反激式五电平逆变器的制作方法

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种反激式五电平逆变器。

背景技术：

直－交(DC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种变流技术，简称逆变技术。其广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。随着新能源技术的发展与应用，逆变技术在新能源中的应用也越来越多。

迄今为止，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、低频或中频隔离式多电平直－交变换器，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。

传统的逆变技术通常在逆变器和输出端之间加入一级工频变压器来调整电压比和作为电气隔离，但是工频变压器具有体积大、会产生音频噪声、动态响应特性差及输出滤波器体积大等诸多缺点。1977年Mr.ESPELAGE提出了高频链逆变技术的新概念，利用高频变压器代替工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性，并在市场上得到了广泛应用。

在传统的两电平逆变器中，开关管承受的电压应力大，不适用于高压大功率场合。1977年德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的A Nabae等人又对其进行了发展，提出了二极管箝位式多电平逆变电路。经过近几十年的发展，多电平逆变技术目前主要有三类拓扑结构：二极管箝位型逆变器、飞跨电容箝位型逆变器、具有独立直流电源直流的级联型逆变器。其中前两种多电平逆变器适用于高输入电压大功率逆变器场合，后一种多电平逆变器则适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合。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。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种反激式五电平逆变器。

实现本发明目的的技术方案为：一种反激五电平逆变器，由输入直流电源单元、分压电容、五电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；

输入直流电源单元用于输入直流电源；

分压电容用于将输入的直流电源平均分压；

五电平变换单元用于将平均分压后的直流电压调制成高频五电平SPWM波；

高频隔离变压器用于实现直流侧和交流侧电气隔离；

周波变换器用于将隔离后的高频五电平SPWM波调制成所需频率的SPWM波；

输出滤波器用于将周波变换器输出的SPWM波进行滤波处理，得到正弦波。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明将箝位型多电平拓扑和回路构造法的构造思路运用于反激型逆变电路中，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，同时实现变换器的小型化、轻量化，提高变换器的效率；

(2)与传统两电平逆变器和新型三电平逆变器相比，该变换器能在高频变压器上获得U_i、(3/4)U_i、(2/4)U_i、(1/4)U_i、-(N₁/N₂)u_o五个电平，改善了输出电压波形，更适用于高电压大功率场合；

(3)本发明具有功率变换级数少(直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而可以提高变换效率和功率密度、减小体积和重量。

附图说明

图1为本发明一种反激式五电平逆变器的电路拓扑结构图。

图2为本发明一种全波整流反激式五电平逆变器的电路拓扑结构图。

具体实施方式

结合图1、图2，一种反激五电平逆变器，由输入直流电源单元1、分压电容2、五电平变换单元3、高频隔离变压器4、周波变换器5、输出滤波器6和输出交流负载7构成；该逆变器能将不稳定的高压直流电变换成可调的正弦交流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高压DC/AC变换场合；

输入直流电源单元1用于输入直流电源；

分压电容2用于将输入的直流电源平均分压；

五电平变换单元3用于将平均分压后的直流电压调制成高频五电平SPWM波；

高频隔离变压器4用于实现直流侧和交流侧电气隔离；

周波变换器5用于将隔离后的高频五电平SPWM波调制成所需频率的SPWM波；

输出滤波器6用于将周波变换器5输出的SPWM波进行滤波处理，得到正弦波。

进一步的，输入直流电源单元1包括输入直流电源U_i，分压电容2包括第一分压电容C₁、第二分压电容C₂、第三分压电容C₃和第四分压电容C₄；第一分压电容C₁的正极与输入直流电源U_i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，第二分压电容C₂的负极与第三分压电容C₃的正极连接，第三分压电容C₃的负极与第四分压电容C₄的正极连接，第四分压电容C₄的负极与输入直流电源U_i的参考负极连接。

