，第五二极管(D5)的阴极连与高频隔离变压器(T)第一原边绕组(NI)的同名端，第六二极管(D6)的阳极连与高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)的同名端相连； 所述周波变换器(4)由第五功率开关管(S5)、第七二极管(D7)、第六功率开关管(S6)、第八二极管(D8)构成；第五功率开关管(S5)的漏极与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N3)的非同名端相连，第七二极管(D7)反并联于第五功率开关管(S5)的两端，即第七二极管(D7)的阴极与第五功率开关管(S5)的漏极相连，第七二极管(D7)的阳极与第五功率开关管(S5)的源极相连，第六功率开关管(S6)的漏极与高频隔离变压器(T)第一副边绕组(N3)的同名端相连，第六二极管(D6)反并联于第六功率开关管(S6)的两端，即第八二极管(D8)的阴极与第六功率开关管(S6)的漏极相连，第八二极管(D8)的阳极与第六功率开关管(S6)的源极相连； 所述输出滤波器(5)包含输出滤波电容(Cf);输出滤波电容(Cf)的正极与第五功率开关管(S5)的源极、第七二极管(D7)的阳极连接，输出滤波电容(Cf)的负极与第六功率开关管(S6)的源极、第八二极管(D8)的阳极连接； 所述输出交流负载(6)包含交流负载(ZL)，交流负载(ZL)的正极与输出滤波电容(Cf)的正极相连，交流负载(ZL)的负极与输出滤波电容(Cf)的负极相连。4.根据权利要求书I所述的反激高频隔离式三电平逆变器，其特征在于:依次连接的输入直流电源(I)、输入滤波器(2)、半桥反激高频隔离三电平变换单元(3)、高频隔离变压器(T)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和交流负载(6)构成适用于高压输入DC-AC变换场合的单管反激电路拓扑，其中: 所述的输入滤波器(2)由第一输入滤波电容(Cl)、第二输入滤波电容(C2)、第三输入滤波电容(C3)和第四输入滤波电容(C4)构成；第一输入滤波电容(Cl)的负极与第二输入滤波电容(C2)的正极相连，第二输入滤波电容(C2)的负极与第三输入滤波电容(C3)的正极相连，第三输入滤波电容(C3)的负极与第四输入滤波电容(C4)的正极相连，输入直流电源(I)的正极与第一输入滤波电容(Cl)的正极相连，输入直流电源(I)的负极与第四输入滤波电容(C4)的负极相连； 所述半桥反激高频隔离三电平变换单元(3)由第一功率开关管(SI)、第一二极管(Dl)、第二功率开关管(S2)、第二二极管(D2)、第三二极管(D...

【专利技术属性】
技术研发人员：项泽宇，李磊，赵卫，胥佳梅，柳成，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32