CN112769344B - 一种九电平变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种九电平变换器，包括串联电容组、串联双向开关组、开关电容单元和滤波电路；所述开关电容单元一侧分别与串联电容组中相邻电容的连接点连接，所述开关电容单元的另一侧与串联双向开关组中的相邻双向开关的连接点中的首末连接点分别连接；所述串联电容组的中间连接点与地连接；所述双向开关组的中间连接点与滤波电路连接；所述串联电容组的一端与串联双向开关组的一端连接；所述串联电容组的另一端与串联双向开关组的另一端连接。本发明提供的九电平变换器，通过开关电容单元可以产生九电平的输出电压，该电路结构所需的制作器件数量少，结构简单，可靠性高。

Description

一种九电平变换器

技术领域

本发明涉及电力电子变换相关技术领域，具体涉及一种九电平变换器。

背景技术

多电平变换器技术是一种通过改变变换器的拓扑结构实现扩容的技术。与两电平、三电平变换器相比，多电平变换器能够减少交流侧输出谐波，降低开关管电压应力，减小无源滤波器的体积，为高压/大电流等大功率场合的电能变换提供了一种有效的解决方案。

传统多电平拓扑变换器，按照主电路的拓扑结构分为飞跨电容变换器、中点钳位型变换器和级联H桥变换器等类型，其中飞跨电容型变换器电容数量多，电容电压难以控制；传统中点钳位型变换器开关数量较多；级联H桥变换器需要多个独立的直流电源，导致***成本较高。

发明内容

为此，本发明借鉴中点钳位和飞跨电容两种多电平变换器的拓扑特点，目的在于提供一种九电平变换器，该变换器通过开关电容单元的不同组合方式实现了九种电平模态变换，该电路结构简单，可靠性强。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的九电平变换器，包括串联电容组、串联双向开关组、开关电容单元和滤波电路；

所述开关电容单元一侧分别与串联电容组中相邻电容的连接点连接，所述开关电容单元的另一侧与串联双向开关组中的相邻双向开关的连接点中的首末连接点分别连接；所述串联电容组的中间连接点与地连接；所述双向开关组的中间连接点与滤波电路连接；所述串联电容组的一端与串联双向开关组的一端连接；所述串联电容组的另一端与串联双向开关组的另一端连接。

进一步，所述滤波电路包括储能电感和滤波电容，所述储能电感一端与双向开关组的中间连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接。

进一步，所述串联电容组包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4；

所述第一电容C1的一端与串联开关组一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端与所述第四电容C4的一端连接，所述第四电容C4的另一端与串联开关组的另一端连接；

进一步，所述串联双向开关组包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；

所述第一开关管S1的一端与串联电容组的一端连接，所述第一开关管S1的另一端与所述第二开关管S2的一端连接，所述第二开关管S2的另一端与所述第三开关管S3的一端连接，所述第三开关管S3的另一端与所述第四开关管S4的一端连接，所述第四开关管S4的另一端与串联电容组的另一端连接；

进一步，所述储能电感一端与第二开关管S2和第三开关管S3的连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接。

进一步，所述开关电容单元包括中间正电平控制模块、中间负电平控制模块、开关电容模块；

所述中间正电平控制模块一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块一端与第一电容C3和第二电容C4之间的连接点连接；另一端与第一开关管S3和第二开关管S4之间的连接点连接；

所述开关电容模块一端与第一电容C2和第二电容C3之间的连接点连接；另一端与第一开关管S2和第二开关管S3之间的连接点连接；

进一步，所述中间正电平控制模块包括第七开关管和二极管；所述第七开关管的集电极与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；所述第七开关管的发射极与二极管正极连接，所述二极管的负极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

进一步，所述中间负电平控制模块包括第八开关管和二极管；所述二极管的负极与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；所述二极管正极与第八开关管的发射极连接，所述第八开关管的集电极与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

进一步，所述开关电容模块包括第五开关管S5、第六开关管S6、飞跨电容C5；

所述第五开关管S5的发射极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第五开关管S5的集电极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述第六开关管S6的集电极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第六开关管S6的集电极与第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

所述飞跨电容C5一端与第五开关管S5的集电极连接，另一端与第六开关管S6的发射极连接。

进一步，所述中间正电平控制模块包括串接的第七双向开关和第八双向开关；所述第七双向开关的一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第八双向开关的一端连接，所述第八双向开关的另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块包括串接的第九双向开关和第十双向开关；所述第九双向开关的一端与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；另一端与第十双向开关的一端连接，所述第十双向开关的另一端与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接。

本发明的有益效果在于：

发明提供的九电平变换器，通过开关电容单元的组合变化，在数量较少的开关元件和电容情况，可以产生九电平的输出电压，该电路结构所需的制作器件数量少，降低了变换器成本，简化了变换器的结构，可靠性高，使得变换器的性能更加稳定。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为九电平电路拓扑示意图。

