开关电容自均压九电平逆变器制造技术

开关电容自均压九电平逆变器，V

【技术实现步骤摘要】
开关电容自均压九电平逆变器


[0001]本专利技术涉及电力电子
，特别是开关电容自均压九电平逆变器。

技术介绍

[0002]在可再生能源发电系统中，逆变器是电能变换与传输的关键环节，实现逆变的通常做法是采用全桥逆变器。由于全桥逆变器电平电压跳变引起的严重电磁干扰以及受限于较少的输出电平数，开关器件需要工作在较高的开关频率或者较大的滤波器才能获得高质量的输出，从而造成较高的功率损耗和更严重的电磁干扰。因此，该拓扑不适用于大功率或高电压等级的应用场合。
[0003]多电平逆变器具有输出电压谐波含量低、输出电能质量高、开关器件电压应力低和需要较小的输出滤波器等优点，克服了全桥逆变器的缺点，广泛应用于中高压输配电、有源电力滤波器、不间断电源、交流电机调速、电动汽车和新能源分布式发电等领域。传统多电平逆变器包括二极管箝位型、飞跨电容型和级联H桥型逆变器结构。二极管箝位型多电平逆变器需使用大量的箝位二极管，而飞跨电容型多电平逆变器需使用大量的电容，这两种拓扑扩展输出电平需要增加箝位器件和分压电容，同时也为控制算法和调制策略引入更高的复杂度。级联H桥型多电平逆变器由于其需要多个独立直流电源的特性，应用场合受限。
[0004]近年来，开关电容技术在多电平逆变器中有着广泛的应用。开关电容结构没有电感、变压器等磁性元件，且该结构具有一定的升压能力，减少中间DC/DC升压环节，可以降低系统的成本，提高逆变器效率。将开关电容结构应用到多电平逆变器中，对于提高多电平逆变器的电压调节能力，拓宽逆变器适用范围，实现逆变器小型化、集成化和高效化发展有重要的意义。然而，现有的开关电容九电平逆变器普遍存在电压增益低、器件数量多、电容体积大等问题。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对上述问题，提出了开关电容自均压九电平逆变器。该逆变器的输出电压为直流电压源电压的四倍，具有高电压增益；电容均可以在开关周期下实现电容电压的充电和放电平衡，降低逆变器的成本和体积；可以带阻性负载或者阻感性负载，应用范围广。
[0006]实现本专利技术目的的技术方案如下：
[0007]第一种逆变器：一种开关电容自均压九电平逆变器，直流电压源V
dc
的正极连接到开关管S1的漏极和二极管D3的阳极，D3的阴极连接到电容C1的正极，C1的负极连接到S1的源极；V
dc
的负极连接到开关管S4的源极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接到电容C2的负极，C2的正极连接到S4的漏极；S1的源极还连接到开关管S3的漏极，S3的源极连接到二极管D1的阳极，D1的阴极连接到S4的漏极；V
dc
的负极还连接到二极管D2的阴极，D2的阳极连接到开关管S8的源极，S8的漏极连接到开关管S7的源极，S7的漏极连接到C1的正极；S7的源极还连接到电容C3的负极，S7的漏极还连接到二极管D5的阳极，C3的正极、D5的阴极均连接到开关管S9、开
频率相等；u2与u3频率相等且相位相差180
°
；u1与u4的频率为u2与u3的频率的两倍；u1的最大值为A
c
，最小值为0；u4的最大值为4A
c
，最小值为3A
c
；u2和u3的最大值为3A
c
，最小值为A
c
；u
s
的幅值小于4A
c
。
[0015]与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：
[0016]1.本专利技术为升压逆变器，逆变器的输出电压为直流电压源电压的四倍，具有四倍升压能力。
[0017]2.结构简单、成本低廉、功率密度高、系统效率高。
[0018]3.所有电容均可以在开关周期下实现电容电压的充电和放电平衡，降低开关电容的成本和体积。
[0019]4.第一种和第三种逆变器，可以连接阻性负载；第二种和第四种逆变器，可以连接阻性负载或者阻感性负载。本专利技术的逆变器应用范围广。
附图说明
[0020]图1为第一种开关电容自均压九电平逆变器原理图。
[0021]图2为第二种开关电容自均压九电平逆变器原理图。
[0022]图3为第三种开关电容自均压九电平逆变器原理图。
