专利名称：二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变
O
背景技术：
双降压式逆变器(Dual Buck Inverter——以下简称DBI)是近年来出现的一种新 型的逆变器拓扑。相对传统的桥式逆变器，DBI具有无桥臂直通的高可靠性和无开关管寄 生二极管反向恢复问题的独特优点；工作于半周模式下的DBI无环流存在，为同时实现逆 变器的高频化和高效率提供了一种简洁的途径，是一种很具有研究价值和发展前景的拓扑 结构。DBI和半桥逆变器具有很多相似的地方，下文将两者通称为半桥型逆变器。半桥型逆 变器需要外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电压应力大，直 流电压利用率低；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形 谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器。以上两点也是半桥型逆变器的缺点。近年来，多电平技术得到人们更多的关注和研究。由于器件制造技术的限制，功率 半导体器件的耐压是有一定限度的。在高压变换器中，可将功率管串联使用，但由于器件参 数的不一致和开关瞬态的不同步，很难实现稳态和瞬态过程的均压，导致个别功率管的过 压，降低了电路的可靠性。多电平技术是解决功率管串联问题的一个好办法，它能保证功率 管承受的电压应力在稳态和瞬态过程中箝位于母线电容的电压。引入多电平技术的五电平 双降压式半桥逆变器同时可使桥臂输出变为五电平。
发明内容
1、技术问题本发明要解决的技术问题是在保留DBI高可靠性和高效率特点的同 时，解决其器件电压应力高，桥臂输出谐波含量大的缺点。2、技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的二极管箝位型五电平双降压式 半桥逆变器拓扑结构包括第一五电平降压电路1、第二五电平降压电路2、直流电源输入电 路3、负载电路4，第一五电平降压电路1中，第一功率开关管S1的漏级与第一电容C1的正 极连接，第一功率开关管S1的源级与第二功率开关管S2的漏级连接，第二功率二级管S2的 源级与第一功率二极管0工的阴极连接，第一功率二极管0工的阳极与第二功率二极管D2的阴 极连接，第二功率二极管D2的阳极与第四电容C4的负极连接，第三功率二极管D3的阳极与 第一电容C1的负极连接，第三功率二极管D3的阴极与第一功率开关管S1的源级连接，第三 功率开关管S3的漏级接地，第三功率开关管S3的源级与第四功率二极管D4的阳极连接，第 四功率二极管D4的阴极与第二功率二极管S2的源级连接，第四功率开关管S4的漏级与第 四电容C4的正极连接，第四功率开关管S4的源级与第一功率二极管D1的阳极连接，第一电 感！^的一端与第二功率开关管S2的源级连接，第一电感L1的另一端接入外界负载电路4 ； 第二五电平降压电路2中，第五功率开关管S5的源级与第四电容C4的负极连接，第五功率 开关管S5的漏级与第六功率开关管S6的源级连接，第六功率开关管S6的漏级与第六功率
3二极管D6的阳极连接，第六功率二极管D6的阴极与第五功率二极管D5的阳极连接，第五功 率二极管D5的阴极与第一电容C1的正极连接，第八功率二极管D8的阴极与第四电容C4的 正极连接，第八功率二极管D8的阳极与第五功率开关管S5的漏级连接，第七功率开关管S7 的源级接地，第七功率开关管S7的漏级与第七功率二极管D7的阴极连接，第七功率二极管 D7的阳极与第六功率二极管D6的阳极连接，第八功率开关管S8的源级与第二电容C2的正 极连接，第八功率开关管S8的漏级与第五功率二极管D5的阳极连接，第二电感L2的一端与 第六功率开关管S6的漏级连接，第二电感L2的另一端与第一电感L1的另一端相连接入外 界负载4 ；直流电源输入电路3连接方式为，直流电源Ud的正极与第一电容C1的正极连接， 直流电源Ud的负极与第四电容C4的负极连接，第二电容C2的正极与第一电容C1的负极连 接，第二电容C2的负极接地，第三电容C3的正极接地，第三电容C3的负极与第四电容C4的 正极连接；负载电路4连接方式为，滤波电容Cf的一端接入第一电感L1的另一端与第二电 感L2的另一端之间，滤波电容Cf的另一端接地，负载电阻R的一端与滤波电容Cf的一端连 接，负载电阻R的另一端接地。本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器包含两个五电平降压电路，其 输入侧接电源电路单元，其输出侧接输出滤波电容和负载电路。该电路保留了双降压式半 桥逆变器的特点电路没有桥式电路桥臂直通的隐患；续流电流从功率二极管通过，无开 关器件体二极管反向恢复问题。