CN103023366A

CN103023366A - 半桥五电平逆变器及高频隔离式半桥五电平逆变器

Info

Publication number: CN103023366A
Application number: CN2012104645340A
Authority: CN
Inventors: 徐烨; 李磊; 项泽宇
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2013-04-03

Abstract

本发明公开了一种半桥五电平逆变器及高频隔离式半桥五电平逆变器，其将箝位型多电平电路的构造技术运用到Buck型逆变器，将二极管箝位型三电平电路中的箝位二极管替换成功率开关管，这样可以保证高频隔离变压器原边绕组上得到直流电源电压，同时功率开关管也能起到箝位二极管的作用，从而在原边绕组上得到±Ui、±Ui/2、0五种电平，在副边绕组上也能感应出五种电平，输出的五个电平经周波变换器和输出滤波器滤波后得到稳定的正弦交流电压；本发明功率变换级数少，功率开关器件少，功率开关管电压应力小，拓宽了功率开关管选择范围，能实现双向功率流，具有电气隔离特性，输出滤波器前端电压频谱特性好，并可以减小体积和重量。

Description

半桥五电平逆变器及高频隔离式半桥五电平逆变器

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种半桥五电平逆变器及其应用。

背景技术

直－交（DC-AC）变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成交流电能的一种变流技术，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。

迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直－交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平直－交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平直－交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式直－交型多电平直－交变换器、而对高频隔离式多电平两级功率变换的逆变器研究却比较少。

多电平逆变器主要有三类拓扑结构：（1）二极管箝位型逆变器、（2）电容箝位型逆变器、（3）具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器具有适用与高输入电压大功率逆变器场合的优点：具有独立直流电源的级联型多电平逆变器具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平多点平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷：具有独立直流电源的级联型多电平逆变技术存在电路拓扑复杂输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷；

高频环节逆变技术用高频变压器代替了低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性，必将取代低频环节逆变器，得到广泛应用。随着航空科技和航空电子的快速发展，飞机二次电源必须向高功率密度、高效率和模块化方向发展；另外再生能源的开发利用中，适用于太阳能阵列与电网并联的逆变器和燃料电池逆变器以及不间断电源等逆变场合，高频环节逆变器都具有广泛的应用前景，特别是对逆变器的体积、重量有较高要求的逆变场合有更重要的应用前景。

进十年来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少的有价值的研究成果。1990年S.R.Narayana Prakask 等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”，由高频电气隔离的DC/DC变换器和buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、三级功率变换（DC-HFAC-DC-LFAC）、变换效率高、采用传统PWM技术时功率器件开关损耗大、成本高等特点。I.Yamato等人于1988年提出了“双向Buck型高频环节逆变器”，该逆变器由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通周期均有两个或四个功率器件同时导通，导通损耗较大。具有双向功率流、直流—高频脉冲交流—低频交流的两级结构、效率较高、导通损耗大等特点。但是这种“双向Buck型高频环节逆变器”在滤波电感前端产生的电压为+Ui、-Ui、两电平或为+Ui、0、-Ui、三电平，考虑到在高压输入场合下扩大功率器件的选择范围，功率开关管的电压应力要低，所以这一固有缺陷制约了这种“双向Buck型高频环节逆变器”在高输入电压大功率逆变器场合的应用。

而目前所研究的高频隔离型式多电平拓扑结构大多数集中在中间带有直流环节的单向Buck型高频环节逆变器。只是在高频电气隔离的DC/DC变换器中加入了多电平技术。只是减小了高频电气隔离的DC/DC变换器中开关管的电压应力，而在输出滤波电感前端并没有真正实现多电平，并没有减小Buck型逆变桥的开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。而且这种多电平拓扑是在单向Buck型高频环节逆变器的基础上提出的，由于单向Buck型高频环节逆变器的固有缺陷，所以这一系列的高频隔离型式多电平拓扑应用场合受到限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有两级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、高功率密度、降低开关器件的电压应力、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离的高频隔离式半桥五电平逆变器。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种半桥五电平逆变器，第一输入电容的正极、第一功率开关管的漏极和第一二极管的阴极相连，第二输入电容的负极、第四功率开关管的源极和第四二极管的阳极相连，第一输入电容的负极、第二输入电容的正极、第八功率开关管的漏极和第八二极管的阴极连在一起，第七功率开关管的源极连、第八功率开关管的源极、第七二极管的阳极和第八二极管的阳极连在一起，第一功率开关管的源极连于第二功率开关管的漏极、第五功率开关管的漏极和第一二极管的阳极，第五功率开关管的漏极连与第五二极管的阴极，第二功率开关管的漏极连与第二二极管的阴极，第五功率开关管的源极、第五二极管的阳极、第七二极管的阴极、第七功率开关管的漏极、第六功率开关管的漏极和第六二极管的阴极连在一起，第二功率开关管的源极、第二二极管的阳极、第三功率开关管的漏极和第三二极管的阴极连在一起，第三功率开关管的源极、第三二极管的阳极、第六功率开关管的源极、第六二极管的阳极、第四功率开关管的漏极和第四二极管的阴极连在一起，第一输入电容的正极和第二输入电容的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管的源极和第七功率开关管的漏极分别为输出交流的两端。

