专利名称：二极管箝位七电平dc-ac变换电路的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种多电平DC-AC变换电路，该电路可用于光伏逆变和直流开关电源领域。
背景技术：
多电平技术是电力电子技术的热门技术。在电力电子应用中，受到器件电压定额的影响，电路中不可避免采用器件串联的结构形式，为了解决器件串联的静态、动态均压问题必须附加均压电路。随着均压电路的加入以及器件数量的增加，电路自然具备多种工作模式以及多个输出电平，通过工作模式的组合得到更好的输出特性，中国专利02137803是该类技术之一。但该类电路结构复杂目前实用化的技术仅仅限于三电平电路。随着多电平技术不断发展，大家对于不在局限与器件串联电路本身，而在普通电路中采用多电平技术优化输出波形，中国专利200410064935即是该类电路的代表，该电路的特点是有一半桥臂是三电平桥臂，有一半桥臂是二电平桥臂，该电路适用于在较低的电压且需要较高的输出波形质量的场合，这一点与传统的多电平电路不相同，是多电平电路的一个新的应用。为了获得良好的输出特性，希望输出电平越多越好。传统观点认为输出电平多意味着电路所需的自关断器件必然增加从而导致控制复杂，电路实用性降低。如何减少自关断器件、均压电路数量的同时提高输出电平数，是多电平电路发展的方向。本专利是沿着这个发展方向提出了一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路。
发明内容
本发明的目的是提出一种结构简单、输出电平数量多的二极管箝位七电平DC-AC 变换电路，其解决了现有多电平DC-AC变换电路结构复杂、输出电平数量少的技术问题。本发明的第一种技术解决方案是—种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特殊之处是，包括输入单元、超前桥臂、滞后桥臂、钳位单元和输出单元；所述输入单元包括第一输入电容Cinl和第二输入电容 Cin2 ；所述第一输入电容Cinl的其中一端2和第二输入电容Cin2的其中一端联接；所述第一输入电容Cinl的另一端1作为变换电路的输入高端，所述第二输入电容Cin2的另一端7作为变换电路的输入低端；所述超前桥臂包括第一自关断器件S1和第二自关断器件& ；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；所述第一自关断器件S1的发射极与第二自关断器件&的集电极联接；第二自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2 的另一端7联接；所述滞后桥臂包括第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件& ；第三自关断器件&的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第三自关断器件&的发射极与第四自关断器件、的集电极联接；第四自关断器件、的发射极与第五自关断器件&的集电极联接；第五自关断器件&的发射极与第六自关断器件 S6的集电极联接；第六自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述
4钳位单元包括第一钳位二极管Da和第二钳位二极管D。2 ；第一钳位二极管Da的阳极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，第一钳位二极管Da的阴极与第三自关断器件&的发射极联接；第二钳位二极管D。2的阴极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接；第二钳位二极管 Dc2的阳极与第五自关断器件&的发射极联接；所述输出单元包括第一变压器T1和第二变压器T2 ；所述第一变压器的同名端为反向；所述第二变压器的同名端为正向；第一变压器T1 的原边高压端与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，其原边低压端与第一自关断器件S1 的发射极联接；第二变压器T2的原边低压端与第一自关断器件S1的发射极联接，其原边高压端与第四自关断器件、的发射极联接；第一变压器T1的副边高压端与第二变压器T2的副边低压端联接；所述第一变压器T1的副边低压端与第二变压器T2的副边高压端分别作为变换电路的输出端8和9。上述变换电路还可包括浮动电容Css ；所述浮动电容Css的一端接第三自关断器件&的发射极，另一端接第五自关断器件&的发射极。上述第一自关断器件S1、第二自关断器件&分别由绝缘栅双极晶体管和二极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接二极管的阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接二极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断；所述第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件&分别由功率场效应管和二极管构成；所述功率场效应管的源极接二极管的阴极后作为自关断器件的集电极；所述功率场效应管的漏极接二极管的阳极后作为自关断器件的发射极；所述功率场效应管的栅极接控制信号控制该器件的导通和关断。