二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的桥臂输出电压 为五电平PWM调制波，相对于双降压式半桥逆变器的两电平桥臂输出，谐波含量大为降低， 所需滤波器大为减小；整个电路结构并不复杂，控制方案也较简单采用电压电流双闭环 PWM控制，保证逆变器电路在正常工作时不需任何偏置电流，根据电感电流的方向和输出电 压的大小，控制两个五电平降压电路半周期工作，通过不同的开关组合，分别在两个输出桥 臂得到五电平的PWM调制波输出。3、有益效果本发明具有如下优点(1)保留了双降压电路无桥臂直通、无开关管 体二极管反向恢复问题的优点；(2)实现了五电平输出，输出电压谐波含量减小，有助于减 小滤波器，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高效率；(3)同传统半 桥型逆变器相比，功率器件电压应力降低，使得中小功率的开关器件可适用于高压、大功率 的场合。(4)电路中只需8个功率二极管，与桥式五电平二极管箝位型逆变器相比，二极管 数量减小了 1/3，箝位电路得到了简化。
四
图1是本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器拓扑结构示意图；图1 中的标号名称1.第一五电平降压电路；2.第二五电平降压电路；3.直流电源输入电路； 4.负载电路；图2是本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器拓扑各开关模态示意 图；图3是本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器拓扑的主要波形示意 图；图4是本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器采用的控制框图。上述附图中的主要符号名称Cf——输出滤波电容讽 D8——功率二极管J1 S8——功率开关管；Vsl VsS——S1 S8的驱动信号K1 C4——直流输入侧分压电容； Ud——直流输入电源；Li L2——滤波电感；R——输出负载；iu——滤波电感1^上的电流； iL2——滤波电感L2上的电流&——输出电感电流；uA——桥臂A点输出电压；uB——桥臂 B点输出电压；U。——输出电压；U。max——输出电压U。的最大值。
五具体实施例方式如图1所示，本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的特征在于第 一五电平降压电路1中，第一功率开关管S1的漏级与第一电容C1的正极连接，第一功率开 关管S1的源级与第二功率开关管S2的漏级连接，第二功率二级管S2的源级与第一功率二极 管0工的阴极连接，第一功率二极管D1的阳极与第二功率二极管D2的阴极连接，第二功率二 极管D2的阳极与第四电容C4的负极连接，第三功率二极管D3的阳极与第一电容C1的负极 连接，第三功率二极管D3的阴极与第一功率开关管S1的源级连接，第三功率开关管S3的漏 级接地，第三功率开关管S3的源级与第四功率二极管D4的阳极连接，第四功率二极管D4的 阴极与第二功率二极管S2的源级连接，第四功率开关管S4的漏级与第四电容C4的正极连 接，第四功率开关管S4的源级与第一功率二极管D1的阳极连接，第一电感L1的一端与第二 功率开关管S2的源级连接，第一电感L1的另一端接入外界负载电路4 ；第二五电平降压电 路2中，第五功率开关管S5的源级与第四电容C4的负极连接，第五功率开关管S5的漏级与 第六功率开关管S6的源级连接，第六功率开关管S6的漏级与第六功率二极管D6的阳极连 接，第六功率二极管D6的阴极与第五功率二极管D5的阳极连接，第五功率二极管D5的阴极 与第一电容C1的正极连接，第七功率开关管S7的源级接地，第七功率开关管S7的漏级与第 七功率二极管D7的阴极连接，第七功率二极管D7的阳极与第六功率二极管D6的阳极连接， 第八功率二极管D8的阴极与第四电容C4的正极连接，第八功率二极管D8的阳极与第五功 率开关管S5的漏级连接，第八功率开关管S8的源级与第二电容C2的正极连接，第八功率开 关管S8的漏级与第五功率二极管D5的阳极连接，第二电感L2的一端与第六功率开关管S6 的漏级连接，第二电感L2的另一端与第一电感L1的另一端相连接入外界负载4 ；直流电源 输入电路3连接方式为，直流电源Ud的正极与第一电容C1的正极连接，直流电源Ud的负极 与第四电容C4的负极连接，第二电容C2的正极与第一电容C1的负极连接，第二电容C2的负 极接地，第三电容C3的正极接地，第三电容C3的负极与第四电容C4的正极连接；负载电路 4连接方式为，滤波电容Cf的一端接入第一电感L1的另一端与第二电感L2的另一端之间， 滤波电容Cf的另一端接地，负载电阻R的一端与滤波电容Cf的一端连接，负载电阻R的另 一端接地。