半桥五电平逆变器及高频隔离式半桥五电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种半桥五电平逆变器及高频隔离式半桥五电平逆变器，其将箝位型多电平电路的构造技术运用到Buck型逆变器，将二极管箝位型三电平电路中的箝位二极管替换成功率开关管，这样可以保证高频隔离变压器原边绕组上得到直流电源电压，同时功率开关管也能起到箝位二极管的作用，从而在原边绕组上得到±Ui、±Ui/2、0五种电平，在副边绕组上也能感应出五种电平，输出的五个电平经周波变换器和输出滤波器滤波后得到稳定的正弦交流电压；本发明专利技术功率变换级数少，功率开关器件少，功率开关管电压应力小，拓宽了功率开关管选择范围，能实现双向功率流，具有电气隔离特性，输出滤波器前端电压频谱特性好，并可以减小体积和重量。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电力电子变换
，特别是一种半桥五电平逆变器及其应用。
技术介绍
直一交(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。迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直一交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平直一交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平直一交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式直一交型多电平直一交变换器、而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。多电平逆变器主要有三类拓扑结构(1) 二极管箝位型逆变器、(2)电容箝位型逆变器、(3)具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器具有适用与高输入电压大功率逆变器场合的优点具有独立直流电源的级联型多电平逆变器具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。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；高频环节逆变技术用高频变压器代替了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。进十年来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少的有价值的研究成果。1990年S. R. Narayana Prakask等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”，由高频电气隔离的DC/DC变换器和buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、三级功率变换(DC-HFAC-DC-LFAC)、变换效率高、采用传统PWM技术时功率器件开关损耗大、成本高等特点。1. Yamato等人于1988年提出了 “双向Buck型高频环节逆变器”，该逆变器由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通周期均有两个或四个功率器件同时导通，导通损耗较大。具有双向功率流、直流一高频脉冲交流一低频交流的两级结构、效率较高、导通损耗大等特点。但是这种“双向Buck型高频环节逆变器”在滤波电感前端产生的电压为+U1、-U1、两电平或为+U1、0、-U1、三电平，考虑到在高压输入场合下扩大功率器件的选择范围，功率开关管的电压应力要低，所以这一固有缺陷制约了这种“双向Buck型高频环节逆变器”在高输入电压大功率逆变器场合的应用。而目前所研究的高频隔离型式多电平拓扑结构大多数集中在中间带有直流环节的单向Buck型高频环节逆变器。只是在高频电气隔离的DC/DC变换器中加入了多电平技术。只是减小了高频电气隔离的DC/DC变换器中开关管的电压应力，而在输出滤波电感前端并没有真正实现多电平，并没有减小Buck型逆变桥的开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。而且这种多电平拓扑是在单向Buck型高频环节逆变器的基础上提出的，由于单向Buck型高频环节逆变器的固有缺陷，所以这一系列的高频隔离型式多电平拓扑应用场合受到限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种具有两级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、降低开关器件的电压应力、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的高频隔离式半桥五电平逆变器。实现本专利技术目的的技术解决方案为一种半桥五电平逆变器，第一输入电容的正极、第一功率开关管的漏极和第一二极管的阴极相连，第二输入电容的负极、第四功率开关管的源极和第四二极管的阳极相连，第一输入电容的负极、第二输入电容的正极、第八功率开关管的漏极和第八二极管的阴极连在一起，第七功率开关管的源极连、第八功率开关管的源极、第七二极管的阳极和第八二极管的阳极连在一起，第一功率开关管的源极连于第二功率开关管的漏极、第五功率开关管的漏极和第一二极管的阳极，第五功率开关管的漏极连与第五二极管的阴极，第二功率开关管的漏极连与第二二极管的阴极，第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第七二极管的阴极、第七功率开关管的漏极、第六功率开关管的漏极和第六二极管的阴极连在一起，第二功率开关管的源极、第二二极管的阳极、第三功率开关管的漏极和第三二极管的阴极连在一起，第三功率开关管的源极、第三二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极、第四功率开关管的漏极和第四二极管的阴极连在一起，第一输入电容的正极和第二输入电容的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管的源极和第七功率开关管的漏极分别为输出交流的两端。一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器、输出交流负载构成，所述的高频逆变器为半桥五电平逆变器，其中，输入直流电源的正极与半桥五电平逆变器的正极连接，输入直流电源的负极与半桥五电平逆变器的负极连接，半桥五电平逆变器的输出端与高频变压器的初级绕组连接，高频变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端相连，输出滤波器的输出端与输出交流负载相连。本专利技术与现有技术相比，其显著优点(I)将箝位型多电平拓扑的构造思路运用与Buck型逆变器中。并在输入直流电源与交流负载中插入高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离。