CN104638911A - 一种四线输出变换器及由四线输出变换器组成的逆变器 - Google Patents

一种四线输出变换器及由四线输出变换器组成的逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种四线输出变换器,包括第一直流电源、第二直流电源、第一电容、第二电容、第一变换器、第二变换器和至少一个电源间钳位电容组成,通过第一供电线、第二供电线、第三供电线、第四供电线为负载供电。本发明还提供将四线输出变换器作为前级的变换器,加上后级四输入端逆变器组成的两级逆变器。本发明的四线输出变换器恰能与一些后级四输入端的负载电路相配,使前级的四线输出变换器相比两线输出的前级变换电路所需要变换的电流大大减小,从而使前级变换器的成本和损耗均大幅度降低,效率却有所提高,同时在保证三电平电路复杂度的基础上,进一步减小后级逆变电路的开关损耗。

Description

一种四线输出变换器及由四线输出变换器组成的逆变器
技术领域
  本发明涉及将直流电转变为交流电的电路——逆变器,特别是涉及一种前级为四线输出变换器的两极逆变器。 
  
背景技术
逆变器是一种将直流电转换成交流电的电子装置,通常逆变器的直流输入电压会有一定范围的变化。比如太阳电池阵列的额定电压和太阳电池组件的串联数有关,考虑到组成阵列的方便性,允许此额定电压在一定范围内选择。实际太阳电池阵列的电压还会进一步随温度和光照有很大变化。 
为更好适应直流输入电压大幅变化的特性,部分逆变器选择由前级升压变换电路和后级逆变电路构成的两级电路,但是现有的前级升压变换电路额外增加的成本和损耗比较大。 
为了降低后级逆变电路开关损耗和降低电感器成本,人们设计了多电平逆变器结构,其中三电平应用较多。 
中点钳位三电平逆变电路主要有传统NPC三电平结构和T型NPC结构,也叫混合电压NPC或cornegy NPC结构,其它有active NPC,有负功支路的NPC结构等。NPC是中点钳位的英文缩写。这类NPC结构的三电平逆变电路的共同点是提供一个中点钳位电压,约等于总直流电压的1/2,所以NPC类结构的三电平逆变电路是三输入端的电路,但如果中点钳位电压由电容分压产生,则只需要两个输入端。 
目前一些生产厂家的一类典型结构的逆变器的结构就是前级普通boost升压器,加后级NPC三电平逆变电路。其前后级之间用两条线供电,这样的结构中,普通升压器前级除了提供更高更稳的电压之外,前后级之间没有其它产生有益效果的关联。普通升压器前级大大增加了逆变器的成本,全部电能经过升压变换,要付出较大损耗。因此,有必要提供一种能保持或者降低成本和损耗的逆变器。 
  
发明内容
本发明的目的有两个,其一,使用特殊结构的四线输出变换器做前级变换电路,具体地说,通过四条供电线为后负载电路供电,使前级变换电路的成本损耗降低,且效率提高;其二,选用合适的后级逆变电路连接前级四线输出变换电路构成逆变器,使逆变器在工作时,能在保持前级变换电路基本作用的同时,降低前级变换电路的成本,同时又实现前级变换电路的低损耗或者零损耗。 
      本发明的目的是采用以下技术方案实现的: 
本发明提供一种四线输出变换器,包含第一直流电源S1、第二直流电源S2、第一电容C1、第二电容C2、第一变换器Cv1、第二变换器Cv2和至少一个电源间钳位电容,通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN、第四供电线N为负载供电,其中,
第一电容C1并联在第一直流电源S1两端,第二电容C2并联在第二直流电源S2两端,第一电容C1的正极连接第一供电线P,第一电容C1的负极连接第三供电线MN,第二电容C2的正极连接第二供电线MP,第二电容C2的负极连接第四供电线N,电源间钳位电容的第一端连接第一直流电源S1的正端或者负端,电源间钳位电容第二端连接第二直流电源S2的正端或者负端;
第一变换器Cv1的输入端连接第一电容C1的负极,第一变换器Cv1的输出端连接第二供电线MP,第一变换器Cv1的公共端连接第一供电线P,其用于将电能从第一电容C1两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间;
第二变换器Cv2的输入端接第二电容C2正极,第二变换器Cv2的输出端接第三供电线MN,第二变换器Cv2的公共端连接第四供电线N,其用于将电能从第二电容C2两端变换到第四供电线N和第三供电线MN之间。
电源间钳位电容为第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6中的任意一个或几个组合,其中, 
第三电容C3的正极连接第二供电线MP,第三电容C3的负极连接第三供电线MN,
第四电容C4的正极连接第一供电线P,第四电容C4的负极连接第四供电线N,
第五电容C5的正极连接第一供电线P,第五电容C5的负极连接第二供电线MP,
