Zeta式三电平交-交变换器制造技术

本发明专利技术公开了一种Ｚｅｔａ式三电平交－交变换器。该变换器将直流Ｚｅｔａ拓扑单向开关管替换为双向开关管，另外增加一个电源电平模态支路及对其起隔离作用的双向开关管，又结合非互补式控制策略在输出滤波器前增加了零电平模态双向开关管，电源端和输出端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电的电路拓扑结构。本发明专利技术功率变换级数少，能实现双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好，提高变换效率和功率密度，调压范围宽，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量，有效地防止了功率开关管的共态导通和共态关断，大大提高了变换器的可靠性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子变换技术，特别是一种Zeta式三电平交-交变换器。技术背景交—交(AC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电 能转换成同一或另一频率和幅值的交流电能的一种变流技术，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。传统的交流调压有变压器调压、晶闸管调压、交流斩波调压和带有整流逆变中间 环节的变换调压等，综述其特点，虽然各具优点，但是缺陷也比较明显，体积大，重 量重，输出谐波畸变高，开关管承受的电压大，还有带有中间直流环节使得电路拓扑 过于复杂。多电平变换器的思想最早是由Nabae于80年代初提出的，在DC/AC变换 中以台阶式合成阶梯波输出逼近正弦波的理论已经相当的成熟，国内外有很多相关的 论文和产品，在DC/DC变换以及AC/DC变换中也有很多的应用。但是在AC/AC无中 间直流环节的变换器中，采用多电平变换的目前在国内外还是相当的少。在AC/AC无 中间直流环节的变换器中，石勇等人提出了 Buck式三电平AC-AC变换器(新型三电 平PWM交流斩波器，《电工技术学报》，2003， VoU8， No.6， pp.7 11.)。该变换器 具有拓扑简洁、单级功率变换(低频交流LFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输入 侧功率因数高、输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、适用于高 压大容量AC-AC变换等优点，但是其只能用于降压调节，对于其中的浮动电容值和平 衡控制要求比较严格，而且其电路拓扑结构决定其在三电平模式转换时，宜采取互补 式控制策略，从而导致电路工作的可靠性大为降低，并且带不同负载的能力也不强。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有单级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电 压频谱特性好、输出波形质量高、可升降压变换、可降低开关器件的电压应力等优点 的Zeta式三电平交一交变换器。实现本专利技术目的的技术解决方案为 一种Zeta式三电平交一交变换器，该变换器 由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个 电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压U。，即输入高压 交流电源Ui的一端与输入滤波电感L4相连，该输入滤波电感L4的另一端分别与输入滤 波电容C4和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感L4 和输入滤波电容C4构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电Ui进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管S5串联第六功率开关管S6组成， 所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管S"第二功率开关管S2、平衡电 容d、第三功率开关管S3和第四功率开关管S4依次串联组成，能量转换电感L的一端接于第二功率开关管S2与平衡电容d的连接点，另一端接地，该能量转换电感L, 和平衡电容Ci之间的能量通过由第七功率开关管S7和第八功率开关管s8串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容d和第三功率开关管S3的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管S6 和第四功率开关管S4连接在一起，然后再与组成输出滤波器的滤波电感L2的前端相连， 连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管S9和第十功率开关管S10串联组成的双向功率开关管支路，该第九功率开关管S9的一端与输出滤波电感L2 的前端相连；该输出滤波电感L2的后端与输出滤波电容C2的一端和输出交流负载ZL的一端相连，输出滤波电容C2的另一端和输出交流负载ZL的另一端都接地，所述的 输出滤波电感L2和输出滤波电容C2构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器 的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压Uo。本专利技术Zeta式三电平交一交变换器的第一功率开关管Si和第二功率开关管S2、第 三功率开关管S3和第四功率开关管S4、第五功率开关管Ss和第六功率开关管S6、第 七功率开关管S7和第八功率开关管S8、第九功率开关管S9和第十功率开关管S!o分别 组成五对双向功率开关管支路都能实现交流正负半周变换，第一功率开关管S!