一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器、输出交流负载构成，所述的高频逆变器为半桥五电平逆变器，其中，输入直流电源的正极与半桥五电平逆变器的正极连接，输入直流电源的负极与半桥五电平逆变器的负极连接，半桥五电平逆变器的输出端与高频变压器的初级绕组连接，高频变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端相连，输出滤波器的输出端与输出交流负载相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

（1）将箝位型多电平拓扑的构造思路运用与Buck型逆变器中。并在输入直流电源与交流负载中***高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离。高频隔离变压器的使用实现了变换器的小型化、轻量化，提高了变换器的效率。

（2）与传统的“双向Buck型高频环节逆变器”相比，本发明在输出滤波电感前端能够得到+Ui、+Ui/2、0、—Ui、—Ui/2五种电平，提高了直流电源的利用率，从而减小了功率开关管的电压应力，拓宽了功率开关管的选择范围，滤波电感电容值都得以减小。在民用、工业、国防等要求电气隔离的高压大容量逆变场合，采用本发明的逆变拓扑可以很好的适应这种场合，是比较理想的逆变电源解决方案。

（3）本发明中的高频隔离变压器在每个开关周期均实现了双向磁化，提高了变压器磁芯的利用率。

（4）本发明具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，因而提高变换效率和功率密度、减小体积和重量。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明高频隔离式半桥五电平逆变器的电路拓扑结构图。

图2为本发明高频隔离式半桥桥式五电平逆变器的电路拓扑图。

图3为本发明高频隔离式半桥全波五电平逆变器的电路拓扑图。

具体实施方式

结合图1~图3：本发明一种半桥五电平逆变器，第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极相连，第二输入电容C2的负极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极、第八功率开关管S8的漏极和第八二极管D8的阴极连在一起，第七功率开关管S7的源极连、第八功率开关管S8的源极、第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阳极连在一起，第一功率开关管S1的源极连于第二功率开关管S2的漏极、第五功率开关管S5的漏极和第一二极管D1的阳极，第五功率开关管S5的漏极连与第五二极管D5的阴极，第二功率开关管S2的漏极连与第二二极管D2的阴极，第五功率开关管S5的源极、第五二极管D5的阳极、第七二极管D7的阴极、第七功率开关管S7的漏极、第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极连在一起，第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极、第三功率开关管S3的漏极和第三二极管D3的阴极连在一起，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第六功率开关管S6的源极、第六二极管D6的阳极、第四功率开关管S4的漏极和第四二极管D4的阴极连在一起，第一输入电容C1的正极和第二输入电容C2的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管S2的源极和第七功率开关管S7的漏极分别为输出交流的两端。

一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源1、高频逆变器、高频变压器3、周波变换器、输出滤波器5、输出交流负载6构成，所述的高频逆变器为半桥五电平逆变器2，其中，输入直流电源1的正极与半桥五电平逆变器2的正极连接，输入直流电源1的负极与半桥五电平逆变器2的负极连接，半桥五电平逆变器2的输出端与高频变压器3的初级绕组连接，高频变压器3的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器5的输入端相连，输出滤波器5的输出端与输出交流负载6相连。

