CN102324862A - 一种电压泵升多电平装置 - Google Patents

Abstract

一种电压泵升多电平装置，它通过一套可实现电压泵升输出的多电平逆变主电路结合相应开关控制策略，其输出电压波形具有良好的正弦性，与此同时相对于输入实现输出电压泵升。本装置的硬件电路包括直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路，后接充放电功率开关器件S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2，电容C₁、C₂……C_n和电压泵升功率开关器件S_C1、S_C2……、S_Cn组成的部分充放电电路，再接由功率开关器件S_o1、S_o2、S_o3、S_o4组成的逆变电路；控制器主要用于产生控制信号，用以驱动控制电路中功率开关器件。本发明运用已有的DC-DC电压泵升和多电平逆变的思想，提出新的拓扑结构，实现了正弦度优良的输出电压。

Description

一种电压泵升多电平装置

技术领域

本发明属于电力电子、电源领域，涉及一种新型电压泵升多电平装置及其控制策略，适用于电动汽车以及其他由直流输出储能单元提供电能的供电场合。

背景技术

随着能源问题与环境污染的日益突出，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，以电动汽车取代传统的内燃机汽车成为当前研究的热点之一，而给电动汽车供电的电源一般是通过逆变器得到交流电，不可避免地会产生谐波和干扰，直接影响电动汽车的运行性能，迫切需要寻找一种谐波含量小的供电电源。多电平逆变器与传统的二电平逆变器相比，能有效地降低输出电压的电磁干扰，由于其输出电压谐波干扰小、同等电压等级下所要求的开关器件耐压等级更低，多电平逆变器被广泛应用于各个领域。对于电动汽车，从运行过程中的安全性、性能以及损耗来考虑，更需电磁兼容性较好的供电电源，输出电压谐波含量很小作为多电平逆变器的出色性能决定了多电平逆变器能够很好地应用于电动汽车上。

现有的多电平逆变器有三种拓扑结构，按结构划分主要为：二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和级联多电平逆变器。二极管钳位多电平逆变器相对来说比较简单，但需要大量的二极管；飞跨电容多电平逆变器相对二极管钳位多电平逆变器较灵活，但也存在需要大量电容的问题，而且这两种拓扑结构的多电平逆变器均无法实现升压的功能，输出交流电压的峰峰值和输入的直流测电压相同。级联多电平逆变器的基本思想是将具有独立直流电源的传统单相逆变器进行级联，可以达到电压泵升的目的，但是需要大量的独立直流电源。

过去的研究表明，如要获得新的多电平装置，必须在电路结构上进行革新才有可能获得积极的结果，但从已经公开发表的资料来看，新的多电平结构无一例外存在两个问题：其一多电平的级数由电路中的某种或某几种器件的数量来决定，即所谓的由硬件条件来决定多电平输出的效果，这意味着，如要获得更好的多电平效果，必须增加更多的器件数量，大大增加了成本；其二输出电压的泵升，基本上都由增加输入电源的数量来获得，即所谓叠加输入电压来获得高的输出电压，这也提高了装置的成本，并对控制策略的复杂性和***的安全性都提出了挑战。鉴于上述三种传统多电平逆变器结构的缺点以及部分新结构的不足，有必要发明一种新装置，用较少的元件设备，不仅能够泵升电压，还能使输出电压谐波含量小。

发明内容

技术问题：本发明针对现有多电平逆变器的不足进行设计，提出了一种新型电压泵升多电平装置，该装置充分运用DC-DC电压泵升的思想，构造了新的电路拓扑结构，并通过逆变电路进行输出，实现了无需外加独立电源即可提升输出电压，此外，可以通过控制单元便捷地实现输出电压的电平数任意增加，而无需额外增加电路中的元器件，节约了成本，降低了逆变器电路结构的复杂度。新型电压泵升多电平装置可灵活的通过软件的方法，改变输出的多电平阶数，获得理想的正弦输出，非常适合对于输出电压的THD要求苛刻的场合。

