專利名稱：二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變
O
背景技術(shù)：
雙降壓式逆變器(Dual Buck Inverter——以下簡稱DBI)是近年來出現(xiàn)的一種新 型的逆變器拓撲。相對傳統(tǒng)的橋式逆變器，DBI具有無橋臂直通的高可靠性和無開關(guān)管寄 生二極管反向恢復問題的獨特優(yōu)點；工作于半周模式下的DBI無環(huán)流存在，為同時實現(xiàn)逆 變器的高頻化和高效率提供了一種簡潔的途徑，是一種很具有研究價值和發(fā)展前景的拓撲 結(jié)構(gòu)。DBI和半橋逆變器具有很多相似的地方，下文將兩者通稱為半橋型逆變器。半橋型逆 變器需要外接正負直流母線電壓，其幅值超過輸出電壓最大值的兩倍，器件電壓應力大，直 流電壓利用率低；橋臂只能輸出+1和-1兩態(tài)電平，工作于雙極性調(diào)制方式，橋臂輸出波形 諧波含量大，需要高的開關(guān)頻率和大的濾波器。以上兩點也是半橋型逆變器的缺點。近年來，多電平技術(shù)得到人們更多的關(guān)注和研究。由于器件制造技術(shù)的限制，功率 半導體器件的耐壓是有一定限度的。在高壓變換器中，可將功率管串聯(lián)使用，但由于器件參 數(shù)的不一致和開關(guān)瞬態(tài)的不同步，很難實現(xiàn)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的均壓，導致個別功率管的過 壓，降低了電路的可靠性。多電平技術(shù)是解決功率管串聯(lián)問題的一個好辦法，它能保證功率 管承受的電壓應力在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程中箝位于母線電容的電壓。引入多電平技術(shù)的五電平 雙降壓式半橋逆變器同時可使橋臂輸出變?yōu)槲咫娖健?br>
發(fā)明內(nèi)容
1、技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是在保留DBI高可靠性和高效率特點的同 時，解決其器件電壓應力高，橋臂輸出諧波含量大的缺點。2、技術(shù)方案為了解決上述的技術(shù)問題，本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式 半橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)包括第一五電平降壓電路1、第二五電平降壓電路2、直流電源輸入電 路3、負載電路4，第一五電平降壓電路1中，第一功率開關(guān)管S1的漏級與第一電容C1的正 極連接，第一功率開關(guān)管S1的源級與第二功率開關(guān)管S2的漏級連接，第二功率二級管S2的 源級與第一功率二極管0工的陰極連接，第一功率二極管0工的陽極與第二功率二極管D2的陰 極連接，第二功率二極管D2的陽極與第四電容C4的負極連接，第三功率二極管D3的陽極與 第一電容C1的負極連接，第三功率二極管D3的陰極與第一功率開關(guān)管S1的源級連接，第三 功率開關(guān)管S3的漏級接地，第三功率開關(guān)管S3的源級與第四功率二極管D4的陽極連接，第 四功率二極管D4的陰極與第二功率二極管S2的源級連接，第四功率開關(guān)管S4的漏級與第 四電容C4的正極連接，第四功率開關(guān)管S4的源級與第一功率二極管D1的陽極連接，第一電 感！^的一端與第二功率開關(guān)管S2的源級連接，第一電感L1的另一端接入外界負載電路4 ； 第二五電平降壓電路2中，第五功率開關(guān)管S5的源級與第四電容C4的負極連接，第五功率 開關(guān)管S5的漏級與第六功率開關(guān)管S6的源級連接，第六功率開關(guān)管S6的漏級與第六功率