图2为九电平变换器结构图。

图3为输出电平为4E时的电流通路示意图。

图4为输出电平为3E时的电流通路示意图。

图5为输出电平为2E时的电流通路示意图。

图6(a)输出电平为E时的电流通路示意图1。

图6(b)为输出电平为E时的电流通路示意图2。

图7(a)为输出电平为0时的电流通路示意图1。

图7(b)为输出电平为0时的电流通路示意图2。

图8(a)为输出电平为-E时的电流通路示意图。

图8(b)为输出电平为-E时的电流通路示意图。

图9为输出电平为-2E时的电流通路示意图。

图10为输出电平为-3E时的电流通路示意图。

图11为输出电平为-4E时的电流通路示意图。

图12为电流可双向流动的九电平变换器。

图中，1表示串联电容组、2表示串联双向开关组，3表示开关电容单元、4表示滤波电路；31表示中间正电平控制模块、32表示中间负电平控制模块、33表示开关电容模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种九电平变换器，至少包括设置于正负直流母线之间的串联电容组和串联双向开关组，以及开关电容单元和滤波电路；

所述开关电容单元一侧分别与串联电容组中相邻电容的连接点连接，所述开关电容单元的另一侧与串联双向开关组中的相邻双向开关的连接点中的首末连接点分别连接；所述串联电容组的中间连接点与地连接；所述双向开关组的中间连接点与滤波电路连接；

所述滤波电路包括储能电感和滤波电容，所述储能电感一端与双向开关组的中间连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接；

所述串联电容组包括第一电容C1、第二电容C2、第三电容C3及第四电容C4；

所述第一电容C1的一端与直流电源V正输入端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2的一端连接，所述第二电容C2的另一端与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端与所述第四电容C4的一端连接，所述第四电容C4的另一端与直流电源负输入端连接；

所述串联双向开关组包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4；

所述第一开关管S1的一端与所述直流电源正输入端连接，所述第一开关管S1的另一端与所述第二开关管S2的一端连接，所述第二开关管S2的另一端与所述第三开关管S3的一端连接，所述第三开关管S3的另一端与所述第四开关管S4的一端连接，所述第四开关管S4的另一端与所述直流电源负输入端连接；

所述储能电感一端与第二开关管S2和第三开关管S3的连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接。

如图2所示，所述开关电容单元包括中间正电平控制模块、中间负电平控制模块、开关电容模块；

所述中间正电平控制模块，用于控制2E电平产生；

所述中间负电平控制模块，用于控制-2E电平产生；

所述开关电容模块，用于控制+E或-E电平产生；

所述中间正电平控制模块一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块一端与第一电容C3和第二电容C4之间的连接点连接；另一端与第一开关管S3和第二开关管S4之间的连接点连接；

所述开关电容模块一端与第一电容C2和第二电容C3之间的连接点连接；另一端与第一开关管S2和第二开关管S3之间的连接点连接；

所述中间正电平控制模块包括第七开关管和二极管；所述第七开关管的集电极与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；所述第七开关管的发射极与二极管正极连接，所述二极管的负极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块包括第八开关管和二极管；所述二极管的负极与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；所述二极管正极与第八开关管的发射极连接，所述第八开关管的集电极与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

所述开关电容模块包括第五开关管S5、第六开关管S6、飞跨电容C5；

所述第五开关管S5的发射极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第五开关管S5的集电极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述第六开关管S6的集电极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第六开关管S6的集电极与第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

所述飞跨电容C5一端与第五开关管S5的集电极连接，另一端与第六开关管S6的发射极连接。

下面根据九电平变换器的结构详细说明如何得到九电平模态，具体如下：

如图3所示，当只有第一双向开关、第二双向开关导通时，电路输出电平为4E；

如图4所示，当只有第一双向开关、第三双向开关导通时，电路输出电平为3E；

如图5所示，当只有中间正电平控制模块、第二双向开关导通时，电路输出电平为2E；

如图6(a)所示，当只有中间正电平控制模块、第三双向开关导通时，电路输出电平为E；

如图6(b)所示，当只有第六开关管S6、第二双向开关导通时，电路输出电平为E；

如图7(a)所示，当只有第六开关管S6、第三双向开关导通时，电路输出电平为0；

如图7(b)所示，当只有第五开关管S5、第二双向开关导通时，电路输出电平为0；

如图8(a)所示，当只有第五开关管S5、第三双向开关导通时，电路输出电平为-E；

如图8(b)所示，当只有第六开关管S6、第二双向开关导通时，电路输出电平为-E；

如图9所示，当只有中间负电平控制模块、第三双向开关导通时，电路输出电平为-2E；

如图10所示，当只有中间负电平控制模块、第二双向开关导通时，电路输出电平为-3E；

如图11所示，当只有中间负电平控制模块、第三双向开关、第四双向开关导通时，电路输出电平为-4E。

本实施例提供的电路结构能够通过数量较少的全控性开关，结合在电路中增加一个飞跨电容，但开关的组合发生了许多变化，形成了全新功能的电路，使得简单的电路结构也能实现九电平的输出，增加电路变化的多样性。

