[发明专利]一种Buck高频隔离式五电平逆变器

权利要求书

1.一种Buck高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，由依次连接的输入直流电源单元（1）、分压电容（2）、Buck高频隔离式五电平变换单元（3）、高频隔离变压器（4）、周波变换器（5）、输出滤波器（6）和输出交流负载（7）组成；其中，输入直流电源单元（1）包括一输入直流电源（Ui），输入直流电源单元（Ui）与分压电容（2）的一端连接，分压电容的另一端与Buck高频隔离五电平变换单元（3）的一端连接，Buck高频隔离式五电平变换单元（3）的另一端与高频隔离变压器（4）的一端连接，高频隔离变压器（4）的另一端与周波变换器（5）的一端连接，周波变换器（5）的另一端与输出滤波器（6）的一端连接，输出滤波器（6）另一端与输出交流负载（7）连接。

2.根据权利要求1所述的Buck高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述分压电容（2）包括第一分压电容（C1）和第二分压电容（C2）；第一分压电容（C1）的正极与输入直流电源单元（Ui）的正极连接，第一分压电容（C1）的负极与第二分压电容（C2）的正极连接，第二分压电容（C2）的负极与输入直流电源（Ui）的参考负极连接。

3.根据权利要求2所述的Buck高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述Buck高频隔离式五电平变换单元（3）包括第一功率开关管（S1），第一二极管（D1），第二功率开关管（S2），第二二极管（D2），第三功率开关管（S3），第三二极管（D3），第四功率开关管（S4），第四二极管（D4），第五二极管（D5），第六二极管（D6），其中：

第一功率开关管（S1）的漏极和第三功率开关管（S3）的漏极与第一分压电容（C1）的正极相连接，第一二极管（D1）和第三二极管（D3）分别反并联于第一功率开关管（S1）和第三功率开关管（S3）两端，即第一二极管（D1）的阴极与第一功率开关管（S1）的漏极连接，第一二极管（D1）的阳极与第一功率开关管（S1）的源极连接，第三二极管（D3）的阴极与第三功率开关管（S3）的漏极连接，第三二极管（D3）的阳极与第三功率开关管（S3）的源极连接，第一功率开关管（S1）的源极与第五二极管（D5）的阴极连接，第五二极管（D5）的阳极和第一分压电容（C1）的负极、第二分压电容（C2）的正极连接，第六二极管管（D6）的阴极和第二分压电容（C2）的正极、第一分压电容（C1）的负极连接，第六二极管管（D6）的阳极和第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二功率开关管（S2）的源极和第四功率开关管（S4）的源极与第二分压电容（C2）的负极相连接，第二二极管（D2）和第四二极管（D4）分别反并联于第一功率开关管（S2）和第三功率开关管（S4）两端，即第二二极管（D2）的阴极与第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二二极管（D2）的阳极与第二功率开关管（S2）的源极连接，第四二极管（D4）的阴极与第四功率开关管（S4）的漏极连接，第四二极管（D4）的阳极与第四功率开关管（S4）的源极连接；

所述高频变压器（4）和周波变换器（5）分别为高频变压器（T）和全桥式周波变换器，输出滤波器（6）为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器（4）包括第一原边绕组（N1），第二原边绕组（N2），第一副边绕组（N3）；高频隔离变压器（T）第一原边绕组（N1）的同名端与第一功率开关管（S1）的源极、第一二极管（D1）的阳极、第五二极管（D5）的阴极连接，高频隔离变压器（T）第一原边绕组（N1）的非同名端与第四功率开关管（S4）的漏极、第四二极管（D4）的阴极连接，高频隔离变压器（T）第二原边绕组（N2）的同名端与第二功率开关管（S2）的源极、第二二极管（D2）的阴极、第六二极管（D6）的阳极连接，高频隔离变压器（T）第二原边绕组（N2）的非同名端与第三功率开关管（S3）的源极、第三二极管（D3）的阳极连接；