一种高频隔离式半桥桥式五电平逆变器，所述的周波变换器为全桥式周波变换器4，高频变压器3的第一副边绕组N2的同名端与所述全桥式周波变换器4的第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第十一功率开关管S11的漏极、第十一二极管D11的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第九功率开关管S9的源极、第九二极管D9的阳极、第十功率开关管S10的源极、第十二极管D10的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第十三功率开关管S13的源极、第十三二极管D13的阳极、第十四功率开关管S14的源极、第十四二极管D14的阳极连在一起，高频变压器3的第一副边绕组N2的非同名端与所述全桥式周波变换器4的第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极、第十六功率开关管S16的漏极、第十六二极管D16的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第十六功率开关管S16的源极、第十六二极管D16的阳极、第十五功率开关管S15的源极、第十五二极管D15的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第十五功率开关管S15的漏极、第十五二极管D15的阴极、第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器4的第十二功率开关管S12的源极、第十二二极管D12的阳极、第十一功率开关管S11的源极、第十一二极管D11的阳极连在一起，第九功率开关管S9、第十功率开关管S10和第九二极管D9、第十二极管D10构成第一四象限功率开关管SA, 第十一功率开关管S11、第十二功率开关管S12和第十一二极管D11、第十二二极管D12构成第二四象限功率开关管SB，第十三功率开关管S13、第十四功率开关管S14和第十三二极管D13、第十四二极管D14构成第三四象限功率开关管SC，第十五功率开关管S15、第十六功率开关管S16和第十五二极管D15、第十六二极管D16构成第四四象限功率开关管SD，四个四象限功率开关管构成所述全桥式周波变换器4。

一种高频隔离式半桥全波五电平逆变器，所述的周波变换器为全波式周波变换器7，高频变压器3的第二副边绕组N2'的同名端与所述全波式周波变换器7的第十七功率开关管S9'的漏极和第十七二极管D9'的阴极相连，所述全波式周波变换器7的第十七二极管D9'的阳极、第十七功率开关管S9'的源极、第十八二极管D10'的阳极、第十八功率开关管S10'的源极连在一起，高频变压器3的第三副边绕组N3的非同名端与所述全波式周波变换器7的第十九功率开关管S11'的漏极和第十九二极管D11'的阴极相连，高频变压器3的第二副边绕组N2'的非同名端连于高频变压器3的第三副边绕组N3的同名端，所述全波式周波变换器7的第十九二极管D11'的阳极、第十九功率开关管S11'的源极、第二十二极管D12'的阳极和第二十功率开关管S12'的源极连在一起，所述全波式周波变换器7的第二十功率开关管S12'的漏极、第十八功率开关管S10'的漏极、第二十二极管D12'的阴极和第十八二极管D10'的阴极连在一起，第十七功率开关管S9'、第十八功率开关管S10'和第十七二极管D9'、第十八二极管D10'构成第五四象限功率开关管SA'，第十九率开关管S11'、第二十功率开关管S12'和第十九二极管D11'、第二十二极管D12'构成第六四象限功率开关管SB'，第五四象限功率开关管SA'和第六四象限功率开关管SB'构成所述全波式周波变换器7。