第六电容C6的正极连接第三供电线MN,第六电容C6的负极连接第四供电线N。
作为对本发明上述的四线输出变换器的一种改进,上述的电源间钳位电容还可以为两个以上的电容串联、并联或者串联并联结合构成的电容。 
上述的第二变换器Cv2为DC-DC变换器,用于将电能从第二电容C2的两端变换到第四供电线N和第三供电线MN之间,DC-DC变换器是指标准Buck变换器、软开关模式Buck变换器、双向直流变换器、降压-升压级联变换器中的任何一种电路; 
上述的第一变换器(Cv1)为负电压DC-DC变换器,用于将电能从第一电容C1的两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间,负电压DC-DC变换器是指标准Buck变换器的负电压形式、软开关模式Buck变换器的负电压形式、双向直流变换器的负电压形式、降压-升压级联变换器的负电压形式中的任何一种电路。
本发明还提供一种使用上述的四线输出变换器实现的一种逆变器,它由前级的四线输出变换器和后级的四输入端逆变电路构成,四输入端逆变电路是四输入端多电平逆变电路,前级四线输出变换器通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN、第四供电线N为所述后级四输入端多电平逆变电路供电。 
上述的四输入端逆变电路为四输入端三电平逆变电路或者四输入端四电平逆变电路,四输入端三电平逆变电路是指在输出交流电流的正半周时,由第一供电线P、第二供电线MP、第四供电线N提供三电平供电,在输出交流电流的负半周时,由第一供电线P、第三供电线MN、第四供电线N提供三电平供电的逆变电路;上述的四输入端四电平逆变电路是指由第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN和第四供电线N提供四电平供电的逆变电路。 
进一步地,所述四输入端逆变电路由两个或者两个以上四输入端单相逆变电路组成,其中,每个四输入端单相逆变电路的第一输入端Pi都连接到第一供电线P,每个四输入端单相逆变电路的第二输入端MPi都连接到第二供电线MP,每个四输入端单相逆变电路的第三输入端MNi都连接到第三供电线MN,每个四输入端单相逆变电路的第四输入端MNi都连接到第四供电线N。 
上述的四输入端单相逆变电路由一个上臂电路和一个下臂电路组成,所述上臂电路是A型上臂电路、B型上臂电路、C型上臂电路、D型上臂电路中的一种电路,所述下臂电路是A型下臂电路、B型下臂电路、C型下臂电路、D型下臂电路中的一种电路; 
A型上臂电路由第一开关管T1、第二开关管T2、第一二极管D1组成,第一开关管T1的第一端接第一输入端Pi,第一开关管T1的第二端与第二开关管T2的第二端相连接后作为所在单相逆变电路的输出端,第二开关管T2的第一端接第一二极管D1的负极,第一二极管D1的正极接第二输入端MPi;
A型下臂电路由第三开关管T3、第四开关管T4、第二二极管D2组成,第三开关管T3的第二端接第四输入端Ni,第三开关管T3的第一端与第四开关管T4的第一端相连后连接到所在单相逆变电路的输出端,第四开关管T4第二端连接第二二极管D2的正极,第二二极管D2的负极接第三输入端MNi;
B型上臂电路由第五开关管T5、第六开关管T6、第三二极管D3组成,第五开关管T5的第一端接第一输入端Pi,第五开关管T5的第二端与第六开关管T6的第一端及第三二极管D3的负极相连,第六开关管T6的第二端作为所在单相逆变电路的输出端,第三二极管D3的正极接第二输入端MPi;
B型下臂电路由第七开关管T7、第八开关管T8、第四二极管D4组成,第七开关管T7的第二端接第四输入端Ni,第七开关管T7的第一端与第八开关管T8的第二端及第四二极管D4的正极相连,第八开关管T8第一端连接所在单相逆变电路的输出端,第四二极管D4的负极接第三输入端MNi;
C型上臂电路由第九开关管T9、第十开关管T10、第十一开关管T11组成,第九开关管T9的第一端接第一输入端Pi,第九开关管T9的第二端与第十开关管T10的第二端相连且作为所在单相逆变电路的输出端,第十开关管T10的第一端与第十一开关管T11的第一端连接,第十一开关管T11的第二端接第二输入端MPi;
C型下臂电路由第十二开关管T12、第十三开关管T13、第十四开关管T14组成,第十二开关管T12的第二端接第四输入端Ni,第十二开关管T12的第一端与第十三开关管T13的第一端相连,且连接所在单相逆变电路的输出端,第十三开关管T13的第二端接第十四开关管T14的第二端,第十四开关管T14的第一端接第三输入端MNi;
D型上臂电路由第十五开关管T15、第十六开关管T16、第十七开关管T17组成,第十五开关管T15的第一端接第一输入端Pi,第十五开关管T15的第二端与第十六开关管T16的第一端及第十七开关管T17的第一端相连,第十六开关管T16的第二端作为所在单相逆变电路的输出端,第十七开关管T17的第二端接第二输入端MPi;
