[发明专利]正激式五电平逆变器

说明书

本发明公开了一种正激式五电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、正激式五电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；通过改变周波变换器的类型，得到半波整流正激式五电平逆变器和全波整流正激式五电平逆变器的电路拓扑族。本发明具有功率变换级数少，双向功率流，输出滤波器前端电压频谱特性好等优点，提高了变换效率和功率密度，减小了体积和重量，能够降低开关器件的电压应力，实现交流负载与直流电源高频电气隔离。

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种正激式五电平逆变器。

背景技术

直-交(DC-AC)变换技术是指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。

迄今为止，国内外电力电子研究人员对于直-交变换器的研究，主要集中在非电气隔离式、低频和高频电气隔离式等两电平直-交变换器；对于多电平变换器的研究，主要集中在多电平直-直、直-交和交-直变换器，而对于多电平直-交变换器的研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式直-交型多电平直-交变换器，而对高频隔离式多电平两级功率变换的逆变器研究却比较少。

多电平逆变器主要有三类拓扑结构：(1)二极管箝位型逆变器、(2)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具有适用与高输入电压大功率逆变器场合的优点：具有独立直流电源的级联型多电平逆变器具有适用于低输入、高输出电压大功率逆变场合的优点。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。

高频环节逆变技术用高频变压器代替了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，必将取代低频环节逆变器，得到广泛应用。随着航空科技和航空电子的快速发展，飞机二次电源必须向高功率密度、高效率和模块化方向发展；另外再生能源的开发利用中，适用于太阳能阵列与电网并联的逆变器和燃料电池逆变器以及不间断电源等逆变场合，高频环节逆变器都具有广泛的应用前景，特别是对逆变器的体积、重量有较高要求的逆变场合有更重要的应用前景。

进十年来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少的有价值的研究成果。1990年S.R.Narayana Prakask等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”，由高频电气隔离的DC/DC变换器和buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、三级功率变换(DC—HFAC—DC—LFAC)、变换效率高、采用传统PWM技术时功率器件开关损耗大、成本高等特点。I.Yamato等人于1988年提出了“双向Buck型高频环节逆变器”，该逆变器由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通周期均有两个或四个功率器件同时导通，导通损耗较大。具有双向功率流、直流—高频脉冲交流—低频交流的两级结构、效率较高、导通损耗大等特点。但是这种“双向Buck型高频环节逆变器”在滤波电感前端产生的电压为±Ui两电平或为±Ui、0三电平，考虑到在高压输入场合下扩大功率器件的选择范围，功率开关管的电压应力要低，所以这一固有缺陷制约了这种“双向Buck型高频环节逆变器”在高输入电压大功率逆变器场合的应用。

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Buck型逆变桥的开关管的电压应力，输出滤波电感电容值都没有得到减小。而且这种多电平拓扑是在单向Buck型高频环节逆变器的基础上提出的，由于单向Buck型高频环节逆变器的固有缺陷，所以这一系列的高频隔离型式多电平拓扑应用场合受到限制。

发明内容