正激式高频隔离三电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种正激式高频隔离三电平逆变器。该逆变器由依次连接的输入直流电源、正激式三电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；输入直流电源单元输入直流电源，首先经正激式三电平变换单元调制成双极性、多电平的高频脉冲电压，然后经高频变压器进行电压匹配和电气隔离，接着经周波变换器解调成单极性低频脉冲电压，经输出滤波器进行滤波处理后输出所需的低频脉冲电压，最后经输出交流负载输出稳定或可调的电压。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的优点，提高了变换效率和功率密度，减小了体积和重量，降低了开关器件的电压应力，实现了交流负载与直流电源的高频电气隔离。

Forward excited high frequency isolated three level inverter

The present invention discloses a forward excited high frequency isolated three level inverter. The inverter is composed of input DC power supply, which are connected in turn forward three level converter unit, high frequency transformer, Zhou Bo converter, output filter and output AC load; the input DC power supply unit input DC power supply, the forward three level converter modulation double polarity and multi level high frequency pulse voltage, and then voltage matching and electrical isolation by high-frequency transformer, then the Zhou Bo transform is demodulated into unipolar pulsed voltage, the output filter after the low-frequency pulse output of the voltage required by the load output voltage or adjustable output stability. The invention has the advantages of less power converter series, bidirectional power flow, high output voltage spectrum filter front-end properties, improve the conversion efficiency and power density, small volume and weight, reduce the voltage stress of the switches, the AC DC power supply with high frequency electrical isolation.

【技术实现步骤摘要】
正激式高频隔离三电平逆变器
本专利技术属于电力电子变换
，特别是一种正激式高频隔离三电平逆变器。
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、高输出电压大功率场合的优点。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离的缺陷；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、功率密度低的缺陷。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；另外在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场合、燃料电池逆变场合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，特别是在对逆变器的体积、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、导通损耗大的特点，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，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，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、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的具有升降压功能的正激式三电平逆变器。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种正激式高频隔离三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、正激式三电平变换单元、高频隔离式变压器、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；正激式三电平变换单元用于将输入直流电源单元产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；高频隔离式变压器用于实现电压匹配和电气隔离；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；输出交流负载用于输出稳定或可调的电压。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)实现了输入侧与负载侧的电气隔离，实现了变换器的小型化、轻量化，提高了变换器的效率；(2)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，滤波电感电容值都得以减小；(3)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)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的优点，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高频隔离三电平逆变器的电路拓扑结构图。图2是本专利技术中半波整流正激式cuk三电平逆变器的电路拓扑结构图。图3是本专利技术中半波整流正激式sepic三电平逆变器的电路拓扑结构图。图4是本专利技术中半波整流正激式zeta三电平逆变器的电路拓扑结构图。图5是本专利技术中全波整流正激式cuk三电平逆变器的电路拓扑结构图。图6是本专利技术中全波整流正激式sepic三电平逆变器的电路拓扑结构图。图7是本专利技术中全波整流正激式zeta三电平逆变器的电路拓扑结构图。具体实施方式结合图1-图7，本专利技术的一种正激式高频隔离三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、正激式三电平变换单元2、高频隔离式变压器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；正激式三电平变换单元2用于将输入直流电源单元1产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；高频隔离式变压器3用于实现电压匹配和电气隔离；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；输出交流负载6用于输出稳定或可调的电压。示例1，所述正激式三电平变换单元2包括储能电感L、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、第七二极管D7、第八二极管D8、储能电容C1、储能电容C2；所述储能电感L正极与输入直流电源Ui正极连接，储能电感L负极与第一功率开关管S1漏极、第一储能电容C1正极连接，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阴极与第一功率开关管S1漏极连接、第一二极管D1阳极与第一功率开关管S1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漏极连接、第二二极管本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正激式高频隔离三电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元(1)、正激式三电平变换单元(2)、高频隔离式变压器(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；正激式三电平变换单元(2)用于将输入直流电源单元(1)产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；高频隔离式变压器(3)用于实现电压匹配和电气隔离；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；输出交流负载(6)用于输出稳定或可调的电压。