技术方案：

1、一种新型电压泵升多电平装置，其特征在于包括直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路、部分充放电电路、逆变电路和控制器；所述直流输出储能单元后依次连接双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路；

1)所述双向Buck/Boost电路包括电感L、二极管D、以及功率开关器件Sa和Sb；所述功率开关器件Sa和Sb都并联连接有二极管；

所述Sa连接在直流输出储能单元的“+”极与L之间，与Sa并联的二极管的阴极连接直流输出储能单元的“+”极，与Sa并联的二极管的阳极连接L的第一端；

所述Sb连接在L的第一端与直流输出储能单元的“-”极之间，与Sb并联的二极管的阳极连接直流输出储能单元的“-”极，与Sb并联的二极管的阴极连接L的第一端；

所述D的阴极连接L的第二端，D的阳极连接直流输出储能单元的“-”极；

2)所述部分充放电电路包括：

2n个相同功率开关器件作为充放电功率开关器件，设充放电功率开关器件分别为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2；每个充放电功率开关器件都并联二极管，构成充放电功率开关单元；

n-1个相同功率开关器件作为电压泵升功率开关器件；设电压泵升功率开关器件分别为S_C1、S_C2……、S_Cn-1：

n个相同电容C₁、C₂……C_n，作为部分充电电容；

n个二极管Dn；

对于任一所述S_n1、S_n2、C_n和Dn，它们构成单元，各个单元之间通过S_Cn-1连接；对于一个单元：S_n1对应的二极管的阳极都连接L的第二端，S_n2对应的二极管的阳极都连接直流输出储能单元的“-”极，两个二极管的阴极通过C_n连接；D_n的阴极连接C_n的一端，S_n2对应的二极管的阴极也连接C_n的该端；

任一C_n的两端作为该单元与相邻单元的连接点，S_Cn-1连接相邻单元的连接点之间；

3)所述逆变电路包括：

4个相同的功率开关单元，每个功率开关单元包括功率开关器件S_o1、S_o2、S_o3和S_o4，每个功率开关器件都和二极管并联连接；

所述S_o1、S_o3串联，S_o2、S_o4串联，S_o1以及S_o2对应的二极管的阴极都连接S₁₁对应二极管的阴极，S_o3以及S_o4对应的二极管的阳极都连接D_n的阳极；

所述控制器的控制信号输出端分别连接双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路中各个功率开关器件的开关控制端；控制器的控制信号输出端还连接控制直流输出储能单元的开关。

所述直流输出储能单元包括直流源和开关，开关连接控制直流源输出的开关，控制器输出控制信号控制该开关。

一种所述装置的控制策略，由所述控制器输出控制信号实现，控制策略是，通过控制直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路中的功率开关器件，使相应的部分充电电容C_n的充放电周期符合正弦波的需要和输出电压频率的要求，并且，对C_n分m次进行充放电。

本发明的原理说明如下：

现有的多电平电路的几种拓扑结构，虽然对于改善输出电压的波形和降低开关器件的应力有着很好帮助，但都存在两个固有的弊病，一是，如要取得更加理想的输出波形即更多阶的电平数，则必须大大增加电路中的器件数量，这就增加了成本和装置的体积；其二，输出电压的幅值和输入电压有着严格的比例关系，不能实现泵升，即便是级联式结构，实际上也是采用了更多的电源叠加来获得更高的输出电压。鉴于此，本发明灵活的运用了已有的多电平逆变器的思想以及电压泵升的有关技术，在不增加电路中器件数量的前提下，通过巧妙构造新的电路拓扑结构，一方面获得了理想的正弦输出，另一方面也实现了输出电压的幅值较之输入电压有了泵升。

本发明拟解决的核心问题是：提出新的电路结构以获得电压泵升的效果，同时依赖于控制策略，即所谓的软件方法，而非增加硬件的数量，来实现正弦特性理想的多电平输出。因此，本发明提供的技术方案由两部分组成，一为新型电压泵升多电平装置的电路拓扑，包括了硬件电路和控制器；二为该装置的控制策略。由于该装置的结构较为简单，控制方案十分灵活，输出电压的正弦特性很优良，因此非常适合于电动汽车、便携式多媒体装置、高精密伺服***以及航空航天等希望获得等级变化较大的输出电压，同时THD要求苛刻的场合。

