專利名稱：：組合式三電平交-交變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明屬于電力電子變換技術(shù)，特別是一類組合式三電平交-交變換器。
背景技術(shù)：
：交-交變換技術(shù)是應(yīng)用功率半導體器件，將某一頻率和幅值的交流電能轉(zhuǎn)換成同一或另一頻率和幅值的交流電能的一種變流技術(shù)，廣泛地應(yīng)用于國防、工礦企業(yè)、科研院所、大學實驗室和日常生活中。迄今為止，國內(nèi)外電力電子研究人員對于交-交變換器的研究，主要集中在非電氣隔離式、低頻和高頻電氣隔離式等兩電平交-交變換器；對于多電平變換器的研究，主要集中在多電平直流變換器、多電平逆變器和多電平整流器，而對于多電平交-交變換器的研究則非常少，且僅僅局限于開關(guān)單元的簡單串-并(并-串)組合思想形成的三電平變換器、中間帶有直流環(huán)節(jié)的交-直-交型多電平交-交變換器和隔離式三電平交-交變換器?；鹃_關(guān)單元的簡單串-并(并-串)組合思想形成的三電平變換器電路拓撲形式多樣化，靈活多變，但是多數(shù)沒有給出完整的電路拓撲圖，目前主要用應(yīng)在逆變方面，使用的直流電源太多等缺陷(陳阿蓮，何湘寧等，"基于基本單元串-并(并-串)思想生成多電平變換器拓撲的方法"，《電工技術(shù)學報》，2004，Vol.l9,No.2,PP.4146;楊旭，石勇等，"一種新的開關(guān)拓撲變換方法及新型多電平交一交變流電路"，《中國電機工程學報》，2004，Vol.24,No.9,PP.8691。)。中間帶有直流環(huán)節(jié)的交-直-交型三電平交-交變換器存在電路拓撲復雜、功率變換級數(shù)多、輸入側(cè)功率因數(shù)低、變換效率偏低、功率密度低、控制復雜等缺點。隔離式交流三電平交-交變換器雖然輸出波形質(zhì)量較好，穩(wěn)定性高，但變換器自身帶有交流電壓器，使變換器體積增大，成本升高，變換效率降低，經(jīng)濟效益低等缺點。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一類實現(xiàn)電壓等級低的器件完成電壓等級高、容量大的組合式三電平交-交變換器。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為一種組合式三電平交-交變換器，由輸入交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，該輸入濾波器對輸入交流電源Ui進行濾波，三電平基本變換器將經(jīng)輸入濾波器濾波后的輸入電壓通過基本交流開關(guān)單元轉(zhuǎn)化為三電平輸出電壓，經(jīng)過儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)基本變換器中的基本交流開關(guān)單元的控制時序，對儲能電感Lf中存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波器濾除輸出電壓中的高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(l)將基本變換器通過一定的方式組合起來，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓等級低的器件完成電壓等級高，容量大的交-交電能變換，使得電力電子技術(shù)可以應(yīng)用在高壓大功率的場合，是新型電力電子變壓器和正弦交流調(diào)壓器等的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)，在民用、國防和工業(yè)等領(lǐng)域的高壓交-交電能變換場合，具有廣泛的應(yīng)用前景。(2)具有拓撲簡潔、雙向功率傳遞、輸出濾波器前端電壓頻譜特性好、變換效率高、輸出波形質(zhì)量好、可靠性高等優(yōu)點，因而相對于傳統(tǒng)的兩電平交-交變換器，該類變換器可以減小開關(guān)管的電壓應(yīng)力，實現(xiàn)更高的電壓級別的轉(zhuǎn)換，同時減小濾波器的體積與重量，提高輸出波形質(zhì)量；相對中間帶有直流環(huán)節(jié)的交一直一交型三電平交-交變換器和帶有變壓器隔離的三電平交-交變換器，該類變換器可以提高變換效率和功率密度、減小體積和重量、并提高輸入側(cè)功率因數(shù)，從而大大拓寬了三電平交-交變換器的應(yīng)用場合。(3)通過調(diào)整開關(guān)管的占空比，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓的升高與降低。(4)能夠?qū)⒉环€(wěn)定的、劣質(zhì)正弦交流電直接變換成穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步詳細描述。圖1是本發(fā)明組合式三電平交-交變換器的電路結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明輸入輸出不共地型組合式三電平交-交變換器拓撲圖。圖3是本發(fā)明輸入輸出共地型組合式三電平交-交變換器拓撲圖。具體實施例方式本發(fā)明組合式三電平交-交變換器，由輸入交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，該輸入濾波器對輸入交流電源Ui進行濾波，三電平基本變換器將經(jīng)輸入濾波器濾波后的輸入電壓通過基本交流開關(guān)單元轉(zhuǎn)化為三電平輸出電壓，經(jīng)過儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)基本變換器中的基本交流開關(guān)單元的控制時序，對儲能電感Lf中存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波器濾除輸出電壓中的高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。