3二極管D6的陽極連接，第六功率二極管D6的陰極與第五功率二極管D5的陽極連接，第五功 率二極管D5的陰極與第一電容C1的正極連接，第八功率二極管D8的陰極與第四電容C4的 正極連接，第八功率二極管D8的陽極與第五功率開關(guān)管S5的漏級連接，第七功率開關(guān)管S7 的源級接地，第七功率開關(guān)管S7的漏級與第七功率二極管D7的陰極連接，第七功率二極管 D7的陽極與第六功率二極管D6的陽極連接，第八功率開關(guān)管S8的源級與第二電容C2的正 極連接，第八功率開關(guān)管S8的漏級與第五功率二極管D5的陽極連接，第二電感L2的一端與 第六功率開關(guān)管S6的漏級連接，第二電感L2的另一端與第一電感L1的另一端相連接入外 界負載4 ；直流電源輸入電路3連接方式為，直流電源Ud的正極與第一電容C1的正極連接， 直流電源Ud的負極與第四電容C4的負極連接，第二電容C2的正極與第一電容C1的負極連 接，第二電容C2的負極接地，第三電容C3的正極接地，第三電容C3的負極與第四電容C4的 正極連接；負載電路4連接方式為，濾波電容Cf的一端接入第一電感L1的另一端與第二電 感L2的另一端之間，濾波電容Cf的另一端接地，負載電阻R的一端與濾波電容Cf的一端連 接，負載電阻R的另一端接地。本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器包含兩個五電平降壓電路，其 輸入側(cè)接電源電路單元，其輸出側(cè)接輸出濾波電容和負載電路。該電路保留了雙降壓式半 橋逆變器的特點電路沒有橋式電路橋臂直通的隱患；續(xù)流電流從功率二極管通過，無開 關(guān)器件體二極管反向恢復問題。二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器的橋臂輸出電壓 為五電平PWM調(diào)制波，相對于雙降壓式半橋逆變器的兩電平橋臂輸出，諧波含量大為降低， 所需濾波器大為減?。徽麄€電路結(jié)構(gòu)并不復雜，控制方案也較簡單采用電壓電流雙閉環(huán) PWM控制，保證逆變器電路在正常工作時不需任何偏置電流，根據(jù)電感電流的方向和輸出電 壓的大小，控制兩個五電平降壓電路半周期工作，通過不同的開關(guān)組合，分別在兩個輸出橋 臂得到五電平的PWM調(diào)制波輸出。3、有益效果本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)保留了雙降壓電路無橋臂直通、無開關(guān)管 體二極管反向恢復問題的優(yōu)點；(2)實現(xiàn)了五電平輸出，輸出電壓諧波含量減小，有助于減 小濾波器，同時可以降低PWM調(diào)制部分的開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，提高效率；(3)同傳統(tǒng)半 橋型逆變器相比，功率器件電壓應力降低，使得中小功率的開關(guān)器件可適用于高壓、大功率 的場合。(4)電路中只需8個功率二極管，與橋式五電平二極管箝位型逆變器相比，二極管 數(shù)量減小了 1/3，箝位電路得到了簡化。
四

圖1是本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖；圖1 中的標號名稱1.第一五電平降壓電路；2.第二五電平降壓電路；3.直流電源輸入電路； 4.負載電路；圖2是本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器拓撲各開關(guān)模態(tài)示意 圖；圖3是本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器拓撲的主要波形示意 圖；圖4是本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器采用的控制框圖。上述附圖中的主要符號名稱Cf——輸出濾波電容諷 D8——功率二極管J1 S8——功率開關(guān)管；Vsl VsS——S1 S8的驅(qū)動信號K1 C4——直流輸入側(cè)分壓電容； Ud——直流輸入電源；Li L2——濾波電感；R——輸出負載；iu——濾波電感1^上的電流； iL2——濾波電感L2上的電流&——輸出電感電流；uA——橋臂A點輸出電壓；uB——橋臂 B點輸出電壓；U?！敵鲭妷?；U。max——輸出電壓U。的最大值。
