[发明专利]一种Buck高频隔离式五电平逆变器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种Buck高频隔离式五电平逆变器。

背景技术

直－交DC-AC变换技术是应用功率半导体器件，将直流电能转换成恒压恒频交流电能的一种变流技术，简称逆变技术。其广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所、大学实验室和日常生活中。随着新能源技术的发展与应用，逆变技术在新能源中的应用也越来越多。

常规的逆变技术通常在逆变器和输出端之间加入一级工频变压器来调整电压比和作为电气隔离，但是工频变压器具有体积大、会产生音频噪声、动态响应特性差及输出滤波器体积大等诸多缺点。1977年Mr.ESPELAGE提出了高频链逆变技术的新概念，利用高频变压器代替传统低频环节逆变技术中的工频变压器，克服了低频逆变技术的缺点，显著提高了逆变器的特性。同年，德国学者Holtz首次提出了利用开关管来辅助中点箝位的三电平逆变器主电路，1980年日本的ANabae等人对其进行了发展，提出了二极管箝位式多电平逆变电路。

大功率电力电子器件的发展也为多电平逆变装置的研究提供了技术支持。经过几十年的发展，多电平逆变技术目前主要有三类拓扑结构：1二极管箝位型逆变器、2飞跨电容箝位型逆变器、3具有独立直流电源直流的级联型逆变器。二极管箝位型、电容箝位型多电平逆变器适用于高输入电压大功率逆变器场合；具有独立直流电源的级联型多电平逆变器则适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合。但是二极管箝位型、电容箝位型多电平多点平逆变技术存在拓扑形式单一、无电气隔离等缺陷；具有独立直流电源的级联型多电平逆变技术存在电路拓扑复杂输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等缺陷。

而目前所研究的高频隔离型式多电平拓扑结构大多数集中在中间带有直流环节的单向Buck型高频环节逆变器。只是在高频电气隔离的DC/DC变换器中加入了多电平技术。只是减小了高频电气隔离的DC/DC变换器中开关管的电压应力，而在输出滤波电感前端并没有真正实现多电平，并没有减小开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。

发明内容

本发明目的在于提供一种Buck高频隔离式五电平逆变器，可显著降低逆变器开关管的电压应力，并且在交流负载与直流电源间实现高频电气隔离。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种Buck高频隔离式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、Buck高频隔离五电平变换单元、高频隔离变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，其中：

输入直流电源的正极与分压电容的正极连接，输入直流电源的负极与分压电容的负极连接，分压电容的正极与Buck高频隔离五电平变换单元正极连接，输入电容的负极与Buck高频隔离五电平变换单元的负极连接，Buck式高频隔离五电平变换单元的输出端与高频隔离式变压器的初级绕组连接，高频隔离式变压器的次级绕组与周波变换器的输入端连接，周波变换器的输出端与输出滤波器的输入端连接，输出滤波器的输出端与输出交流负载相连。

进一步的实施例中，所述分压电容包括第一分压电容和第二分压电容；第一分压电容的正极与输入直流电源单元的正极连接，第一分压电容的负极与第二分压电容的正极连接，第二分压电容的负极与输入直流电源的参考负极连接。

进一步的实施例中，所述周波变换器为全桥式周波变换器或全波式周波变换器中的一种。

与现有技术相比，本发明的显著优点在于：

1在传统两电平全桥逆变电路的基础上，引入多电平技术，根据箝位型多电平拓扑的构造思路提出了Buck五电平逆变电路。并在输入直流电源与交流负载中插入高频隔离变压器，实现了输入侧与负载侧的电气隔离，同时实现变换器的小型化、轻量化，提高变换器的效率。

2与传统两电平逆变器相比，该变换器能在输出滤波器前端获得Ui、Ui/2、0、-Ui/2、-Ui五个电平，减小了开关管的电压应力和输出滤波器体积，拓宽了全桥型逆变器的应用范围。同时改善了输出电压波形。

3本发明具有功率变换级数少直流DC-高频交流HFAC-低频交流LFAC，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点。变换器能在四象限工作，因此可带阻性、容性、感性负载。