本发明所述的硬件电路包括直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路，后接充放电功率开关器件S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2(以上功率开关均需要并联反向二极管)，电容C₁、C₂、……C_n和电压泵升功率开关器件S_C1、S_C2……、S_Cn-1组成的部分充放电电路

再接由功率开关器件S_o1、S_o2、S_o3、S_o4(以上功率开关均需要并联反向二极管)组成的逆变电路；控制器主要用于产生控制信号，用以驱动控制电路中的功率开关器件。

本发明的新型电压泵升多电平装置的基本原理及控制方法为：硬件电路中，双向Buck/Boost电路和部分充放电电路协同工作完成了充放电和电压泵升工作，同时实现能量在直流输出储能单元和电容之间的双向流动，与此同时，由基本逆变电路实现多电平电压的输出。需要指出的是，本发明中所述电压泵升，并非由上述硬件电路中的双向Buck/Boost电路来实现，而是由双向Buck/Boost电路和部分充放电电路协同完成；而本装置的核心是部分充放电电路，电压的泵升主要由其完成。详细的控制方法及具体实施方案将在下文中叙述。

本装置既可工作在低频段，又可工作在高频段。本装置输出电压具有很好的正弦度，原则上可以无限接近正弦波，THD极低。本装置输出的峰-峰电压可以通过调整电容个数和每次充放电程度进行变化，因此峰值电压可以进行灵活的改变，其大小和输入端的直流输出储能单元的电压没有必然联系，而由控制单元的控制策略和部分充电电容的个数来决定。本装置未使用变压器等笨重昂贵器件，整个装置成本低，重量小；控制简单，不需要复杂的闭环、PI控制等。

有益效果：

1)省去了变压器，省去了多个独立供电的直流电源，只需增减部分充电电容个数即可达到提升输出电压等级的目的，简化了结构、减小了逆变器的尺寸并减轻了逆变器的重量。

2)通过给电容部分充电的思想来增加输出电压的电平数，从而使输出电压谐波含量小，电平数越多，THD越小。

3)整个装置中功率开关器件的控制简单，无需闭环等复杂的控制方法。

4)随着输出电压电平数的增多，同等电压等级下所要求的功率开关器件耐压等级更低，从而对功率开关器件的选择范围更宽，成本更低。

附图说明

图1为本装置原理示意图

图2为本发明的装置结构示意图；

图3为为了说明具体实施方式，部分充电电容数量为3的电路结构示意图；

图4为本发明中所述的电路，当部分充电电容数量为3时功率开关驱动信号示意图；

图5为部分充电电容数量为3时的仿真输出电压波形；

图6为对部分充电电容数量为3时的仿真输出电压的THD分析；

图7为部分充电电容数量为3时的实验输出电源波形(工作频率为50Hz)；

图8为实验输出电压波形的THD分析。

图中：直流输出储能单元1、双向Buck/Boost电路2、由功率开关器件和电解电容等组成的部分充放电电路3、逆变电路4、控制器5。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本发明提供的新型电压泵升多电平装置，如附图2中所示，本装置包括直流输出储能单元(1)、双向Buck/Boost电路(2)，后接充放电功率开关器件S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2(以上功率开关均需要并联反向二极管)，电容C₁、C₂、……C_n和电压泵升功率开关器件S_C1、S_C2……、S_Cn-1组成的部分充放电电路(3)，再接由功率开关器件S_o1、S_o2、S_o3、S_o4(以上功率开关均需要并联反向二极管)组成的逆变电路(4)；控制器(5)主要用于产生PWM波，用以控制电路中的功率开关器件。

由图2所示电路中的Buck/Boost电路(2)和部分充放电电路(3)协同工作完成了充放电和电压泵升工作，并可实现能量在直流输出储能单元和电容之间的双向流动，与此同时，恰当地控制基本逆变电路(4)的驱动信号，从而实现多电平电压的输出。