所述全桥式周波变换器（5）包括第一双向开关管（SA），第二双向功率开关管（SB），第三双向开关管（SC）和第四双向功率开关管（SD），所述的第一双向开关管（SA），第二双向开关管（SB），第三双向功率开关管（SC）和第四双向开关管（SD）都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第一双向功率开关管（SA）包括第五功率开关管（S5）、第六功率开关管（S6）、第七二极管（D7）、第八二极管（D8），第二双向功率开关管（SB）包括第七功率开关管（S7）、第八功率开关管（S8）、第九二极管（D9），第十二极管（D10），第三双向功率开关管（SC）包括第九功率开关管（S9）、第十功率开关管（S10）、第十一二极管（D11）、第十二二极管（D12），第四双向功率开关管（SD）包括第十一功率开关管（S11）、第十二功率开关管（S12）、第十三二极管（D13），第十四二极管（D14）；第一双向功率开关管（SA）的一端与高频隔离变压器（T）第一副原边绕组（N3）的同名端相连，第一双向功率开关管（SA）的另一端与第三双向功率开关管（SC）的一端连接，第三双向功率开关管（SC）的另一端与高频隔离变压器（T）第一副边绕组（N3）的非同名端相连，第二双向功率开关管（SB）的一端与高频隔离变压器（T）第一副边绕组（N3）的同名端、第一双向功率开关管（SA）的一端连接，第二双向功率开关管（SB）的另一端与第四双向功率开关管（SD）的一端连接，第四双向功率开关管（SD）的另一端与高频隔离变压器（T）第一副边绕组（N3）的非同名端、第三双向功率开关管（SC）的另一端相连接；第五功率开关管（S5）的漏极和第七二极管（D7）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的一端，第六功率开关管（S6）的漏极和第八二极管（D8）的阴极相连作为第一双向功率开关管（SA）的另一端，第五功率开关管（S5）的源极、第六功率开关管（S6）的源极、第七二极管（D7）的阳极、第八二极管（D8）的阳极连接在一起；第七功率开关管（S7）的漏极和第九二极管（D9）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的一端，第八功率开关管（S8）的漏极和第十二极管（D10）的阴极相连作为第二双向功率开关管（SB）的另一端，第七功率开关管（S7）的源极、第八功率开关管（S8）的源极、第九二极管（D9）的阳极、第十二极管（D10）的阳极连接在一起；第九功率开关管（S9）的漏极和第十一二极管（D11）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的一端，第十功率开关管（S10）的漏极和第十二二极管（D12）的阴极相连作为第三双向功率开关管（SC）的另一端，第九功率开关管（S9）的源极、第十功率开关管（S10）的源极、第十一二极管（D11）的阳极、第十二二极管（D12）的阳极连接在一起；第十一功率开关管（S11）的漏极和第十三二极管（D13）的阴极相连作为第四双向功率开关管（SD）的一端，第十二功率开关管（S12）的漏极和第十四二极管（D14）的阴极相连作为第四双向功率开关管（SD）的另一端，第十一功率开关管（S11）的源极、第十二功率开关管（S12）的源极、第十三二极管（D13）的阳极、第十四二极管（D14）的阳极连接在一起；

所述输出滤波器（6）包含输出滤波电感（Lf）和输出滤波电容（Cf）；输出滤波电感（Lf）的一端与第一双向功率开关管（SA）的另一端、第三双向功率开关管（SC）的一端相连接，即与第六功率开关管（S6）的漏极、第八二极管（D8）的阴极、第九功率开关管（S9）的漏极、第十一二极管（D11）的阴极相连接，输出滤波电感（Lf）的另一端与输出滤波电容（Cf）的一端连接，输出滤波电容（Cf）的另一端与第二双向功率开关管（SB）的另一端、第四双向功率开关管（SD）的一端连接，即与第八功率开关管（S8）的漏极、第十二极管（D10）的阴极、第十一功率开关管（S11）的漏极、第十三二极管（D13）的阴极相连接；

所述输出交流负载（7）包含交流负载（ZL），交流负载（ZL）的一端和输出滤波电容（Cf）的一端、输出滤波电感（Lf）的另一端相连接，交流负载（ZL）的另一端和输出滤波电容（Cf）的另一端连接。

4.根据权利要求2所述的Buck高频隔离式五电平逆变器，其特征在于，所述Buck高频隔离式五电平变换单元（3）包括第一功率开关管（S1），第一二极管（D1），第二功率开关管（S2），第二二极管（D2），第三功率开关管（S3），第三二极管（D3），第四功率开关管（S4），第四二极管（D4），第五二极管（D5），第六二极管（D6），其中：

第一功率开关管（S1）的漏极和第三功率开关管（S3）的漏极与第一分压电容（C1）的正极相连接，第一二极管（D1）和第三二极管（D3）分别反并联于第一功率开关管（S1）和第三功率开关管（S3）两端，即第一二极管（D1）的阴极与第一功率开关管（S1）的漏极连接，第一二极管（D1）的阳极与第一功率开关管（S1）的源极连接，第三二极管（D3）的阴极与第三功率开关管（S3）的漏极连接，第三二极管（D3）的阳极与第三功率开关管（S3）的源极连接，第一功率开关管（S1）的源极与第五二极管（D5）的阴极连接，第五二极管（D5）的阳极和第一分压电容（C1）的负极、第二分压电容（C2）的正极连接，第六二极管管（D6）的阴极和第二分压电容（C2）的正极、第一分压电容（C1）的负极连接，第六二极管管（D6）的阳极和第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二功率开关管（S2）的源极和第四功率开关管（S4）的源极与第二分压电容（C2）的负极相连接，第二二极管（D2）和第四二极管（D4）分别反并联于第一功率开关管（S2）和第三功率开关管（S4）两端，即第二二极管（D2）的阴极与第二功率开关管（S2）的漏极连接，第二二极管（D2）的阳极与第二功率开关管（S2）的源极连接，第四二极管（D4）的阴极与第四功率开关管（S4）的漏极连接，第四二极管（D4）的阳极与第四功率开关管（S4）的源极连接；