【技术特征摘要】
1.一种正激式高频隔离三电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元(1)、正激式三电平变换单元(2)、高频隔离式变压器(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；正激式三电平变换单元(2)用于将输入直流电源单元(1)产生的电平调制成双极性、多电平的高频脉冲电压；高频隔离式变压器(3)用于实现电压匹配和电气隔离；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；输出交流负载(6)用于输出稳定或可调的电压。2.根据权利要求1所述的正激式高频隔离三电平逆变器，其特征在于，所述正激式三电平变换单元(2)包括储能电感(L)、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)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)、储能电容(C1)、储能电容(C2)；所述储能电感(L)正极与输入直流电源(Ui)正极连接，储能电感(L)负极与第一功率开关管(S1)漏极、第一储能电容(C1)正极连接，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)阴极与第一功率开关管(S1)漏极连接、第一二极管(D1)阳极与第一功率开关管(S1)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)漏极连接、第二二极管(D2)阳极与第二功率开关管(S2)源极连接，第二功率开关管(S2)源极与输入直流电源(Ui)负极、第二储能电容(C2)负极相连接，第三功率开关管(S3)漏极与第一储能电容(C1)负极、第五功率开关管(S5)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)阴极与第三功率开关管(S3)漏极连接、第三二极管(D3)阳极与第三功率开关管(S3)源极连接，第三功率开关管(S3)源极与第一原边绕组(N1)同名端、第七二极管(D7)阳极连接，第一原边绕组(N1)非同名端与第四功率开关管(S4)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)阴极与第四功率开关管(S4)漏极连接、第四二极管(D4)阳极与第四功率开关管(S4)源极连接，第四功率开关管(S4)源极与第二储能电容(C2)正极、第六功率开关管(S6)源极连接，第五功率开关管(S5)漏极与第三功率开关管(S3)漏极、第一储能电容(C1)负极连接，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)阴极与第五功率开关管(S5)漏极连接、第五二极管(D5)阳极与第五功率开关管(S5)源极连接，第五功率开关管(S5)源极与第二原边绕组(N2)非同名端连接，第二原边绕组(N2)同名端与第六功率开关管(S6)漏极、第八二极管(D8)阴极连接，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)阴极与第六功率开关管(S6)漏极连接、第六二极管(D6)阳极与第六功率开关管(S6)源极连接，第六功率开关管(S6)源极与第四功率开关管(S4)漏极连接，第七二极管(D7)阴极与第八二极管(D8)阳极、第一功率开关管(S1)源极、第二功率开关管(S2)漏极相连接。3.根据权利要求1所述的正激式高频隔离三电平逆变器，其特征在于，所述正激式三电平变换单元(2)包括储能电感(L1)、储能电感(L2)、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)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)、储能电容(C1)、储能电容(C2)；所述储能电感(L1)的正极与输入直流电源(Ui)正极相连接，储能电感(L)负极与第一功率开关管(S1)漏极、第一储能电容(C1)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)阴极与第一功率开关管(S1)漏极连接、第一二极管(D1)阳极与第一功率开关管(S1)源极连接，第一功率开关管(S1)源极与第二功率开关管(S2)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)阴极与第二功率开关管(S2)漏极连接、第二二极管(D2)阳极与第二功率开关管(S2)源极连接，第二功率开关管(S2)源极与输入直流电源(Ui)负极、第二储能电容(C2)负极相连接，第一储能电容(C1)负极与第二储能电感(L2)正极、第三功率开关管(S3)漏极相连接，第二储能电感(L2)负极与第二储能电容(C2)正极、第四功率开关管(S4)源极相连接，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)阴极与第三功率开关管(S3)漏极连接、第三二极管(D3)阳极与第三功率开关管(S3)源极连接，第三功率开关管(S3)源极与第一原边绕组(N1)的同名端、第七二极管(D7)阴极连接，第一原边绕组(N1)的非同名端与第四功率开关管(S4)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)阴极与第四功率开关管(S4)漏极连接、第四二极管(D4)阳极与第四功率开关管(S4)源极连接，第四功率开关管(S4)源极与第二储能电容(C2)负极、第六功率开关管(S6)源极相连接，第五功率开关管(S5)漏极与第三功率开关管漏极、第一储能电容(C1)负极相连接，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)阴极与第五功率开关管(S5)漏极连接、第五二极管(D5)阳极与第五功率开关管(S5)源极连接，第五功率开关管(S5)源极与第二原边绕组(N2)的非同名端连接，第二原边绕组(N2)同名端与第六功率开关管(S6)漏极、第八二极管(D8)阳极连接，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)阴极与第六功率开关管(S6)漏极连接、第六二极管(D6)阳极与第六功率开关管(S6)源极连接，第六功率开关管(S6)源极与第四功率开关管(S4)漏极连接，第七二极管(D7)阳极与第八二极管(D8)阴极、第一功率开关管(S1)源极、第二功率开关管(S2)漏极相连接。4.根据权利要求1所述的正激式高频隔离三电平逆变器，其特征在于，所述正激式三电平变换单元(2)包括储能电感(L)、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)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、储能电容(C1)、储能电容(C2)；所述第一功率开关管(S1)漏极与输入直流电源(Ui)正极相连接，第一二极管(D1)反并联于第一功率开关管(S...

【专利技术属性】
技术研发人员：管月，李磊，陆佳炜，郭志刚，严潇，陶兆俊，高扬，龚坤珊，郭伟，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