为了进一步说明本发明中所涉及电路的具体工作方式，不失一般性，选择部分充电电容数量为3时的电路为例，来说明本发明的具体工作原理。电路如图3所示，部分充电电容数量为3，图4所示，为一周期内，图3所示电路中各功率开关的驱动信号示意图。

假定输出交流电压周期为T，电路中共有3个部分充电电容，前T/2，普通逆变电路输出正向电压，即保持开关管S_o1、S_o4开通，在[0，T/4]时间内，完成对所有部分充电电容的分级充电，[T/4，T/2]时间内，完成对所有部分充电电容的分级放电；后T/2，普通逆变电路输出负向电压，即保持开关管S_o2、S_o3开通，在[T/2，3T/4]时间内，完成对所有部分充电电容的分级充电，[3T/4，T]时间内，完成对所有部分充电电容的分级放电。假定每个部分充电电容均分m次充到指定电压值(一般情况下，该电压值为直流输出储能单元的端电压，图4中取m＝2)，并设直流输出储能单元电压值为V_i，具体工作模式在一个周期内可分为如下四个阶段：

阶段1[0，T/4]：保持开关管S_o1、S_o4开通，通过由双向Buck/Boost电路和功率开关器件组成的部分充放电电路组成的充放电电路(以下简称为充放电电路，不再赘述)向部分充电电容充电，并控制开关管S_a、S₁₂的开通和关断，分2次将电容C₁电压充至V_i，也即根据输出为正弦波的需要以及期望的输出电压频率，计算好开关管S_a、S₁₂每次的开通时间和导通时间，使部分充电电容C₁的电压经过2次充电，分别充至V_i、V_i/2，如图4所示，分别在t₁-t₁、t₂-t₂，时间段内开通S_a、S₁₂，并采用同样的方式给C₂、C₃充电，但工作的功率器件的分别是开关管S_a，S₂₂；S_a，S₃₂。需要注意的是，当开始给C₂充电时，应开通电压泵升开关管S_C1，并在整个模式1中保持S_C1开通，依此类推开通S_C2，最终在输出电压的正向周期，由于各部分充电电容的电压叠加，电压峰值可达3V_i，实现了升压的目的。

阶段2[T/4，T/2]：保持开关管S_o1、S_o4开通，充放电电路工作在放电状态，开关管S_a关断，S_b、S₃₁开通，根据输出为正弦波的需要和输出电压频率的要求，计算好开关管S_b、S₃₁每次的开通时间和导通时间，使部分冲电电容C₃每次的电压都减少V_i/2，经2次放电降压至0，即在t₇-t_7’、t₈-t_8’时间段内开通S_b、S₃₁，并采用同样的方式对C₂、C₁放电，但是开通的是开关管S_b，S₂₁；S_b，S₁₁，与此同时，与模式1进行相反的操作，依次关断泵升电压开关S_C2、S_C1，最终输出电压可降至0。另外如图4所示，t₇-t_7’、t₈-t_8’时间段内，部分充电电容C₃放电回路为C₃ ⁺→S₃₁→L→S_b→D₃→C₃ ^-，因此放电的能量主要储存在电感L中，在t_7’-t₈、t_8’-t₉时间段内，通过与S_a并联的反向二极管以及二极管D，L向电源充电，释放储存在其中的能量。C₁、C₂的放电方式与上述C₃完全一致。

