CN116647119A - 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116647119A
CN116647119A CN202310315077.7A CN202310315077A CN116647119A CN 116647119 A CN116647119 A CN 116647119A CN 202310315077 A CN202310315077 A CN 202310315077A CN 116647119 A CN116647119 A CN 116647119A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch tube
power switch
capacitor
unit
power
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310315077.7A
Other languages
English (en)
Inventor
姚佳
张建栋
嵇保健
张泽宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Nanjing University of Science and Technology filed Critical Nanjing University of Science and Technology
Priority to CN202310315077.7A priority Critical patent/CN116647119A/zh
Publication of CN116647119A publication Critical patent/CN116647119A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H02M1/088—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters for the simultaneous control of series or parallel connected semiconductor devices
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/12—Arrangements for reducing harmonics from ac input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/483—Converters with outputs that each can have more than two voltages levels
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/539—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters with automatic control of output wave form or frequency

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法，逆变器包括基础升压单元M1、可拓展开关电容单元M2和输出单元M3组成。其中，所述基础升压单元M1可实现输入电流连续，减小输入电流纹波，并调制电容电压；可拓展开关电容单元M2可为多种类型的开关电容单元组成，多个可拓展开关电容M2通过级联提升变换器电压增益和电平数。基础升压单元M1和可拓展开关电容单元M2通过串联，可以实现多电平输出。本发明具有输入输出共地、高增益、支持宽电压输入、可拓展、输入电流连续且纹波较小和输出总谐波畸变率较低的优点。

