[发明专利]基于开关电容式的正激五电平逆变器

说明书

本发明公开了一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、开关电容五电平模块、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；周波变换器采用全波形式。本发明具有分压电容电压自动均衡，功率双向流动，使得设备整体在具有更小体积情况下实现更大的功率输出，输入输出电气隔离，降低开关管的电压应力，且多电平使得输出电压电流波形具有更小的总谐波畸变等优点。

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种基于开关电容式的正激五电平逆变器。

背景技术

电力电子技术自20世纪50年代诞生以来，至今已广泛应用。在低压小功率领域，电力电子的应用已渐趋成熟，将来的研究目标是高功率密度、高效率、高性能。而在高压大功率领域成为当今电力电子技术的研究重点。在电压型逆变器中，最早广泛应用的是两电平逆变器，通过控制开关管的导通和关断，在输出端把直流电源的正极和负极电压分别引出。两电平逆变器一个最大的弱点就是受开关管功率和耐压的限制，不宜实现高压大功率输出。

电力电子技术在高压大功率领域的应用日益广泛，在高压功率开关器件技术没有本质突破的前提下，利用中压功率器件的多电平逆变器是解决高压大功率变换的最好选择。经过20多年的研究，现在已基本形成了集中结构定型的多电平逆变器电路，形成了一门独立的新型电力电子逆变技术新学科。20世纪80年代，在电力电子技术领域中应电力系统直流输电、无功补偿、电力有源滤波以及高压大功率交流电动机变频调速系统发展的需要，一种新型的、适合于环保节能应用的逆变器新思路——多电平逆变器开始出现，并受到了越来越多的人们的关注。1980年，由日本长冈科技大学南波江章(A．KiraNabae)等人在IEEE工业应用(IAS)年会上提出了二极管钳位式三电平逆变器主电路的结构，这标志着多电平逆变器时代的来临。

早期传统的逆变技术通常在逆变器和输出之间加入一级工频变压器来进行电气隔离和电压调整。这种技术被称为低频逆变技术。这种逆变技术结构简单，技术成熟，但是用来实现电气隔离和调压功能的工频变压器使得传统的低频逆变器体积和重量都比较大。

为克服传统低频逆变器的缺点，Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频环节逆变器。高频环节逆变器具有逆变器体积重量小，噪音小，输出电压品质好等优点，是现代逆变器发展的方向。但是高频环节逆变器的功率管高频开关带来了较高的开关损耗和电磁干扰。如何减小高频逆变器功率管高频开关带来的开关损耗和电磁干扰是现在逆变技术的研究热点。

目前所研究的高频隔离多电平逆变器多基于二极管钳位形式的分压电容串联供电多电平，使得在五电平及以上电平数目是电容均压难以控制。而开关电容式多电平技术是基于二极管钳位形式的分压电容串并联供电多电平，极大地改善了分压电容的电压均衡效果，使得输入侧电容可以实现更小的选值，减小设备的体积，因此，具有良好的发展前景。

发明内容

本发明目的在于提供一种能够自动均衡分压电容电压、电压电平数平滑调节、耐高压输入、高功率密度、输入输出隔离、双向功率流动的基于开关电容式的正激五电平逆变器。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于开关电容式的正激五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、开关电容五电平模块、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：

输入直流电源单元用于输入直流电源；

开关电容五电平模块用于将输入的直流电源平均分压，并且维持分压平衡，通过开关调节给后级负载提供不同电压等级；

高频变压器用于将能量从变压器原边传递到副边；

周波变换器用于将单极性的电压脉冲转换为双极性脉冲；

输出滤波器用于对周波变换器输出的高频电平进行滤波，实现负载电压电流工频输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：