阶段3[T/2，3T/4]：保持开关管S_o2、S_o3开通。其他工作模式与阶段1完全一致。

阶段4[3T/4，T]：保持开关管S_o2、S_o3开通。其他工作模式与阶段2完全一致。至此交流电压的一个周期结束。

经过上述的控制策略，该装置的输出电压为电压峰值为N×V_i，电平数为2×m×N，随着m、N的增加，输出电压不仅电压等级高，还可以无限接近正弦波，电压谐波含量很小(需要注意的是，图3和图4中描述的电路及控制策略，所对应的N值、m值分别为3、2)。根据上述对于本发明中主电路基本工作原理的描述，不难看出本发明不同于一般多电平逆变器的一个思路在于：通常多电平逆变器，主要是通过改变或是改进逆变器的控制策略来降低THD，而本发明中所提出的电压泵升多电平装置则通过控制直流侧的电压，根据输出电压为正弦波的要求来增加电压阶数，从而获得THD很小的输出电压。无疑，这样的电压提供给电动汽车或作为电压源，将给电动汽车带来更优的性能。

图5所示为图3所描述的典型电路在如图4给出的控制策略下，电源电压取50V，所获得的仿真波形，图6给出了该波形的THD分析结果，分析表明该输出电压波形的THD为3.46％。图7、图8所示为实验实测的输出波形及其THD分析结果，该输出电压的THD为3.916％。由仿真结果和实验结果可以证明，本专利中所述的新型电压泵升多电平电路能够在上文中所提出的控制策略控制下，有效的输出近似正弦波的输出电压，并且该输出电压的THD很小。

Claims (3)

1.一种新型电压泵升多电平装置，其特征在于包括直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路、部分充放电电路、逆变电路和控制器；所述直流输出储能单元后依次连接双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路；

1)所述双向Buck/Boost电路包括电感L、二极管D、以及功率开关器件Sa和Sb；所述功率开关器件Sa和Sb都并联连接有二极管；

所述Sa连接在直流输出储能单元的“+”极与L之间，与Sa并联的二极管的阴极连接直流输出储能单元的“+”极，与Sa并联的二极管的阳极连接L的第一端；

所述Sb连接在L的第一端与直流输出储能单元的“-”极之间，与Sb并联的二极管的阳极连接直流输出储能单元的“-”极，与Sb并联的二极管的阴极连接L的第一端；

所述D的阴极连接L的第二端，D的阳极连接直流输出储能单元的“-”极；

2)所述部分充放电电路包括：

2n个相同功率开关器件作为充放电功率开关器件，设充放电功率开关器件分别为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2；每个充放电功率开关器件都并联二极管，构成充放电功率开关单元；

n-1个相同功率开关器件作为电压泵升功率开关器件；设电压泵升功率开关器件分别为S_C1、S_C2……、S_Cn-1：

n个相同电容C₁、C₂……C_n，作为部分充电电容；

n个二极管Dn；

对于任一所述S_n1、S_n2、C_n和Dn，它们构成单元，各个单元之间通过S_Cn-1连接；对于一个单元：S_n1对应的二极管的阳极都连接L的第二端，S_n2对应的二极管的阳极都连接直流输出储能单元的“-”极，两个二极管的阴极通过C_n连接；D_n的阴极连接C_n的一端，S_n2对应的二极管的阴极也连接C_n的该端；

任一C_n的两端作为该单元与相邻单元的连接点，S_Cn-1连接相邻单元的连接点之间；

3)所述逆变电路包括：

4个相同的功率开关单元，每个功率开关单元包括功率开关器件S_o1、S_o2、S_o3和S_o4，每个功率开关器件都和二极管并联连接；

所述S_o1、S_o3串联，S_o2、S_o4串联，S_o1以及S_o2对应的二极管的阴极都连接S₁₁对应二极管的阴极，S_o3以及S_o4对应的二极管的阳极都连接D_n的阳极；

所述控制器的控制信号输出端分别连接双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路中各个功率开关器件的开关控制端；控制器的控制信号输出端还连接控制直流输出储能单元的开关。

2.根据权利要求1所述装置，其特征是所述直流输出储能单元包括直流源和开关，开关连接控制直流源输出的开关，控制器输出控制信号控制该开关。

3.根据权利要求1所述装置，其特征是所述控制器的控制策略是，通过控制直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路中的功率开关器件，使相应的部分充电电容C_n的充放电周期符合正弦波的需要和输出电压频率的要求，并且，对C_n分m次进行充放电。

Images