一种高频隔离式三电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；该变换器在传统全桥电流源型逆变器的基础上，通过在输入直流电压源两端并联两个电容分压，使变压器前端能产生Ui、Ui/2、‑N1U0/N2三个电平，减小开关管电压应力，拓宽电流源型高频隔离逆变器的应用范围。本发明专利技术具有两级功率变换(直流DC‑高频交流HFAC‑低频交流LFAC)、具有双向功率流、开关器件电压应力低、输出滤波器前端电压频谱特性好、输出滤波器体积小、功率密度较高、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的优点。

A high frequency isolated three level inverter

The invention discloses a high-frequency isolation type three level inverter, the input DC power supply, connected capacitors, full bridge current source high frequency isolated three level converter unit, Zhou Bo converter, the output filter and the output AC load; the converter based on the traditional full bridge current source inverter. The input DC voltage source, both ends of two parallel capacitor divider, the transformer front-end can produce Ui, Ui/2, N1U0/N2 three level, reduce the voltage stress of the switches, broaden the application scope of the current source type inverter high frequency isolation. The present invention has two stage power conversion (DC DC high frequency AC HFAC frequency AC LFAC), with the flow, the voltage stress of switches, low voltage output filter front-end good spectral characteristic and output filter has the advantages of small size, high power density, can realize the AC load and DC power supply has the advantages of high frequency electrical isolation of bidirectional power.

【技术实现步骤摘要】
一种高频隔离式三电平逆变器
本专利技术属于电力电子变换
，特别是一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器。
技术介绍
直－交(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装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所和日常生活中。随着新能源的开发和利用，直－交(DC-AC)变换技术在蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电中也有越来越多的应用。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，而对于隔离式直－交变换器，主要集中在低频和高频电气隔离式两电平直－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、交-交和交-直变换器，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、低频或中频隔离式多电平直－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。大功率电力电子器件的发展为多电平逆变装置的研究提供了技术支持。1977年德国学者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，1980年日本的AkiraNabae教授等人对其进行了发展，提出了出了中点箝位逆变器(Neutral-Point-ClampedInverter，NPC逆变器)。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：(1)二极管箝位型逆变器、(2)飞跨电容箝位型逆变器、(3)具有独立直流电源的级联型逆变器。其中二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器适用于高输入电压大功率逆变器场合；具有独立直流电源的级联型多电平逆变器则适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合。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。除此之外，其他类型的多电平拓扑结构基本都由这三类拓扑衍生而来。Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同在于前者利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。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。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。自从高频逆变新技术的概念提出以来，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年浙大黄敏超博士提出了全桥双向电流源高频链逆变器，该逆变器具有双向功率传输、拓扑结构简单、使用器件少、控制方案简单、效率高、可靠性高以及良好的动态响应等优点。但是由于反激拓扑的限制及两电平电路本身的缺点，该逆变器开关管功率小，耐压能力低，只能在电压及功率较小的场合应用。
技术实现思路
针对上述中全桥双向电流源高频链逆变器开关管电压应力小的问题，本专利技术提出了一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器，在原有技术中引入多电平技术，减小了开关管电压应力，同时具有两级功率变换(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、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等优点。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；输入直流电源单元与分压电容一端连接，分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接，全桥电流源型高频隔离式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。分压电容包括第一分压电容和第二分压电容；第一分压电容的正极与输入直流电源单元的正极连接，第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接，第二分压电容的负极与输入直流电源的参考负极连接。全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元包括第一功率开关管，第一二极管，第二功率开关管，第二二极管，第三功率开关管，第三二极管，第四功率开关管，第四二极管，第五功率开关管，第五二极管，第六功率开关管，第六二极管，高频隔离变压器第一原边绕组，高频隔离变压器第二原边绕组；第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极与第一分压电容的正极相连接，第一二极管和第三二极管分别反并联于第一功率开关管和第三功率开关管两端，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，第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接，第一功率开关管的源极和高频隔离变压器第一原边绕组的同名端连接，第三功率开关管的源极和高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端连接，高频隔离变压器第一原边绕组的同名端与第二功率开关管的漏极相连，高频隔离变压器第一原边绕组的非同名端与第四功率开关管的漏极相连，第二二极管和第四二极管分别反并联于第二功率开关管和第四功率开关管两端，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，第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接，第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极与第二分压电容的负极相连，第五功率开关管，第五二极管，第六功率开关管，第六二极管构成双向功率开关管，双向功率开关管的一端与第一分压电容的负极、第二分压电容的正极连接，双向功率开关管的另一端与第一功率开关管的源极、第二功率开关管的漏极、高频隔离式变压器第一原边绕组同名端连接；所述双向功率开关管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；第五功率开关管的漏极和第五二极管的阴极相连作为双向功率开关管的一端，第六功率开关管的漏极和第六二极管的阴极相连作为双向功率开关管的另一端，第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极连接在一起。周波变换器包括第七功率开关管，第七二极管，第八功率开关管，第八二极管；第七功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组非同名端连接，第八功率开关管的漏极与高频隔离变压器第二原边绕组同名端连接，第七二极管和第八二极管分别反并联于第七功率开关管和第八功率开关管两端，即第七二极管的阴极与第七功率开关管的漏极连接，第七二极管的阳极与第七功率开关管的源极连接，第八二极管的阴极与第八功率开关管的漏极连接，第八二极管的阳极与第八功率开关管的源极连接。输出滤波器包含输出滤波电容，输出滤波电容的一端与第七功率开关管的源极和第七二极管的阳极连接，输出滤波电容的另一端与第八功率开关管的源极和第八二极管的阳极连接。输出交流负载本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种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)、分压电容(2)、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流负载(6)；输入直流电源单元(U)与分压电容一端连接，分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接，全桥电流源型高频隔离式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。

【技术特征摘要】
1.一种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)、分压电容(2)、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元(3)、周波变换器(4)、输出滤波器(5)和输出交流负载(6)；输入直流电源单元(U)与分压电容一端连接，分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接，全桥电流源型高频隔离式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。2.根据权利要求1所述的高频隔离式三电平逆变器，其特征在于：分压电容(2)包括第一分压电容(C1)和第二分压电容(C2)；第一分压电容(C1)的正极与输入直流电源单元(U)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)的负极与输入直流电源(U)的参考负极连接。3.根据权利要求1所述的高频隔离式三电平逆变器，其特征在于：全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元(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)，高频隔离变压器(T)第一原边绕组(N1)，高频隔离变压器(T)第二原边绕组(N2)；第一功率开关管(S1)的漏极和第三功率开关管(S3)的漏极与第一分压电容(C1)的正极相连接，第一二极管(D1)和第三二极管(D3)分别反并联于第一功率开关管(S1)和第三功率开关管(S3)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(S1)的源极和高频隔离变压器(T)第一原边绕组(N1)的同名端连接，第三功率开关管(S3)的源极与高频隔离变压器(T)第一原边绕组(N1)的非同名端连接，高频隔离变压器(T)第一原边绕组(N1)的同名端与第二功率开关管(S2)的漏极相连，高频隔离变压器(T)第一原边绕组(N1)的非同名端与第四功率开关管(S4)的漏极相连，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(...

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