Description

一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法
技术领域
本发明属于多电平逆变器与新能源分布式并网发电领域，具体涉及一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其开关控制方法。
背景技术
可再生能源并网***、电动汽车、柔***流输电***或其他交流分布式发电***的应用中，相较于两电平逆变器，多电平逆变器(MLI)具备总谐波失真(THD)低，模块化，容错能力强等优势。
在光伏发电***的应用中，共地型开关电容多电平逆变器可以有效消除漏电流、获得高增益、减小THD。
常见的开关电容逆变器电压调制范围很小，输入电流不连续，无法直接连接光伏板，需要前级直流变换器完成最大功率跟踪等控制，会增加额外成本。如何实现开关电容逆变器输入电流连续控制输入电流纹波并提供电压增益调制能力是当前研究的关键。
发明内容
本发明的目的在于针对现有开关电容型多电平逆变器拓扑的不足，而提出一种新型共地型开关电容多电平逆变器拓扑。该拓扑基础升压单元(M1)实现输入电流连续，减小输入电流的纹波，支持宽电压输入；可拓展开关电容单元(M2)可由多个可拓展开关电容级联而成，基础升压单元(M1)和可拓展开关电容单元(M2)通过串联，可以实现多电平输出。
一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器，其特征在于：包括基础升压单元(M1)、可拓展开关电容单元(M2)和输出单元(M3)；
所述基础升压单元(M1)由输入电感(L)、第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第五功率开关管(S5)及第一电容(C1)构成。其中输入电感(L)的正端连接直流电源(Vdc)的正输出端；第五功率开关管(S5)的漏极连接输入电感(L)的负端和第一功率开关管(S1)的源极，第五功率开关管(S5)的源极连接直流电源(Vdc)的负端、第二功率开关管(S2)的漏极和地；第一电容(C1)的正端连接第一功率开关管(S1)的漏极和可拓展开关电容单元(M2)的端口1，第一电容(C1)的负端连接第二功率开关管(S2)的源极和可拓展开关电容单元(M2)的端口2；基础升压单元(M1)可输出+Vc，0，-Vc三种电平，其中Vc为调制后电容的电压，Vc＝Vdc/(1-D)，其中D＝ton/Ts，Ts为开关周期，ton为电感每个开关周期电感充电时间。
所述可拓展开关电容单元(M2)由多个开关电容单元(K1～Kn)组成，每个开关电容单元(Kn)包含四个端口，即端口1、端口2、端口3及端口4，每个开关电容单元(Kn)可输出+Vc，0，-Vc三种电平；所述可拓展开关电容单元(M2)，当单元数为n时，权力一所述开关电容逆变器的输出交流电压电平数为2n+3，n为大于等于1的自然数。
所述输出单元(M3)包括第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)构成。其中第三功率开关管(S3)的漏极连接可拓展开关电容单元(M2)的端口3，第四功率开关管(S4)的源极连接可拓展开关电容单元(M2)的端口4；第三功率开关管(S3)的源极连接第四功率开关管(S4)的漏极和地构成输出端口Vo。
进一步所述开关电容可拓展单元(M2)可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型开关电容拓扑。
进一步所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)共源极串联组成；
进一步所述输入电流连续的共地型开关电容逆变器的开关控制方法，其特征在于：所述基础升压单元(M1)和可拓展开关电容单元(M2)中的电容可通过串并联方式输出多电平交流电压，所述共地型开关电容逆变器可采用正弦脉冲宽度调制方式进行控制。当交流输出电压峰值为(n+1)Vc时，需要n个开关电容单元(K1～Kn)。具体控制时序为：
当输出电压为零电平(Vo＝0)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，所有可拓展开关电容单元(M2)均输出零电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第三功率开关管(S3)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出零电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，此状态持续时间为ton_0；
当输出电压为正一电平(Vo＝+Vc)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)开通，第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出一电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，同时给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出一电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容并联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_P1；
当输出电压为正j电平(Vo＝+jVc)时(1＜j＜n+1，且j为整数)，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)开通，第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出j电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(j-1))中的电容并联第一电容(C1)，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(Kj)～开关电容单元(Kn)中的电容和基础升压单元(M1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出j电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(j-1))中的电容和第一电容(C1)并联，再串联开关电容单元(Kj)～开关电容单元(Kn)中的电容给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_Pj；
当输出电压为正(n+1)电平(Vo＝+(n+1)Vc)时，电路有一种工作模态：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出n电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(Kn)中的电容和第一电容(C1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_P(n+1)；
当输出电压为负一电平(Vo＝-Vc)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负一电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-1))中的电容和第一电容(C1)并联，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(Kn)给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负一电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-1))中的电容和第一电容(C1)不工作，开关电容单元(Kn)给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_N1；