[0023]图4为第四种开关电容自均压九电平逆变器原理图。
[0024]图5(a)、图5(b)和图5(c)为调制信号图。
[0025]图5(d)为生成开关管驱动信号的逻辑图。
[0026]图6(a)～图6(m)为第二种开关电容自均压九电平逆变器工作模态图。
[0027]图7为第二种开关电容自均压九电平逆变器输出电压、输出电流和电容电压波形。
[0028]图8为第二种开关电容自均压九电平逆变器在负载变化时的输出电压和输出电流波形。
具体实施方式
[0029]下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步说明。
[0030]如图2所示，第二种开关电容自均压九电平逆变器的电路原理图，包括直流电压源V
dc
、第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3、第一二极管D1、第二二极管D2、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9、第九开关管S9、第十开关管S
10
、第十一开关管S
11
、第十二开关管S
12
及负载。
[0031]直流电压源V
dc
的正极连接到第一开关管S1的漏极和第二开关管S2的源极，V
dc
的负极连接到第四开关管S4的源极、第五开关管S5的漏极和第二二级管D2的阴极；第一电容C1的正极连接到第二开关管S2的漏极、第六开关管S6的源极和第七开关管S7的漏极，第一电容C1的负极连接到第一开关管S1的源极和第三开关管S3的漏极；第二电容C2的正极连接到第四开关管S4的漏极和第一二极管D1的阴极，第二电容C2的负极连接到第五开关管S5的源极、第十开关管S
10
的源极和第十二开关管S
12
的源极；第三电容C3的正极连接到第六开关管S6的漏极、第九开关管S9的漏极和第十一开关管S
11
的漏极，第三电容C3的负极连接至第七开关管S7的源极和第八开关管S8的漏极；第三开关管S3的源极连接到第一二极管D1的阳极，第八开关
管S8的源极连接到第二二极管D2的阳极；第九开关管S9的源极连接到第十开关管S
10
的漏极和负载的正极，第十一开关管S
11
的源极连接到第十二开关管S
12
的漏极和负载的负极。
[0032]第二种逆变器可以连接阻性负载或者阻感性负载，当应用场景只需要连接阻性负载时，可以将S2、S5和S6换成二极管，就得到了第一种逆变器，如图1所示。
[0033]如图4所示，第四种开关电容自均压九电平逆变器的电路原理图，包括直流电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种开关电容自均压九电平逆变器，其特征在于，直流电压源V
dc
的正极连接到开关管S1的漏极和二极管D3的阳极，D3的阴极连接到电容C1的正极，C1的负极连接到S1的源极；V
dc
的负极连接到开关管S4的源极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接到电容C2的负极，C2的正极连接到S4的漏极；S1的源极还连接到开关管S3的漏极，S3的源极连接到二极管D1的阳极，D1的阴极连接到S4的漏极；V
dc
的负极还连接到二极管D2的阴极，D2的阳极连接到开关管S8的源极，S8的漏极连接到开关管S7的源极，S7的漏极连接到C1的正极；S7的源极还连接到电容C3的负极，S7的漏极还连接到二极管D5的阳极，C3的正极、D5的阴极均连接到开关管S9、开关管S
11
的漏极；C2的负极还连接到开关管S
10
、开关管S
12
的源极；S9的源极和S
10
的漏极连接到负载的一端，S
11
的源极和S
12
的漏极连接到负载的另一端。2.如权利要求1所述的一种开关电容自均压九电平逆变器，其特征在于，所述D3替换为开关管S2，S2的源极连接到V
dc
的正极，S2的漏极连接到C1的正极；所述D4替换为开关管S5，S5的漏极连接到V
dc
的负极，S5的源极连接到C2的负极；所述D5替换为开关管S6；S6的源极连接到S7的漏极，S6的漏极连接到S9、S
11
的漏极。3.一种开关电容自均压九电平逆变器，其特征在于，直流电压源V
dc
的正极连接到开关管S1的漏极和二极管D3的阳极，D3的阴极连接到电容C1的正极，C1的负极连接到S1的源极；V