进一步的，所述五电平变换单元3包括第一功率开关管S₁、第一二极管D₁、第二功率开关管S₂、第二二极管D₂、第一双向开关管S_A、第二双向开关管S_B、第三双向开关管S_C、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、第十一二极管D₁₁、第十二二极管D₁₂、第十三二极管D₁₃和第十四二极管D₁₄；所述的双向开关管都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断能力；第一双向开关管S_A包括第三功率开关管S₃、第三二极管D₃、第四功率开关管S₄和第四二极管D₄，第二双向开关管S_B包括第五功率开关管S₅、第五二极管D₅、第六功率开关管S₆和第六二极管D₆，第三双向开关管S_C包括第七功率开关管S₇、第七二极管D₇、第八功率开关管S₈和第八二极管D₈；所述高频隔离变压器4包括原边绕组N₁、第一副边绕组N₂和第二副边绕组N₃；

第一功率开关管S₁的漏极与第一分压电容C₁的正极相连接，第一二极管D₁反并联于第一功率开关管S₁两端，即第一二极管D₁的阴极与第一功率开关管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，第一功率开关管S₁的源极与原边绕组N₁的同名端和第十一二极管D₁₁的阴极相连接；第二功率开关管S₂的漏极与原边绕组N₁的非同名端、第十功率开关管S₁₀的漏极、第十二极管D₁₀的阴极相连接，第二功率开关管S₂的源极与第四分压电容C₄的负极相连接，第二二极管D₂反并联于第二功率开关管S₂两端，即第二二极管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，第十二极管D₁₀反并联于第十功率开关管S₁₀两端，即第十二极管D₁₀的阴极与第十功率开关管S₁₀的漏极连接，第十二极管D₁₀的阳极与第十功率开关管S₁₀的源极连接，同时第十功率开关管S₁₀的源极、第十二极管D₁₀的阳极和第十四二极管D₁₄的阳极相连接；

第三二极管D₃的阴极和第三功率开关管S₃的漏极同时与第一分压电容C₁的负极和第二分压电容C₂的正极相连接，第四二极管D₄的阴极和第四功率开关管S₄的漏极同时与第九功率开关管S₉的漏极、第九二极管D₉的阴极、第十二二极管D12的阴极相连接，第三二极管D₃的阳极、第四二极管D₄的阳极、第三功率开关管S₃的源极、第四功率开关管S₄的源极连接在一起；第九二极管D₉反并联于第九功率开关管S₉两端，即第九二极管D₉的阴极与第九功率开关管S₉的漏极连接，第九二极管D₉的阳极与第九功率开关管S₉的源极连接，同时第九功率开关管S₉的源极、第九二极管D₉的阳极和第十一二极管D₁₁的阳极相连接；第五二极管D₅的阴极和第五功率开关管S₅的漏极同时与第二分压电容C₂的负极、第三分压电容C₃的正极相连接，第六二极管D₆的阴极和第六功率开关管S₆的漏极同时与第十三二极管D₁₃的阴极、第十二二极管D₁₂的阳极相连接，第五二极管D₅的阳极、第六二极管D₆的阳极、第五功率开关管S₅的源极、第六功率开关管S₆的源极连接在一起；第七二极管D₇的阴极和第七功率开关管S₇的漏极同时与第三分压电容C₃的负极和第四分压电容C₄的正极相连接，第八二极管D₈的阴极和第八功率开关管S₈的漏极同时与第十三二极管D₁₃的阳极、第十四二极管D₁₄的阴极相连接，第七二极管D₇的阳极、第八二极管D₈的阳极、第七功率开关管S₇的源极、第八功率开关管S₈的源极连接在一起。