当输出电压为负j电平(Vo＝-jVc)时(1＜j＜n+1，且j为整数)，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负j电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-j))中的电容和第一电容(C1)并联，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(K(n-j+1))～开关电容单元(Kn)中的电容串联给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负j电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-j))和第一电容(C1)不工作，开关电容单元(K(n-j+1))～开关电容单元(Kn)中的电容串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_Nj；
当输出电压为负(n+1)电平(Vo＝-(n+1)Vc)时，电路有一种工作模态：第一功率开关管(S1)、第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)开通，第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负n电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(Kn)中的电容和第一电容(C1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_N(n+1)；
进一步所述输入电流连续的共地型开关电容逆变器的开关控制方法，其中ton＝DTs、toff＝(1-D)Ts，其包含的各个电平输入电感(L)开通时间ton_0、ton_P1、ton_Pj、ton_P(n+1)、ton_N1、ton_Nj和ton_N(n+1)之间的关系如下表I所示。
表I各个电平输入电感(L)开通时间的关系
其中Vm为调制载波，Vm＝Msin(100πt)，M为调制指数，Ac为三角载波幅值，Ac＝1/(n+1)，To为输出周期。
有益效果：本发明在共地型开关电容逆变器的直流输入侧加入输入电感(L)，通过复用第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第五功率开关管(S5)构成基础升压单元(M1)，实现开关电容逆变器直流侧的瞬时电流减小且电流连续、支持宽电压输入、降低成本；通过第一电容(C1)与可拓展开关电容单元(M2)可以实现更多电平输出，减小输出总谐波畸变率。
附图说明
图1是本发明提供的新型共地型开关电容多电平逆变器的电路图；
图2(a)至图2(c)是本发明用三种不同开关电容可拓展单元(M2)构成的新型共地型开关电容多电平逆变器的电路图；
图3是本发明中电路拓扑的正弦脉冲宽度调制方式下的输出波形；
图4是本发明实施例提供的共地型开关电容五电平逆变器电路示意图；
图5(a)至图5(h)是本发明实施例的八个特殊等效工作模态图，其中，图5(a)和图5(b)为出电压为零电平(Vo＝0)两个模态的示意图；图5(c)和图5(d)为出电压为正一电平(Vo＝+Vc)两个模态的示意图；图5(e)为出电压为正二电平(Vo＝+2Vc)的示意图；图5(f)和图5(g)为出电压为负一电平(Vo＝-Vc)两个模态的示意图；图5(h)为出电压为负二电平(Vo＝-2Vc)的示意图；
图6是本发明实施例中逆变器的输入电流波形图；
图7是本发明实施例中逆变器的输出电压波形图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图4描述了本发明实施例的主电路的构成方式，实施例为共地型开关电容五电平逆变器电路。该主电路包括基础升压单元(M1)、可拓展开关电容单元(M2)和输出单元(M3)。基础升压单元(M1)由输入电感(L)、第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第五功率开关管(S5)及第一电容(C1)构成；开关电容可拓展单元(M2)由一个模块组成，这个模块由第一拓展功率开关管(Sa1)、第二拓展功率开关管(Sa2)、第三拓展功率开关管(Sa3)、第四拓展功率开关管(Sa4)、第五拓展功率开关管(Sa5)及第二电容(C2)构成；输出单元(M3)由第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)和负载Zo构成。
如图3所示，本实例采用正弦脉冲宽度调制方式进行控制，其中带箭头的实线回路代表电容或电感充电回路，带箭头的虚线回路代表负载电流回路。在每个电压电平输出期间，切换两个开关模态，实现输入电流连续。详细的工作原理分析如下：
当输出电压为零电平(Vo＝0)，第一工作模态时：如图5(a)，功率开关管(S1、S2、S4、Sa1、Sa2、Sa3、Sa4)处于导通状态，直流电源(Vdc)和输入电感(L)串联后与电容(C1、C2)并联，电容(C1、C2)充电电压为Vc，功率开关管(S2、S4、Sa2、Sa4)形成闭合回路，为负载Zo提供续流通路，实现零电平输出；第二工作模态时：如图5(b)，功率开关管(S2、S4、S5、Sa2、Sa4)处于导通状态，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，功率开关管(S2、S4、Sa2、Sa4)形成闭合回路，为负载Zo提供续流通路，实现零电平输出；
当输出电压为正一电平(Vo＝+Vc)，第一工作模态时：如图5(c)，功率开关管(S1、S2、S3、Sa1、Sa2、Sa3、Sa4)处于导通状态，直流电源(Vdc)和输入电感(L)串联后与电容(C1、C2)并联，电容(C1、C2)充电电压为Vc，直流电源(Vdc)给负载Zo供电，实现正一电平输出；第二工作模态时：如图5(d)，功率开关管(S2、S3、S5、Sa1、Sa2、Sa3、Sa4)处于导通状态，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，电容(C1、C2)并联给负载Zo供电，实现正一电平输出；
当输出电压为正二电平(Vo＝+Vc)，第一工作模态时：如图5(e)，功率开关管(S2、S3、S5、Sa1、Sa4、Sa5)处于导通状态，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，电容(C1、C2)串联给负载Zo供电，实现正二电平输出；
当输出电压为负一电平(Vo＝-Vc)，第一工作模态时：如图5(f)，功率开关管(S1、S2、S4、Sa2、Sa3、Sa5)处于导通状态，直流电源(Vdc)和输入电感(L)串联后与电容(C1)并联，电容(C1)充电电压为Vc，电容(C2)给负载Zo供电，实现负一电平输出；第二工作模态时：如图5(g)，功率开关管(S1、S2、S3Sa2、Sa3、Sa5)处于导通状态，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，电容(C2)给负载Zo供电，实现负一电平输出；
当输出电压为负二电平(Vo＝-2Vc)，第一工作模态时：如图5(h)，功率开关管(S1、S4、S5、Sa2、Sa3、Sa5)处于导通状态，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，电容(C1、C2)串联给负载Zo供电，实现负二电平输出；
利用PSIM仿真得到以下结果。图6为输入电流波形，电流在3A～4.5A之间波动，没有很大的瞬时电流，验证了该拓扑的可减小瞬时电流，使输入电流连续。图7为输出电压波形，方均根值为220V，输出频率为50Hz，符合理论分析，该结构具有一定的升压能力，验证了该结构的可行性。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明包以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范国情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (5)

