一种三电平电力电子变压器电路结构的制作方法

本发明属于电力电子变换器技术领域，涉及一种三电平电力电子变压器电路结构。

背景技术：

电力电子变压器是应用功率半导体器件将某一频率、幅值的交流电能转换为同一或另一频率、幅值的交流电能，将其应用到供电系统中，既可以改善电能质量又能提高系统稳定性，目前广泛应用于国防、工业、电网及日常生活中。

迄今为止，国内外电力电子技术人员对于电力电子变压器的研究主要集中在非电气隔离式、低频(50KHz以下)和两电平高频电气隔离式电力电子变压器，如Buck型电力电子变压器、AC-AC变换型电力电子变压器、单相反激型AC-AC电力电子变压器等，它们虽然各具优点，但是缺点也相当明显：前者输入没有滤波器，无法抑制输入电流谐波，中间无电气隔离环节，系统稳定性较差，而且无法实现变频；后两者虽然实现了高频电气隔离，但包含器件较多、结构复杂，开关管的电压应力高，无法应用于高电压大功率场合。而对于多电平电力电子变压器的研究则非常少，目前所研究的隔离式三电平电力电子变压器结构只是减少了开关管电压应力，而变压器副边没有真正实现三电平，且电路电路结构局限于过多的二极管和开关管组成的桥式三电平电路结构，这种电路结构存在桥壁直通现象，大大降低了系统稳定性。

技术实现要素：

本发明提出了一种三电平电力电子变压器电路结构，解决以下技术问题：(1)开关管的电压应力降低为两电平时的一半；(2)变压器副边实现三电平；(3)实现高频电气隔离；(4)电路结构不存在桥壁直通问题。

为了实现上述目的，本发明提出了一种三电平电力电子变压器电路结构，其具有高频电气隔离、输出电压频率幅值可调、开关管电压应力低、双向功率流、变压器副边三电平等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种三电平电力电子变压器电路结构，其特征在于，包括输入交流电源(u_i)、LC滤波器(1)、三电平变换单元(2)以及输出交流电源(uo)；

输入交流电源(u_i)经过LC滤波器(1)滤波处理正弦中间电平，正弦中间电平再经过三电平变换单元(2)两端间交替输出电压频率相位均相同但幅值不同的两种电平，这两种电平经输出滤波后即得到稳定可调的正弦输出交流电源(uo)；

LC滤波器(1)由输入滤波电感(Li)和输入滤波电容(C_i)组成，输入滤波电感(Li)的“+”端连接(u_i)的“+”端，输入滤波电感(Li)的“-”端连接电容(C_i)的一端；(C_i)的另 一端(u_i)的“-”端相连；

三电平变换单元(2)包括储能电感(L₁)，第一隔直电容(C_t1)、第二隔直电容(C_t2)，推挽全波式变压器(T)，第一输出滤波电容(C_f1)、第二输出滤波电容(C_f2)，第一双向功率开关管(S₁)、第二双向功率开关管(S₂)、第三双向功率开关管(S₃)、第四双向功率开关管(S₄)，

推挽全波式变压器(T)包括四个绕组，1端与3端间为原边绕组上下两端、2端与4端为副边绕组上下两端，5端为原边绕组一侧的中心抽头，6端为副边绕组一侧的中心抽头，

储能电感(L₁)的“+”端连接(L₁)的“-”端，储能电感(L₁)的“-”端连接第一双向功率开关管(S₁)输入端a，同时连接第一隔直电容(C_t1)的一端，第一隔直电容(C_t1)的另一端连接变压器(T)的1端；第一双向功率开关管(S₁)的输出端b连接第二双向功率开关管(S₂)的输入端c，同时连接变压器(T)的5端；

第二双向功率开关管(S₂)输出端d连接(u_i)的“-”端，同时连接第二隔直电容(C_t2)的一端；第二隔直电容(C_t2)的另一端连接变压器(T)的3端；

第三双向功率开关管(S₃)的输入端e连接变压器(T)的2端，第三双向功率开关管(S₃)的输出端f连接第一输出滤波电容(C_f1)的一端，同时连接(u_o)的“+”端；第一输出滤波电容(C_f1)的另一端连接变压器(T)的6端，同时连接第二输出滤波电容(C_f2)的一端；

第二输出滤波电容(C_f2)的另一端连接第四双向功率开关管(S₄)的输出端h，同时连接(u_o)的“-”端；第四双向功率开关管(S₄)的输入端连接变压器(T)的4端。