結(jié)合圖l，實現(xiàn)上述目的的組合式三電平交-交變換器，由輸入高壓交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，能夠?qū)⒉环€(wěn)定的、劣質(zhì)正弦交流電直接變換成穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電，即輸入交流電源Ui與輸入濾波電感Li的一端連接，該輸入濾波電感Li的另一端分別與三電平基本變換器和輸入濾6波電容C,相連接，該輸入濾波電容Ci的另一端分別與輸入交流電源u,和三電平基本變換器相連接；輸入濾波電感Li和輸入濾波電容Q構(gòu)成輸入濾波器，對輸入交流電源Ui進行濾波；三電平基本變換器將經(jīng)輸入濾波器濾波后的輸入電壓轉(zhuǎn)化為三電平輸出電壓，由儲能電感Lf、四個串聯(lián)的第一至第四基本交流開關(guān)單元S!、S2、S3、S4構(gòu)成，其中第一基本交流開關(guān)單元S,與輸入濾波電感Li的另一端連接，第一、第二基本交流開關(guān)單元S卜S2的連接點與儲能電感Lf一端連接，該儲能電感Lf另一端與基本變換器一端連接，第三、第四基本交流開關(guān)單元S3、S4的連接點與基本變換器的另一端相連接，第四基本交流開關(guān)單元S4分別與輸入濾波電容Ci的另一端和輸入交流電源Ui的另一端連接；基本變換器由兩個串聯(lián)的第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6相連接構(gòu)成，儲能電感Lf的另一端與第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6連接點相連接，第五基本交流開關(guān)單元S5另一端分別與第三、第四基本交流開關(guān)單元S3、S4連接點、輸出濾波電容Co—端和輸出負載連接，第六基本交流開關(guān)單元S6另一端分別與輸出濾波電容Q)另一端和輸出負載連接；電能從高壓交流電源Ui輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除諧波與干擾，提高輸入電壓的質(zhì)量，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)三電平基本變換器中的第一至第四基本交流開關(guān)單元S卜S2、S3、S4的控制時序，將濾波后的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)過儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)基本變換器中的第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、Ss的控制時序，對儲能電感Lf中存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。其中，基本交流開關(guān)單元由兩個功率開關(guān)管分別反并聯(lián)一個二極管，然后再串聯(lián)構(gòu)成。實施例l:結(jié)合圖2，本發(fā)明組合式三電平交-交變換器輸入輸出不共地，即由輸入高壓交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，輸入交流電壓源Ui與輸入濾波電感Li的一端連接，輸入濾波電感Li的另一端分別與第一分壓電容Cdl的一端和第一基本交流開關(guān)單元S！的一端相連接，第一分壓電容Cdl的另一端分別與第二分壓電容Cd2的一端、第二基本交流開關(guān)單元S2的一端和第三基本交流開關(guān)單元S3的一端相連接，第二分壓電容Cd2的另一端分別與輸入交流電源u,的另一端和第四基本交流開關(guān)單元S4的一端相連接，第一基本交流開關(guān)單元S！的另一端分別與第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端和儲能電感Lf的一端相連接，第三基本交流開關(guān)單元S3的另一端分別與第四基本交流開關(guān)單元S4的另一端、第五基本交流開關(guān)單元Ss的一端、輸出濾波電容Co的一端和輸出負載Ro的一端相連接，儲能電感Lf的另一端分別與第五基本開關(guān)單元S5的另一端、第六基本交流開關(guān)單元S6的一端相連接，第六基本交流開關(guān)單元S6的另一端分別與輸出濾波器的另一端和輸出負載Ro的另一端相連接；輸入濾波電感L,、第一和第二分壓電容Cd!和Cd2構(gòu)成輸入濾波器，對輸入交流電源Ui進行濾波；第一至第四基本交流開關(guān)單元S"S2、S3、S4和儲能電感Lf構(gòu)成基本三電平變換器；第五和第六基本交流開關(guān)單元S5和S6構(gòu)成基本變換器；輸出濾波電容Co構(gòu)成輸出濾波器，濾除基本變換器輸出電壓中的高次諧波。電能從高壓交流電源Ui輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除一些諧波與干擾，并且兩個分壓電容對輸入電壓進行均分，可以看成是兩個電壓為Ui/2的電壓源，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)第一至第四基本交流開關(guān)單元S!、S2、S3、S4的控制時序，將濾波后的輸入電壓轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6的控制時序，對儲能電感Lf存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波電容Co濾除高次諧波，可以得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。