正激式五电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种正激式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、正激式五电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；通过改变周波变换器的类型，得到半波整流正激式五电平逆变器和全波整流正激式五电平逆变器的电路拓扑族。本发明专利技术具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，提高了变换效率和功率密度，减小了体积和重量，能够降低开关器件的电压应力，实现交流负载与直流电源高频电气隔离。

【技术实现步骤摘要】
正激式五电平逆变器
本专利技术属于电力电子变换
，特别是一种正激式五电平逆变器。
技术介绍
直-交(DC-AC)变换技术是指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变流技术，简称逆变技术，其广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。随着新能源技术的发展与应用，逆变技术在新能源中的应用也越来越多。迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直-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-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、直-交和交-直变换器，而对于多电平直-交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式直-交型多电平直-交变换器，而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。多电平逆变器主要有三类拓扑结构：(1)二极管箝位型逆变器、(2)电容箝位型逆变器、(3)具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器具有适用与高输入电压大功率逆变器场合的优点：具有独立直流电源的级联型多电平逆变器具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平多点平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷；具有独立直流电源的级联型多电平逆变技术存在电路拓扑复杂输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷。高频环节逆变技术用高频变压器代替了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。随着航空科技和航空电子的快速发展，飞机二次电源必须向高功率密度、高效率和模块化方向发展；另外再生能源的开发利用中，适用于太阳能阵列与电网并联的逆变器和燃料电池逆变器以及不间断电源等逆变场合，高频环节逆变器都具有广泛的应用前景，特别是对逆变器的体积、重量有较高要求的逆变场合有更重要的应用前景。进十年来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少的有价值的研究成果。1990年S.R.NarayanaPrakask等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”，由高频电气隔离的DC/DC变换器和buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、三级功率变换(DC—HFAC—DC—LFAC)、变换效率高、采用传统PWM技术时功率器件开关损耗大、成本高等特点。I.Yamato等人于1988年提出了“双向Buck型高频环节逆变器”，该逆变器由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通周期均有两个或四个功率器件同时导通，导通损耗较大。具有双向功率流、直流—高频脉冲交流—低频交流的两级结构、效率较高、导通损耗大等特点。但是这种“双向Buck型高频环节逆变器”在滤波电感前端产生的电压为±Ui两电平或为±Ui、0三电平，考虑到在高压输入场合下扩大功率器件的选择范围，功率开关管的电压应力要低，所以这一固有缺陷制约了这种“双向Buck型高频环节逆变器”在高输入电压大功率逆变器场合的应用。而目前所研究的高频隔离型式多电平拓扑结构大多数集中在中间带有直流环节的单向Buck型高频环节逆变器。只是在高频电气隔离的DC/DC变换器中加入了多电平技术。只是减小了高频电气隔离的DC/DC变换器中开关管的电压应力，而在输出滤波电感前端并没有真正实现多电平，并没有减小Buck型逆变桥的开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。而且这种多电平拓扑是在单向Buck型高频环节逆变器的基础上提出的，由于单向Buck型高频环节逆变器的固有缺陷，所以这一系列的高频隔离型式多电平拓扑应用场合受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种正激式五电平逆变器。