本发明的二级管箝位型五电平双降压式半桥逆变器工作原理是输出电感电流k 的正半周期时，第一五电平降低电路1工作，第二五电平降压电路2不工作，根据输出电压 U0的大小，将电路分为4个工作区间，7个工作模态，通过合适的开关组合状态在桥臂A点输 出士Ud/2，士Ud/4，0五种电平；电感电流负半周期时，第二五电平降压电路2工作，第一五电 平降低电路1不工作，电路也分4个工作区间，7个工作模态，选择恰当的开关组合在桥臂B 点输出五电平。下面以图1所示为主电路结构，结合图2叙述本发明的二极管箝位型五电平双降 压式半桥逆变器的工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图3
1、在输出电感电流k大于零的正半周期第一五电平降压电路1工作，第二五电平降压电路2不工作，S5、S6、S7、S8断开。此 时，根据输出电压的大小共有4个阶段，7个工作模态(1)、 、段输出电压u。< _U。max/2，此阶段，开关管S4高频调制，电路在以下两个工作模态之 间切换工作模态1 如图2 (a)所示，开关管31、^3、54都断开，电感电流込从二极管01、 D2续流，线性下降，桥臂A点输出-U/2电平。工作模态2 如图2(b)所示，开关管S4闭合，SpS2、S3断开，二级管D2反向偏置不 导通，iL1线性上升，桥臂A点输出-Ud/4电平。(2)、 t2 段输出电压-U—/2 < Uo < 0，输出电流k > 0，此阶段S4常闭，S3高频调制，电路 交替工作于以下两个工作模态工作模态2 同上，但此时电感电流k为续流模式，线性下降。工作模态3 如图2(c)所示，开关管S3、S4闭合，SpS2断开，二极管D1反向偏置不 导通，iL1线性上升，桥臂A点输出0电平。(3) t2 t3 段输出电压0 < U。< U。max/2，此阶段S3常闭，S2高频调制，电路交替工作于模态4和 5。工作模态4 如图2 (d)所示，开关管S3闭合，Sp S2、S4断开，iL1通过D4续流，线性 下降，桥臂A点输出0电平。工作模态5 如图2(e)所示，开关管S2、S3闭合，SpS4断开，二极管D4反向偏置不 导通，iL1线性上升，桥臂A点输出Ud/4电平。(4) t3 t4 段输出电压u。> U。max/2，此阶段S2常闭，S1高频调制，电路交替工作于模态6和7。工作模态6 如图2 (f)所示，开关管S2闭合，Sp S3、S4断开，iL1通过D3续流，线性 下降，桥臂A点输出Ud/4电平。工作模态7 如图2(g)所示，开关管SpS2闭合，S3、S4断开，二极管D3反向偏置不 导通，iL1线性上升，桥臂A点输出Ud/2电平。2、在输出电感电流k小于零的负半周期时第一五电平降压电路1不工作，第二五电平降压电路2工作，SpS2、S3、S4断开。此 时，根据输出电压的大小也分4个阶段，7个工作模态(5) t4 t5 段输出电压u。> U。max/2，此阶段S8高频调制，S5,S6,S7断开，电路在以下两个工作模 态之间切换。工作模态8 如图2 (h)所示，S5, S6, S7, S8都断开，电感电流iL2从二极管D5, D6续 流，线性下降，桥臂B点输出Ud/2电平。工作模态9 如图2(i)所示，S8闭合，S5, S6, S7断开，电感电流iL2线性上升，桥臂 B点输出Ud/4电平。
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(6) t5 t6 段输出电压0 < U。< U。max/2，此阶段S8常闭，S7高频调制，S6、S7断开，电路在以下两 个工作模态之间切换。工作模态9 同上，但此时电感电流込为续流模式，线性下降，在桥臂B点输出
Ud/4电平。工作模态10 如图2(j)所示，S7、S8闭合，S5、S6断开，D6反向偏置不导通，iL2线性 上升，桥臂B点输出0电平。(7) t6 t7 段输出电压-U。max/2 < U。< 0，此阶段S7常闭，S6高频调制，S5, S8断开，电路交替工 作于以下两个工作模态。工作模态11 如图2(k)所示，S7闭合，S5、S6、S8断开，电感电流、从二极管D7续 流，线性下降，桥臂B点输出0电平。工作模态12 如图2 (1)所示，S6, S7闭合，S5, S8断开，D7反向偏置不导通，电感电 流、线性上升，二极管D7反向偏置不导通，桥臂B点输出-Ud/4电平。(7) t7 t8 段输出电压u。< _U。max/2，此阶段S6常闭，S5高频调制，S7, S8断开，电路在以下两个 模态之间切换。工作模态13 如图2 (m)所示，S6闭合，S5, S7, S8断开，电感电流iL2从二极管D8续 流，线性下降，桥臂B点输出-Ud/4电平。工作模态14 如图2 (η)所示，S5、S6闭合，S7、S8断开，电感电流込线性上升，桥臂 B点输出-U/2电平。为实现以上的工作原理，采用的控制方案如图4 图中，Ur是电压基准，Ur经过过零 比较器后得到电压周期信号IV k为电压环输出，作为电感电流基准，Ip是表示电感电流周 期，Um为门槛电压，通常取 最大值的1/2，Vsl VsS表示8路开关管驱动信号。整个系 统采用电压电流双闭环控制，电压外环为PI调节，电流内环采用P调节，调制方式为SPWM 调制。根据输出电感电流的方向，控制电路工作于半周期模式，同时，根据输出电压的大小 将整个电路分为8个工作区间，通过逻辑电路选择合适的开关组合状态，在桥臂A点和B点 输出五电平调制波，经过滤波后得到输出电压U。。
