[发明专利]Zeta式三电平交－交变换器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术，特别是一种Zeta式三电平交-交变换器。

背景技术

交-交(AC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电能转换成同一或另一频率和幅值的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。

传统的交流调压有变压器调压、晶闸管调压、交流斩波调压和带有整流逆变中间环节的变换调压等，综述其特点，虽然各具优点，但是缺陷也比较明显，体积大，重量重，输出谐波畸变高，开关管承受的电压大，还有带有中间直流环节使得电路拓扑过于复杂。多电平变换器的思想最早是由Nabae于80年代初提出的，在DC/AC变换中以台阶式合成阶梯波输出逼近正弦波的理论已经相当的成熟，国内外有很多相关的论文和产品，在DC/DC变换以及AC/DC变换中也有很多的应用。但是在AC/AC无中间直流环节的变换器中，采用多电平变换的目前在国内外还是相当的少。在AC/AC无中间直流环节的变换器中，石勇等人提出了Buck式三电平AC-AC变换器(新型三电平PWM交流斩波器，《电工技术学报》，2003，Vol.18，No.6，pp.7～11.)。该变换器具有拓扑简洁、单级功率变换(低频交流LFAC-低频交流LFAC)、双向功率流、输入侧功率因数高、输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、适用于高压大容量AC-AC变换等优点，但是其只能用于降压调节，对于其中的浮动电容值和平衡控制要求比较严格，而且其电路拓扑结构决定其在三电平模式转换时，宜采取互补式控制策略，从而导致电路工作的可靠性大为降低，并且带不同负载的能力也不强。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有单级功率变换、双向功率流、输出滤波器前端电压频谱特性好、输出波形质量高、可升降压变换、可降低开关器件的电压应力等优点的Zeta式三电平交-交变换器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种Zeta式三电平交-交变换器，该变换器由依次连接的输入滤波器、多电平变换器和输出滤波器构成，该变换器交替输出两个非零电平，该两个非零电平之间输出零电平来调节其输出时间的宽度，所输出的三个电平经输出滤波器滤波后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压u_o，即输入高压交流电源u_i的一端与输入滤波电感L₄相连，该输入滤波电感L₄的另一端分别与输入滤波电容C₄和多电平变换器的两个电平模态支路首端相连接，所述的输入滤波电感L₄和输入滤波电容C₄构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源u_i进行滤波；所述的多电平变换器的两个电平模态支路由电源电压支路和电源电压串联平衡电容电压支路组成，所述的电源电压支路由第五功率开关管S₅串联第六功率开关管S₆组成，所述的电源电压串联电容电压支路由第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、平衡电容C₁、第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄依次串联组成，能量转换电感L₁的一端接于第二功率开关管S₂与平衡电容C₁的连接点，另一端接地，该能量转换电感L₁和平衡电容C₁之间的能量通过由第七功率开关管S₇和第八功率开关管S₈串联组成的双向功率开关管支路交换，该双向功率开关管支路首端接地，末端接于平衡电容C₁和第三功率开关管S₃的连接点处；所述的两个电平模态支路末端，即第六功率开关管S₆和第四功率开关管S₄连接在一起，然后再与组成输出滤波器的滤波电感L₂的前端相连，连接点与地之间设置实现非互补控制策略的由第九功率开关管S₉和第十功率开关管S₁₀串联组成的双向功率开关管支路，该第九功率开关管S₉的一端与输出滤波电感L₂的前端相连；该输出滤波电感L₂的后端与输出滤波电容C₂的一端和输出交流负载Z_L的一端相连，输出滤波电容C₂的另一端和输出交流负载Z_L的另一端都接地，所述的输出滤波电感L₂和输出滤波电容C₂构成输出滤波器，该输出滤波器滤除多电平变换器的输出电压中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u_o。