D型下臂电路由第十八开关管T18、第十九开关管T19、第二十开关管T20组成,第十八开关管T18的第二端接第四输入端Ni,第十八开关管T18的第一端与第十九开关管T19的第二端及第二十开关管T20的第二端相连,第十九开关管T19第一端连接所在单相逆变电路的输出端,第二十开关管T20的第一端接第三输入端MNi。
本发明提供的另一种基于四线输出变换器而实现的一种两级逆变器,由前级的四线输出变换器、中线连接点产生支路和后级逆变电路构成,后级逆变电路是四输入端多电平逆变电路,前级四线输出变换器通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN、第四供电线N为所述后级四输入端多电平逆变电路供电,所述中线连接点产生支路是连接在第一供电线P和第四供电线N之间,由第七电容C41和第八电容C42串联构成的支路,第七电容C41与第八电容C42的连接点作为中线连接点Vm;或者,所述中线连接点产生支路是连接在第二供电线MP和第三供电线MN之间,由第九电容C31和第十电容C32串联构成的支路,第九电容C31和第十电容C32的连接点作为中线连接点Vm,所述中线连接点Vm用于连接三相四线制负载的中线或单相负载的中线。 
上述的第九电容C31和第十电容C32串联或第七电容C41和第八电容C42串联兼做所述四线输出变换器中的电源间钳位电容。 
      采用上述技术方案的本发明,具有以下优点: 
(1)本发明提出的四线输出变换器具有的特殊结构,恰能与一些后级四输入端的负载电路相配,使得前级的四线输出变换器相比两线输出的前级变换电路所需要变换的电流大大减小,有时前级变换器甚至可以不工作,使得前级变换器的成本和损耗均大幅度降低,效率却有所提高。
具体来说,在成本方面,本发明提出的四线输出变换器为后及供电的电流回路有4条:从第一供电线P流出并从第三供电线MN流回的电流直接来自于第一直流电源S1,不需要进行变换,从第二供电线MP流出并从第四供电线N流回的电流直接来自第二直流电源S2,也不需要进行变换;从第一供电线P流出并从第四供电线N流回的第一回路电流(IP-N),和从第二供电线MP流出并从第三供电线MN流回的第二回路电流(IMP-MN)如果相等,则不需要变换,第一变换器Cv1和第二变换器Cv2无需工作。第一变换器Cv1和第二变换器Cv2所需变换的,仅是第一回路电流(IP-N)与第二回路电流(IMP-MN)的差值部分,因此变换的电流不大。例如以输入电压300V~570V,输出三相有效值380V的,后级采用四输入端三电平逆变电路的逆变器为例,前级的四线输出变换器中的第一变换器Cv1和第二变换器Cv2所需设计的最大电流之和,仅为boost升压器式前级变换器所需设计最大电流的不到1/3,此比值大约等于功率器件成本比值,由此可见成本降低的效果非常显著。 
效率方面,和普通前级boost升压器相比,损耗减为几分之一,效率提升明显。如果用于光伏并网逆变器场合,第一电源S1和第二电源S2是太阳电池阵列,只要太阳电池阵列额定电压选择合适,第一变换器Cv1和第二变换器Cv2在一年中的大部分时间里,都处于小功率工作或不工作的状态,损耗很小,因而前级四线输出变换器的平均效率很高。 
(2)在保持三电平电路复杂度的基础上,能够进一步减小后级三电平逆变电路的开关损耗,具体说,和普通NPC三电平逆变电路相比,减小了大电流时功率开关前后其上电压的变化值,虽然必须相应地加大小电流时功率开关前后其上电压的变化值,但是总的效果会使开关损耗降低,后级逆变器的效率也会提高。 
附图说明
以下,结合附图来详细说明本发明的实施方案,其中: 
   图1为现有前级普通boost升压器,加后级传统NPC三电平三相逆变电路;
图2为四线输出变换器电路图;
图3为具有四个可选电源间钳位电容:第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6的四线输出变换器电路;
图4(a)为标准Buck变换器,(b)标准Buck变换器的负电压形式;
图5(a)为一种半桥式双向直流变换器,(b)为一种半桥式双向直流变换器的负电压形式;
图6(a)为一种降压-升压级联式变换器,(b)为一种降压-升压级联式变换器的负电压形式;
图7为使用四线输出变换器的两极逆变电器;
图8为多相输出的两极逆变器;
      图9(a)为A型上臂电路,(b)为A型下臂电路;
图10(a)为B型上臂电路,(b)为B型下臂电路;
图11(a)为C型上臂电路,(b)为C型下臂电路;
图12(a)为D型上臂电路,(b)为D型下臂电路;
图13为使用第九电容(C31)和第十电容(C32)产生中线连接点(Vm),并兼做电源间钳位电容的电路;
图14为使用第七电容(C41)和第八电容(C42)产生中线连接点(Vm),并兼做电源间钳位电容的电路;
图15为四线输出变换器电路的实施方式;
