[发明专利]一种高频隔离式三电平逆变器

说明书

技术领域

本发明属于电力电子变换技术领域，特别是一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器。

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静止变流装置，供交流负载用电或与交流电网并网发电，广泛地应用于国防、工矿企业、科研院所和日常生活中。随着新能源的开发和利用，直－交(DC-AC)变换技术在蓄电池、太阳能电池和燃料电池等其它新能源转化的电能变换成交流电能与电网并网发电中也有越来越多的应用。

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，而对于隔离式直－交变换器，主要集中在低频和高频电气隔离式两电平直－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、交-交和交-直变换器，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、低频或中频隔离式多电平直－交变换器，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。

大功率电力电子器件的发展为多电平逆变装置的研究提供了技术支持。1977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Akira Nabae教授等人对其进行了发展，提出了出了中点箝位逆变器(Neutral-Point-Clamped Inverter，NPC逆变器)。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)具有独立直流电源的级联型逆变器。其中二极管箝位型、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。除此之外，其他类型的多电平拓扑结构基本都由这三类拓扑衍生而来。

Mr.ESPELAGE于1977年提出了高频链逆变技术的新概念。高频链逆变技术与常规的逆变技术最大的不同在于前者利用高频变压器实现输入与输出的电气隔离，减小了变压器的体积和重量。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，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。

自从高频逆变新技术的概念提出以来，围绕高频环节逆变技术，国内外学者做了大量的研究工作，取得了不少有价值的研究成果。1998年浙大黄敏超博士提出了全桥双向电流源高频链逆变器，该逆变器具有双向功率传输、拓扑结构简单、使用器件少、控制方案简单、效率高、可靠性高以及良好的动态响应等优点。但是由于反激拓扑的限制及两电平电路本身的缺点，该逆变器开关管功率小，耐压能力低，只能在电压及功率较小的场合应用。

发明内容

针对上述中全桥双向电流源高频链逆变器开关管电压应力小的问题，本发明提出了一种全桥电流源型高频隔离式三电平逆变器，在原有技术中引入多电平技术，减小了开关管电压应力，同时具有两级功率变换(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、高功率密度、输出滤波器体积小、能够实现交流负载与直流电源高频电气隔离等优点。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种高频隔离式三电平逆变器，由依次连接的输入直流电源、分压电容、全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成；输入直流电源单元与分压电容一端连接，分压电容另一端与全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元一端连接，全桥电流源型高频隔离式三电平变换单元另一端与周波变换器一端连接，周波变换器另一端与输出滤波器一端连接，输出滤波器另一端与输出交流负载连接。

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。