五具體實施例方式如圖1所示，本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器的特征在于第 一五電平降壓電路1中，第一功率開關(guān)管S1的漏級與第一電容C1的正極連接，第一功率開 關(guān)管S1的源級與第二功率開關(guān)管S2的漏級連接，第二功率二級管S2的源級與第一功率二極 管0工的陰極連接，第一功率二極管D1的陽極與第二功率二極管D2的陰極連接，第二功率二 極管D2的陽極與第四電容C4的負極連接，第三功率二極管D3的陽極與第一電容C1的負極 連接，第三功率二極管D3的陰極與第一功率開關(guān)管S1的源級連接，第三功率開關(guān)管S3的漏 級接地，第三功率開關(guān)管S3的源級與第四功率二極管D4的陽極連接，第四功率二極管D4的 陰極與第二功率二極管S2的源級連接，第四功率開關(guān)管S4的漏級與第四電容C4的正極連 接，第四功率開關(guān)管S4的源級與第一功率二極管D1的陽極連接，第一電感L1的一端與第二 功率開關(guān)管S2的源級連接，第一電感L1的另一端接入外界負載電路4 ；第二五電平降壓電 路2中，第五功率開關(guān)管S5的源級與第四電容C4的負極連接，第五功率開關(guān)管S5的漏級與 第六功率開關(guān)管S6的源級連接，第六功率開關(guān)管S6的漏級與第六功率二極管D6的陽極連 接，第六功率二極管D6的陰極與第五功率二極管D5的陽極連接，第五功率二極管D5的陰極 與第一電容C1的正極連接，第七功率開關(guān)管S7的源級接地，第七功率開關(guān)管S7的漏級與第 七功率二極管D7的陰極連接，第七功率二極管D7的陽極與第六功率二極管D6的陽極連接， 第八功率二極管D8的陰極與第四電容C4的正極連接，第八功率二極管D8的陽極與第五功 率開關(guān)管S5的漏級連接，第八功率開關(guān)管S8的源級與第二電容C2的正極連接，第八功率開 關(guān)管S8的漏級與第五功率二極管D5的陽極連接，第二電感L2的一端與第六功率開關(guān)管S6 的漏級連接，第二電感L2的另一端與第一電感L1的另一端相連接入外界負載4 ；直流電源 輸入電路3連接方式為，直流電源Ud的正極與第一電容C1的正極連接，直流電源Ud的負極 與第四電容C4的負極連接，第二電容C2的正極與第一電容C1的負極連接，第二電容C2的負 極接地，第三電容C3的正極接地，第三電容C3的負極與第四電容C4的正極連接；負載電路 4連接方式為，濾波電容Cf的一端接入第一電感L1的另一端與第二電感L2的另一端之間， 濾波電容Cf的另一端接地，負載電阻R的一端與濾波電容Cf的一端連接，負載電阻R的另 一端接地。本發(fā)明的二級管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器工作原理是輸出電感電流k 的正半周期時，第一五電平降低電路1工作，第二五電平降壓電路2不工作，根據(jù)輸出電壓 U0的大小，將電路分為4個工作區(qū)間，7個工作模態(tài)，通過合適的開關(guān)組合狀態(tài)在橋臂A點輸 出士Ud/2，士Ud/4，0五種電平；電感電流負半周期時，第二五電平降壓電路2工作，第一五電 平降低電路1不工作，電路也分4個工作區(qū)間，7個工作模態(tài)，選擇恰當?shù)拈_關(guān)組合在橋臂B 點輸出五電平。下面以圖1所示為主電路結(jié)構(gòu)，結(jié)合圖2敘述本發(fā)明的二極管箝位型五電平雙降 壓式半橋逆變器的工作原理和工作模態(tài)，對應的電路關(guān)鍵波形見附圖3
1、在輸出電感電流k大于零的正半周期第一五電平降壓電路1工作，第二五電平降壓電路2不工作，S5、S6、S7、S8斷開。此 時，根據(jù)輸出電壓的大小共有4個階段，7個工作模態(tài)(1)、 、段輸出電壓u。< _U。max/2，此階段，開關(guān)管S4高頻調(diào)制，電路在以下兩個工作模態(tài)之 間切換工作模態(tài)1 如圖2 (a)所示，開關(guān)管31、^3、54都斷開，電感電流込從二極管01、 D2續(xù)流，線性下降，橋臂A點輸出-U/2電平。工作模態(tài)2 如圖2(b)所示，開關(guān)管S4閉合，SpS2、S3斷開，二級管D2反向偏置不 導通，iL1線性上升，橋臂A點輸出-Ud/4電平。(2)、 t2 段輸出電壓-U—/2 < Uo < 0，輸出電流k > 0，此階段S4常閉，S3高頻調(diào)制，電路 交替工作于以下兩個工作模態(tài)工作模態(tài)2 同上，但此時電感電流k為續(xù)流模式，線性下降。工作模態(tài)3 如圖2(c)所示，開關(guān)管S3、S4閉合，SpS2斷開，二極管D1反向偏置不 導通，iL1線性上升，橋臂A點輸出0電平。(3) t2 t3 段輸出電壓0 < U。< U。max/2，此階段S3常閉，S2高頻調(diào)制，電路交替工作于模態(tài)4和 5。