dc
的负极连接到开关管S4的源极和二极管D4的阴极，D4的阳极连接到电容C2的负极，C2的正极连接到S4的漏极；S1的源极还连接到开关管S3的漏极，S3的源极连接到二极管D1的阳极，D1的阴极连接到S4的漏极；V
dc
的正极还连接到开关管S8的漏极，S8的源极连接到二极管D2的阳极，D2的阴极连接到开关管S7的漏极，S7的源极连接到C2的负极；S7的漏极还连接到电容C3的正极，S7的源极还连接到二极管D5的阴极，C3的负极、D5的阳极均连接到开关管S
10
、开关管S
12
的源极；C1的正极还连接到开关管S9、开关管S
11
的漏极；S9的源极和S
10
的漏极连接到负载的一端，S
11
的源极和S
12
的漏极连接到负载的另一端。4.如权利要求3所述的一种开关电容自均压九电平逆变器，其特征在于，所述D3替换为开关管S2，S2的源极连接到V
dc
的正极，S2的漏极连接到C1的正极；所述D4替换为开关管S5，S5的漏极连接到V
dc
的负极，S5的源极连接到C2的负极；所述D5替换为开关管S6，S6的漏极连接到S7的源极，S6的源极连接到S
10
、S
12
的源极。5.如权利要求1所述的一种开关电容自均压九电平逆变器的控制方法，其特征在于，使用驱动信号V
gs1
、V
gs3
、V
gs4
、V
gs7
‑
V
gs12
分别控制开关管S1、S3、S4、S7‑
S
12
；其中，V
gs1
＝(B0)or(B3)，V
gs3
＝(A7)or(B2)，V
gs4
＝(B1)or(B4)，V
gs7
＝A7，V
gs8
＝(A8)and(A9)，V
gs9
＝not((A1)and(A2))，V
gs10
＝(A1)and(A2)，V
gs11
＝not((A0)and(A2))，V
gs12
＝not((A0)and(A2))；所述B0＝(A3)and(A
10
)，B1＝(A6)and(A
10
)，B2＝(A3)xor(A6)，B3＝(not((A5)and(A7)))and(A9)，B4＝(not((A4)and(A7)))and(A9)；所述A0＝(u
s
>0)，A1＝not(u
s
>0)，A2＝(abs(u
s
)>u1)，A3＝(abs(u
s
)>u2)，A4＝(u2>u3)，A5＝not(u2>u3)，A6＝(abs(u
s
)>u3)，A7＝(abs(u
s
)>u4)，A8＝not(abs(u
s
)>u4)，A9＝(abs(u
s
)>3A
c
)，A
10
＝not(abs(u
s
)>3A
c
)；所述u
s
为正弦波，u1、u2、u3、u4为三角波；u1、u2、u3、u4的频率大于u
s
的频率；u1与u4频率相等；u2与u3频率相等且相位相差180
°
；u1与u4的频率为u2与u3的频率的两倍；u1的最大值为A
c
，最小值为0；u4的最大值为4A
c
，最小值为3A
c
；u2和u3的最大值为3A
c
，最小值为A
c
；u
s
的幅值小
于4A
c
。6.如权利要求2所述的一种开关电容自均压九电平逆变器的控制方法，其特征在于，使用驱动信号V
gs1
‑
V
gs12
分别控制开关管S1‑
S
12
；其中，V
gs1
＝(B0)or(B3)，V
gs2
＝not((B0)or(B3))，V
gs3
＝(A7)or(B2)，V
gs4
＝(B1)or(B4)，V
gs5
＝not((B1)or(B4))，V
gs6
＝A8，V
gs7
＝A7，V
gs8
＝(A8)and(A9)，V
gs9
＝not((A1)and(A2))，V
gs10
＝(A1)and(A2)，V
gs11
＝not((A0)and(A2))，V
gs12
＝not((A0)and(A2))；所述B0＝(A3)and(A
10
)，B1＝(A6)and(A
10
)，B2＝(A3)xor(A6)，B3＝(not((A5)and(A7)))and(A9)，B4＝(not((A4)and(A7))...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐能谋，周国华，申楚仪，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：