1.一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器，其特征在于：包括基础升压单元(M1)、可拓展开关电容单元(M2)和输出单元(M3)；
所述基础升压单元(M1)由输入电感(L)、第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第五功率开关管(S5)及第一电容(C1)构成。其中输入电感(L)的正端连接直流电源(Vdc)的正输出端；第五功率开关管(S5)的漏极连接输入电感(L)的负端和第一功率开关管(S1)的源极，第五功率开关管(S5)的源极连接直流电源(Vdc)的负端、第二功率开关管(S2)的漏极和地；第一电容(C1)的正端连接第一功率开关管(S1)的漏极和可拓展开关电容单元(M2)的端口1，第一电容(C1)的负端连接第二功率开关管(S2)的源极和可拓展开关电容单元(M2)的端口2；基础升压单元(M1)可输出+Vc，0，-Vc三种电平，其中Vc为调制后电容的电压，Vc＝Vdc/(1-D)，其中D＝ton/Ts，Ts为开关周期，ton为电感每个开关周期电感充电时间。
所述可拓展开关电容单元(M2)由多个开关电容单元(K1～Kn)组成，每个开关电容单元(Kn)包含四个端口，即端口1、端口2、端口3及端口4，每个开关电容单元(Kn)可输出+Vc，0，-Vc三种电平；所述可拓展开关电容单元(M2)，当单元数为n时，权力一所述开关电容逆变器的输出交流电压电平数为2n+3，n为大于等于1的自然数。
所述输出单元(M3)包括第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)构成。其中第三功率开关管(S3)的漏极连接可拓展开关电容单元(M2)的端口3，第四功率开关管(S4)的源极连接可拓展开关电容单元(M2)的端口4；第三功率开关管(S3)的源极连接第四功率开关管(S4)的漏极和地构成输出端口Vo。
2.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述开关电容可拓展单元(M2)可为但不限于串并联型、级联型、阶梯型开关电容拓扑。
3.根据权利要求1所述的共地型开关电容多电平逆变器，其特征在于，所述单向耐压的功率开关管采用全控电力电子器件，可为但不限于金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)或者绝缘栅双极晶体管(IGBT)；所述双向耐压的功率开关管可为但不限于两个金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)共源极串联组成。
4.一种基于权利要求1所述输入电流连续的共地型开关电容逆变器的开关控制方法，其特征在于：
所述基础升压单元(M1)和可拓展开关电容单元(M2)中的电容可通过串并联方式输出多电平交流电压，所述共地型开关电容逆变器可采用正弦脉冲宽度调制方式进行控制。当交流输出电压峰值为(n+1)Vc时，需要n个开关电容单元(K1～Kn)。具体控制时序为：
当输出电压为零电平(Vo＝0)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，所有可拓展开关电容单元(M2)均输出零电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第三功率开关管(S3)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出零电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，此状态持续时间为ton_0；
当输出电压为正一电平(Vo＝+Vc)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)开通，第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出一电平，此时，基础升压单元(M1)给第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容充电至Vc，同时给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出一电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，第一电容(C1)和开关电容可拓展单元(M2)中的电容并联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_P1；
当输出电压为正j电平(Vo＝+jVc)时(1＜j＜n+1，且j为整数)，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)开通，第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出j电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(j-1))中的电容并联第一电容(C1)，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(Kj)～开关电容单元(Kn)中的电容和基础升压单元(M1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出j电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(j-1))中的电容和第一电容(C1)并联，再串联开关电容单元(Kj)～开关电容单元(Kn)中的电容给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_Pj；
当输出电压为正(n+1)电平(Vo＝+(n+1)Vc)时，电路有一种工作模态：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出n电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(Kn)中的电容和第一电容(C1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_P(n+1)；
当输出电压为负一电平(Vo＝-Vc)时，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负一电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-1))中的电容和第一电容(C1)并联，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(Kn)给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负一电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-1))中的电容和第一电容(C1)不工作，开关电容单元(Kn)给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_N1；
当输出电压为负j电平(Vo＝-jVc)时(1＜j＜n+1，且j为整数)，电路有两种工作模态，第一工作模态时：第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)和第四功率开关管(S4)开通，第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负j电平，此时，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-j))中的电容和第一电容(C1)并联，由基础升压单元(M1)充电至Vc，开关电容单元(K(n-j+1))～开关电容单元(Kn)中的电容串联给负载Zo供电，此状态持续时间为toff；第二工作模态时：第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)和第五功率开关管(S5)开通，第一功率开关管(S1)和第四功率开关管(S4)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负j电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(K(n-j))和第一电容(C1)不工作，开关电容单元(K(n-j+1))～开关电容单元(Kn)中的电容串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_Nj；
当输出电压为负(n+1)电平(Vo＝-(n+1)Vc)时，电路有一种工作模态：第一功率开关管(S1)、第四功率开关管(S4)和第五功率开关管(S5)开通，第二功率开关管(S2)和第三功率开关管(S3)关断，可拓展开关电容单元(M2)输出负n电平，此时，直流电源(Vdc)给输入电感(L)充电，开关电容单元(K1)～开关电容单元(Kn)中的电容和第一电容(C1)串联给负载Zo供电，此状态持续时间为ton_N(n+1)；。
5.一种基于权利要求4所述输入电流连续的共地型开关电容逆变器的开关控制方法，其中ton＝DTs、toff＝(1-D)Ts，其包含的各个电平输入电感(L)开通时间ton_0、ton_P1、ton_Pj、ton_P(n+1)、ton_N1、ton_Nj和ton_N(n+1)之间的关系如下表I所示。
表I 各个电平输入电感(L)开通时间的关系
其中Vm为调制载波，Vm＝Msin(100πt)，M为调制指数，Ac为三角载波幅值，Ac＝1/(n+1)，To为输出周期。
CN202310315077.7A 2023-03-28 2023-03-28 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法 Pending CN116647119A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310315077.7A CN116647119A (zh) 2023-03-28 2023-03-28 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310315077.7A CN116647119A (zh) 2023-03-28 2023-03-28 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116647119A true CN116647119A (zh) 2023-08-25

