CN111464057B - 一种多电平单级dc/ac变换器及实现的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及DC/AC变换器技术，具体涉及一种多电平单级DC/AC变换器，包括直流供电电源、双向功率开关、多抽头变压器以及PWM信号和驱动单元；多抽头变压器初级有多个抽头，以中间抽头为基准，上半绕组抽头和匝数与下半绕组对称分布；双向功率开关一端连接在直流供电电源的正极，另一端分别与多抽头变压器各个抽头相连，直流供电电源的负极与多抽头变压器中心抽头相连；PWM信号和驱动单元，用于产生双向功率开关所需的控制信号。该DC/AC变换器通过控制功率开关管的开和关使得变压器不同的绕组短接到同一个直流电源，从而在变压器输出端获得多电平输出电压。具有输出电压谐波含量低、电磁干扰小、功率损耗分散、效率高等优点。

Description

一种多电平单级DC/AC变换器及实现的方法
技术领域
本发明属于DC/AC变换器技术领域，尤其涉及一种多电平单级DC/AC变换器及实现的方法。
背景技术
光伏发电、燃料电池和UPS等在各种场合得到了十分广泛的应用，其中DC/AC变换器是其中的核心设备，大多数情况下，其输入为单一的低压直流，最大几百伏，而最小可能低至12V，其输出一般为频率为50Hz，电压为220V的交流电。一般采用两级变换器的形式，先通过DC/DC变换器把低压直流变换成高压直流，再利用DC/AC变换成交流，变换器大多采用两电平变换器，这会使输出电压谐波含量高，需要较大的输出滤波器，虽然高频化可以有效地减小滤波器体积，但同时电磁干扰也随之加剧，同时在低压侧会有较大的电流流过功率管，造成很大的损耗。同时两级变换增加了功率损耗。
为了解决两电平变换器输出谐波高的问题，一般采用多电平变换器，现有的单输入直流电源变换器一般有二极管箝位多电平变换器、飞跨电容多电平变换器和模块化多电平变换器，但这些变换器用在低压场合会带来成本增加、***复杂、控制复杂以及损耗增加等问题。级联H桥多电平变换器在光伏发电领域有着很广泛的应用，但其输入为多个光伏电源，要求每个电源必须隔离，不适用于单电源输入情况。
采用飞电容技术设计有源能量缓冲器，把多个电容电压变换成单极性的整流多电平电压，再通过逆变桥变换成双极性的多电平电压，这种变换器的电平电压依赖于电容电压，电容电压的纹波会影响电平的精度，要增大输出功率，则需要增大电容电压的纹波，但这又会增加输出电压谐波。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于变压器抽头电压控制的多电平变换器。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种多电平单级DC/AC变换器，包括直流供电电源、双向功率开关、多抽头变压器以及PWM信号和驱动单元；多抽头变压器初级有多个抽头，以中间抽头为基准，上半绕组抽头和匝数与下半绕组对称分布；双向功率开关一端连接在直流供电电源的正极，另一端分别与多抽头变压器各个抽头相连，直流供电电源的负极与多抽头变压器中心抽头相连；PWM信号和驱动单元，用于产生双向功率开关所需的控制信号。
一种多电平单级DC/AC变换器的实现方法，包括以下步骤：
步骤1、通过控制功率开关管的开和关，使得多抽头变压器不同的绕组短接到相同的直流电源，从而在多抽头变压器输出端通过一次变换获得多电平输出电压；
步骤2、连接变压器抽头的功率开关管根据调制信号的高低变化依次轮流工作，正负绕组开关管工作状态对称；
步骤3、通过改变调制信号的幅度和频率，从而改变输出信号的幅度和频率。
在上述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法中，通过增减多抽头变压器抽头的数量以及相应连接的功率开关支路，实现输出电平数量的增减。
在上述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法中，通过控制功率开关，每次只允许一条功率支路参与输入输出间的能量交换。
在上述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法中，高压抽头通过一个功率开关管和二极管串联连接到多抽头变压器中心抽头，当输出电平为0时，该支路功率管开通，给反馈电流提供通路。
本发明的有益效果：通过对变压器抽头电压的控制获得多电平的输出，从而在相同的开关频率下大幅度降低输出电压谐波含量。
整个变换过程只有一次变换，不存在中间环节；任意时刻只有最多两个功率管流过电流；由于输出多电平，可以采用较低的开关频率；PWM工作时，开关管承受的电压很低。这些特点大大降低***损耗。
由于每条功率支路轮流工作，使得***损耗分布在各条支路，有利于***散热。
附图说明
图1(a)是本发明一个实施例多电平单级DC/AC变换器电路结构示意图；
图1(b)是本发明一个实施例多电平单级DC/AC变换器的输出波形；
图2是本发明一个实施例多电平单级DC/AC变换器的9电平变换器电路结构示意图；
图3是本发明一个实施例多电平单级DC/AC变换器9电平变换器开关管控制波形产生示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
本实施例采用多抽头变压器，通过对变压器各个抽头的电压进行控制，从而通过一次变换完成多电平输出，输出电平可以通过增加变压器抽头进行扩展。适用光伏发电、燃料电池、UPS等输入直流电压较低的DC/AC变换器领域。
本实施例是通过以下技术方案来实现的，一种多电平单级DC/AC变换器，包括直流供电电源、双向功率开关、多抽头变压器以及PWM信号产生和驱动单元。变压器初级有多个抽头，以中间抽头为基准，上半绕组抽头和匝数与下半绕组对称分布；双向功率开关一端连接在输入直流电源的正极，另一端分别和变压器各个抽头相连，直流电源的负极和变压器中心抽头相连；PWM信号产生和驱动单元，用于产生功率开关所需的控制信号。
多电平单级DC/AC变换器实现的方法：一、通过控制功率开关管的开和关使得变压器不同的绕组短接到相同的直流电源，从而在变压器输出端通过一次变换获得多电平输出电压。
二、连接变压器抽头的功率开关管根据调制信号的高低变化依次轮流工作，正负绕组开关管工作状态对称。
三、改变调制信号的幅度和频率，则就改变了输出信号的幅度和频率。
具体实施时，多电平单级DC/AC变换器电路结构如图1(a)所示，变压器的初级由2N个绕组串联而成，形成a1～aN，a1’～aN’和a0一共2N+1个抽头，a0为中心抽头，以a0为中心，上下对称分布N个绕组，其相对于次级绕组的匝比分别为n1、n2……nN，上半绕组称为正绕组，下半部分绕组称为负绕组。输入直流电源电压为VDC，输出电压为Vo。2N个开关一端分别和变压器初级的2N个抽头连接，开关的另一端和输入直流电源的正极相连，电源的负极和变压器初级绕组的中心抽头a0。
图1(b)为多电平输出原理波形，当所有开关截止时输出电压为0，当开关SUn开通后，输入电压加在抽头an和a0之间，则输出电压为
Figure BDA0002473638470000041
Kn＝nn+n2+……+nN，如果开通的是SLn(n＝1，2，…N)，则输出的电压为
Figure BDA0002473638470000042
由于不同的开关连接不同的绕组抽头，因此控制不同开关的开通和截止就可以得到不同的电平，如果开关按照正弦规律依次开通，则就会得到台阶正弦波形电压。显然2N个绕组可以输出2N+1个电平。由于正负绕组对称，因此输出电平正负对称。
如图2所示为根据上述思想设计的9电平拓扑电路图，称连接正绕组的功率管(包括开关管和二极管)为正绕组功率管，连接负绕组的功率管为负绕组功率管。功率管Sun1和Sun2以及SLn1和SLn2(n＝1…3)组成双向开关，保证能量双向流动，称Sun1和SLn1为正向开关管，Sun2和SLn2为逆向开关管。Su02和SL02支路分别连接正负最高电压绕组抽头和公共抽头，在输出0电平时开通，提供能量回馈通路，DU01和DL01用于规定能量流动方向。图2中i0～i4和i0’～i4’分别为正负功率支路电流，ic为输入直流电源电流。
如图3所示为9电平变换器连接正绕组开关管控制波形产生方法，其调制波为一个半波正弦，载波为4个重叠三角波，幅值依次增加一个电平，如果输出电平间隔相等，则相邻三角波幅值差相同。4个三角波和同一个半波正弦比较后得到的控制信号作为正绕组开关管控制信号的基准信号。最下面三角波比较器得到的控制信号即为开关管SU11控制信号GU11，其取反后为Su02的控制信号GU02(图3中，/GU02～/GU32分别为GU02～GU32的反信号)。负半绕组开关管控制信号产生过程和图3完全相同，只不过调制信号(半波正弦)需移相180度。工作时，正负半周开关管轮流工作分别产生输出信号的正负半周。
如图3所示，在半波正弦的起点时刻，所有正向开关管截止，所有逆向开关管开通，最高绕组抽头a1短接到公共点，输出电压为0，此时如果存在回馈电流，则电流在变压器绕组内流动，当调制波电压在第一个三角波区间时，开关管SU11和SU02处于PWM状态，两个开关管互补工作，由于其它正向开关管处于截止状态，因此能量只在Su11支路和Su02支路轮流流动。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (4)