图16为四线输出变换器与四输入端三电平三相逆变电路构成的逆变器;
图17为四线输出变换器与中线连接点产生支路、四输入端三电平三相逆变电路构成的三相四线制输出逆变器;
其中,1—电源间钳位电容,2—四输入端逆变电路,5—四输入端单相逆变电路,6—上臂电路,7—下臂电路。
具体实施方式
      下面结合附图对本发明进行进一步的说明。 
如图3所示,是本发明提供的四线输出变换器,它用于将双直流电源变换为用四条线为负载供电。它由第一直流电源S1、第二直流电源S2、第一电容C1和第二电容C2、第一变换器Cv1、第二变换器Cv2,通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN和第四供电线N为负载供电。第一直流电源S1的两端并在第一电容C1两端,第二直流电源S2的两端并在第二电容C2两端。第一电容C1的正极连接第一供电线P,第二电容C2的正极连接第二供电线MP,第一电容C1的负极连接第三供电线MN,第二电容C2的负级连接第四供电线N,第一变换器Cv1的输入端接第一电容C1负端,第一变换器Cv1的输出端接第二供电线MP,第一变换器Cv1的公共端接第一供电线P,它将电能从第一电容C1两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间。第二变换器Cv2的输入端接第二电容C2正端,第二变换器Cv2的输出端接第三供电线MN,第二变换器Cv2的公共端接第四供电线N,它将电能从第二电容C2两端变换到第三供电线MN和第四供电线N之间。 
      第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6,作为电源间钳位电容用来保持第一直流电源S1和第二直流电源S2之间电位的相对稳定,不同的实施方式中,电源间钳位电容可以为第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5、第六电容C6中的任意一个或几个的组合。 
作为电源间钳位电容时,第三电容C3的正极连接第二供电线MP,第三电容C3的负极连接第三供电线MN,第四电容C4的正极连接第一供电线P,第四电容C4的负极连接第四供电线N,第五电容C5的正极连接第一供电线P,第五电容C5的负极连接第二供电线MP,第六电容C6的正极连接第三供电线MN,第六电容C6的负极连接第四供电线N。 
      但需要说明的是,电源间钳位电容不仅可以是单独的一个电容,还可以是两个以上的电容串联、并联或者串联并联结合构成的电容组合,使用这种组合电容代替电路中单个的第三电容C3、第四电容C4、第五电容C5或者第六电容C6,能够达到相同的目的。 
上述四线输出变换器中的第一变换器Cv1是将电能从第一电容C1两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间的变换器,第一变换器Cv1的输入端接第一电容C1负端,第一变换器Cv1的输出端接第二供电线MP,第一变换器Cv1的公共端接第一供电线P。第二变换器Cv2是将电能从第二电容C2两端变换到第四供电线N和第三供电线MN之间的变换器,第二变换器Cv2的输入端接第二电容C2正端,第二变换器Cv2的输出端接第三供电线MN,第二变换器Cv2的公共端接第四供电线N。 
具体来说,第二变换器Cv2 属于DC-DC变换器,有很多种电路可以完成DC-DC变换,因此,第二变换器有很多的实现电路,本领域技术人员在不同的实施方式中可以选用合适的电路。比如下面给出的四种常见电路:(1)标准Buck变换器,是现有技术中最简单最常用的电路;(2) 各种软开关模式Buck变换器,这是一类在标准Buck变换器基础上加上软开关电路的变换器,可以减少开关损耗;(3) 双向直流变换器,这是一类电能可双向流动的直流变换器,使用这种变换器不仅可以实现将电能从第二电容C2两端变换到第三供电线MN和第四供电线N之间,也可以实现将电能从第三供电线MN和第四供电线N之间变换到第二电容C2两端。如果四线输出变换器用于某些设备,例如带有电网功率因数调节功能的光伏逆变器,则需要电能双向流动的能力,此时,可以使用此变换器。(4) 降压-升压级联式变换器,这是一类即能实现升压,也能实现降压的直流变换器。当要求很低电压输入时,即第一直流电源S1和第二直流电源S2的电压之和达不到第一供电线P和第四供电线N之间所需电压的情况下,第二变换器Cv2要做升压变换,此时需要用降压-升压级联式变换器。 