具體的工作模式和開關(guān)管的開通與關(guān)斷情況如下表1所示表1輸入輸出不共地組合式三電平交-交變換器工作模態(tài)<table>tableseeoriginaldocumentpage8</column></row><table>其中"0"表示開關(guān)關(guān)斷；"1"表示開關(guān)開通；"t"表示升高；"一"表示不變；"4"表示降低。實施例2:結(jié)合圖3，本發(fā)明組合式三電平交-交變換器輸入輸出共地，由輸入高壓交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，輸入交流電源叫的一端與輸入濾波電感L,的一端連接，輸入濾波電感Lj的另一端分別與輸入濾波電容Cj的一端和第四基本交流開關(guān)單元S4的一端相連接，輸入濾波電容Ci的另一端分別與輸入電源化的另一端、第三基本交流開關(guān)單元S3的一端、第五基本交流開關(guān)單元Ss的一端、輸出濾波電容Q)的一端和交流負載Ro的一端相連接，第四基本交流開關(guān)單元S4的另一端分別與第一基本交流開關(guān)單元Si的一端和中間電容Cb的一端相連接，第一基本交流開關(guān)單元S！的另一端分別與第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端和儲能電感Lf的一端相連接，第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端分別與第三基本交流開關(guān)單元S3的另一端和中間電容Cb的另一端相連接，儲能電感Lf的另一端分別與第五基本交流開關(guān)單元S5的另一端和第六基本交流開關(guān)單元S6的一端相連接，第六基本交流開關(guān)單元S6的另一端與輸出濾波電容Co的另一端和交流負載Ro的另一端相連接；輸入濾波電感Li和輸入濾波電容d構(gòu)成輸入濾波器；第一至第四基本交流開關(guān)單元Si、S2、S3、S4，中間電容Cb和儲能電感Lf構(gòu)成三電平基本變換器；第五、第六基本交流開關(guān)單元Ss、S6構(gòu)成基本變換器；輸出濾波電容Q)構(gòu)成輸出濾波器，濾除基本變換器輸出電壓中的高次諧波。電能從高壓交流電源u,輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除一些諧波與干擾，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)第一至第四基本交流開關(guān)單元S卜S2、S3、S4的控制時序，使中間電容Cb上的電壓始終為輸入電壓u,的一半，并將濾波后的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)儲能電感Lf進行存儲，再通過調(diào)節(jié)第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6的控制時序，對儲能電感Lf存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波電容Co濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。具體的工作模式和開關(guān)管的開通與關(guān)斷情況如下表2所示表2輸入輸出共地組合式三電平交-交變換器工作模態(tài)工作模態(tài)Sjs2s3s4s5s6UCbUTLLf的能量10101101Uj/22100110—t3100101一Ui4101001u/25011001—01其中"0"表示開關(guān)關(guān)斷;"1"表示開關(guān)開通;"t"表示升高；"_"表示不變；"j，，表示降低。9權(quán)利要求1、一種組合式三電平交-交變換器，其特征在于由輸入交流電源、輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器和輸出濾波器依次連接構(gòu)成，該輸入濾波器對輸入交流電源ui進行濾波，三電平基本變換器將經(jīng)輸入濾波器濾波后的輸入電壓通過基本交流開關(guān)單元轉(zhuǎn)化為三電平輸出電壓，經(jīng)過儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)基本變換器中的基本交流開關(guān)單元的控制時序，對儲能電感Lf中存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波器濾除輸出電壓中的高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。2、根據(jù)權(quán)利要求l所述的組合式三電平交-交變換器，其特征在于輸入交流電源Uj與輸入濾波電感Lj的一端連接，該輸入濾波電感L,的另一端分別與三電平基本變換器和輸入濾波電容Ci相連接，該輸入濾波電容Ci的另一端分別與輸入交流電源u,和三電平基本變換器相連接；輸入濾波電感Li和輸入濾波電容Ci構(gòu)成輸入濾波器，對輸入交流電源Uj進行濾波；三電平基本變換器將經(jīng)輸入濾波器濾波后的輸入電壓轉(zhuǎn)化為三電平輸出電壓，由儲能電感Lf、四個串聯(lián)的第一至第四基本交流開關(guān)單元S^S2、S3、S4構(gòu)成，其中第一基本交流開關(guān)單元Si與輸入濾波電感Li的另一端連接，第一、第二基本交流開關(guān)單元S"S2的連接點與儲能電感Lf一端連接，該儲能電感Lf另一端與基本變換器一端連接，第三、第四基本交流開關(guān)單元S3、S4的連接點與基本變換器的另一端相連接，第四基本交流開關(guān)單元S4分別與輸入濾波電容Ci的另一端和輸入交流電源u,的另一端連接；基本變換器由兩個串聯(lián)的第五、第六基本交流開關(guān)單元Ss、S6相連接構(gòu)成，儲能電感Lf的另一端與第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6連接點相連接，第五基本交流開關(guān)單元Ss另一端分別與第三、第