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种正激式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、分压电容、正激式五电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：输入直流电源单元用于输入直流电源；分压电容用于将输入的直流电源平均分压；正激式五电平变换单元用于将分压电容产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；周波变换器用于将双极性高频脉冲电压解调成单极性低频脉冲电压；输出滤波器用于对周波变换器输出的低频脉冲进行滤波处理。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)将箝位型多电平拓扑的构造思路运用于Buck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)与传统的“双向Buck型高频环节逆变器”相比，本专利技术在输出滤波电感前端能够得到五电平，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，滤波电感电容值都得以减小；在民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量逆变场合，采用本专利技术的逆变拓扑可以很好的适应，是比较理想的逆变电源解决方案；(3)本专利技术中的高频隔离变压器磁芯能够在每个开关周期被双向磁化，提高了变压器磁芯的利用率；(4)本专利技术具有功率变换级数少(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等优点，因而提高了变换效率和功率密度、减小了体积和重量。附图说明图1是本专利技术正激式五电平逆变器的电路拓扑结构图。图2是本专利技术半波整流正激式五电平逆变器的电路拓扑结构图。图3是本专利技术全波整流正激式五电平逆变器的电路拓扑结构图。具体实施方式结合图1-图3，本专利技术的一种正激式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、分压电容2、正激式五电平变换单元3、周波变换器4、输出滤波器5和输出交流负载6构成，其中：输入直流电源单元1用于输入直流电源；分压电容2用于将输入的直流电源平均分压；正激式五电平变换单元3用于将分压电容2产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；周波变换器4用于将双极性高频脉冲电压解调成单极性低频脉冲电压；输出滤波器5用于对周波变换器4输出的低频脉冲进行滤波处理。进一步的，所述输入直流电源单元1包括输入直流电源Ui，输入直流电源单元Ui与分压电容连接。进一步的，所述分压电容2包括第一分压电容C1、第二分压电容C2、第三分压电容C3和第四分压电容C4；第一分压电容C1的正极与输入直流电源单元Ui的正极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极连接，第二分压电容C2的负极与第三分压电容C3的正极连接，第三分压电容C3的负极与第四分压电容C4的正极连接，第四分压电容C4的负极与输入直流电源Ui的参考负极连接。进一步的，所述正激式五电平变换单元3包括第一功率开关管S1、第一二极管D1、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、第五功率开关管S5、第五二极管D5、第六功率开关管S6、第六二极管D6、第七功率开关管S7、第七二极管D7、第八功率开关管S8、第八二极管D8、第九功率开关管S9、第九二极管D9、第十功率开关管S10、第十二极管D10、第十一二极管D11、第十二二极管D12、第十三二极管D13、第十四二极管D14、第十五二极管D15、第十六二极管D16、第十七二极管D17、第十八二本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正激式五电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元(1)、分压电容(2)、正激式五电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流负载(6)构成，其中：输入直流电源单元(1)用于输入直流电源；分压电容(2)用于将输入的直流电源平均分压；正激式五电平变换单元(3)用于将分压电容(2)产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；周波变换器(4)用于将双极性高频脉冲电压解调成单极性低频脉冲电压；输出滤波器(5)用于对周波变换器(4)输出的低频脉冲进行滤波处理。

【技术特征摘要】