第一变换器Cv1 属于负电压DC-DC变换器,所谓负电压DC-DC变换器是指其输入端电压和输出端电压都小于其公共端电压的直流变换器。由任何一种正电压DC-DC变换器的电路图,都可以对称地画出它的负电压形式电路图,因此,第一变换器Cv1同样也有很多种实现电路,本领域技术人员在不同的实施方式中可以选用合适的电路。比如下面给出的四种常见电路:(1) 标准Buck变换器的负电压形式;(2) 各种软开关模式Buck变换器的负电压形式;(3) 双向直流变换器的负电压形式,不仅可以实现将电能从第一电容C1两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间,也可以实现将电能从第一供电线P和第二供电线MP之间变换到第一电容C1两端。(4) 降压-升压级联式变换器的负电压形式。当要求很低电压输入时需要此种变换器。 
但在此需要说明的是,由于现有技术中负电压Buck变换器和正电压boost变换器电路结构一样,正电压Buck变换器和负电压boost变换器电路结构一样,因此使用此种变换器的四线输出变换器,在图3所示的电路结构不变的情况下可以对电路做出与上述表述不同的解释。其中第一变换器Cv1可被解释为输入端接第二电容C2正极、公共端接第一电容C2负极、输出端接第一电容正极的正电压变换器;第二变换器Cv2可被解释为输入端接第一电容C1负极、公共端接第二电容C2正极、输出端接第二电容负极的负电压变换器。从能量传输角度来说,其中第一变换器Cv1可被解释为将电能从第二供电线MP和第三供电线MN之间变换到第一电容C1两端的正电压变换器;第二变换器Cv2可被解释为将电能从第二供电线MP和第三供电线MN之间变换到第二电容C2两端的负电压变换器。对第一变换器Cv1和第二变换器Cv2的不同解释不影响第一变换器Cv1和第二变换器Cv2的电路结构。 
图7所示为使用上述四线输出变换器实现的两级逆变器,前级的四线输出变换器为上述的四线输出变换器,后级为四输入端逆变电路,前级四线输出变换器通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN、第四供电线N为所述后级四输入端多电平逆变电路供电。 
后级逆变电路可以是四输入端三电平逆变电路或者四输入端四电平逆变电路,四输入端三电平逆变电路是指在输出交流电流的正半周时,由第一供电线P、第二供电线MP、第四供电线N提供三电平供电,在输出交流电流的负半周时,由第一供电线P、第三供电线MN、第四供电线N提供三电平供电的逆变电路;所述四输入端四电平逆变电路是指由第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN和第四供电线N提供四电平供电的逆变电路。 
如图8所示,上述的四输入端三电平逆变电路或者四输入端四电平逆变电路由两个或者两个以上四输入端三电平单相逆变电路或者四输入端四电平单相逆变电路组成,其中,每个四输入端单相逆变电路的第一输入端Pi都连接到第一供电线P,每个四输入端单相逆变电路的第二输入端MPi都连接到第二供电线MP,每个四输入端单相逆变电路的第三输入端MNi都连接到第三供电线MN,每个四输入端单相逆变电路的第四输入端MNi都连接到第四供电线N。 
上述的四输入端单相逆变电路由图9、图10、图11、图12所示的A型上臂电路、B型上臂电路、C型上臂电路、D型上臂电路中的一个电路和A型下臂电路、B型下臂电路、C型下臂电路、D型下臂电路中的一个电路所组成。 
具体来说,由图9(a)所示的A型上臂电路或图10(a)所示的B型上臂电路加上由图9(b)所示的A型下臂电路或图10(b)所示的B型下臂电路可构成若干种四输入端三电平单相逆变电路。由图11(a)所示的C型上臂电路或图12(a)所示的D型上臂电路加上由图11(b)所示的C型下臂电路或图12(b)所示的D型下臂电路可构成若干种四输入端四电平单相逆变电路。 
本发明中基于四线输出变换器实现的逆变器,如果四线输出变换器的输出接三相三线制负载,则不需要中点连接线,可以按照上述的任何方式实现。如果四线输出变换器的输出接三相四线制负载,那么还要提供一个中线连接点Vm连接至三相四线制负载的中线,也可以叫零线。中线连接点Vm由电容分压产生,如图14所示,可在第一直流电源S1的正极和第二直流电源S2的负极之间连接一条由两只电容C41和C42串联构成的支路,两只电容C41和C42的连接点作为中线连接点Vm。也可以如图13所示,在第一直流电源S1的负极和第二直流电源S2的正极之间连接一条由两只电容C31和C32串联构成的支路,两只电容C31和C32的连接点作为中线连接点Vm。 
由于串联电容C31和C32或串联电容C41和C42两端的连接位置正好和四线输出变换器中所要求的电源间钳位电容两端的连接位置一致,也可以起到电源间钳位电容一样的作用,因此,产生中线连接点Vm的串联电容C31和C32或串联电容C41和C42可以兼做电源间钳位电容。 
实施方式1 
如图15所示,是本发明提供的四线输出变换器的一种实施方式,它由第一直流电源S1、第二直流电源S2、第一电容C1和第二电容C2、第一变换器Cv1、第二变换器Cv2和两个电源间钳位电容组成,其中两个电源间钳位电容为第五电容C5、第六电容C6,通过第一供电线P、第二供电线MP、第三供电线MN和第四供电线N为负载供电。第一直流电源S1的两端并在第一电容C1两端,第二直流电源S2的两端并在第二电容C2两端。第一电容C1的正极连接第一供电线P,第二电容C2的正极连接第二供电线MP,第一电容C1的负极连接第三供电线MN,第二电容C2的负连接第四供电线N。