Family

ID=87621822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310315077.7A Pending CN116647119A (zh) 2023-03-28 2023-03-28 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116647119A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117477975A (zh) * 2023-12-27 2024-01-30 南京理工大学 一种共地型开关电容多电平逆变器

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117477975A (zh) * 2023-12-27 2024-01-30 南京理工大学 一种共地型开关电容多电平逆变器

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shuvo et al. Design and hardware implementation considerations of modified multilevel cascaded H-bridge inverter for photovoltaic system
Jain et al. A highly efficient and reliable inverter configuration based cascaded multilevel inverter for PV systems
CN106602913B (zh) 一种九电平逆变拓扑电路
CN107210684A (zh) 五电平拓扑单元及五电平逆变器
CN108599604B (zh) 一种单相七电平逆变电器及其pwm信号调制方法
CN108616224B (zh) 一种升压型单相七电平逆变器
CN104092400A (zh) 一种z源三电平t型逆变器及其调制方法
CN113328649A (zh) 一种变换电路及其控制方法
CN116317648A (zh) 一种可拓展共地型开关电容多电平逆变器
CN116647119A (zh) 一种输入电流连续的共地型开关电容逆变器及其控制方法
Marangalu et al. A new five-level switched-capacitor-based transformer-less common-grounded grid-tied inverter
CN114513125A (zh) 单相逆变器及其控制方法、控制***
Kanimozhi et al. A new boost switched capacitor multilevel inverter using different multi carrier PWM techniques
Agarwal et al. A novel self-boosting 5-level inverter for grid-connected photovoltaic system
CN204031005U (zh) 一种z源三电平t型逆变器
Vivek et al. Investigation on photovoltaic system based asymmetrical multilevel inverter for harmonic mitigation
Alnuman et al. A single-source switched-capacitor 13-level high gain inverter with lower switch stress
CN113839575B (zh) 一种具有三倍电压增益的升压型七电平逆变器
CN106911261A (zh) Z源网络有源中点钳位五电平光伏并网逆变***
Babaei et al. A new structure of quasi Z-source-based cascaded multilevel inverter
Sengolrajan et al. Comparative study of multicarrier PWM techniques for seven level cascaded Z-source inverter
Nandan et al. Analysis and simulation of even-level quasi-Z-source inverter
Nouaiti et al. Single phase seven-level inverter for PV solar pumping system
Wang et al. Modified carrier phase-shifted SPWM for a hybrid modular multilevel converter with HBSMs and FBSMs
Anand et al. A Fifteen Level Cascaded H-Bridge Multilevel Inverter with Space Vector PWM Technique with Reduced Number of Switches

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination