高频隔离型升压式三电平逆变器

摘要

本发明提供一种高频隔离型升压式三电平逆变电路，由Boost变换电路和反激式能量回馈电路构成，Boost变换电路依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波电容和输出交流负载构成，由于Boost型变换器只能升压不能降压，所以无法得到输出电压下降且满足要求的输出正弦波形，为了确保该期间正弦输出波形质量，解决输出滤波电容和负载无功能量的去向问题，在输出负载与输入电源之间加入了高频电气隔离反激式变换器能量反馈电路。本发明的逆变器具有功率变换级数少、功率开关器件少、输入纹波小、功率开关管电压应力低、双向功率流、高频电气隔离、输出滤波器前端电压频谱特性好的特性。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种新型高频隔离型升压式三电平逆变器。

背景技术

目前国内外电力电子研究人员对于直－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－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、交-交和直-交-直变换器，而对于多电平直-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-交型多电平直－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。高频链转换器是一种灵活多变的拓扑结构，其共同点是电路结构的形式紧凑，功率密度高，相应速度快。另外，系统可工作在20kH以上，无音频噪音，滤波相对容易，并且功率可达kW以上。因此，无论在恒压恒频领域，还是在调压调频领域都有很大的实用价值，它是未来继续研究发展的一个重要课题。

迄今为止，人们对buck、buck-boost型高频环节DC-AC变换器的研究已经取得了显著的成果，但是buck、buck-boost型高频环节DC-AC变换器存在输入电流纹波大、负载短路时可靠性低(buck型)，输出容量小(buck-boost)等缺陷。对Boost型变换器的研究，主要集中在Boost型DC-DC、AC-AC、AC-DC变换器，包括非电气隔离式和电气隔离式，对Boost型三电平变换器的研究主要集中在无隔离变压器型，而对于带隔离变压器的Boost型三电平变换器特别是带隔离变压器的Boost型三电平逆变器的研究还很少。为了构成系统、完整的高频环节逆变技术理论，有必要寻求和深入研究新型高频隔离型升压式三电平逆变器。

发明内容

本发明目的在于提供一种高频隔离型升压式三电平逆变器，具有功率变换级数少、功率开关器件少、输入纹波小、功率开关管电压应力低、双向功率流、高频电气隔离、输出滤波器前端电压频谱特性好的特性。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种高频隔离式升压三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元、输入滤波器、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出分压电容、输出交流负载构成、高频电气隔离反激式变换器构成，其中，输入直流电源单元包括输入直流电源，输入直流电源与输入滤波器的一端连接，输入滤波器的另一端与高频逆变器的一端连接，高频逆变器的另一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分压电容的输入端连接，输出分压电容的输出端与输出交流负载连接，输出交流负载与输入直流电源单元之间联接高频电气隔离反激式变换器。

进一步的实施例中，所述输入滤波器包括输入滤波电感和输入滤波电容，其中，输入直流电源的参考正极与输入滤波电感的一端连接，输入滤波电感的另一端分别与输入滤波电容的正极和升压电感的一端连接，输入滤波电容的负极与输入直流电源的参考负极连接；

所述高频变压器包括第一原边绕组、第二原边绕组和第三副边绕组、第四副边绕组；

所述的高频逆变器包括升压电感、第一功率开关管及第一二极管，第二功率开关管及第二二极管，第三功率开关管及第三二极管，第四功率开关管及第四二极管，其中：

第一功率开关管的漏极分别和升压电感的另一端以及第二功率开关管的漏极相连，第一功率开关管的源极于第三功率开关管的漏极连接，第二功率开关管的源极与第一原边绕组的非同名端连接，第一原边绕组的同名端与第二原边绕组的同名端连接后与第一功率开关管的源极和第三功率开关管的漏极连接，第三功率开关管的源极与第四功率开关管的源极连接后与输入滤波器的负极连接，再与输入直流电源的负极连接，第四功率开关管的漏极与第二原边绕组的非同名端连接，第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管分别反并联于第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管的两端，即第一二极管的阴极与第一功率开关管的漏极连接，第一二极管的阳极与第一功率开关管的源极连接，第二二极管的阴极与第二功率开关管的漏极连接，第二二极管的阳极与第二功率开关管的源极连接，第三二极管的阴极与第三功率开关管的漏极连接，第三二极管的阳极与第三功率开关管的源极连接，第四二极管的阴极与第四功率开关管的漏极连接，第四二极管的阳极与第四功率开关管的源极连接；

所述高频变压器的第一原边绕组的非同名端与第二功率开关管的源极连接，第一原边绕组的同名端与第二原边绕组的同名端连接后与第三功率开关管的漏极、第一功率开关管的源极连接，第二原边绕组的非同名端与第四功率开关管的漏极连接；高频变压器的第三副边绕组的同名端与第五功率开关管的漏极连接，第三副边绕组的非同名端与第四副边绕组的非同名端连接，第四副边绕组的同名端与第七功率开关管的漏极连接；

所述周波变换器包括第一四象限功率开关管、第二四象限功率开关管，高频变压器的第三副边绕组的同名端与所述周波变换器的第五功率开关管的漏极连接，、第五二极管的阴极连接在一起，第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极连接在一起，高频变压器的第四副边绕组的同名端与第七功率管的漏极和第七二极管的阴极连接，第七功率开关管的源极、第七二极管的阳极、第八功率开关管的源极、第八二极管的阳极连接在一起，第六功率开关管的漏极与第一分压电容的正极连接，第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接后与第三副边绕组的非同名端和第四副边绕组的非同名端连接，第八功率开关管的漏极与第二分压电容的负极连接，第五功率开关管、第六功率开关管、第五二极管、第六二极管构成第一四象限功率开关管，第七功率开关管、第八功率开关管、第七二极管、第八二极管构成第二四象限功率开关管，第一四象限功率开关管、第二四象限功率开关管二个四象限功率开关管构成所述周波变换器；

所述输出分压电容包括第一分压电容和第二分压电容，其中，第一分压电容的正极与周波变换器中的第六功率开关管的漏极、第六二极管的阴极连接，第一分压电容的负极与第二分压电容的正极和第三副边绕组的非同名端连接，第二分压电容的负极与第八功率开关管的漏极和第八二极管的阴极连接；

所述输出交流负载包括交流负载，交流负载的两端分别与第一分压电容的正极和第二分压电容的负极连接；

所述高频电气隔离反激式变换器为能量回馈电路，其包括第九功率开关管，第九二极管，第十功率开关管，第十二极管，第十一功率开关管，第十一二极管，第十二二极管，反激式变压器，第十三功率开关管，第十三二极管，第十四功率开关管，第十四二极管，其中：第九功率开关管的源极与第九二极管的阳极连接，第九功率开关管的漏极与第九二极管的阴极和第十一二极管的阴极连接，第十一二极管的阳极与反激式变压器第五原边绕组的非同名端连接，第十功率开关管的源极与第十二极管的阳极连接，第十功率开关管的漏极与第十二极管的阴极和第十二二极管的阴极连接，第十二二极管的阳极与反激式变压器第六原边绕组的同名端连接，第九功率开关管的源极与第十功率开关管的源极连接后与输入直流电源的正极连接，反激式变压器第五原边绕组的同名端与第六原边绕组的非同名端连接后输入直流电源的负极连接，反激式变压器的第七副边绕组的同名端与第一分压电容的正极连接，反激式变压器的非同名端与第十三功率开关管的漏极、第十三二极管的阴极连接，第十三功率开关管的源极、第十三二极管的阳极、第十四功率开关管的源极、第十四二极管的阳极连接在一起，第十四功率开关管的漏极与第十四二极管的阴极连接后与第二分压电容的负极连接在一起。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于：

(1)新型高频隔离型升压式三电平逆变器与传统Boost型逆变器相比较，输入三电平周波变换器开关管承受的最大电压应力为二分之一输出电压，输出周波变换器的开关管承受的最大应力为输出电压，降低了功率开关的电压应力。

(2)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。

(3)与传统的多电平逆变器相比，该逆变器电路拓扑简洁、减少了功率变换级数、并可实现功率的双向流动。

(4)在输出负载与输入电源之间增设高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路，确保正弦波输出波形质量，解决了输出滤波电容和负载无功能量的去向问题。

