一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑制造技术

本发明专利技术涉及电力电子技术，具体涉及一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑，基本单元拓扑由直流源V

【技术实现步骤摘要】
一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑
本专利技术属于电力电子
，特别涉及一种四倍升压九电平开关电容逆变器及其扩展拓扑。
技术介绍
多电平逆变器(Multi-LevelInverter,MLI)因具有总谐波畸变率(TotalHarmonicDistortion,THD)低、低开关电压应力、低开关损耗和需要较小的输出滤波器等优点而广泛应用于可再生能源系统。经典多电平逆变器拓扑包括级联H桥型(CascadedH-Bridge,CHB)、中性点箝位型(NeutralPointClamped,NPC)和飞跨电容型(FlyingCapacitor,FC)。然而当工作的电压电平数量超过3时，这三种传统多电平逆变器会产生电压不平衡和需要较多组件等问题。且三种传统的多电平逆变器不具备升压能力，一般来说，像光伏和燃料电池这样的可再生能源是以低压电源的形式提供的。传统的解决方案有两种：一种升压方案是将多个光伏组件串联成高压串，目前已经遇到了许多不匹配问题；另一种方案是将前端DC-DC升压变换器与后端传统的MLI级联。这会增加复杂性并降低效率。利用基于开关电容的集成升压技术已经作为解决上述问题的新方法而被广泛研究。同时，多电平逆变器的可扩展性是它的一个重要性能。尤其在大功率应用场合下，电力电子器件材质和工艺水平的限制，逆变器的开关频率受到限制，导致输出电能质量下降。在MLI中有两种解决方法：一种方案是通过降低MLI每个开关器件两端承受的最大电压应力以提高开关频率，实现高电能质量输出。但这种方法对MLI拓扑要求较高，要求所有高频率的开关器件两端的最大电压应力不能超过开关器件安全运行的额定值。并且，这种方案提高了开关频率，这意味着开关损耗的增加。另一种有效的方案是增加输出电平数量。通过最接近电平控制技术(NearestLevelControlMethods)，输出母线电压呈现阶梯波，不需要两种电平高频切换，开关频率仅需数百赫兹，阶梯波的数量由电平数量决定。但是输出电平数量的增加必然会增加逆变器组件数量，这会增加逆变器体积并降低效率。
技术实现思路
针对
技术介绍
存在的问题，本专利技术提供了一种九电平开关电容逆变器基本单元拓扑结构，其目的是减少开关数量，提高输出电压增益，和提高扩展性能。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：一种九电平开关电容逆变器基本单元拓扑，由直流源Vin、第一开关S1、第二开关第三开关S2、第四开关第五开关S3、第六开关第七开关S4、第八开关第九开关S5、第一二极管D1、第二二极管D2和第一电容器C1、第二电容器C2组成；第一开关S1的发射极和第二开关的集电极相连，第二开关的发射极与第四开关的发射极、第一电容器C1的负极、第一二极管D1的阳极和第二二极管D2的阴极相连接，第一开关S1的集电极与第三开关S2的集电极、第五开关S3的集电极和第二电容器C2的正极相连，第五开关S3的发射极与第八开关的集电极相连，第二电容器C2的负极与第六开关的发射极和第九开关S5的集电极相连，第九开关S5的发射极与第二二极管D2的阳极相连，第七开关S4的集电极与第一电容器C1的正极和第八开关的发射极相连；直流源Vin正极与第六开关的集电极相连，直流源Vin负极与第一二极管D1阴极相连，第五开关S3的发射极与第四开关的集电极通过导线连接。九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的扩展拓扑，在九电平开关电容逆变器基本单元中通过级联多个基本单元增加电压电平的数目；级联一个基本单元的连接方式如下：将第一级九电平开关电容逆变器第一电容器C1的负极、第一二极管D1的阳极与第二开关的发射极、第二二极管D2的阴极断开，增加第二级九电平开关电容逆变器的第十开关Sd1的集电极与第八开关的发射极和第七开关S4的集电极相连，第十一开关Sd2的集电极与第十开关Sd1的发射极相连，第十一开关Sd2的发射极与第一电容器C1的负极和第一二极管D1的阳极、第三二极管Dd1的阴极相连，第三二极管Dd1的阴极与第十一开关Sd2的发射极相连，第三二极管Dd1的阳极与第三电容器Cd1的负极相连，第三电容器Cd1的正极与第十开关Sd1的发射极和第十一开关Sd2的集电极相连，负极与第二开关的发射极相连；级联多个基本单元的连接方式以此类推。在上述的九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的扩展拓扑中，所述扩展拓扑开关数量NSW、电容器的数量NC、二极管数量Nd与电平数量N的关系表达式为：由式(1)可知，每增加2个开关、1个电容器和1个二极管，输出电压vbus电平数量增加4。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：(1)九电平开关电容逆变器基本单元拓扑只需一个直流电压源、两个电容器、两个二极管和九个功率开关，即可实现九电平输出，有效缩小了装置体积，提高装置功率密度，并节约了成本。(2)利用开关电容的原理，通过合理改变直流源与第一电容器C1和第二电容器C2的串并联方式，九电平开关电容逆变器基本单元拓扑可以实现四倍升压的能力，不需要额外的升压电路，使得拓扑结构更加简单。(3)扩展性能好，在九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的基础上，每增加2个开关、1个电容器和1个功率二极管，输出电压vbus电平数量增加4。(4)在九电平开关电容逆变器基本单元拓扑中，第一电容器C1和第二电容器C2实现充放电平衡，且第一电容器C1在最高电平和次最高电平轮流充放电，优化了电容器两端电压持续衰减的问题。(5)九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的9个开关中，开关Si具有与的互补操作，简化了开关控制。且第一开关S1与第二以低频方式工作，进一步降低了开关损耗。附图说明图1是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑结构原理图；图2是本专利技术一个实施例基于九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的扩展拓扑结构图；图3-1是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑处于第一工作状态A时的拓扑图；图3-2是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑处于第二工作状态B时的拓扑图；图3-3是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑处于第三工作状态C时的拓扑图；图3-4是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑处于第四工作状态D时的拓扑图；图3-5是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑处于第五工作状态E时的拓扑图；图4-1是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑在阻性负载(Z1＝50Ω)下，总线电压Vbus、输出电压Vout和输出电流iout的仿真波形；图4-2是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑在感性负载(Z2＝50Ω+100mH)下，总线电压Vbus、输出电压Vout和输出电流iout的仿真波形；图4-3是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑在感性负载Z2下，总线电压Vbus、开关电容C1、C2的电压VC1和VC2的仿真波形；图4-4是本专利技术一个实施例九电平开关电容逆变器基本单元拓扑在感性负载Z2下本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种九电平开关电容逆变器基本单元拓扑，其特征是，由直流源(V