进一步的，所述周波变换器5包括第四双向开关管S_D和第五双向开关管S_E，第四双向开关管S_D和第五双向开关管S_E都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第四双向开关管S_D包括第十一功率开关管S₁₁、第十二功率开关管S₁₂、第十五二极管D₁₅和第十六二极管D₁₆，第五双向开关管S_E包括第十三功率开关管S₁₃、第十四功率开关管S₁₄、第十七二极管D₁₇和第十八二极管D₁₈；第十五二极管D₁₅的阴极和第十一功率开关管S₁₁的漏极均与第一副边绕组N₂的非同名端相连，第十六二极管D₁₆的阴极和第十二功率开关管S₁₂的漏极同时与第十八二极管D₁₈的阴极和第十四功率开关管S₁₄的漏极连接，第十七二极管D₁₇的阴极和第十三功率开关管S₁₃的漏极同时与第二副边绕组N₃的同名端相连，第十五二极管D₁₅的阳极、第十六二极管D₁₆的阳极、第十一功率开关管S₁₁的源极、第十二功率开关管S₁₂的源极连接在一起，第十七二极管D₁₇的阳极、第十八二极管D₁₈的阳极、第十三功率开关管S₁₃的源极、第十四功率开关管S₁₄的源极连接在一起；

进一步的，所述输出滤波器6包含输出滤波电容C_f，输出滤波电容C_f的一端同时与第十六二极管D₁₆的阴极、第十二功率开关管S₁₂的漏极、第十八二极管D₁₈的阴极和第十四功率开关管S₁₄的漏极连接，输出滤波电容C_f的另一端与第一副边绕组N₂的同名端、第二副边绕组N₃的非同名端连接。

进一步的，所述输出交流负载7包含交流负载Z_L，交流负载Z_L的一端和输出滤波电容C_f的一端连接，交流负载Z_L的另一端和输出滤波电容C_f的另一端连接。

本发明高频隔离式五电平逆变器的基本工作原理如下：本逆变器可以采用SPWM控制方式。当高压直流输入电源U_i向交流负载Z_L传递功率时，输入电压U_i经分压电容和五电平变换单元后可得到U_i、3U_i/4、2U_i/4、U_i/4、-(N₁/N₂)U_o五个电平，通过高频变压器的隔离、传递后，周波变换器将其解调成低频脉冲电压，再经输出滤波器进行输出滤波后得到稳定或可调的正弦交流电压u_o。

该逆变器直流侧有四个分压电容，闭环控制需要采样四个电容的电压U_C1、U_C2、U_C3、U_C4和输出电压u_o，保证逆变器工作时输入侧四个电容电压均衡和输出电压u_o的波形质量好。该逆变器采用基于电压瞬时值反馈控制的有源箝位脉冲调制(SPWM)斩波的控制方式，将逆变器输出的电压u_o的采样电压与正弦基准电压u_ref比较，该误差电压经过比例积分调节器后得到误差放大信号u_e，该误差信号再与锯齿形载波交截便能得到SPWM信号波，将所得SPWM信号及正弦基本信号波通过一系列的逻辑变换得到开关管的驱动信号。采样四个电容的电压为U_C1、U_C2、U_C3、U_C4，比较四个电压值的大小，得到最大值，这选择出了该开关周期内哪个电容的工作时间最长，按照最优开关序列的选取原则，可以选择出哪些开关管工作，哪些开关管不工作。根据输入侧四个电容的电压值选择出不同的电容组合，若U_C1的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供电平U_i，由C₁、C₂、C₃提供电平(3/4)U_i，由C₁，C₂提供2/4U_i，由C₁提供(1/4)U_i；若U_C2的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供电平U_i，由C₁、C₂、C₃提供电平(3/4)U_i，由C₁，C₂提供(2/4)U_i，由C₂提供(1/4)U_i。若U_C3的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供电平U_i，由C₂、C₃、C₄提供电平(3/4)U_i，由C₃，C₄提供(2/4)U_i，由C₃提供(1/4)U_i；若U_C4的值最大，由C₁、C₂、C₃、C₄提供电平U_i，由C₂、C₃、C₄提供电平(3/4)U_i，由C₃，C₄提供(2/4)U_i，由C₄提供(1/4)U_i。

由于逆变器具有四象限工作能力，因此可以带阻性、容性、感性和整流性负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式，分别对应四象限的工作，每一种工作模式都相当于一个Buck/Boost型高频隔离变换器，并且不同的负载条件下逆变器的工作顺序也不同。