实施例1：结合图2，一种高频隔离式半桥五电平逆变器适用于高频电气隔离的高压逆变场合的半桥桥式的电路拓扑，即输入直流电源Ui的端的正极连于第一输入电容C1的正极，第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极相连，第二输入电容C2的负极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极连、第八功率开关管S8的漏极和第八二极管D8的阴极连在一起，第七功率开关管S7的源极连、第八功率开关管S8的源极、第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阳极连在一起，第一功率开关管S1的源极连于第二功率开关管S2的漏极、第五功率开关管S5的漏极和第一二极管D1的阳极，第五功率开关管S5的漏极连与第五二极管D5的阴极，第二功率开关管S2的漏极连与第二二极管D2的阴极，第五功率开关管S5的源极、第五二极管D5的阳极、第七二极管D7的阴极、第七功率开关管S7的漏极、第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极连在一起，第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极、第三功率开关管S3的漏极和第三二极管D3的阴极连在一起，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第六功率开关管S6的源极、第六二极管D6的阳极、第四功率开关管S4的漏极和第四二极管D4的阴极连在一起，第二功率开关管S2的源极连于高频变压器的原边绕组N1的同名端，第七功率开关管S7的漏极连于高频变压器3的原边绕组N1的非同名端，高频变压器3的第一副边绕组N2的同名端与全桥式周波变换器4的第九功率开关管S9的漏极、第九二极管D9的阴极、第十一功率开关管S11的漏极、第十一二极管D11的阴极连在一起，全桥式周波变换器4的第九功率开关管S9的源极、第九二极管D9的阳极、第十功率开关管S10的源极、第十二极管D10的阳极连在一起，全桥式周波变换器4的第十功率开关管S10的漏极、第十二极管D10的阴极、第十三功率开关管S13的漏极、第十三二极管D13的阴极连在一起，全桥式周波变换器4的第十三功率开关管S13的源极、第十三二极管D13的阳极、第十四功率开关管S14的源极、第十四二极管D14的阳极连在一起，高频变压器3的第一副边绕组N2的非同名端与全桥式周波变换器4的第十四功率开关管S14的漏极、第十四二极管D14的阴极、第十六功率开关管S16的漏极、第十六二极管D16的阴极连在一起，全桥式周波变换器4的第十六功率开关管S16的源极、第十六二极管D16的阳极、第十五功率开关管S15的源极、第十五二极管D15的阳极连在一起，全桥式周波变换器4的第十五功率开关管S15的漏极、第十五二极管D15的阴极、第十二功率开关管S12的漏极、第十二二极管D12的阴极连在一起，全桥式周波变换器4的第十二功率开关管S12的源极、第十二二极管D12的阳极、第十一功率开关管S11的源极、第十一二极管D11的阳极连在一起。第十功率开关管S10的漏极的漏极连于滤波电感Lf的前端，滤波电感Lf的后端连于滤波电容Co的正极，第十五功率开关管S15的漏极和滤波电容Co的负极相连后接“地”，滤波电容Co的两端接交流负载uo。

实施例2：结合图3，一种高频隔离式半桥五电平逆变器适用于高频电气隔离的高压逆变场合的半桥全波式的电路拓扑，即输入直流电源Ui的端的正极连于第一输入电容C1的正极，第一输入电容C1的正极、第一功率开关管S1的漏极和第一二极管D1的阴极相连，第二输入电容C2的负极、第四功率开关管S4的源极和第四二极管D4的阳极相连，第一输入电容C1的负极、第二输入电容C2的正极连、第八功率开关管S8的漏极和第八二极管D8的阴极连在一起，第七功率开关管S7的源极连、第八功率开关管S8的源极、第七二极管D7的阳极和第八二极管D8的阳极连在一起，第一功率开关管S1的源极连于第二功率开关管S2的漏极、第五功率开关管S5的漏极和第一二极管D1的阳极，第五功率开关管S5的漏极连与第五二极管D5的阴极，第二功率开关管S2的漏极连与第二二极管D2的阴极，第五功率开关管S5的源极、第五二极管D5的阳极、第七二极管D7的阴极、第七功率开关管S7的漏极、第六功率开关管S6的漏极和第六二极管D6的阴极连在一起，第二功率开关管S2的源极、第二二极管D2的阳极、第三功率开关管S3的漏极和第三二极管D3的阴极连在一起，第三功率开关管S3的源极、第三二极管D3的阳极、第六功率开关管S6的源极、第六二极管D6的阳极、第四功率开关管S4的漏极和第四二极管D4的阴极连在一起，第二功率开关管S2的源极连于高频变压器的原边绕组N1的同名端，第七功率开关管S7的漏极连于高频变压器的原边绕组N1的非同名端，高频变压器的第二副边绕组N2'的同名端与全波式周波变换器7的第十七功率开关管S9'的漏极和第十七二极管D9'的阴极相连，全波式周波变换器的第十七二极管D9'的阳极、第十七功率开关管S9'的源极、第十八二极管D10'的阳极、第十八功率开关管S10'的源极连在一起，高频变压器3的第三副边绕组N3的非同名端与全波式周波变换器的第十九功率开关管S11'的漏极和第十九二极管D11'的阴极相连，高频变压器3的第二副边绕组N2'的非同名端连于高频变压器3的第三副边绕组N3的同名端，全波式周波变换器7的第十九二极管D11'的阳极、第十九功率开关管S11'的源极、第二十二极管D12'的阳极和第二十功率开关管S12'的源极连在一起，全波式周波变换器7的第二十功率开关管S12'的漏极、第十八功率开关管S10'的漏极、第二十二极管D12'的阴极和第十八二极管D10'的阴极连在一起，第十八功率开关管S10'的漏极连于滤波电感Lf的前端，滤波电感Lf的后端连于滤波电容Co的正极，高频变压器3的第二个副边绕组N2'的非同名端和滤波电容Co的负极相连后接“地”，滤波电容Co的两端接交流负载uo。