工作模態(tài)4 如圖2 (d)所示，開關(guān)管S3閉合，Sp S2、S4斷開，iL1通過D4續(xù)流，線性 下降，橋臂A點輸出0電平。工作模態(tài)5 如圖2(e)所示，開關(guān)管S2、S3閉合，SpS4斷開，二極管D4反向偏置不 導通，iL1線性上升，橋臂A點輸出Ud/4電平。(4) t3 t4 段輸出電壓u。> U。max/2，此階段S2常閉，S1高頻調(diào)制，電路交替工作于模態(tài)6和7。工作模態(tài)6 如圖2 (f)所示，開關(guān)管S2閉合，Sp S3、S4斷開，iL1通過D3續(xù)流，線性 下降，橋臂A點輸出Ud/4電平。工作模態(tài)7 如圖2(g)所示，開關(guān)管SpS2閉合，S3、S4斷開，二極管D3反向偏置不 導通，iL1線性上升，橋臂A點輸出Ud/2電平。2、在輸出電感電流k小于零的負半周期時第一五電平降壓電路1不工作，第二五電平降壓電路2工作，SpS2、S3、S4斷開。此 時，根據(jù)輸出電壓的大小也分4個階段，7個工作模態(tài)(5) t4 t5 段輸出電壓u。> U。max/2，此階段S8高頻調(diào)制，S5,S6,S7斷開，電路在以下兩個工作模 態(tài)之間切換。工作模態(tài)8 如圖2 (h)所示，S5, S6, S7, S8都斷開，電感電流iL2從二極管D5, D6續(xù) 流，線性下降，橋臂B點輸出Ud/2電平。工作模態(tài)9 如圖2(i)所示，S8閉合，S5, S6, S7斷開，電感電流iL2線性上升，橋臂 B點輸出Ud/4電平。
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(6) t5 t6 段輸出電壓0 < U。< U。max/2，此階段S8常閉，S7高頻調(diào)制，S6、S7斷開，電路在以下兩 個工作模態(tài)之間切換。工作模態(tài)9 同上，但此時電感電流込為續(xù)流模式，線性下降，在橋臂B點輸出
Ud/4電平。工作模態(tài)10 如圖2(j)所示，S7、S8閉合，S5、S6斷開，D6反向偏置不導通，iL2線性 上升，橋臂B點輸出0電平。(7) t6 t7 段輸出電壓-U。max/2 < U。< 0，此階段S7常閉，S6高頻調(diào)制，S5, S8斷開，電路交替工 作于以下兩個工作模態(tài)。工作模態(tài)11 如圖2(k)所示，S7閉合，S5、S6、S8斷開，電感電流、從二極管D7續(xù) 流，線性下降，橋臂B點輸出0電平。工作模態(tài)12 如圖2 (1)所示，S6, S7閉合，S5, S8斷開，D7反向偏置不導通，電感電 流、線性上升，二極管D7反向偏置不導通，橋臂B點輸出-Ud/4電平。(7) t7 t8 段輸出電壓u。< _U。max/2，此階段S6常閉，S5高頻調(diào)制，S7, S8斷開，電路在以下兩個 模態(tài)之間切換。工作模態(tài)13 如圖2 (m)所示，S6閉合，S5, S7, S8斷開，電感電流iL2從二極管D8續(xù) 流，線性下降，橋臂B點輸出-Ud/4電平。工作模態(tài)14 如圖2 (η)所示，S5、S6閉合，S7、S8斷開，電感電流込線性上升，橋臂 B點輸出-U/2電平。為實現(xiàn)以上的工作原理，采用的控制方案如圖4 圖中，Ur是電壓基準，Ur經(jīng)過過零 比較器后得到電壓周期信號IV k為電壓環(huán)輸出，作為電感電流基準，Ip是表示電感電流周 期，Um為門檻電壓，通常取 最大值的1/2，Vsl VsS表示8路開關(guān)管驅(qū)動信號。整個系 統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)為PI調(diào)節(jié)，電流內(nèi)環(huán)采用P調(diào)節(jié)，調(diào)制方式為SPWM 調(diào)制。根據(jù)輸出電感電流的方向，控制電路工作于半周期模式，同時，根據(jù)輸出電壓的大小 將整個電路分為8個工作區(qū)間，通過邏輯電路選擇合適的開關(guān)組合狀態(tài)，在橋臂A點和B點 輸出五電平調(diào)制波，經(jīng)過濾波后得到輸出電壓U。。
權(quán)利要求