附图说明

图1为本发明一实施方式高频隔离式升压三电平逆变器的电路拓扑图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1所示，根据本发明的较优实施例，高频隔离型升压式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、输入滤波器2、高频逆变器3、高频变压器4、周波变换器5、输出分压电容6和输出交流负载7、高频电气隔离反激式变换器8构成，输入直流电源单元1与输入滤波器2的一端连接，输入滤波器2的另一端与高频逆变器3的一端连接，高频逆变器3的另一端与高频变压器4的初级绕组连接，高频变压器4的次级绕组与周波变换器5的输入端连接，周波变换器5的输出端与输出分压电容6的输入端连接，输出分压电容6的输出端与输出交流负载7连接，输出交流负载7与输入直流电源单元1之间联接高频电气隔离反激式变换器8。

结合图1所示，所述的输入滤波器2包括输入滤波电感L_i和输入滤波电容C_i，其中，输入直流电源U_i的参考正极与输入滤波电感L_i的一端连接，输入滤波电感L_i的另一端分别与输入滤波电容C_i的正极和升压电感L的一端连接，输入滤波电容Ci的负极与输入直流电源U_i的参考负极连接。

所述高频变压器4，如图1所示，该所述高频变压器4由一个高频变压器T1构成，其包括第一原边绕组N1、第二原边绕组N2和第三副边绕组N3、第四副边绕组N4。

所述的高频逆变器3包括升压电感L、第一功率开关管S1及第一二极管D1，第二功率开关管S2及第二二极管D2，第三功率开关管S3及第三二极管D3，第四功率开关管S4及第四二极管D4，其中：

第一功率开关管S1的漏极分别和升压电感L的另一端以及第二功率开关管S2的漏极相连，第一功率开关管S1的源极于第三功率开关管S3的漏极连接，第二功率开关管S2的源极与第一原边绕组N1的非同名端连接，第一原边绕组N1的同名端与第二原边绕组N2的同名端连接后与第一功率开关管S1的源极和第三功率开关管S3的漏极连接，第三功率开关管S3的源极与第四功率开关管S4的源极连接后与输入滤波器2的负极连接，再与输入直流电源U_i的负极连接，第四功率开关管的漏极与第二原边绕组N2的非同名端连接，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4分别反并联于第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4的两端，即第一二极管的阴极D1与第一功率开关管S1的漏极连接，第一二极管D1的阳极与第一功率开关管S1的源极连接，第二二极管D2的阴极与第二功率开关管S2的漏极连接，第二二极管D2的阳极与第二功率开关管S2的源极连接，第三二极管D3的阴极与第三功率开关管S3的漏极连接，第三二极管D3的阳极与第三功率开关管S3的源极连接，第四二极管D4的阴极与第四功率开关管S4的漏极连接，第四二极管D4的阳极与第四功率开关管S4的源极连接；

所述高频变压器4的第一原边绕组N1的非同名端与第二功率开关管S2的源极连接，第一原边绕组N1的同名端与第二原边绕组N2的同名端连接后与第三功率开关管S3的漏极、第一功率开关管S1的源极连接，第二原边绕组N2的非同名端与第四功率开关管S4的漏极连接；高频变压器4的第三副边绕组N3的同名端与第五功率开关管S5的漏极连接，第三副边绕组N3的非同名端与第四副边绕组N4的非同名端连接，第四副边绕组N4的同名端与第七功率开关管S7的漏极连接。

所述周波变换器5包括第一四象限功率开关管SA、第二四象限功率开关管SB，高频变压器4的第三副边绕组N3的同名端与所述周波变换器5的第五功率开关管S5的漏极连接，、第五二极管D5的阴极连接在一起，第五功率开关管S5的源极、第五二极管D5的阳极、第六功率开关管S6的源极、第六二极管D6的阳极连接在一起，高频变压器4的第四副边绕组N4的同名端与第七功率管S7的漏极和第七二极管D7的阴极连接，第七功率开关管S7的源极、第七二极管D7的阳极、第八功率开关管S8的源极、第八二极管D8的阳极连接在一起，第六功率开关管S6的漏极与第一分压电容C1的正极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极连接后与第三副边绕组N3的非同名端和第四副边绕组N4的非同名端连接，第八功率开关管S8的漏极与第二分压电容C2的负极连接，第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第五二极管D5、第六二极管D6构成第一四象限功率开关管SA，第七功率开关管S7、第八功率开关管S8、第七二极管D7、第八二极管D8构成第二四象限功率开关管SB，第一四象限功率开关管SA、第二四象限功率开关管SB二个四象限功率开关管构成所述周波变换器。