本发明的高频隔离式五电平半桥逆变器,采用电压型单闭环瞬时值反馈控制技术。将逆变器输出电压uo的采样电压与正弦电压U_ref比较，该误差电压经过比例积分调节器后得到误差放大信号U_e，该误差信号再分别与锯齿形载波U_T1，U_T2进行交截可分别得到SPWM1,SPWM2信号，引入基准正弦电压极性信号和误差放大电压极性信号后，再将该经过一系列逻辑变换得到了各个功率开关管的驱动信号。通过调节SPWM信号的占空比可实现逆变器输出的稳定与调节。

由于逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式分别对应四个象限的工作，每一种工作模式地拓扑都相当于一个Buck型高频隔离变换器，而且不同的负载条件下逆变器的工作顺序也不同。

以高频隔离式半桥五电平逆变器适用于高频电气隔离的高压逆变场合的半桥全波式的电路拓扑为例，高频隔离式五电平半桥逆变器在一个输出电压周期中工作过程如下：

1）第一电平+Ui的产生，功率开关管S1闭合，S2闭合，S4闭合，S6闭合。功率开关管S3断开，S5断开，S7断开，S8断开。第五四象限功率开关管SA'中S9'导通，S10'关断。此时有回路输入直流电源Ui正极－功率开关管S1－功率开关管S2－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S6－功率开关管S4－输入直流电源Ui副极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器3的第二副边绕组N2'－第五四象限功率开关管SA'中的S9'－二极管D10'－滤波器－交流负载ZL形成回路；第一电平的另一种开关模态，功率开关管S1闭合，S3闭合，S4闭合，S5闭合。功率开关管S2断开，S6断开，S7断开，S8断开。第六四象限功率开关管SB'中S11'导通，S12'关断。此时有回路输入直流电源Ui正极－功率开关管S1－功率开关管S5－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S3－功率开关管S4－输入直流电源Ui副极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器的副边绕组N3－第六四象限功率开关管SB'中的S11'－二极管D12'－滤波器－交流负载ZL形成回路。

2）第二电平+Ui/2的产生，功率开关管S1闭合，S2闭合，S7闭合。功率开关管S3断开，S4断开，S5断开，S6断开，S8断开。第五四象限功率开关管SA'中S9'导通，S10'关断，此时有回路输入电容C1正极－功率开关管S1－功率开关管S2－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S7－二极管D2－输入电容C1负极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器3的副边绕组N2'－第五四象限功率开关管SA'中的S9'－二极管D10'－滤波器－交流负载ZL形成回路；第二电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合，S4闭合，S8闭合。功率开关管S1断开，S2断开，S5断开，S6断开，S7断开。第六四象限功率开关管SB'中S11'导通，S12'关断。此时有回路输入电容C2正极－功率开关管S8－二极管D7－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S3－功率开关管S4－输入电容C2负极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器的副边绕组N3－第六四象限功率开关管SB'中的S11'－二极管D12'－滤波器－交流负载ZL形成回路。

3）第三种电平0的产生，功率开关管S2闭合。功率开关管S1断开，S3断开，S4断开，S5断开，S6断开，S7断开，S8断开。第五四象限功率开关管SA'中S9'导通，S10'关断，此时有回路功率开关管S2－变压器原边绕组N1－二极管D5。高频变压器3的副边绕组N2'－第五四象限功率开关管SA'中的S9'－二极管D10'－滤波器－交流负载ZL形成续流回路；第三种电平的另一种开关模态，功率管开关S3闭合。功率开关管S1断开，S2断开，S4断开，S5断开，S7断开，S8断开。第六四象限功率开关管SB'中S11'导通，S12'关断。此时有回路高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S3－二极管D6。高频变压器3副边感应的能量通过变压器的第三副边绕组N3－第六四象限功率开关管SB'中的S11'－二极管D12'－滤波器－交流负载ZL形成续流回路。

