一种升压型开关电容九电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种升压型开关电容九电平逆变器。该逆变器包括直流输入源模块和开关电容模块，所述直流输入源模块包括第一直流电压源、第一～第五MOSFET管、第一二极管；所述开关电容模块包括第一电容、第二电容、第六～第十MOSFET管、第二二极管、第三二极管。拓扑主电路包括10只主控开关管、3只二极管、2只分压电容，其中开关电容模块中的2个开关电容被直流输入源充电时成串联关系，各自电压维持在0.5V

A boost switched capacitor nine level inverter

【技术实现步骤摘要】
一种升压型开关电容九电平逆变器
本专利技术涉及电力电子应用
，特别是一种升压型开关电容九电平逆变器。
技术介绍
在可再生能源联合发电系统中，分布式电网与电动汽车的应用离不开直流端到交流端高效的电能变换，而且大多数这类DC-AC的电能变换中存在电压等级提升的需求。自20世纪80年代日本长冈科技大学学者ANabae提出较为实用的二极管箝位型多电平逆变器以来，飞跨电容型与级联H桥型多电平逆变器拓扑也陆续出现，自此逆变器进入多电平时代。较之传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电压的总谐波失真少、输出电能质量高、开关器件电压应力低以及所需输出滤波器轻小等优点。然而，这三类传统的MLI拓扑应用于电动汽车或者分布式电网中仍存在一定问题：单一直流输入源的二极管箝位型和飞跨电容型拓扑，将耗用大量的箝位二极管和直流电容以达到交流侧多电平输出，二极管损耗与电容均压难题不容小觑，这两类拓扑并无直流输入侧到交流输出侧电压等级的提升能力；多个直流输入源的级联H桥型拓扑虽然具备升压能力，但难以实现多个输入源的功率匹配，多个输入源也限制了拓扑的适用场合；这三类拓扑耗用的主控功率开关管数量随着输出电平需求的提升，成倍数剧增，而且在直流侧低压输入场合拓扑前级还需增设基于笨重磁性元件的升压部分。为了使逆变器兼备电压等级提升和多电平逆变的能力，学术界开始研究具有升压能力的无磁结构。20世纪90年代，开关电容变换器最初由日本熊本一研究机构的UmenoT等学者提出，其主旨是将充电后的开关电容作为额外直流电压源，不使用电感或变压器等笨重的磁性元件，实现直流升压。随着电力电子技术的发展，开关电容原理开始被学术界应用于逆变领域，但早期结构过于复杂。2012年，东京理工大学的学者HinagoYouhei对简化早期开关电容多电平逆变器结构，仅用10只主控开关管，构建出基于开关电容变换器与传统全桥逆变器级联的七电平逆变器，该拓扑具有一定升压能力且可以扩展至更高电平输出(九电平场合需要13只主控开关管)，为后续各国学者对开关电容多电平逆变器拓扑的推演改进提供了灵感。前期学术界对开关电容多电平逆变器的研究热点，主要集中于在更高电压增益与更多电平的需求下减少主控开关管的数目，2016年中国华南理工大学学者曾君所提的精简升压型关电容九电平逆变器拓扑已将主控开关管数量压缩至8只。后期学术界对开关电容多电平逆变器的研究热点开始转向降低拓扑中开关管的电压应力，不同于前期学者所提拓扑中使用高电压应力全桥逆变器变化输出极性，2019年伊朗BabolNoshirvani技术大学的AmirTaghvaie提出一种开关管低电压应力的升压型开关电容九电平逆变器，但牺牲了拓扑精简性，使用了19只主控开关管(传统九电平逆变器拓扑均使用16只)。因而，为了使得多电平技术与开关电容技术优势互补，对于升压型开关电容多电平逆变器有待深入研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种结构简单、控制驱动简便、适用范围广泛、应用灵活的升压型开关电容九电平逆变器。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种升压型开关电容九电平逆变器，包括直流输入源模块和开关电容模块；所述直流输入源模块包括第一直流电压源Vin、第一MOSFET管Sm11、第二MOSFET管Sm12、第三MOSFET管Sm13、第四MOSFET管Sm14、第五MOSFET管Sm15、第一二极管D0；所述开关电容模块包括第一电容C1、第二电容C2、第六MOSFET管Sm21、第七MOSFET管Sm22、第八MOSFET管Sm23、第九MOSFET管Sm24、第十MOSFET管S0、第二二极管D1、第三二极管D2；所述第一直流电压源Vin的正极同时与第一MOSFET管Sm11漏极、第三MOSFET管Sm13漏极、第五MOSFET管Sm15漏极相连；第一直流电压源Vin的负极同时与第二MOSFET管Sm12源极、第四MOSFET管Sm14源极相连；第一MOSFET管Sm11源极与第二MOSFET管Sm12漏极相连，并共同连接交流正向输出端；第八MOSFET管Sm23源极与第九MOSFET管Sm24漏极相连，并共同连接交流负向输出端；第一二极管D0的阳极与第五MOSFET管Sm15源极相连，其阴极同时与第六MOSFET管Sm21漏极、第一电容C1正极性端相连；第六MOSFET管Sm21源极同时与第三MOSFET管Sm13源极、第四MOSFET管Sm14漏极、第七MOSFET管Sm22漏极相连；第二二极管D1的阳极同时与第七MOSFET管Sm22源极、第九MOSFET管Sm24源极、第二电容C2负极性端相连，其阴极同时与第十MOSFET管S0源极、第一电容C1负极性端相连；第三二极管D2的阳极同时与第二电容C2正极性端、第十MOSFET管S0漏极相连，其阴极同时与第六MOSFET管Sm21漏极、第一电容C1正极性端、第八MOSFET管Sm23漏极相连。进一步地，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。进一步地，所述MOSFET管栅极和源极之间均接收外部电路提供的控制驱动信号，而每只MOSFET管的控制驱动信号是由正弦调制波em与自上而下垂直分布的8路同幅、同频三角载波ei,i＝1,2,3,4,5,6,7,8比较决定的；调制波每次与一路载波进行比较，将改变拓扑中部分主控开关管的通断状态，进而引起输出电压九种电平按如下正弦规律的依次增减：0—+0.5Vin—+1Vin—+1.5Vin—+2Vin—+1.5Vin—+1Vin—+0.5Vin—0—-0.5Vin—-1Vin—-1.5Vin—-2Vin—-1.5Vin—-1Vin—-0.5Vin—0。进一步地，所述调制波每次与一路载波进行比较，将改变拓扑中部分主控开关管的通断状态，具体如下：正弦调制波em大于第一路三角载波e1期间，交流端输出电压为+2Vin，第一MOSFET管Sm11、第四MOSFET管Sm14、第六MOSFET管Sm21、第九MOSFET管Sm24、第十MOSFET管S0处于导通状态；正弦调制波em大于第二路三角载波e2、小于第一路三角载波e1期间，交流端输出电压为+1.5Vin，第一MOSFET管Sm11、第四MOSFET管Sm14、第六MOSFET管Sm21、第九MOSFET管Sm24处于导通状态；正弦调制波em大于第三路三角载波e3、小于第二路三角载波e2期间，交流端输出电压为+1Vin，第一MOSFET管Sm11、第四MOSFET管Sm14、第七MOSFET管Sm22、第九MOSFET管Sm24处于导通状态；正弦调制波em大于第四路三角载波e4、小于第三路三角载波e3期间，交流端输出电压为+0.5Vin，第二MOSFET管Sm12、第四MOSFET管Sm14、第六MOSFET管Sm21、第九MOSFET管Sm24处于导通状态；正弦调制波em大于第五路三角载波e5、小于第四路三角载波e4期间，交流端输出电压为0Vin，第二MOSFET管Sm12、第四MOSFE本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种升压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，包括直流输入源模块和开关电容模块；/n所述直流输入源模块包括第一直流电压源(V