本实施例中所述开关管采用IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。

实施例2

如图12所示，所述中间正电平控制模块包括串接的第七双向开关和第八双向开关；所述第七双向开关的一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第八双向开关的一端连接，所述第八双向开关的另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块包括串接的第九双向开关和第十双向开关；所述第九双向开关的一端与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；另一端与第十双向开关的一端连接，所述第十双向开关的另一端与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

本实施例提供的第一至八双向开关均采用开关管和二极管并联，所述二极管的正极与开关管的发射极连接作为双向开关管的一端，所述二极管的负极与开关管的集电极连接作为双向开关管的另一端。

本实施例提供的九电平变换器，通过开关电容单元的控制可以产生4E、3E、2E、E、0、-E、-2E、-3E、-4E九种输出电平模态；通过串联电容与飞跨电容的加减组合得到。本电路在四个电容的基础上，仅仅通过设置一个飞跨电容C5就可以组合得到九种模态，在全控型开关数量基本没有增加的情况，增加了模态变化种类，提高了电路的变换效率。

本实施例提供的滤波电路可以将接近正弦波的方波变换为正弦波，满足了逆变器输出要求正弦波的要求。本实施例提供的开关电容模块可以有多种形式，比如两个或以上的电容串并联组合，可产生更多的电路。

以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种九电平变换器，其特征在于：包括串联电容组、串联双向开关组、开关电容单元和滤波电路；

所述开关电容单元一侧分别与串联电容组中相邻电容的连接点连接，所述开关电容单元的另一侧与串联双向开关组中的相邻双向开关的连接点中的首末连接点分别连接；所述串联电容组的中间连接点与地连接；所述双向开关组的中间连接点与滤波电路连接；所述串联电容组的一端与串联双向开关组的一端连接；所述串联电容组的另一端与串联双向开关组的另一端连接；

所述串联电容组包括第一电容C1、第二电容C2；

所述第一电容C1的一端与串联开关组一端连接，所述第一电容C1的另一端与所述第二电容C2的一端连接；

所述串联双向开关组包括第一开关管S1、第二开关管S2；

所述第一开关管S1的一端与串联电容组的一端连接，所述第一开关管S1的另一端与所述第二开关管S2的一端连接；

所述开关电容单元包括中间正电平控制模块；

所述中间正电平控制模块一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间正电平控制模块包括第七开关管和二极管；所述第七开关管的集电极与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；所述第七开关管的发射极与二极管正极连接，所述二极管的负极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接。

2.如权利要求1所述的九电平变换器，其特征在于：所述滤波电路包括储能电感和滤波电容，所述储能电感一端与双向开关组的中间连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接。

3.如权利要求1所述的九电平变换器，其特征在于：所述串联电容组包括第三电容C3及第四电容C4；

所述第二电容C2的另一端与所述第三电容C3的一端连接，所述第三电容C3的另一端与所述第四电容C4的一端连接，所述第四电容C4的另一端与串联开关组的另一端连接。

4.如权利要求1所述的九电平变换器，其特征在于：所述串联双向开关组包括第三开关管S3、第四开关管S4；

所述第二开关管S2的另一端与所述第三开关管S3的一端连接，所述第三开关管S3的另一端与所述第四开关管S4的一端连接，所述第四开关管S4的另一端与串联电容组的另一端连接。

5.如权利要求2所述的九电平变换器，其特征在于：所述储能电感一端与第二开关管S2和第三开关管S3的连接点连接，另一端与滤波电容连接，所述滤波电容的另一端与地连接。

6.如权利要求4所述的九电平变换器，其特征在于：所述开关电容单元包括中间负电平控制模块、开关电容模块；

所述中间负电平控制模块一端与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；另一端与第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；

所述开关电容模块一端与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；另一端与第二开关管S2和第三开关管S3之间的连接点连接。

7.如权利要求6所述的九电平变换器，其特征在于：所述中间负电平控制模块包括第八开关管和二极管；所述二极管的负极与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；所述二极管正极与第八开关管的发射极连接，所述第八开关管的集电极与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接。

8.如权利要求6所述的九电平变换器，其特征在于：所述开关电容模块包括第五开关管S5、第六开关管S6、飞跨电容C5；

所述第五开关管S5的发射极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第五开关管S5的集电极与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述第六开关管S6的集电极串接二极管正极后，通过二极管负极与第二电容C2和第三电容C3之间的连接点连接；所述第六开关管S6的集电极与第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接；所述飞跨电容C5一端与第五开关管S5的集电极连接，另一端与第六开关管S6的发射极连接。

9.如权利要求6所述的九电平变换器，其特征在于：所述中间正电平控制模块包括串接的第七双向开关和第八双向开关；所述第七双向开关的一端与第一电容C1和第二电容C2之间的连接点连接；另一端与第八双向开关的一端连接，所述第八双向开关的另一端与第一开关管S1和第二开关管S2之间的连接点连接；

所述中间负电平控制模块包括串接的第九双向开关和第十双向开关；所述第九双向开关的一端与第三电容C3和第四电容C4之间的连接点连接；另一端与第十双向开关的一端连接，所述第十双向开关的另一端与所述第三开关管S3和第四开关管S4之间的连接点连接。

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