所述输出分压电容6包括第一分压电容C1和第二分压电容C2，其中，第一分压电容C1的正极与周波变换器5中的第六功率开关管S6的漏极、第六二极管D6的阴极连接，第一分压电容C1的负极与第二分压电容C2的正极和第三副边绕组N3的非同名端连接，第二分压电容C2的负极与第八功率开关管S8的漏极和第八二极管D8的阴极连接。

所述输出交流负载7包括交流负载Z_L，交流负载Z_L的两端分别与第一分压电容C1的正极和第二分压电容C2的负极连接。

所述高频电气隔离反激式变换器8为能量回馈电路，其包括第九功率开关管S9，第九二极管D9，第十功率开关管S10，第十二极管D10，第十一功率开关管S11，第十一二极管D11，第十二二极管D12，反激式变压器T2，第十三功率开关管S13，第十三二极管D13，第十四功率开关管S14，第十四二极管D14，其中：第九功率开关管S9的源极与第九二极管D9的阳极连接，第九功率开关管S9的漏极与第九二极管D9的阴极和第十一二极管D11的阴极连接，第十一二极管D11的阳极与反激式变压器T2第五原边绕组N5的非同名端连接，第十功率开关管S10的源极与第十二极管D10的阳极连接，第十功率开关管S10的漏极与第十二极管D10的阴极和第十二二极管D12的阴极连接，第十二二极管D12的阳极与反激式变压器T2第六原边绕组N6的同名端连接，第九功率开关管S9的源极与第十功率开关管S10的源极连接后与输入直流电源U_i的正极连接，反激式变压器T2第五原边绕组N5的同名端与第六原边绕组N6的非同名端连接后输入直流电源U_i的负极连接，反激式变压器T2的第七副边绕组N7的同名端与第一分压电容C1的正极连接，反激式变压器T2的非同名端与第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连接，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的阳极连接在一起，第十四功率开关管S14的漏极与第十四二极管D14的阴极连接后与第二分压电容C2的负极连接在一起。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

结合附图1，本实施例提出的高频隔离型升压式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源单元1、输入滤波器2、高频逆变器3、高频变压器4、周波变换器5、输出分压电容6和输出交流负载7、高频电气隔离反激式变换器8构成，采用有源箝位的脉冲调制SPWM斩波的控制方式。当不稳定的高压输入直流U_i向交流负载Z_L传递功率时，输出滤波电容C1、C2足够大且可以均分输出电压，可以看作两个电压有效值为U₀/2的电压源，使得输入周波变换器的功率开关管承受的最大电压应力为U₀/2，输出周波变换器的功率开关管承受的电压应力为0、U₀/2、U₀三种电压，由于Boost型变换器只能升压不能降压，所以无法得到输出电压下降且绝对值|u₀|＜U_iN₂/N₁期间的输出正弦波形，为了确保该期间正弦输出波形质量，解决输出滤波电容和负载无功能量的去向问题，在输出负载与输入电源之间加入了高频电气隔离反激式变换器能量反馈电路。Boost电路和反激式能量回馈电路分时工作，通过检测输出电压或误差电压的极性来决定，输出电压反馈信号的绝对值与基准正弦信号的绝对值比较，经过误差放大信号器后得到误差放大信号，此信号大于0时，反激式变换器不工作，Boost变换器工作，此信号小于0时，Boost变换器不工作，反激式变换器工作，把输出滤波电容上的能量回馈到输入电源，确保正弦波的输出电压质量，此时对应输出电压下降且绝对值|u₀|＜U_iN₂/N₁期间。此逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载，此逆变器的控制电路可根据交流负载的性质进行调整，从而在输出端得到稳定或可调的电压。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。