和第二 功率开关管S2、平衡电容d和第三功率开关管S3和第四功率开关管S4依次串联形成 一条实现电源电压Ui和平衡电容d电压相加输出的支路，第五功率开关管Ss和第六功率开关管S6组成一条实现电源电压Ui单独输出的支路，第七功率开关管S7和第八功率开关管S8组成一条提供实现电感Li和平衡电容d能量相互交换的支路，第九功率开关管S9和第十功率开关管Su)组成一条实现零电压输出的支路。本专利技术Zeta式三电平交一交变换器的输出交流负载Z^为阻性、感性或者容性。 本专利技术与现有技术相比，其具有显著优点(1)将直流Zeta拓扑单向开关管替换 为双向开关管，另外增加一个电源电平模态支路及对其起隔离作用的双向开关管，又 结合非互补式控制策略在输出滤波器前增加了零电平模态双向开关管，电源端和输出 端分别加上输入、输出滤波器就构成了可将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或 可调的同频、优质正弦交流电的电路拓扑结构，实现了新型电力电子变压器、多电平 在交流调压器中的应用和非互补控制策略在多电平模态转换中的应用的关键技术基 础，在交流稳压和交流连续调压的民用、工业、国防等高压大容量交一交变换场合， 具有广泛的应用前景。(2)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，因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量，适用于高压 AC-AC变换场合，调压范围宽，可实现升降压调节，并可以减小输出滤波器的体积和 重量、提高输出波形质量。(3)在多电平模态转换时采取非互补式控制策略，有效地防止了功率开关管的共态导通和共态关断，大大提高了变换器的可靠性。 下面结合附图对本专利技术作进一步详细描述。附图说明图1是本专利技术Zeta式三电平交一交变换器的电路拓扑结构图。图2是本专利技术Zeta式三电平交一交变换器的非互补式控制策略的原理波形图。具体实施方式结合图l，本专利技术Zeta式三电平交一交变换器，由依次连接的输入滤波器、多电平 变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输 出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压Uo，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感 L4相连，该输入滤波电感L4的另一端分别与输入滤波电容C4和多电平变换器的两个 电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感U和输入滤波电容C4构成输入滤波 器，该输入滤波器对输入高压交流电源Ui进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平 模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管S5串联第六功率开关管S6组成，所述的电源电压串联电容电压支 路由第一功率开关管第二功率开关管S2、平衡电容d、第三功率开关管S3和第 四功率开关管S4依次串联组成，能量转换电感U的一端接于第二功本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｚｅｔａ式三电平交－交变换器，其特征在于：该变换器由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压ｕ↓［ｏ］，即输入高压交流电源ｕ↓［ｉ］的一端与输入滤波电感Ｌ↓［４］相连，该输入滤波电感Ｌ↓［４］的另一端分别与输入滤波电容Ｃ↓［４］和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感Ｌ↓［４］和输入滤波电容Ｃ↓［４］构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源ｕ↓［ｉ］进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管Ｓ↓［５］串联第六功率开关管Ｓ↓［６］组成，所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管Ｓ↓［１］、第二功率开关管Ｓ↓［２］、平衡电容Ｃ↓［１］、第三功率开关管Ｓ↓［３］和第四功率开关管Ｓ↓［４］依次串联组成，能量转换电感Ｌ↓［１］的一端接于第二功率开关管Ｓ↓［２］与平衡电容Ｃ↓［１］的连接点，另一端接地，该能量转换电感Ｌ↓［１］和平衡电容Ｃ↓［１］之间的能量通过由第七功率开关管Ｓ↓［７］和第八功率开关管Ｓ↓［８］串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容Ｃ↓［１］和第三功率开关管Ｓ↓［３］的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管Ｓ↓［６］和第四功率开关管Ｓ↓［４］连接在一起，然后再与组的滤波电感Ｌ↓［２］的前端相连，连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管Ｓ↓［９］和第十功率开关管Ｓ↓［１０］串联组成的双向功率开关管支路，该第九功率开关管Ｓ↓［９］的一端与输出滤波电感Ｌ↓［２］的前端相连；该输出滤波电感Ｌ↓［２］的后端与输出滤波电容Ｃ↓［２］的一端和输出交流负载Ｚ↓［Ｌ］的一端相连，输出滤波电容Ｃ↓［２］的另一端和输出交流负载Ｚ↓［Ｌ］的另一端都接地，所述的输出滤波电感Ｌ↓［２］和输出滤波电容Ｃ↓［２］构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压ｕ↓［ｏ］。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：仲庆龙，李磊，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]