权利要求
一种二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器，包括第一五电平降压电路(1)、第二五电平降压电路(2)、直流电源输入电路(3)、负载电路(4)，第一五电平降压电路(1)中，第一功率开关管(S1)的漏级与第一电容(C1)的正极连接，第一功率开关管(S1)的源级与第二功率开关管(S2)的漏级连接，第二功率二级管(S2)的源级与第一功率二极管(D1)的阴极连接，第一功率二极管(D1)的阳极与第二功率二极管(D2)的阴极连接，第二功率二极管(D2)的阳极与第四电容(C4)的负极连接，第三功率二极管(D3)的阳极与第一电容(C1)的负极连接，第三功率二极管(D3)的阴极与第一功率开关管(S1)的源级连接，第三功率开关管(S3)的漏级接地，第三功率开关管(S3)的源级与第四功率二极管(D4)的阳极连接，第四功率二极管(D4)的阴极与第二功率二极管(S2)的源级连接，第四功率开关管(S4)的漏级与第四电容(C4)的正极连接，第四功率开关管(S4)的源级与第一功率二极管(D1)的阳极连接，第一电感(L1)的一端与第二功率开关管(S2)的源级连接，第一电感(L1)的另一端接入外界负载电路(4)；第二五电平降压电路(2)中，第五功率开关管(S5)的源级与第四电容(C4)的负极连接，第五功率开关管(S5)的漏级与第六功率开关管(S6)的源级连接，第六功率开关管(S6)的漏级与第六功率二极管(D6)的阳极连接，第六功率二极管(D6)的阴极与第五功率二极管(D5)的阳极连接，第五功率二极管(D5)的阴极与第一电容(C1)的正极连接，第八功率二极管(D8)的阴极与第四电容(C4)的正极连接，第八功率二极管(D8)的阳极与第五功率开关管(S5)的漏级连接，第七功率开关管(S7)的源级接地，第七功率开关管(S7)的漏级与第七功率二极管(D7)的阴极连接，第七功率二极管(D7)的阳极与第六功率二极管(D6)的阳极连接，第八功率开关管(S8)的源级与第二电容(C2)的正极连接，第八功率开关管(S8)的漏级与第五功率二极管(D5)的阳极连接，第二电感(L2)的一端与第六功率开关管(S6)的漏级连接，第二电感(L2)的另一端与第一电感(L1)的另一端相连接入外界负载(4)；直流电源输入电路(3)连接方式为，直流电源(Ud)的正极与第一电容(C1)的正极连接，直流电源(Ud)的负极与第四电容(C4)的负极连接，第二电容(C2)的正极与第一电容(C1)的负极连接，第二电容(C2)的负极接地，第三电容(C3)的正极接地，第三电容(C3)的负极与第四电容(C4)的正极连接；负载电路(4)连接方式为，滤波电容(Cf)的一端接入第一电感(L1)的另一端与第二电感(L2)的另一端之间，滤波电容(Cf)的另一端接地，负载电阻(R)的一端与滤波电容(Cf)的一端连接，负载电阻(R)的另一端接地。
全文摘要
本发明公开了一种二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器，包括第一五电平降压电路、第二五电平降压电路、直流电源输入电路、负载电路。采用电压电流双闭环SPWM控制，根据电感电流的方向和输出电压的大小，控制两个五电平降压电路半周期工作，通过不同的开关组合，分别在两个输出桥臂得到五电平的PWM调制波输出。本发明的优点是保留了双降压电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；实现了五电平输出，输出电压谐波含量减小，有助于减小滤波器，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高效率；同半桥型逆变器相比，功率器件电压应力降低，功率器件电压应力降低，使得中小功率的开关器件可适用于高压、大功率的场合；电路中只需8个功率二极管，与桥式五电平二极管钳位型逆变器相比，二极管数量减小了1/3，钳位电路得到了简化。
文档编号H02M1/12GK101902142SQ20101023642
公开日2010年12月1日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者杨伟, 欧阳静, 洪峰, 王成华 申请人:南京航空航天大学