[发明专利]一种双向级联升降压直流－交流变换器

说明书

技术领域

本发明涉及一种双向级联升降压直流-交流变换器，属于电力电子技术领域。 

背景技术

如今，直流-交流变换器已在商业和工业领域中得到了广泛的应用。例如，电动汽车驱动系统、储能系统、可再生能源发电系统等等中都会用到直流-交流变换器。目前，传统的电压源型变换器的在这些应用中占有较大的市场份额。由于传统的电压源型变换器本质上是基于降压型直流-直流变换电路拓扑，因此这类型的直流-交流变换器只能运行在降压输出的状态。但是，在很多应用场合中，如电动汽车、燃料电池、光伏发电系统中，都要求直流-交流变换器同时具有升压和降压输出能力。不仅如此，在某些应用中还需要直流-交流变换器具有双向的能量流动能力，例如双馈式风力发电系统，轨道交通牵引系统、并网电储能系统等等。针对这些应用场合，需要一种既具有双向能量流动能力又具有升降压运行能力的直流-交流变换器。 

针对双向升降压直流-交流变换器的研发，目前已有一些报道。其中较有代表性的是传统升压逆变器方案，Z源逆变器方案(F.Z.Peng，Z-source inverter，IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.39，no.2，pp.504-510，Mar/Apr.2003)和差动输出方案(R.O.Caceres and I.Barbi，A Boost DC-AC Converter：Analysis，Design，and Experimentation，IEEE Trans.Power Electron.，vol.14，no.1，pp.134-141，Jan.1999.)。传统升压逆变器由一个双向升压式直流-直流变换电路和一个降压型电压源型逆变电路级联而成，这两级电路分别需要一个电感和一个电容作为主要储能元件，从而使得该方案的体积、重量和成本上都较高。而且，由于在交流应用中负载瞬时功率是时刻波动的，大幅变化的工作点使得其双向升压式直流-直流变换电路控制困难。Z源逆变器方案虽然能够将传统升压逆变器的两级结构合并为一级，从而克服其体积、重量上的缺陷，但由于Z源逆变器系统的阶数较高，其控制和调制策略较为复杂，输出的动态性能得不到很好地保障。差动输出方案中，总电路由两级具有相同结构的双向升压或升降压直流-直流变换电路组成，总电路的输出是这两级电路输出的差。这种方案也能够克服传统升压逆变器成本和效率上的不足，但由于升压或升降压直流-直流变换电路本质上存在控制自由不够的问题，在交流应用中由于工作点的大幅变化，系统的控制也十分困难。 

发明内容

本发明的目的是提出一种双向级联升降压直流-交流变换器，以使变换器同时具有双 向能量流动和升降压功能，并使变换器的体积较小、重量和成本较低。 

本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器，包括： 

降压级电路，用于将直流输入电压转换为双极性的脉宽调制输出电压，并具有降压能力。降压级电路由第一晶体管、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、直流电压输入正极端子、直流电压输入负极端子、降压级输出参考正极端子和降压级输出参考负极端子组成；第一晶体管的集电极与直流电压输入正极端子相连，第一晶体管的发射极与降压级输出参考正极端子相连，第一二极管的阳极与直流电压输入负极端子相连，第一二极管的阴极与降压级输出参考正极端子相连；第二晶体管的发射极与直流电压输入负极端子相连，第二晶体管的集电极与降压级输出参考负极端子相连，第二二极管的阴极与直流电压输入正极端子相连，第二二极管的阳极与降压级输出参考负极端子相连； 

升压级电路，用于将直流输入电流转换为双极性的脉宽调制输出电流后注入到输出电容中，从而实现双极性的电压输出，并具有升压能力。升压级电路由第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管、输出电容、升压级电路输入参考正极端子、升压级电路输入参考负极端子、交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子组成；第三晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第三晶体管的发射极与交流电压输出参考正极端子相连；第四晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第四晶体管的集电极与交流电压输出参考正极端子相连；第五晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第五晶体管的发射极与交流电压输出参考负极端子相连；第六晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第六晶体管的集电极与交流电压输出参考负极端子相连；输出电容的两端分别与交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子相连。