1.一种多电平单级DC/AC变换器的实现方法，包括直流供电电源、双向功率开关、多抽头变压器以及PWM信号和驱动单元；多抽头变压器初级有多个抽头，以中间抽头为基准，上半绕组抽头和匝数与下半绕组对称分布；双向功率开关一端连接在直流供电电源的正极，另一端与多抽头变压器的抽头相连，直流供电电源的负极与多抽头变压器中心抽头相连；PWM信号和驱动单元，用于产生双向功率开关所需的控制信号；其特征是，该方法包括以下步骤：
步骤1、通过控制功率开关管的开和关，使得多抽头变压器不同的绕组短接到相同的直流电源，从而在多抽头变压器输出端通过一次变换获得多电平输出电压；
步骤2、连接变压器抽头的功率开关管根据调制信号的高低变化依次轮流工作，正负绕组开关管工作状态对称；
步骤3、通过改变调制信号的幅度和频率，从而改变输出信号的幅度和频率。
2.如权利要求1所述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法，其特征是，通过增减多抽头变压器抽头的数量以及相应连接的功率开关支路，实现输出电平数量的增减。
3.如权利要求1所述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法，其特征是，通过控制功率开关，每次只允许一条功率支路参与输入输出间的能量交换。
4.如权利要求1所述的多电平单级DC/AC变换器的实现方法，其特征是，高压抽头通过一个功率开关管和二极管串联形成支路，并连接到多抽头变压器中心抽头，当输出电平为0时，该支路功率开关管开通，给反馈电流提供通路。
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