[發明專利]正激式五電平逆變器

有效

• 申請號: 201710181634.5
• 申請日: 2017-03-24
• 公開（公告）號: CN106899203B
• 公開（公告）日: 2023-05-30
• 發明（設計）人: 龔坤珊;李磊;郭偉;嚴瀟;高揚;陶兆俊;管月;陸佳煒;郭志剛;李廣強;李福印
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: H02M3/06
• 分類號: H02M3/06;H02M7/487;H02M7/5387;H02M5/10;H02M5/293;H02M5/297
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種正激式五電平逆變器，由依次連接的輸入直流電源、分壓電容、正激式五電平變換單元、周波變換器、輸出濾波器和輸出交流負載構成；通過改變周波變換器的類型，得到半波整流正激式五電平逆變器和全波整流正激式五電平逆變器的電路拓撲族。本發明具有功率變換級數少，雙向功率流，輸出濾波器前端電壓頻譜特性好等優點，提高了變換效率和功率密度，減小了體積和重量，能夠降低開關器件的電壓應力，實現交流負載與直流電源高頻電氣隔離。

技術領域

本發明屬于電力電子變換技術領域，特別是一種正激式五電平逆變器。

背景技術

直-交(DC-AC)變換技術是指應用功率半導體器件，將直流電能轉換成恒壓恒頻交流電能的一種變流技術，簡稱逆變技術，其廣泛地應用于國防、工礦企業、科研院所、大學實驗室和日常生活中。隨著新能源技術的發展與應用，逆變技術在新能源中的應用也越來越多。

迄今為止，國內外電力電子研究人員對于直-交變換器的研究，主要集中在非電氣隔離式、低頻和高頻電氣隔離式等兩電平直-交變換器；對于多電平變換器的研究，主要集中在多電平直-直、直-交和交-直變換器，而對于多電平直-交變換器的研究則非常少，且僅僅局限于非隔離式、低頻或中頻隔離式直-交型多電平直-交變換器，而對高頻隔離式多電平兩級功率變換的逆變器研究卻比較少。

多電平逆變器主要有三類拓撲結構：(1)二極管箝位型逆變器、(2)電容箝位型逆變器、(3)具有獨立直流電源直流的級聯型逆變器。二極管箝位型、電容箝位型多電平逆變器具有適用與高輸入電壓大功率逆變器場合的優點：具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變器具有適用于低輸入、高輸出電壓大功率逆變場合的優點。但是二極管箝位型、電容箝位型多電平多點平逆變技術存在拓撲形式單一、無電氣隔離等缺陷；具有獨立直流電源的級聯型多電平逆變技術存在電路拓撲復雜輸入側功率因數低、變換效率偏低、功率密度低等缺陷。

高頻環節逆變技術用高頻變壓器代替了低頻環節逆變技術中的工頻變壓器，克服了低頻逆變技術的缺點，顯著提高了逆變器的特性，必將取代低頻環節逆變器，得到廣泛應用。隨著航空科技和航空電子的快速發展，飛機二次電源必須向高功率密度、高效率和模塊化方向發展；另外再生能源的開發利用中，適用于太陽能陣列與電網并聯的逆變器和燃料電池逆變器以及不間斷電源等逆變場合，高頻環節逆變器都具有廣泛的應用前景，特別是對逆變器的體積、重量有較高要求的逆變場合有更重要的應用前景。

進十年來，圍繞高頻環節逆變技術，國內外學者做了大量的研究工作，取得了不少的有價值的研究成果。1990年S.R.Narayana?Prakask等人提出的“單向Buck型高頻環節逆變器”，由高頻電氣隔離的DC/DC變換器和buck型逆變橋級聯而成，具有單向功率流、三級功率變換(DC—HFAC—DC—LFAC)、變換效率高、采用傳統PWM技術時功率器件開關損耗大、成本高等特點。I.Yamato等人于1988年提出了“雙向Buck型高頻環節逆變器”，該逆變器由高頻電氣隔離逆變器與Buck型周波變換器級聯而成，由四象限功率開關構成的周波變換器在任何導通周期均有兩個或四個功率器件同時導通，導通損耗較大。具有雙向功率流、直流—高頻脈沖交流—低頻交流的兩級結構、效率較高、導通損耗大等特點。但是這種“雙向Buck型高頻環節逆變器”在濾波電感前端產生的電壓為±Ui兩電平或為±Ui、0三電平，考慮到在高壓輸入場合下擴大功率器件的選擇范圍，功率開關管的電壓應力要低，所以這一固有缺陷制約了這種“雙向Buck型高頻環節逆變器”在高輸入電壓大功率逆變器場合的應用。

而目前所研究的高頻隔離型式多電平拓撲結構大多數集中在中間帶有直流環節的單向Buck型高頻環節逆變器。只是在高頻電氣隔離的DC/DC變換器中加入了多電平技術。只是減小了高頻電氣隔離的DC/DC變換器中開關管的電壓應力，而在輸出濾波電感前端并沒有真正實現多電平，并沒有減小Buck型逆變橋的開關管的電壓應力，輸出濾波電感電容值都沒有得到減小。而且這種多電平拓撲是在單向Buck型高頻環節逆變器的基礎上提出的，由于單向Buck型高頻環節逆變器的固有缺陷，所以這一系列的高頻隔離型式多電平拓撲應用場合受到限制。

發明內容