一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器。该款逆变器将开关电容升压模块和半桥逆变模块结合起来，实现了幅值为4倍输入电压的输出。通过在开关电容升压模块中引入箝位电容实现了母线电容电压的自平衡。与传统三电平逆变器相比，上述逆变器解决了母线电容电压不平衡问题，提升了输出波形的质量和逆变器稳定性。

A three-level self balancing inverter based on bridge switched capacitor module

The invention discloses a three-level self balancing inverter based on a bridge switched capacitor module. This inverter combines the switching capacitor boost module and the half bridge inverter module to realize the output with the amplitude of 4 times of the input voltage. The self balance of bus capacitance voltage is realized by introducing clamping capacitor into the switching capacitor boost module. Compared with the traditional three-level inverter, the above inverter solves the problem of bus capacitance voltage imbalance, improves the quality of output waveform and inverter stability.

【技术实现步骤摘要】
一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器
本专利技术涉及一种基于桥式开关电容模块的三电平逆变器。尤其涉及三电平逆变器拓扑与三电平逆变器对应的控制策略。
技术介绍
改善我国能源短缺，资源利用率低的现状成为工业化转型所必须解决的问题。电力系统中不可避免的会产生谐波，电网中大量谐波使公用电网中的电力设备效率降低，造成了发电、输电及用电设备的不必要损耗。大量的的低次谐波将造成传输线路过热，严重时发生火灾危及电网系统的安全运行。如何降低电网谐，提高电能利用率成为电力电子设备有待解决的问题。逆变器作为重要的电力电子设备，在电力系统，轨道交通，新能源并网等方面发挥着重要的作用。目前两电平逆变器在新能源并网中仍然应用广泛。虽然其具有结构简单、技术成熟、易与维护等优点，但是也存在着开关应力大，输出谐波失真大，电压容量小等不足。鉴于两电平逆变器在其应用领域上存在以上的不足，多电平逆变器以其输出电压波形所含谐波少，工作效率高等优势成为当前研究领域的热点。在输出相同质量波形的前提下多电平逆变器具有开关频率低，开关损耗少的优点。同时由于电平数的增多降低了单个开关器件所需承受的电压应力，使的多电平逆变器能更好的适用于高压系统。近年来有关多电平逆变器的种种拓扑层出不穷。与同类相比三电平逆变器具有开关数量少，控制策略灵活的优点因而成为最具有实用意义的多电平逆变器。其在变频调速、新能源汽车、综合潮流控制、新能源并网等领域都有着良好的应用前景。三电平逆变器结构最早于1977由德国学者Holtz提出，中文直译为三点式电路。三点式电路的缺点是需要两个独立的电源。其后1980年日本学者Nabae提出了利用二极管箝位的中点箝位逆变器，中点箝位主要有三种基本拓扑：二极管箝位型、电容箝位型、混合箝位型。其中电容箝位型电路存在着中点电压不平衡的问题，需要额外设计复杂的电压平衡控制策略而不易推广。2000年中国学者彭方正提出了一种自带电容电压自平衡的电容箝位逆变拓扑，在无需附加电容电压平衡电路或调整控制策略的前提下实现了电容电压的自平衡。减少了开关器件的数量，降低了器件导通损耗，有助于实现逆变器的集成化。
技术实现思路
本专利技术公开了种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器，将开关电容模块与电容箝位电路有机结合。在实现电容电压自平衡的基础上，实现4倍升压输出。开关电容模块中的电容既用于升压的同时亦可起到电能回馈补偿的作用，减少了电路元件的数目。同时解决母线电压平衡的问题，消除中点电位的低频波动，减小逆变器输出的低频谐波，提升了输出波形的质量。为了解决上述的技术问题，本专利技术提供了一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器，包括：桥式开关电容模块与一半桥电路；所述桥式开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个高频开关管S1、S2、S3、S4组成；基本开关电容模块包括由串联连接的第一电容C1a和第二电容C1b组成的第一电容网络、由串联连接的第三电容C2a和第四电容C2b组成的第二电容网络，以及四个全控开关管S1A、S1B、S2A、S2B；其中S1的漏极、S3的漏极、S1A的源极相连；S1的源极、S2的漏极、C2A的负极、C2B的正极相连；S2的源极、S4的源极、S1B的漏极相连；S3的源极、S4与C1A的负极、C1B的正极相连；S1A的漏极、S2A的源极、C1A的正极相连；S2a的漏极、C2A的正极相连；S1B的源极、S2B的漏极、C1B的负极相连；S2b的源极、C2B的负极相连；低压端电源并联滤波电容，电源Vin正极接S1的漏极，负极接S2的源极；所述S1,S4,S1B,S2A为一组，S2,S3,S1A,S2B为一组，两组开关交替导通，对电容C1a和C1b及电容C2a和C2b进行交替充电，使第一电容网络中的电容C1a和C1b两端的电压为Vin，第二电容网络中的电容C2a和C2b两端的电压为2Vin。在一较佳实施例中：所述半桥电路由低频全控开关管S5和S6组成，半桥电路与所述第一电容网络并联，并且S5的源极与S6的漏极相连。相较于现有技术，本专利技术的技术方案具备以下优点：在无需辅助电路或复杂控制策略的前提下实现母线电容电压的自平衡。既改善了由于中点电压波动而导致的低频谐波震荡，同时节约了元器件，简化了控制策略复杂度。利用桥式开关电容模块实现了逆变器的升压输出，有利于在降低升压逆变器的升压变比降低成本的同时实现电能的回馈补偿。附图说明图1为基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器拓扑图。图2为桥式开关电容模块拓扑图。图3为桥式开关电容模块工作状态图。图4为基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器工作状态图。图5为电容电压自平衡状态分析图。图6为基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器控制策略图。图7为基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器的输出电压波形图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术做进一步的阐述。参考图1为基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器的拓扑图，其主要由图2中的桥式开关电容模块与由低频全控开关管S5、S6串联成的半桥逆变模块并联而成。其中桥式开关电容模块起到升压以及电容电压自平衡的作用。所述桥式开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个高频开关管S1、S2、S3、S4组成；基本开关电容模块包括由串联连接的第一电容C1a和第二电容C1b组成的第一电容网络、由串联连接的第三电容C2a和第四电容C2b组成的第二电容网络，以及四个全控开关管S1A、S1B、S2A、S2B；其中S1的漏极、S3的漏极、S1A的源极相连；S1的源极、S2的漏极、C2A的负极、C2B的正极相连；S2的源极、S4的源极、S1B的漏极相连；S3的源极、S4与C1A的负极、C1B的正极相连；S1A的漏极、S2A的源极、C1A的正极相连；S2a的漏极、C2A的正极相连；S1B的源极、S2B的漏极、C1B的负极相连；S2b的源极、C2B的负极相连；低压端电源并联滤波电容，电源Vin正极接S1的漏极，负极接S2的源极；参考图3(a)和图3(b)，其为桥式开关电容模块的两种互补工作状态。令开关S1,S4,S1B,S2A为第一组开关，令开关S2,S3,S1A,S2B为第二组开关，两组开关交替导通。则当第一组开关导通时，桥式开关电容模块的工作状态如图3(a)所示：电流由输入电源Vin正极出发经过S1后分流为两条回路。子回路1中电流经电容C1b，开关S1B后流入输入电源Vin负极。子回路2中电流经电容C1a，开关S2A,电容C2a，开关S4后流入输入电源Vin负极。同理当第二组开关导通时电流回路如图3(b)所示：子回路1中由电源Vin对C1b进行充电，VC1b＝Vin。子回路2中由电源Vin串联电容C1a对电容C2a进行充电，VC2a＝VC1a+Vin。令第一组开关导通时的工作状态为模态1，第二组开关导通时的工作状态为模态2。当桥式开关电容模块在模态1与模态2间交替切换时，由本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器，其特征在于包括：桥式开关电容模块与一半桥电路；/n所述桥式开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个高频开关管S