进一步的，第一双向功率开关管(S₁)包括第一功率开关管(S1a)、第二功率开关管(S1b)；

第一功率开关管(S1a)的源极连接第二功率开关管(S1b)的源极，第一功率开关管(S1a)的漏极为第一双向功率开关管(S₁)的输入端a，第二功率开关管(S1b)的漏极为第一双向功率开关管(S₁)的输出端b。

进一步的，第三双向功率开关管(S₃)包括第五功率开关管(S3a)、第六功率开关管(S3b)；第五功率开关管(S3a)的源极连接第六功率开关管(S3b)的源极，第五功率开关管(S3a)的漏极为第三双向功率开关管(S₃)的输入端e，第六功率开关管(S3b)的漏极为第三双向功率开关管(S₃)的输出端f。

进一步的，第四双向功率开关管(S₄)包括第七功率开关管(S4a)、第八功率开关管(S4b)；第七功率开关管(S4a)的源极连接第八功率开关管(S4b)的源极，第八功率开关管(S4b)的漏极为第四双向功率开关管(S₄)的输出端g，第七功率开关管(S4a)的漏极为第四双向功率开关管(S₄)的输入端h。

本发明提出的三电平电力电子变压器电路结构，具有以下优点：(1)开关管的电压应力降低为两电平时的一半；(2)变压器副边实现三电平；(3)实现高频电气隔离；(4)电路电路结构不存在桥壁直通问题。

本发明可广泛应用于国防、工业、电网及日常生活中，例如对交流电源有高要求的精密仪器设备、智能电网、飞机供电系统等。

附图说明

附图为本发明的一种三电平电力电子变压器电路结构结构图。

具体实施方式

结合附图，本发明的一种三电平电力电子变压器电路结构由输入交流电源u_i、LC滤波器1、三电平变换单元2以及输出交流电源uo组成。变压器T副边2、4两端可输出三种电平，经变换可得到稳定可调的正弦交流电压uo。

LC滤波器1由输入滤波电感Li和输入滤波电容C_i组成。电感Li的“+”端连接u_i的“+”端，电感L_i的“-”端连接电容C_i的一端，同时连接电感L₁的“+”端；C_i的另一端u_i的“-”端相连。

三电平变换单元2由储能电感L₁，第一隔直电容C_t1、第二隔直电容C_t2，推挽全波式变压器T(推挽全波式变压器T包括四个绕组，1端与3端间为原边绕组上下两端、2端与4端为副边绕组上下两端，5端为原边绕组一侧的中心抽头，6端为副边绕组一侧的中心抽头)，第一输出滤波电容C_f1、第二输出滤波电容C_f2，第一双向功率开关管S₁、第二双向功率开关管S₂、第三双向功率开关管S₃、第四双向功率开关管S₄组成。储能电感L₁的“+”端连接L_i的“-”端，储能电感L₁的“-”端连接第一双向功率开关管S₁输入端a，同时连接第一隔直电容C_t1的一端；第一双向功率开关管S₁输出端b连接第二双向功率开关管S₂输入端c，同时连接变压器T的5端；第二双向功率开关管S₁输出端连接u_i的“-”端，同时连接第二隔直电容C_t2的一端；第一隔直电容C_t1的另一端连接变压器T的1端，第二隔直电容C_t2的另一端连接变压器T的3端；第三双向功率开关管S₃的输入端e连接变压器T的2端，第三双向功率开关管S₃的输出端f连接第一输出滤波电容C_f1的一端，同时连接u_o的“+”端；第一输出滤波电容C_f1的另一端连接变压器T的6端，同时连接第二输出滤波电容C_f2的一端；第二输出滤波电容C_f2的另一端连接第四双向功率开关管S₄的输出端h，同时连接u_o的“-”端；第四双向功率开关管S₄的输入端连接变压器T的4端。

第一双向功率开关管S₁包括第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b；第一功率开关管S1a的源极连接第二功率开关管S1b的源极，第一功率开关管S1a的漏极为第一双向功率开关管S₁的输入端a，第二功率开关管S1b的漏极为第一双向功率开关管S₁的输出端b。

第二双向功率开关管S₂包括第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b；第三功率开关管S2a的源极连接第四功率开关管S2b的源极，第三功率开关管S2a的漏极为第二双向功率开关管S₂的输入端c，第四功率开关管S2b的漏极为第二双向功率开关管S₂的输出端d。