本发明的第二种技术解决方案是一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特殊之处是，包括输入单元、超前桥臂、滞后桥臂、钳位单元和输出单元；所述输入单元包括第一输入电容Cinl和第二输入电容 Cin2 ；所述第一输入电容Cinl的其中一端2和第二输入电容Cin2的其中一端联接；所述第一输入电容Cinl的另一端1作为变换电路的输入高端，所述第二输入电容Cin2的另一端7作为变换电路的输入低端；所述超前桥臂包括第一自关断器件S1、第七自关断器件S7、第二自关断器件&、第八自关断器件S8 ；所述第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第一自关断器件S1的发射极与第七自关断器件S7的集电极联接；第七自关断器件S7的发射极与第二自关断器件&的集电极联接；第二自关断器件&的发射极与第八自关断器件S8的集电极联接；第八自关断器件S8的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7 联接；所述滞后桥臂包括包括第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件& ；第三自关断器件&的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第三自关断器件&的发射极与第四自关断器件、的集电极联接；第四自关断器件、的发射极与第五自关断器件&的集电极联接；第五自关断器件&的发射极与第六自关断器件& 的集电极联接；第六自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述钳位单元包括第一钳位二极管Da和第二钳位二极管D。2 ；第一钳位二极管Da的阳极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，第一钳位二极管Da的阴极与第三自关断器件&的发射极联接；第二钳位二极管D。2的阴极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接；第二钳位二极管 Dc2的阳极与第五自关断器件&的发射极联接；所述输出单元包括第一变压器T1和第二变压器T2 ；所述第一变压器的同名端为反向；所述第二变压器的同名端为正向；第一变压器T1的原边高压端与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，其原边低压端与第七自关断器件S7 的发射极联接；第二变压器T2的原边低压端与第七自关断器件S7的发射极联接，其原边高压端与第四自关断器件、的发射极联接；第一变压器T1的副边高压端与第二变压器T2的副边低压端联接；所述第一变压器T1的副边低压端与第二变压器T2的副边高压端分别作为变换电路的输出端8和9。上述变换电路还可包括浮动电容Cfly ；所述浮动电容Cfly的一端接第一自关断器件S1的发射极，另一端接第二自关断器件&的发射极。上述自关断器件(Si S8)分别由功率场效应管和二极管构成；所述场效应管的源极接二极管的阴极后作为自关断器件的集电极；所述场效应管的漏极接二极管的阳极后作为自关断器件的发射极；所述场效应管的栅极接控制信号控制该器件的导通和关断。本发明的优点1)结构简单。本发明采用6开关构造输出七电平，S3、、、S5、&采用二极管箝位均压。2)控制简单。本发明电路由一个半桥电路和一个三电平全桥电路复合而成，其控制方法成熟可靠。3)本发明输出波形含有七电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。4)本发明在第三自关断器件&的发射极和第五自关断器件&的发射极之间加一个小的浮动电容，该电容的介入为s3、S4、S5和&换流时提供谐振能量和通路，有助于改善 s3> S4, S5和&的软开关状态。5)本发明在第一自关断器件S1的发射极和第二自关断器件&的发射极之间加一个浮动电容来箝位三电平支路，则该电路所有器件S1至S8承受1/2输入电压的电压应力， 该电路允许采用低压器件实现高压变换，因此更适合高压变换。6)本发明电路可广泛应用于光伏逆变并网装置以及直流开关电源领域。
图1是本发明的电路结构图。
图2是实施例中电路工作在3UinAk模式下导通原理图。
图3是实施例中电路工作在Uin/k模式下导通原理图。
图4是实施例中电路工作在UinAk模式下导通原理图。
图5是实施例中电路工作在-UinAk模式下导通原理图。
图6是实施例中电路工作在_Uin/k模式下导通原理图。
图7是实施例中电路工作在_3Uin/3k模式下导通原理图。
图8是实施例中电路输出波形原理示意图。
图9是实施例1的电路结构图。
图10是实施例2的电路结构图。
图11是在图1电路基础上在6、4点之间加一个小的浮动电容，该电容的介入为&、
S4、S5和&换流时提供谐振能量和通路，有助于改善S3、S4、S5和&的软开关状态。
图12是在图1电路基础上将S1改成由SpS7串联，将&改成由S2A8串联并采用浮动电容箝位三电平支路，该电路所有器件S1至&承受1/2输入电压的电压应力，该电路允许采用低压器件实现高压变换，因此更适合高压变换。