高频隔离变压器的使用实现了变换器的小型化、轻量化，提高了变换器的效率。(2)与传统的“双向Buck型高频环节逆变器”相比，本专利技术在输出滤波电感前端能够得到+U1、+Ui/2、0、一U1、一Ui/2五种电平,提闻了直流电源的利用率,从而减小了功率开关管的电压应力，拓宽了功率开关管的选择范围，滤波电感电容值都得以减小。在民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量逆变场合，采用本专利技术的逆变拓扑可以很好的适应这种场合，是比较理想的逆变电源解决方案。(3)本专利技术中的高频隔离变压器在每个开关周期均实现了双向磁化，提高了变压器磁芯的利用率。(4)本专利技术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。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为本专利技术高频隔离式半桥五电平逆变器的电路拓扑结构图。 图2为本专利技术高频隔离式半桥桥式五电平逆变器的电路拓扑图。图3为本专利技术高频隔离式半桥全波五电平逆变器的电路拓扑图。具体实施例方式结合图f图3 :本专利技术一种半桥五电平逆变器，第一输入电容Cl的正极、第一功率开关管SI的漏极和第一二极管Dl的阴极相连，第二输入电容C2的负极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第一输入电容Cl的负极、第二输入电容C2的正极、第八功率开关管S8的漏极和第八二极管D8的阴极连本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半桥五电平逆变器，其特征在于：第一输入电容（C1）的正极、第一功率开关管（S1）的漏极和第一二极管（D1）的阴极相连，第二输入电容（C2）的负极、第四功率开关管（S4）的源极和第四二极管（D4）的阳极相连，第一输入电容（C1）的负极、第二输入电容（C2）的正极、第八功率开关管（S8）的漏极和第八二极管（D8）的阴极连在一起，第七功率开关管（S7）的源极连、第八功率开关管（S8）的源极、第七二极管（D7）的阳极和第八二极管（D8）的阳极连在一起，第一功率开关管（S1）的源极连于第二功率开关管（S2）的漏极、第五功率开关管（S5）的漏极和第一二极管（D1）的阳极，第五功率开关管（S5）的漏极连与第五二极管（D5）的阴极，第二功率开关管（S2）的漏极连与第二二极管（D2）的阴极，第五功率开关管（S5）的源极、第五二极管（D5）的阳极、第七二极管（D7）的阴极、第七功率开关管（S7）的漏极、第六功率开关管（S6）的漏极和第六二极管（D6）的阴极连在一起，第二功率开关管（S2）的源极、第二二极管（D2）的阳极、第三功率开关管（S3）的漏极和第三二极管（D3）的阴极连在一起，第三功率开关管（S3）的源极、第三二极管（D3）的阳极、第六功率开关管（S6）的源极、第六二极管（D6）的阳极、第四功率开关管（S4）的漏极和第四二极管（D4）的阴极连在一起，第一输入电容（C1）的正极和第二输入电容（C2）的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管（S2）的源极和第七功率开关管（S7）的漏极分别为输出交流的两端。...

【技术特征摘要】
1.一种半桥五电平逆变器，其特征在于第一输入电容(Cl)的正极、第一功率开关管 (SI)的漏极和第一二极管(Dl)的阴极相连，第二输入电容(C2)的负极、第四功率开关管(54)的源极和第四二极管(D4)的阳极相连，第一输入电容(Cl)的负极、第二输入电容(C2) 的正极、第八功率开关管(S8)的漏极和第八二极管(D8)的阴极连在一起，第七功率开关管 (S7)的源极连、第八功率开关管(S8)的源极、第七二极管(D7)的阳极和第八二极管(D8) 的阳极连在一起，第一功率开关管(SI)的源极连于第二功率开关管(S2)的漏极、第五功率开关管(S5)的漏极和第一二极管(Dl)的阳极，第五功率开关管(S5)的漏极连与第五二极管(D5)的阴极，第二功率开关管(S2)的漏极连与第二二极管(D2)的阴极，第五功率开关管(55)的源极、第五二极管(D5)的阳极、第七二极管(D7)的阴极、第七功率开关管(S7)的漏极、第六功率开关管(S6)的漏极和第六二极管(D6)的阴极连在一起，第二功率开关管(S2) 的源极、第二二极管(D2)的阳极、第三功率开关管(S3)的漏极和第三二极管(D3)的阴极连在一起，第三功率开关管(S3)的源极、第三二极管(D3)的阳极、第六功率开关管(S6)的源极、第六二极管(D6)的阳极、第四功率开关管(S4)的漏极和第四二极管(D4)的阴极连在一起，第一输入电容(Cl)的正极和第二输入电容(C2)的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管(S2)的源极和第七功率开关管(S7)的漏极分别为输出交流的两端。2.一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源(I)、高频逆变器、高频变压器(3)、周波变换器、输出滤波器(5)、输出交流负载(6) 构成，其特征在于，所述的高频逆变器为半桥五电平逆变器(2)，其中，输入直流电源(I)的正极与半桥五电平逆变器(2)的正极连接，输入直流电源(I)的负极与半桥五电平逆变器(2)的负极连接，半桥五电平逆变器(2)的输出端与高频变压器(3)的初级绕组连接，高频变压器(3)的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器(5)的输入端相连,输出滤波器(5)的输出端与输出交流负载(6)相连。3.根据根据权利要求2所述的一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，其特征在于，所述的周波变换器为全桥式周波变换器(4)，高频变压器(3)的第一副边绕组(N2)的同名端与所述全桥式周波变换器(4)的第九功率开关管(S9)的漏极、第九二极管(D9)的阴极、第十一功率开关管(Sll)的漏极、第十一二极管(Dll)的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器(4)的第九功率开关管(S9)的源极、第九二极管(D9)的阳极、第十功率开关管(SlO)的源极、第十二极管(DlO)的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器(4)的第十功率开关管(SlO)的漏极、第十二极管(DlO)的阴极、第十三功率开关管 (S13)的漏极、第十三二极管(D13)的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器(4)的第十三功率开关管(S13)的源极、第十三二极管(D13)的阳极、第十四功率开关管(S14)的源极、第十四二极管(D14)的阳极连在一起，高频变压器(3)的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐烨，李磊，项泽宇，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：