第一变换器Cv1的输入端接第一电容C1负端,第一变换器Cv1的输出端接第二供电线MP,第一变换器Cv1的公共端接第一供电线P,它将电能从第一电容C1两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间。第二变换器Cv2的输入端接第二电容C2正端,第二变换器Cv2的输出端接第三供电线MN,第二变换器Cv2的公共端接第四供电线N,它将电能从第二电容C2两端变换到第三供电线MN和第四供电线N之间。 
上述的第一变换器Cv1选用标准Buck变换器的负电压形式。上述的第二变换器Cv2选用标准Buck变换器。 
第五电容C5的正极连接第一供电线P,第五电容C5的负极连接第二供电线MP,第六电容C6的正极连接第三供电线MN,第六电容C6的负极连接第四供电线N。 
实施方式2 
如图16所示一种两级逆变器的实施方式,它由前级的四线输出变换器和后级的四输入端逆变电路组成,前级的四线输出变换器通过四条线为后级的四输入端多电平逆变电路供电。
上述前级的四线输出变换器与实施方式1基本相同,所不同之处在于: 
(1)第一变换器Cv1使用半桥式双向直流变换器的负电压形式,第一变换器Cv1的输入端接第一电容C1负端,第一变换器Cv1的输出端接第二供电线MP,第一变换器Cv1的公共端接第一供电线P。第一变换器Cv1即能将电能从第一电容C1两端降压变换到第一供电线P和第二供电线MP之间,也能将电能从第一供电线P和第二供电线MP之间升压变换到第一电容C1两端。
(2)第二变换器Cv2使用半桥式双向直流变换器。第二变换器Cv2的输入端接第二电容C2正端,第二变换器Cv2的输出端接第三供电线MN,第二变换器Cv2的公共端接第四供电线N。 
第一变换器Cv1和第二变换器Cv2使用双向变换器后,具有了短时做负功的能力,可以适用于电网功率因数调整等功能。 
上述后级的逆变电路是四输入端三电平三相逆变电路,由三个四输入端三电平单相逆变电路构成,其中每个四输入端三电平单相逆变电路的第一输入端Pi都连至第一供电线P,第二输入端MPi都连至第二供电线MP,第三输入端MNi都连至第三供电线MN,第四输入端都Ni连至第四供电线N。 
上述四输入端三电平单相逆变电路由一个上臂电路和一个下臂电路组成,其中: 
上臂电路由第一开关管T1、第二开关管T2、第一二极管D1组成,第一开关管T1的第一端接第一输入端Pi,第一开关管T1的第二端与第二开关管T2的第二端相连且作为所在单相逆变电路的输出端,第二开关管T2的第一端接第一二极管D1的负极,第一二极管D1的正极接第二输入端MPi;
下臂电路由第三开关管T3、第四开关管T4、第二二极管D2组成,第三开关管T3的第二端接第四输入端Ni,第三开关管T3的第一端与第四开关管T4的第一端相连且连接到所在单相逆变电路的输出端,第四开关管T4的第二端接第二二极管D2的正极,第二二极管D2的负极接第三输入端MNi。
本实施方式中选择的上臂电路为图9(a)所示的A型上臂电路,下臂电路为图9(b)所示的A型下臂电路,由它们组成四输入端三电平单相逆变电路,再由三个这种四输入端三电平单相逆变电路构成四输入端三电平三相逆变电路。 
上述四输入端三电平逆变电路在输出交流电流的正半周时,由第一输入端Pi、第二输入端MPi和第四输入端Ni提供所需的三电平;在输出交流电流的负半周时,由第一输入端Pi、第三输入端MNi和第四输入端Ni提供所需的三电平。 
实施方式3 
图17所示为本发明第三种实施方式,它是一种接三相四线制负载的两级逆变器,由前级的四线输出变换器、中线连接点产生支路和后级的四输入端逆变电路组成,前级的四线输出变换器通过四条线为后级的逆变电路供电。
本实施方式3与上述实施方式2基本相同,所不同之处在于: 
(1) 增加了中线连接点产生支路用以产生中线连接点Vm。接三相四线制负载的逆变器以及单线输出的单相逆变器需要提供一个中线连接点Vm。
(2) 上述前级的四线输出变换器与实施方式2基本相同,所不同之处在于电源间钳位电容使用第三电容C3,和由第七电容C41和第八电容C42串联构成的电容。第三电容C3的第一端连在第二供电线MP,第三电容C3第二端连在第三供电线MN。 
上述中线连接点产生支路是连接在第一供电线P和第四供电线N之间的,由第七电容C41和第八电容C42串联构成中线连接点支路,第七电容C41与第八电容C42的连接点作为中线连接点Vm。 
由于第七电容C41和第八电容C42构成的串联支路与可选电源间钳位电容第四电容C4的共同点都是连接在第一供电线P和第四供电线N之间的电容,因此第七电容C41和第八电容C42构成的串联支路可以替代第四电容C4兼做上述四线输出变换器中的电源间钳位电容。 