所述高频变压器（4）和周波变换器（5）分别为高频变压器（T）和全波式周波变换器，输出滤波器（6）为电感电容滤波器，其中：

所述高频隔离变压器（4）包括第一原边绕组（N1），第二原边绕组（N2），第二副边绕组（N3’），第三副边绕组（N4）；高频隔离变压器（T）第一原边绕组（N1）的同名端与第一功率开关管（S1）的源极、第一二极管（D1）的阳极、第五二极管（D5）的阴极连接，高频隔离变压器（T）第一原边绕组（N1）的非同名端与第四功率开关管（S4）的漏极、第四二极管（D4）的阴极连接，高频隔离变压器（T）第二原边绕组（N2）的同名端与第二功率开关管（S2）的源极、第二二极管（D2）的阴极、第六二极管（D6）的阳极连接，高频隔离变压器（T）第二原边绕组（N2）的非同名端与第三功率开关管（S3）的源极、第三二极管（D3）的阳极连接，高频隔离变压器（T）第二副边绕组（N3’）的非同名端与高频隔离变压器（T）第三副边绕组（N4）的同名端连接；

所述全波式周波变换器（8）包括第五双向开关管（SA’）和第六双向功率开关管（SB’），所述的第六双向功率开关管（SA’）和第七双向功率开关管（SB’）都是由两个单个的功率开关管反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关，具有双向阻断功能；第五双向功率开关管（SA’）包括第十三功率开关管（S5’）、第十四功率开关管（S6’）、第十五二极管（D7’）、第十六二极管（D8’），第六双向功率开关管（SB’）包括第十五功率开关管（S7’）、第十六功率开关管（S8’）、第十七二极管（D9’），第十八二极管（D10’）；第五双向功率开关管（SA’）的一端与高频隔离变压器（T）第一副边绕组（N3’）的同名端相连，第五双向功率开关管（SA’）的另一端与第六双向功率开关管（SB’）的另一端连接，第六双向功率开关管（SB’）的一端与高频隔离变压器（T）第二副边绕组（N4）的非同名端相连，第六双向功率开关管（SB’）的另一端与第五双向功率开关管（SA’）的另一端连接；第十三功率开关管（S5’）的漏极和第十五二极管（D7’）的阴极相连作为第五双向功率开关管（SA’）的一端，第十四功率开关管（S6’）的漏极和第十六二极管（D8’）的阴极相连作为第五双向功率开关管（SA’）的另一端，第十三功率开关管（S5’）的源极、第十四功率开关管（S6’）的源极、第十五二极管（D7’）的阳极、第十六二极管（D8’）的阳极连接在一起，第十五功率开关管（S7’）的漏极和第十七二极管（D9’）的阴极相连作为第六双向功率开关管（SB’）的一端，第十六功率开关管（S8’）的漏极和第十八二极管（D10’）的阴极相连作为第六双向功率开关管（SB’）的另一端，第十五功率开关管（S7’）的源极、第十六功率开关管（S8’）的源极、第十七二极管（D9’）的阳极、第十八二极管（D10’）的阳极连接在一起；

所述输出滤波器（6）包含输出滤波电感（Lf）和输出滤波电容（Cf），输出滤波电感（Lf）的一端与第五双向功率开关管（SA’）的另一端、第六双向功率开关管（SB’）的另一端相连接，即与第十四功率开关管（S6’）的漏极、第十六二极管（D8’）的阴极、第十六功率开关管（S8’）的漏极、第十八二极管（D10’）的阴极相连接，输出滤波电感（Lf）的另一端与输出滤波电容（Cf）的一端连接，输出滤波电容（Cf）的另一端和高频隔离变压器（T）第二副边绕组（N3’）的非同名端、高频隔离变压器（T）第三副边绕组（N4）的同名端连接；

所述输出交流负载（7）包含交流负载（ZL），交流负载（ZL）的一端和输出滤波电容（Cf）的一端、输出滤波电感（Lf）的另一端相连接，交流负载（ZL）的另一端和输出滤波电容（Cf）的另一端连接。