第三双向功率开关管S₃包括第五功率开关管S3a、第六功率开关管S3b；第五功率开关管S3a的源极连接第六功率开关管S3b的源极，第五功率开关管S3a的漏极为第三双向功率开关管S₃的输入端e，第六功率开关管S3b的漏极为第三双向功率开关管S₃的输出端f。

第四双向功率开关管S₄包括第七功率开关管S4a、第八功率开关管S4b；第七功率开关管S4a的源极连接第八功率开关管S4b的源极，第八功率开关管S4b的漏极为第四双向功率开关管S₄的输出端g，第七功率开关管S4a的漏极为第四双向功率开关管S₄的输入端h。

本发明的一种三电平电力电子变压器电路结构在输入交流电源u_i的正半周时，第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a、第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a导通；在输入交流电源u_i的负半周时，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b、第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b导通。

本发明的一种三电平电力电子变压器电路结构的工作模态分为占空比D>0.5和D<0.5两种情况。

D<0.5的工作模态(正半周期)：

(1)工作模态1：第一功率开关管S1a、第七功率开关管S4a高频斩波，第三功率开关管S2a、第五功率开关管S3a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b保持常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。这段时间里，电感L₁储能，电流经L₁、第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、T给第二隔直电容C_t2充电，第一隔直电容C_t1通过第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、T放电，变压器副边感应的电压给第二隔直电容C_f2充电，同时给负载供电。这时变压器T副边2、4两端间产生第一电平。

(2)工作模态2：第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a高频斩波，第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b保持常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。这段时间里，电感L₁中的电流下降，第一隔直电容C_t1和第二隔直电容C_t2充电，变压器T副边感应的能量通过负载释放。这时变压器T副边2、4两端间产生第二电平。

(3)工作模态3：第三功率开关管S2a、第五功率开关管S3a高频斩波，第一功率开关管S1a、第七功率开关管S4a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。在这段时间里，电感L₁中的电流上升，第一隔直电容C_t1充电，第二隔直电容C_t2通过T、第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b放电，第一滤波电容C_f1充电，第二滤波电容C_f2通过负载放电。这时变压器T副边2、4两端间也产生第一电平。

(4)工作模态4：此工作模态与工作模态2完全一致。

在一个开关周期中，正负半周是对称的，相应的电力电子变压器电路结构在正负半个开关周期中的工作方式模式也是对称的。u_i>0时，第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a、 第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a高频斩波，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭；u_i<0时，开关管第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b、第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b高频斩波，第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a常通，第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a常闭。

D>0.5的工作模态(正半周期)：

(1)工作模态1：第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a高频斩波，第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。这段时间里，电感L₁储能，电感电流线性上升；第一隔直电容C_t1、第二隔直电容C_t2通过第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a和变压器T原边放电，第一滤波电容C_f1、第二滤波电容C_f2向负载供电。这时，变压器T副边2、4两端间产生第三电平。

(2)工作模态2：第一功率开关管S1a、第七功率开关管S4a高频斩波，第三功率开关管S2a、第五功率开关管S3a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。这段时间里，电感L₁释放能量，电感电流线性下降；电流经L₁、第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、T给第二隔直电容C_t2充电，第一隔直电容C_t1通过第一功率开关管S1a、第二功率开关管S1b、T放电，第一滤波电容C_f1放电，副边感应的电压给第二滤波电容C_f2充电，同时给负载供电。这时变压器T副边2、4两端间产生第一电平。

(3)工作模态3：此工作模态与工作模态1完全一致。

(4)工作模态4：第三功率开关管S2a、第五功率开关管S3a高频斩波，第一功率开关管S1a、第七功率开关管S4a关断，第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b常通，第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b常闭。在这段时间里，电感L₁中的电流下降，电流给第一隔直电容C_t1充电，第二隔直电容C_t2通过T、第三功率开关管S2a、第四功率开关管S2b放电，第一滤波电容C_f1充电，第二滤波电容C_f2给负载供电。变压器T副边2、4两端间也产生第一电平。

当u_i<0时，工作模式与u_i>0时相似，只是对应的开关模态中换成第二功率开关管S1b、第四功率开关管S2b、第六功率开关管S3b、第八功率开关管S4b高频斩控，第一功率开关管S1a、第三功率开关管S2a常通，第五功率开关管S3a、第七功率开关管S4a常闭。

本发明的一种三电平电力电子变压器电路结构在变压器T副边2、4两端间交替输出两种电平，该电平经输出滤波后即得到稳定可调的正弦输出。通过改变电路工作时占空比D的宽度，即可实现输出正弦电压幅值的调节。