【技术特征摘要】
1.一种基于桥式开关电容模块的三电平自平衡逆变器，其特征在于包括：桥式开关电容模块与一半桥电路；
所述桥式开关电容模块包含H桥和基本开关电容模块；其中H桥由四个高频开关管S1、S2、S3、S4组成；基本开关电容模块包括由串联连接的第一电容C1a和第二电容C1b组成的第一电容网络、由串联连接的第三电容C2a和第四电容C2b组成的第二电容网络，以及四个全控开关管S1A、S1B、S2A、S2B；
其中S1的漏极、S3的漏极、S1A的源极相连；S1的源极、S2的漏极、C1a的负极、C1b的正极相连；S2的源极、S4的源极、S1B的漏极相连；S3的源极、S4的漏极与C2a的负极、C2b的正极相连；S1A的漏极、S2A的源极、C1a的正极相连；S2A的漏极、C2a的正极相连；S1B的源极、S2B的漏极、C1b的负极相连；S2B的源极、C2b的负极相连；低压端电源Vin并联滤波电容，电源Vin正极接S1的漏极，负极接S2的源极；
所述S1,S4,S1B,S2A为一组，S2,S3,S1A,S2B为一组，两组开关交替导通，对电容C1a和C1b及电容C2a和C2b进行交替充电，使第一电容网络中...

【专利技术属性】
技术研发人员：何良宗，陈嘉哲，张建寰，林立成，高涵，张勇，
申请(专利权)人：厦门大学，电普能源科技厦门有限公司，
类型：发明
国别省市：福建;35