【技术特征摘要】
1.一种九电平开关电容逆变器基本单元拓扑，其特征是，由直流源(Vin)、第一开关(S1)、第二开关第三开关(S2)、第四开关第五开关(S3)、第六开关第七开关(S4)、第八开关第九开关(S5)、第一二极管(D1)、第二二极管(D2)和第一电容器(C1)、第二电容器(C2)组成；第一开关(S1)的发射极和第二开关的集电极相连，第二开关的发射极与第四开关的发射极、第一电容器(C1)的负极、第一二极管(D1)的阳极和第二二极管(D2)的阴极相连接，第一开关(S1)的集电极与第三开关(S2)的集电极、第五开关(S3)的集电极和第二电容器(C2)的正极相连，第五开关(S3)的发射极与第八开关的集电极相连，第二电容器(C2)的负极与第六开关的发射极和第九开关(S5)的集电极相连，第九开关(S5)的发射极与第二二极管(D2)的阳极相连，第七开关(S4)的集电极与第一电容器(C1)的正极和第八开关的发射极相连；直流源(Vin)正极与第六开关的集电极相连，直流源(Vin)负极与第一二极管(D1)阴极相连，第五开关(S3)的发射极与第四开关的集电极通过导线连接。


2.如权利要求1所述九电平开关电容逆变器基本单元拓扑的扩展拓扑，其特征是，在九电平开关电容逆变器基...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘健，陈光义，陈庆东，石迪，宋豪杰，熊嘉鑫，刘孙德，刘雨晴，张琦，
申请(专利权)人：湖北工业大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42