1.一种正激式五电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元(1)、分压电容(2)、正激式五电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流负载(6)构成，其中：输入直流电源单元(1)用于输入直流电源；分压电容(2)用于将输入的直流电源平均分压；正激式五电平变换单元(3)用于将分压电容(2)产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；周波变换器(4)用于将双极性高频脉冲电压解调成单极性低频脉冲电压；输出滤波器(5)用于对周波变换器(4)输出的低频脉冲进行滤波处理。2.根据权利要求书1所述的正激式五电平逆变器，其特征在于，所述输入直流电源单元(1)包括输入直流电源(Ui)，输入直流电源单元(Ui)与分压电容连接。3.根据权利要求书2所述的正激式五电平逆变器，其特征在于，所述分压电容(2)包括第一分压电容(C1)、第二分压电容(C2)、第三分压电容(C3)和第四分压电容(C4)；第一分压电容(C1)的正极与输入直流电源单元(Ui)的正极连接，第一分压电容(C1)的负极与第二分压电容(C2)的正极连接，第二分压电容(C2)的负极与第三分压电容(C3)的正极连接，第三分压电容(C3)的负极与第四分压电容(C4)的正极连接，第四分压电容(C4)的负极与输入直流电源(Ui)的参考负极连接。4.根据权利要求书3所述的正激式五电平逆变器，其特征在于，所述正激式五电平变换单元(3)包括第一功率开关管(S1)、第一二极管(D1)、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)、第五功率开关管(S5)、第五二极管(D5)、第六功率开关管(S6)、第六二极管(D6)、第七功率开关管(S7)、第七二极管(D7)、第八功率开关管(S8)、第八二极管(D8)、第九功率开关管(S9)、第九二极管(D9)、第十功率开关管(S10)、第十二极管(D10)、第十一二极管(D11)、第十二二极管(D12)、第十三二极管(D13)、第十四二极管(D14)、第十五二极管(D15)、第十六二极管(D16)、第十七二极管(D17)、第十八二极管(D18)、高频隔离式变压器(T)第一原边绕组(N1)、高频隔离式变压器(T)第二原边绕组(N2)以及高频隔离式变压器(T)副边绕组。所述第一功率开关管(S1)的漏极与第一分压电容(C1)的正极相连接，第一二极管(D1)反并联于第一功率开关管(S1)两端，即第一二极管(D1)的阴极与第一功率开关管(S1)的漏极连接，第一二极管(D1)的阳极与第一功率开关管(S1)的源极连接，第一功率开关管(S1)的源极与第二功率开关管(S2)的漏极连接，第二二极管(D2)反并联于第二功率开关管(S2)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)的源极与第三功率开关管(S3)的漏极连接，第三二极管(D3)反并联于第三功率开关管(S3)两端，即第三二极管(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，第三功率开关管(S3)的源极与第一原边绕组(N1)的同名端连接，第一原边绕组(N1)的非同名端与第四功率开关管(S4)的漏极连接，第四二极管(D4)反并联于第四功率开关管(S4)两端，即第四二极管(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，第四功率开关管(S4)的源极与第四分压电容(C4)的负极连接，第五功率开关管(S5)的漏极与第一分压电容(C1)的正极连接，第五二极管(D5)反并联于第五功率开关管(S5)两端，即第五二极管(D5)的阴极与第五功率开关管(S5)的漏极连接，第五二极管(D5)的阳极与第五功率开关管(S5)的源极连接，第五功率开关管(S5)的源极与第二原边绕组(N2)的非同名端连接，第二原边绕组(N2)的同名端与第六功率开关管(S6)的漏极连接，第六二极管(D6)反并联于第六功率开关管(S6)两端，即第六二极管(D6)的阴极与第六功率开关管(S6)的漏极连接，第六二极管(D6)的阳极与第六功率开关管(S6)的源极连接，第六功率开关管(S6)的源极与第七功率开关管(S7)的漏极连接，第七二极管(D7)反并联于第七功率开关管(S7)两端，即第七二极管(D7)的阴极与第七功率开关管(S7)的漏极连接，第七二极管(D7)的阳极与第七功率开关管(S7)的源极连接，第七功率开关管(S7)的源极与第八功率开关管(S8)的漏极连接，第八二极管(D8)反并联于第八功率开关管(S8)两端，即第八二极管(D8)的阴极与第八功率开关管(S8)的漏极连接，第八二极管(D8)的阳极与第八功率开关管(S8)的源极连接，第八功率开关管(S8)的源极与第四分压电容(C4)的负极连接，第九功率开关管(S9)的漏极与第四功率开关管(S4)的漏极连接，第九二极管(D9)反并联于第九功率开关管(S9)两端，即第九二极管(D9)的阴极与第九功率开关管(S9)的漏极连接，第九二极管(D9)的阳极与第九功率开关管(S9)的源极连接，第九功率开关管(S9)的源极与第十一二极管(D11)的阳极连接，第十一二极管(D11)的阴极与第四分压电容(C4)的正极连接，第十功率开关管(S10)的漏极与第二分压电容(C2)的正极连接，第十二极管(D10)反并联于第十功率开关管(S10)两端，即第十二极管(D10)的阴极与第十功率开关管(S10)的漏极连接，第十二极管(D10)的阳极与第十功率开关管(S10)的源极连接，第十功率开关管(S10)的源极与第十二二极管(D12)的阳极连接，第十二二极管(D12)的阴极与第五功...

【专利技术属性】
技术研发人员：龚坤珊，李磊，郭伟，严潇，高扬，陶兆俊，管月，陆佳炜，郭志刚，李广强，李福印，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32