具体实施例方式一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，输入侧含有2个串行联接的输入电容 Cinl> Cin2，Cinl, Cin2联接于2 ；超前桥臂由两只自关断器件Si、S2串行联接，S1的发射极与& 的集电极联接于3，S1的集电极与Cinl的一端联接于1，&的发射极与Cin2联接与7 ；变压器 Tl的原边联接在2、3之间，同名端为反向；滞后桥臂由4只自关断器件串行联接而成，S3的发射极与、的集电极联接于4，S4的发射极与&的集电极联接于5，S5的发射极与&的集电极联接于6 ；箝位二极管Da的阳极与输入电容Cinl、Cin2联接于2，箝位二极管Dcl的阴极与&的发射极与、的集电极联接于4 ；箝位二极管De2的阴极与输入电容Cinl、Cin2联接于 2，箝位二极管De2的阳极与&的发射极与&的集电极联接于6 ;S6的发射极与Cin2联接与 7 ；变压器Tl的原边联接在3、5之间，同名端为正向；1\、T2的副边串行联接；1、7为电路的输入端；8、9为电路的输出端。图9是由二极管箝位七电平DC-AC变换电路组成的光伏逆变器，太阳能电池板组件的正极经过电阻软启电路(电阻队和开关K1并联)后与本发明变换电路的1端联接； 太阳能电池电池板组件的负极与本发明变换电路的的7端相连；电路输出端经过滤波电路 (由Li、LyC1组成)后与电网相连。图中的变压器1\、T2为工频变压器。其主要工作状态简述如下参见图2，开关&、S3、&导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为Uin/2 ；变压器 T2原边绕组两端承受的电压为Uin ；变压器副边串联输出3Uin/^k电平；参见图3，开关S2、S4、Dci导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为Uin/2 ；变压器T2原边绕组两端承受的电压为Uin/2 ；变压器副边串联输出Uin/k电平；参见图4，开关&导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为Uin/2 ；变压器T2原边绕组两端承受的电压为0 ；变压器副边串联输出Uin/2k电平；参见图5，开关S1导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为_Uin/2 ；变压器T2原边绕组两端承受的电压为0 ；变压器副边串联输出-UinAk电平；参见图6，开关SpSpDc2导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为_Uin/2 ；变压器T2原边绕组两端承受的电压为_Uin/2 ；变压器副边串联输出-uin/k电平；参见图7，开关Sp S5, S6导通，变压器T1原边绕组两端承受的电压为_Uin/2 ；变压器T2原边绕组两端承受的电压为-Uin ；变压器副边串联输出-3Uin/^k电平；当所有器件均关断时，该电路输出0电平。参见图8，为该电路输出波形。参见图10，三相交流电源经过二极管整流电路(Dinl-Din6)变成直流，直流侧正极经过电感Lin与本发明变换电路的1端联接；直流侧的负极与本发明变换电路的7端相连；电路输出端经过二极管整流电路(D1-D4)变成直流脉动电源，经过滤波器(L。、C。)输出至负载。 图中变压器1\、T2为高频变压器。该电路工作状态和波形与实施例1基本一致。
权利要求
1.一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于包括输入单元、超前桥臂、滞后桥臂、钳位单元和输出单元；所述输入单元包括第一输入电容Cinl和第二输入电容Cin2 ；所述第一输入电容Cinl的其中一端2和第二输入电容Cin2的其中一端联接；所述第一输入电容Cinl的另一端1作为变换电路的输入高端，所述第二输入电容Cin2的另一端7作为变换电路的输入低端；所述超前桥臂包括第一自关断器件S1和第二自关断器件& ；第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；所述第一自关断器件S1的发射极与第二自关断器件&的集电极联接；第二自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述滞后桥臂包括第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件& ；第三自关断器件&的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第三自关断器件&的发射极与第四自关断器件、的集电极联接；第四自关断器件、的发射极与第五自关断器件&的集电极联接；第五自关断器件&的发射极与第六自关断器件&的集电极联接；第六自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述钳位单元包括第一钳位二极管Da和第二钳位二极管D。2 ；第一钳位二极管Da的阳极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，第一钳位二极管Da的阴极与第三自关断器件& 的发射极联接；第二钳位二极管D。2的阴极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接；第二钳位二极管D。2的阳极与第五自关断器件&的发射极联接；所述输出单元包括第一变压器T1和第二变压器T2 ；所述第一变压器的同名端为反向； 所述第二变压器的同名端为正向；第一变压器T1的原边高压端与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，其原边低压端与第一自关断器件S1的发射极联接；第二变压器T2的原边低压端与第一自关断器件S1的发射极联接，其原边高压端与第四自关断器件、的发射极联接； 第一变压器T1的副边高压端与第二变压器T2的副边低压端联接；所述第一变压器T1的副边低压端与第二变压器T2的副边高压端分别作为变换电路的输出端8和9。