      本发明不局限于上述的实施方式,任何人在本发明的启示下都可以得出其它各种形式的四线输出变换器和逆变器,凡依据本发明申请所做出的均等变化与修饰,皆属于本发明的涵盖范围。 
  

Claims (10)

1.一种四线输出变换器,其特征在于:所述四线输出变换器包含第一直流电源(S1)、第二直流电源(S2)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第一变换器(Cv1)、第二变换器(Cv2)和至少一个电源间钳位电容,通过第一供电线(P)、第二供电线(MP)、第三供电线(MN)、第四供电线(N)为负载供电,其中,
第一电容(C1)并联在第一直流电源(S1)两端,第二电容(C2)并联在第二直流电源(S2)两端,第一电容(C1)的正极连接第一供电线(P),第一电容(C1)的负极连接第三供电线(MN),第二电容(C2)的正极连接第二供电线(MP),第二电容(C2)的负极连接第四供电线(N),电源间钳位电容的第一端连接第一直流电源(S1)的正端或者负端,电源间钳位电容第二端连接第二直流电源(S2)的正端或者负端;
第一变换器(Cv1)的输入端连接第一电容(C1)的负极,第一变换器(Cv1)的输出端连接第二供电线(MP),第一变换器(Cv1)的公共端连接第一供电线(P),其用于将电能从第一电容(C1)两端变换到第一供电线(P)和第二供电线(MP)之间;
第二变换器(Cv2)的输入端接第二电容(C2)正极,第二变换器(Cv2)的输出端接第三供电线(MN),第二变换器(Cv2)的公共端连接第四供电线(N),其用于将电能从第二电容(C2)两端变换到第四供电线(N)和第三供电线(MN)之间。
2.根据权利要求1所述的四线输出变换器,其特征在于:所述电源间钳位电容为第三电容(C3)、第四电容(C4)、第五电容(C5)、第六电容(C6)中的任意一个或几个组合,其中,
第三电容(C3)的正极连接第二供电线(MP),第三电容(C3)的负极连接第三供电线(MN),
第四电容(C4)的正极连接第一供电线(P),第四电容(C4)的负极连接第四供电线(N),
第五电容(C5)的正极连接第一供电线(P),第五电容(C5)的负极连接第二供电线(MP),
第六电容(C6)的正极连接第三供电线(MN),第六电容(C6)的负极连接第四供电线(N)。
3. 根据权利要求2所述的四线输出变换器,其特征在于:所述电源间钳位电容还可以为两个以上的电容串联、并联或者串联并联组合构成的电容。
4. 根据权利要求1所述的四线输出变换器,其特征在于:
所述第二变换器(Cv2)为DC-DC变换器,其用于将电能从第二电容(C2)的两端变换到第四供电线N和第三供电线MN之间,DC-DC变换器是指标准Buck变换器、软开关模式Buck变换器、双向直流变换器、降压-升压级联变换器中的任何一种电路;
所述第一变换器(Cv1)为负电压DC-DC变换器,其用于将电能从第一电容C1的两端变换到第一供电线P和第二供电线MP之间,负电压DC-DC变换器是指标准Buck变换器的负电压形式、软开关模式Buck变换器的负电压形式、双向直流变换器的负电压形式、降压-升压级联变换器的负电压形式中的任何一种电路。
5. 基于权利要求1到4所述的四线输出变换器而实现的一种两级逆变器,由前级的四线输出变换器和后级的四输入端逆变电路构成,其特征在于:所述四线输出变换器是权利要求1至权利要求4中任一项所述的四线输出变换器,所述四输入端逆变电路是四输入端多电平逆变电路,所述前级四线输出变换器通过第一供电线(P)、第二供电线(MP)、第三供电线(MN)、第四供电线(N)为所述后级四输入端多电平逆变电路供电。
6.根据权利要求5所述的一种两级逆变器,其特征在于:所述四输入端逆变电路为四输入端三电平逆变电路或者四输入端四电平逆变电路,所述四输入端三电平逆变电路是指在输出交流电流的正半周时,由第一供电线(P)、第二供电线(MP)、第四供电线(N)提供三电平供电,在输出交流电流的负半周时,由第一供电线(P)、第三供电线(MN)、第四供电线(N)提供三电平供电的逆变电路;所述四输入端四电平逆变电路是指由第一供电线(P)、第二供电线(MP)、第三供电线(MN)和第四供电线(N)提供四电平供电的逆变电路。
7. 根据权利要求5和6所述的一种两级逆变器,其特征在于:所述四输入端逆变电路由两个或者两个以上四输入端单相逆变电路组成,其中,
每个四输入端单相逆变电路的第一输入端(Pi)都连接到第一供电线(P),每个四输入端单相逆变电路的第二输入端(MPi)都连接到第二供电线(MP),每个四输入端单相逆变电路的第三输入端(MNi)都连接到第三供电线(MN),每个四输入端单相逆变电路的第四输入端(MNi)都连接到第四供电线(N)。