4）第四种电平—Ui/2的产生，功率开关管S1闭合，S2闭合，S7闭合。功率开关管S3断开，S4断开，S5断开，S6断开，S8断开。第六四象限功率开关管SB'中S12'导通，S11'关断，此时有回路输入电容C1正极－功率开关管S1－功率开关管S2－高频变压器原边绕组N1－功率开关管S7－二极管D8－输入电容C1负极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器3的副边绕组N3－第六四象限功率开关管SB'中的S12'－二极管D11'－滤波器－交流负载ZL形成回路；第四种电平的另一种开关模态，功率开关管S3闭合，S4闭合，S8闭合。功率开关管S1断开，S2断开，S5断开，S6断开，S7断开。第五四象限功率开关管SA'中S10'导通，S9'关断。此时有回路输入电容C2正极－功率开关管S8－二极管D7－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S3－功率开关管S4－输入电容C2负极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器的副边绕组N2'－第五四象限功率开关管SA'中的S10'－二极管D9'－滤波器－交流负载ZL形成回路。

5）第五种电平—Ui的产生，功率开关管S1闭合，S2闭合，S4闭合，S6闭合。功率开关管S3断开，S5断开，S7断开，S8断开。第六四象限功率开关管SB'中S12'导通，S11'关断。此时有回路输入直流电源Ui正极－功率开关管S1－功率开关管S2－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S6－功率开关管S4－输入直流电源Ui副极。高频变压器3副边感应的能量通过高频变压器的副边绕组N3－第六四象限功率开关管SB'中的S12'－二极管D11－滤波器－交流负载ZL形成回路；第五种电平的另一种开关模态，功率开关管S1闭合，S3闭合，S4闭合，S5闭合。功率开关管S2断开，S6断开，S7断开，S8断开。第五四象限功率开关管SA'中S10'导通，S9'关断。此时有回路输入直流电源Ui正极－功率开关管S1－功率开关管S5－高频变压器3的原边绕组N1－功率开关管S3－功率开关管S4－输入直流电源Ui副极。高频变压器3副边感应的能量通过高频的第二副边绕组N2'－第五四象限功率开关管SA'中的S10'－二极管D9'－滤波器－交流负载ZL形成回路。

输出交流电压正半周期，在输出滤波电感前端得到第一、第二和第三种电平。输出交流电压负半周期，在输出滤波电感前端得到第三、第四和第五种电平。含有这五种电平的交流电经过滤波器后可以得到频谱特性比较好的交流输出电压。

Claims

1.一种半桥五电平逆变器，其特征在于：第一输入电容（C1）的正极、第一功率开关管（S1）的漏极和第一二极管（D1）的阴极相连，第二输入电容（C2）的负极、第四功率开关管（S4）的源极和第四二极管（D4）的阳极相连，第一输入电容（C1）的负极、第二输入电容（C2）的正极、第八功率开关管（S8）的漏极和第八二极管（D8）的阴极连在一起，第七功率开关管（S7）的源极连、第八功率开关管（S8）的源极、第七二极管（D7）的阳极和第八二极管（D8）的阳极连在一起，第一功率开关管（S1）的源极连于第二功率开关管（S2）的漏极、第五功率开关管（S5）的漏极和第一二极管（D1）的阳极，第五功率开关管（S5）的漏极连与第五二极管（D5）的阴极，第二功率开关管（S2）的漏极连与第二二极管（D2）的阴极，第五功率开关管（S5）的源极、第五二极管（D5）的阳极、第七二极管（D7）的阴极、第七功率开关管（S7）的漏极、第六功率开关管（S6）的漏极和第六二极管（D6）的阴极连在一起，第二功率开关管（S2）的源极、第二二极管（D2）的阳极、第三功率开关管（S3）的漏极和第三二极管（D3）的阴极连在一起，第三功率开关管（S3）的源极、第三二极管（D3）的阳极、第六功率开关管（S6）的源极、第六二极管（D6）的阳极、第四功率开关管（S4）的漏极和第四二极管（D4）的阴极连在一起，第一输入电容（C1）的正极和第二输入电容（C2）的负极分别为输入直流电源的两端，第二功率开关管（S2）的源极和第七功率开关管（S7）的漏极分别为输出交流的两端。

2.一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源（1）、高频逆变器、高频变压器（3）、周波变换器、输出滤波器（5）、输出交流负载（6）构成，其特征在于，所述的高频逆变器为半桥五电平逆变器（2），其中，输入直流电源（1）的正极与半桥五电平逆变器（2）的正极连接，输入直流电源（1）的负极与半桥五电平逆变器（2）的负极连接，半桥五电平逆变器（2）的输出端与高频变压器（3）的初级绕组连接，高频变压器（3）的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器（5）的输入端相连，输出滤波器（5）的输出端与输出交流负载（6）相连。