一種二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一五電平降壓電路(1)、第二五電平降壓電路(2)、直流電源輸入電路(3)、負載電路(4)，第一五電平降壓電路(1)中，第一功率開關(guān)管(S1)的漏級與第一電容(C1)的正極連接，第一功率開關(guān)管(S1)的源級與第二功率開關(guān)管(S2)的漏級連接，第二功率二級管(S2)的源級與第一功率二極管(D1)的陰極連接，第一功率二極管(D1)的陽極與第二功率二極管(D2)的陰極連接，第二功率二極管(D2)的陽極與第四電容(C4)的負極連接，第三功率二極管(D3)的陽極與第一電容(C1)的負極連接，第三功率二極管(D3)的陰極與第一功率開關(guān)管(S1)的源級連接，第三功率開關(guān)管(S3)的漏級接地，第三功率開關(guān)管(S3)的源級與第四功率二極管(D4)的陽極連接，第四功率二極管(D4)的陰極與第二功率二極管(S2)的源級連接，第四功率開關(guān)管(S4)的漏級與第四電容(C4)的正極連接，第四功率開關(guān)管(S4)的源級與第一功率二極管(D1)的陽極連接，第一電感(L1)的一端與第二功率開關(guān)管(S2)的源級連接，第一電感(L1)的另一端接入外界負載電路(4)；第二五電平降壓電路(2)中，第五功率開關(guān)管(S5)的源級與第四電容(C4)的負極連接，第五功率開關(guān)管(S5)的漏級與第六功率開關(guān)管(S6)的源級連接，第六功率開關(guān)管(S6)的漏級與第六功率二極管(D6)的陽極連接，第六功率二極管(D6)的陰極與第五功率二極管(D5)的陽極連接，第五功率二極管(D5)的陰極與第一電容(C1)的正極連接，第八功率二極管(D8)的陰極與第四電容(C4)的正極連接，第八功率二極管(D8)的陽極與第五功率開關(guān)管(S5)的漏級連接，第七功率開關(guān)管(S7)的源級接地，第七功率開關(guān)管(S7)的漏級與第七功率二極管(D7)的陰極連接，第七功率二極管(D7)的陽極與第六功率二極管(D6)的陽極連接，第八功率開關(guān)管(S8)的源級與第二電容(C2)的正極連接，第八功率開關(guān)管(S8)的漏級與第五功率二極管(D5)的陽極連接，第二電感(L2)的一端與第六功率開關(guān)管(S6)的漏級連接，第二電感(L2)的另一端與第一電感(L1)的另一端相連接入外界負載(4)；直流電源輸入電路(3)連接方式為，直流電源(Ud)的正極與第一電容(C1)的正極連接，直流電源(Ud)的負極與第四電容(C4)的負極連接，第二電容(C2)的正極與第一電容(C1)的負極連接，第二電容(C2)的負極接地，第三電容(C3)的正極接地，第三電容(C3)的負極與第四電容(C4)的正極連接；負載電路(4)連接方式為，濾波電容(Cf)的一端接入第一電感(L1)的另一端與第二電感(L2)的另一端之間，濾波電容(Cf)的另一端接地，負載電阻(R)的一端與濾波電容(Cf)的一端連接，負載電阻(R)的另一端接地。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二極管箝位型五電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一五電平降壓電路、第二五電平降壓電路、直流電源輸入電路、負載電路。采用電壓電流雙閉環(huán)SPWM控制，根據(jù)電感電流的方向和輸出電壓的大小，控制兩個五電平降壓電路半周期工作，通過不同的開關(guān)組合，分別在兩個輸出橋臂得到五電平的PWM調(diào)制波輸出。本發(fā)明的優(yōu)點是保留了雙降壓電路無橋臂直通、無開關(guān)管體二極管反向恢復問題的優(yōu)點；實現(xiàn)了五電平輸出，輸出電壓諧波含量減小，有助于減小濾波器，同時可以降低PWM調(diào)制部分的開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，提高效率；同半橋型逆變器相比，功率器件電壓應力降低，功率器件電壓應力降低，使得中小功率的開關(guān)器件可適用于高壓、大功率的場合；電路中只需8個功率二極管，與橋式五電平二極管鉗位型逆變器相比，二極管數(shù)量減小了1/3，鉗位電路得到了簡化。
文檔編號H02M1/12GK101902142SQ20101023642
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月26日
發(fā)明者楊偉, 歐陽靜, 洪峰, 王成華 申請人:南京航空航天大學