【技术特征摘要】
1.一种升压型开关电容九电平逆变器，其特征在于，包括直流输入源模块和开关电容模块；
所述直流输入源模块包括第一直流电压源(Vin)、第一MOSFET管(Sm11)、第二MOSFET管(Sm12)、第三MOSFET管(Sm13)、第四MOSFET管(Sm14)、第五MOSFET管(Sm15)、第一二极管(D0)；
所述开关电容模块包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第六MOSFET管(Sm21)、第七MOSFET管(Sm22)、第八MOSFET管(Sm23)、第九MOSFET管(Sm24)、第十MOSFET管(S0)、第二二极管(D1)、第三二极管(D2)；
所述第一直流电压源(Vin)的正极同时与第一MOSFET管(Sm11)漏极、第三MOSFET管(Sm13)漏极、第五MOSFET管(Sm15)漏极相连；第一直流电压源(Vin)的负极同时与第二MOSFET管(Sm12)源极、第四MOSFET管(Sm14)源极相连；第一MOSFET管(Sm11)源极与第二MOSFET管(Sm12)漏极相连，并共同连接交流正向输出端；第八MOSFET管(Sm23)源极与第九MOSFET管(Sm24)漏极相连，并共同连接交流负向输出端；第一二极管(D0)的阳极与第五MOSFET管(Sm15)源极相连，其阴极同时与第六MOSFET管(Sm21)漏极、第一电容(C1)正极性端相连；第六MOSFET管(Sm21)源极同时与第三MOSFET管(Sm13)源极、第四MOSFET管(Sm14)漏极、第七MOSFET管(Sm22)漏极相连；第二二极管(D1)的阳极同时与第七MOSFET管(Sm22)源极、第九MOSFET管(Sm24)源极、第二电容(C2)负极性端相连，其阴极同时与第十MOSFET管(S0)源极、第一电容(C1)负极性端相连；第三二极管(D2)的阳极同时与第二电容(C2)正极性端、第十MOSFET管(S0)漏极相连，其阴极同时与第六MOSFET管(Sm21)漏极、第一电容(C1)正极性端、第八MOSFET管(Sm23)漏极相连。


2.根据权利要求1所述的升压型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述MOSFET管均附加反并联二极管，具有双向通流能力。


3.根据权利要求1或2所述的升压型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述MOSFET管栅极和源极之间均接收外部电路提供的控制驱动信号，而每只MOSFET管的控制驱动信号是由正弦调制波em与自上而下垂直分布的8路同幅、同频三角载波ei,i＝1,2,3,4,5,6,7,8比较决定的；
调制波每次与一路载波进行比较，将改变拓扑中部分主控开关管的通断状态，进而引起输出电压九种电平按如下正弦规律的依次增减：
0—+0.5Vin—+1Vin—+1.5Vin—+2Vin—+1.5Vin—+1Vin—+0.5Vin—0—-0.5Vin—-1Vin—-1.5Vin—-2Vin—-1.5Vin—-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云飞，李磊，张善路，张昕，张晋川，万承志，管月，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32