3.根据根据权利要求2所述的一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，其特征在于，所述的周波变换器为全桥式周波变换器（4），高频变压器（3）的第一副边绕组（N2）的同名端与所述全桥式周波变换器（4）的第九功率开关管（S9）的漏极、第九二极管（D9）的阴极、第十一功率开关管（S11）的漏极、第十一二极管（D11）的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第九功率开关管（S9）的源极、第九二极管（D9）的阳极、第十功率开关管（S10）的源极、第十二极管（D10）的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第十功率开关管（S10）的漏极、第十二极管（D10）的阴极、第十三功率开关管（S13）的漏极、第十三二极管（D13）的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第十三功率开关管（S13）的源极、第十三二极管（D13）的阳极、第十四功率开关管（S14）的源极、第十四二极管（D14）的阳极连在一起，高频变压器（3）的第一副边绕组（N2）的非同名端与所述全桥式周波变换器（4）的第十四功率开关管（S14）的漏极、第十四二极管（D14）的阴极、第十六功率开关管（S16）的漏极、第十六二极管（D16）的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第十六功率开关管（S16）的源极、第十六二极管（D16）的阳极、第十五功率开关管（S15）的源极、第十五二极管（D15）的阳极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第十五功率开关管（S15）的漏极、第十五二极管（D15）的阴极、第十二功率开关管（S12）的漏极、第十二二极管（D12）的阴极连在一起，所述全桥式周波变换器（4）的第十二功率开关管（S12）的源极、第十二二极管（D12）的阳极、第十一功率开关管（S11）的源极、第十一二极管（D11）的阳极连在一起，第九功率开关管（S9）、第十功率开关管（S10）和第九二极管（D9）、第十二极管（D10）构成第一四象限功率开关管（SA）, 第十一功率开关管（S11）、第十二功率开关管（S12）和第十一二极管（D11）、第十二二极管（D12）构成第二四象限功率开关管（SB），第十三功率开关管（S13）、第十四功率开关管（S14）和第十三二极管（D13）、第十四二极管（D14）构成第三四象限功率开关管（SC），第十五功率开关管（S15）、第十六功率开关管（S16）和第十五二极管（D15）、第十六二极管（D16）构成第四四象限功率开关管（SD），四个四象限功率开关管构成所述全桥式周波变换器（4）。

4.根据权利要求2所述的一种使用半桥五电平逆变器的高频隔离式半桥五电平逆变器，其特征在于，所述的周波变换器为全波式周波变换器（7），高频变压器（3）的第二副边绕组（N2'）的同名端与所述全波式周波变换器（7）的第十七功率开关管（S9'）的漏极和第十七二极管（D9'）的阴极相连，所述全波式周波变换器（7）的第十七二极管（D9'）的阳极、第十七功率开关管（S9'）的源极、第十八二极管（D10'）的阳极、第十八功率开关管（S10'）的源极连在一起，高频变压器（3）的第三副边绕组（N3）的非同名端与所述全波式周波变换器（7）的第十九功率开关管（S11'）的漏极和第十九二极管（D11'）的阴极相连，高频变压器（3）的第二副边绕组（N2'）的非同名端连于高频变压器（3）的第三副边绕组（N3）的同名端，所述全波式周波变换器（7）的第十九二极管（D11'）的阳极、第十九功率开关管（S11'）的源极、第二十二极管（D12'）的阳极和第二十功率开关管（S12'）的源极连在一起，所述全波式周波变换器（7）的第二十功率开关管（S12'）的漏极、第十八功率开关管（S10'）的漏极、第二十二极管（D12'）的阴极和第十八二极管（D10'）的阴极连在一起，第十七功率开关管（S9'）、第十八功率开关管（S10'）和第十七二极管（D9'）、第十八二极管（D10'）构成第五四象限功率开关管（SA'），第十九率开关管（S11'）、第二十功率开关管（S12'）和第十九二极管（D11'）、第二十二极管（D12'）构成第六四象限功率开关管（SB'），第五四象限功率开关管（SA'）和第六四象限功率开关管（SB'）构成所述全波式周波变换器（7）。