8. 根据权利要求7所述的一种两极逆变器,其特征在于:所述四输入端单相逆变电路由一个上臂电路和一个下臂电路组成,所述上臂电路是A型上臂电路、B型上臂电路、C型上臂电路、D型上臂电路中的一种电路,所述下臂电路是A型下臂电路、B型下臂电路、C型下臂电路、D型下臂电路中的一种电路;
所述A型上臂电路由第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第一二极管(D1)组成,第一开关管(T1)的第一端接第一输入端(Pi),第一开关管(T1)的第二端与第二开关管(T2)的第二端相连接后作为所在单相逆变电路的输出端,第二开关管(T2)的第一端接第一二极管(D1)的负极,第一二极管(D1)的正极接第二输入端(MPi);
所述A型下臂电路由第三开关管(T3)、第四开关管(T4)、第二二极管(D2)组成,第三开关管(T3)的第二端接第四输入端(Ni),第三开关管(T3)的第一端与第四开关管(T4)的第一端相连后连接到所在单相逆变电路的输出端,第四开关管(T4)第二端连接第二二极管(D2)的正极,第二二极管(D2)的负极接第三输入端(MNi);
所述B型上臂电路由第五开关管(T5)、第六开关管(T6)、第三二极管(D3)组成,第五开关管(T5)的第一端接第一输入端(Pi),第五开关管(T5)的第二端与第六开关管(T6)的第一端及第三二极管(D3)的负极相连,第六开关管(T6)的第二端作为所在单相逆变电路的输出端,第三二极管(D3)的正极接第二输入端(MPi);
所述B型下臂电路由第七开关管(T7)、第八开关管(T8)、第四二极管(D4)组成,第七开关管(T7)的第二端接第四输入端(Ni),第七开关管(T7)的第一端与第八开关管(T8)的第二端及第四二极管(D4)的正极相连,第八开关管(T8)第一端连接所在单相逆变电路的输出端,第四二极管(D4)的负极接第三输入端(MNi);
所述C型上臂电路由第九开关管(T9)、第十开关管(T10)、第十一开关管(T11)组成,第九开关管(T9)的第一端接第一输入端(Pi),第九开关管(T9)的第二端与第十开关管(T10)的第二端相连且作为所在单相逆变电路的输出端,第十开关管(T10)的第一端与第十一开关管(T11)的第一端连接,第十一开关管(T11)的第二端接第二输入端(MPi);
所述C型下臂电路由第十二开关管(T12)、第十三开关管(T13)、第十四开关管(T14)组成,第十二开关管(T12)的第二端接第四输入端(Ni),第十二开关管(T12)的第一端与第十三开关管(T13)的第一端相连,且连接所在单相逆变电路的输出端,第十三开关管(T13)的第二端接第十四开关管(T14)的第二端,第十四开关管(T14)的第一端接第三输入端(MNi);
所述D型上臂电路由第十五开关管(T15)、第十六开关管(T16)、第十七开关管(T17)组成,第十五开关管(T15)的第一端接第一输入端(Pi),第十五开关管(T15)的第二端与第十六开关管(T16)的第一端及第十七开关管(T17)的第一端相连,第十六开关管(T16)的第二端作为所在单相逆变电路的输出端,第十七开关管(T17)的第二端接第二输入端(MPi);
所述D型下臂电路由第十八开关管(T18)、第十九开关管(T19)、第二十开关管(T20)组成,第十八开关管(T18)的第二端接第四输入端(Ni),第十八开关管(T18)的第一端与第十九开关管(T19)的第二端及第二十开关管(T20)的第二端相连,第十九开关管(T19)第一端连接所在单相逆变电路的输出端,第二十开关管(T20)的第一端接第三输入端(MNi)。
9. 基于权利要求1到4所述的四线输出变换器而实现的一种两级逆变器,由前级的四线输出变换器、中线连接点产生支路和后级逆变电路构成,其特征在于:所述四线输出变换器是权利要求1至权利要求4中任一项所述的四线输出变换器,所述后级逆变电路是四输入端多电平逆变电路,所述前级四线输出变换器通过第一供电线(P)、第二供电线(MP)、第三供电线(MN)、第四供电线(N)为所述后级四输入端多电平逆变电路供电,所述中线连接点产生支路是连接在第一供电线(P)和第四供电线(N)之间,由第七电容(C41)和第八电容(C42)串联构成的支路,第七电容(C41)与第八电容(C42)的连接点作为中线连接点(Vm);或者,所述中线连接点产生支路是连接在第二供电线(MP)和第三供电线(MN)之间,由第九电容(C31)和第十电容(C32)串联构成的支路,第九电容(C31)和第十电容(C32)的连接点作为中线连接点(Vm),所述中线连接点(Vm)用于连接三相四线制负载的中线或单相负载的中线。
10. 根据权利要求9所述的一种两级逆变器,其特征在于:第九电容(C31)和第十电容(C32)串联或第七电容(C41)和第八电容(C42)串联兼做所述四线输出变换器中的电源间钳位电容。
 
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