2.根据权利要求1所述的二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于还包括浮动电容Css ；所述浮动电容Css的一端接第三自关断器件&的发射极，另一端接第五自关断器件&的发射极。
3.根据权利要求1或2所述的二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于 所述第一自关断器件S1、第二自关断器件&分别由绝缘栅双极晶体管和二极管构成；所述绝缘栅双极晶体管的集电极接二极管的阴极；所述绝缘栅双极晶体管的发射极接二极管的阳极；所述绝缘栅双极晶体管的门极接控制信号控制该器件的导通和关断；所述第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件& 分别由功率场效应管和二极管构成；所述功率场效应管的源极接二极管的阴极后作为自关断器件的集电极；所述功率场效应管的漏极接二极管的阳极后作为自关断器件的发射极； 所述功率场效应管的栅极接控制信号控制该器件的导通和关断。
4.一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于包括输入单元、超前桥臂、滞后桥臂、钳位单元和输出单元；所述输入单元包括第一输入电容Cinl和第二输入电容Cin2 ；所述第一输入电容Cinl的其中一端2和第二输入电容Cin2的其中一端联接；所述第一输入电容Cinl的另一端1作为变换电路的输入高端，所述第二输入电容Cin2的另一端7作为变换电路的输入低端；所述超前桥臂包括第一自关断器件S1、第七自关断器件S7、第二自关断器件&、第八自关断器件S8 ；所述第一自关断器件S1的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第一自关断器件S1的发射极与第七自关断器件S7的集电极联接；第七自关断器件S7的发射极与第二自关断器件&的集电极联接；第二自关断器件&的发射极与第八自关断器件&的集电极联接；第八自关断器件S8的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述滞后桥臂包括包括第三自关断器件&、第四自关断器件、、第五自关断器件&和第六自关断器件& ；第三自关断器件&的集电极与第一输入电容Cinl的另一端1联接；第三自关断器件&的发射极与第四自关断器件、的集电极联接；第四自关断器件、的发射极与第五自关断器件&的集电极联接；第五自关断器件&的发射极与第六自关断器件& 的集电极联接；第六自关断器件&的发射极与第二输入电容Cin2的另一端7联接；所述钳位单元包括第一钳位二极管Da和第二钳位二极管D。2 ；第一钳位二极管Da的阳极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，第一钳位二极管Da的阴极与第三自关断器件& 的发射极联接；第二钳位二极管D。2的阴极与第一输入电容Cinl的其中一端2联接；第二钳位二极管D。2的阳极与第五自关断器件&的发射极联接；所述输出单元包括第一变压器T1和第二变压器T2 ；所述第一变压器的同名端为反向； 所述第二变压器的同名端为正向；第一变压器T1的原边高压端与第一输入电容Cinl的其中一端2联接，其原边低压端与第七自关断器件S7的发射极联接；第二变压器T2的原边低压端与第七自关断器件S7的发射极联接，其原边高压端与第四自关断器件、的发射极联接； 第一变压器T1的副边高压端与第二变压器T2的副边低压端联接；所述第一变压器T1的副边低压端与第二变压器T2的副边高压端分别作为变换电路的输出端8和9。
5.根据权利要求4所述的二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于还包括浮动电容Cfly ；所述浮动电容Cfly的一端接第一自关断器件S1的发射极，另一端接第二自关断器件&的发射极。
6.根据权利要求4或5所述的二极管箝位七电平DC-AC变换电路，其特征在于所述自关断器件(Si S8)分别由功率场效应管和二极管构成；所述场效应管的源极接二极管的阴极后作为自关断器件的集电极；所述场效应管的漏极接二极管的阳极后作为自关断器件的发射极；所述场效应管的栅极接控制信号控制该器件的导通和关断。
全文摘要
本发明是一种二极管箝位七电平DC-AC变换电路，由2个输入电容Cin1、Cin2，6只自关断器件S1、S2、S3、S4、S5、S6，2个箝位二极管DC1、DC2以及2个变压器T1、T2组成。其改进点是1)结构简单，采用6开关构造输出七电平，S3、S4、S5、S6采用二极管箝位均压；2)控制简单，电路由一个半桥电路和一个三电平全桥电路复合而成，其控制方法成熟可靠；3)输出波形含有七电平，可大大降低输出波形中的谐波含量，在相同的滤波器条件下，可大大降低开关频率，提高电路效率。该电路可广泛应用于光伏逆变并网装置以及直流开关电源领域。
文档编号H02M7/487GK102420538SQ20111039366
公开日2012年4月18日 申请日期2011年12月1日 优先权日2011年12月1日
发明者石勇 申请人:西安爱科电子有限责任公司