[發明專利]Zeta式三電平交－交變換器

無效

• 申請號: 200710020947.9
• 申請日: 2007-04-04
• 公開（公告）號: CN101150287A
• 公開（公告）日: 2008-03-26
• 發明（設計）人: 仲慶龍;李磊
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02M5/257
• 分類號: H02M5/257;H02M1/12
• 代理公司: 南京理工大學專利中心
• 代理人: 朱顯國

技術領域

本發明屬于電力電子變換技術，特別是一種Zeta式三電平交-交變換器。

背景技術

交-交(AC-AC)變換技術是應用功率半導體器件，將某一頻率和幅值的交流電能轉換成同一或另一頻率和幅值的交流電能的一種變流技術，廣泛地應用于國防、工礦企業、科研院所、大學實驗室和日常生活中。

傳統的交流調壓有變壓器調壓、晶閘管調壓、交流斬波調壓和帶有整流逆變中間環節的變換調壓等，綜述其特點，雖然各具優點，但是缺陷也比較明顯，體積大，重量重，輸出諧波畸變高，開關管承受的電壓大，還有帶有中間直流環節使得電路拓撲過于復雜。多電平變換器的思想最早是由Nabae于80年代初提出的，在DC/AC變換中以臺階式合成階梯波輸出逼近正弦波的理論已經相當的成熟，國內外有很多相關的論文和產品，在DC/DC變換以及AC/DC變換中也有很多的應用。但是在AC/AC無中間直流環節的變換器中，采用多電平變換的目前在國內外還是相當的少。在AC/AC無中間直流環節的變換器中，石勇等人提出了Buck式三電平AC-AC變換器(新型三電平PWM交流斬波器，《電工技術學報》，2003，Vol.18，No.6，pp.7～11.)。該變換器具有拓撲簡潔、單級功率變換(低頻交流LFAC-低頻交流LFAC)、雙向功率流、輸入側功率因數高、輸出濾波器前端電壓頻譜特性好、變換效率和功率密度高、適用于高壓大容量AC-AC變換等優點，但是其只能用于降壓調節，對于其中的浮動電容值和平衡控制要求比較嚴格，而且其電路拓撲結構決定其在三電平模式轉換時，宜采取互補式控制策略，從而導致電路工作的可靠性大為降低，并且帶不同負載的能力也不強。

發明內容

本發明的目的在于提供一種具有單級功率變換、雙向功率流、輸出濾波器前端電壓頻譜特性好、輸出波形質量高、可升降壓變換、可降低開關器件的電壓應力等優點的Zeta式三電平交-交變換器。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種Zeta式三電平交-交變換器，該變換器由依次連接的輸入濾波器、多電平變換器和輸出濾波器構成，該變換器交替輸出兩個非零電平，該兩個非零電平之間輸出零電平來調節其輸出時間的寬度，所輸出的三個電平經輸出濾波器濾波后得到穩定或可調的同頻、優質正弦交流電壓u_o，即輸入高壓交流電源u_i的一端與輸入濾波電感L₄相連，該輸入濾波電感L₄的另一端分別與輸入濾波電容C₄和多電平變換器的兩個電平模態支路首端相連接，所述的輸入濾波電感L₄和輸入濾波電容C₄構成輸入濾波器，該輸入濾波器對輸入高壓交流電源u_i進行濾波；所述的多電平變換器的兩個電平模態支路由電源電壓支路和電源電壓串聯平衡電容電壓支路組成，所述的電源電壓支路由第五功率開關管S₅串聯第六功率開關管S₆組成，所述的電源電壓串聯電容電壓支路由第一功率開關管S₁、第二功率開關管S₂、平衡電容C₁、第三功率開關管S₃和第四功率開關管S₄依次串聯組成，能量轉換電感L₁的一端接于第二功率開關管S₂與平衡電容C₁的連接點，另一端接地，該能量轉換電感L₁和平衡電容C₁之間的能量通過由第七功率開關管S₇和第八功率開關管S₈串聯組成的雙向功率開關管支路交換，該雙向功率開關管支路首端接地，末端接于平衡電容C₁和第三功率開關管S₃的連接點處；所述的兩個電平模態支路末端，即第六功率開關管S₆和第四功率開關管S₄連接在一起，然后再與組成輸出濾波器的濾波電感L₂的前端相連，連接點與地之間設置實現非互補控制策略的由第九功率開關管S₉和第十功率開關管S₁₀串聯組成的雙向功率開關管支路，該第九功率開關管S₉的一端與輸出濾波電感L₂的前端相連；該輸出濾波電感L₂的后端與輸出濾波電容C₂的一端和輸出交流負載Z_L的一端相連，輸出濾波電容C₂的另一端和輸出交流負載Z_L的另一端都接地，所述的輸出濾波電感L₂和輸出濾波電容C₂構成輸出濾波器，該輸出濾波器濾除多電平變換器的輸出電壓中的高次諧波，從而在輸出交流負載側得到高質量的正弦交流電壓u_o。