四基本交流開關(guān)單元S3、S4連接點、輸出濾波電容Co—端和輸出負載連接，第六基本交流開關(guān)單元S6另一端分別與輸出濾波電容Cc另一端和輸出負載連接；電能從高壓交流電源Ui輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除諧波與干擾，提高輸入電壓的質(zhì)量，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)三電平基本變換器中的第一至第四基本交流開關(guān)單元S,、S2、S3、S4的控制時序，將濾波后的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)過儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)基本變換器中的第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6的控制時序，對儲能電感Lf中存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波器濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。3、根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的組合式三電平交-交變換器，其特征在于組合式三電平交-交變換器的輸入輸出不共地，輸入交流電壓源Ui與輸入濾波電感Lj的一端連接，輸入濾波電感Lj的另一端分別與第一分壓電容Cdl的一端和第一基本交流開關(guān)單元Si的一端相連接，第一分壓電容Qn的另一端分別與第二分壓電容Cd2的一端、第二基本交流開關(guān)單元S2的一端和第三基本交流開關(guān)單元S3的一端相連接，第二分壓電容C氾的另一端分別與輸入交流電源u,的另一端和第四基本交流開關(guān)單元S4的一端相連接，第一基本交流開關(guān)單元的另一端分別與第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端和儲能電感Lf的一端相連接，第三基本交流開關(guān)單元S3的另一端分別與第四基本交流開關(guān)單元S4的另一端、第五基本交流開關(guān)單元Ss的一端、輸出濾波電容Q)的一端和輸出負載Ro的一端相連接，儲能電感Lf的另一端分別與第五基本開關(guān)單元S5的另一端、第六基本交流開關(guān)單元S6的一端相連接，第六基本交流開關(guān)單元S6的另一端分別與輸出濾波器的另一端和輸出負載Ro的另一端相連接；輸入濾波電感L,、第一和第二分壓電容Cd,和Cd2構(gòu)成輸入濾波器，對輸入交流電源Ui進行濾波；第一至第四基本交流開關(guān)單元S卜S2、S3、S4和儲能電感Lf構(gòu)成基本三電平變換器；第五和第六基本交流開關(guān)單元Ss和S6構(gòu)成基本變換器；輸出濾波電容Q)構(gòu)成輸出濾波器，濾除基本變換器輸出電壓中的高次諧波；電能從高壓交流電源Ui輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除一些諧波與干擾，并且兩個分壓電容對輸入電壓進行均分，可以看成是兩個電壓為Uj/2的電壓源，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)第一至第四基本交流開關(guān)單元S卜S2、S3、S4的控制時序，將濾波后的輸入電壓轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)儲能電感Lf進行存儲，再經(jīng)過調(diào)節(jié)第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6的控制時序，對儲能電感Lf存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波電容Co濾除高次諧波，可以得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。4、根據(jù)權(quán)利要求l或2所述的組合式三電平交-交變換器，其特征在于組合式三電平交-交變換器的輸入輸出共地，輸入交流電源Ui的一端與輸入濾波電感Li的一端連接，輸入濾波電感Li的另一端分別與輸入濾波電容Ci的一端和第四基本交流開關(guān)單元S4的一端相連接，輸入濾波電容Ci的另一端分別與輸入電源Ui的另一端、第三基本交流開關(guān)單元S3的一端、第五基本交流開關(guān)單元Ss的一端、輸出濾波電容Co的一端和交流負載Ro的一端相連接，第四基本交流開關(guān)單元S4的另一端分別與第一基本交流開關(guān)單元S,的一端和中間電容Cb的一端相連接，第一基本交流開關(guān)單元S！的另一端分別與第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端和儲能電感Lf的一端相連接，第二基本交流開關(guān)單元S2的另一端分別與第三基本交流開關(guān)單元S3的另一端和中間電容Cb的另一端相連接，儲能電感Lf的另一端分別與第五基本交流開關(guān)單元S5的另一端和第六基本交流開關(guān)單元S6的一端相連接，第六基本交流開關(guān)單元S6的另一端與輸出濾波電容Q的另一端和交流負載Ro的另一端相連接；輸入濾波電感Li和輸入濾波電容Ci構(gòu)成輸入濾波器；第一至第四基本交流開關(guān)單元ShS2、S3、S4，中間電容Cb和儲能電感Lf構(gòu)成三電平基本變換器；第五、第六基本交流開關(guān)單元S5、S6構(gòu)成基本變換器；輸出濾波電容Co構(gòu)成輸出濾波器，濾除基本變換器輸出電壓中的高次諧波；電能從高壓交流電源Ui輸入，經(jīng)輸入濾波器濾除一些諧波與干擾，然后經(jīng)過調(diào)節(jié)第一至第四基本交流開關(guān)單元S!、S2、S3、S4的控制時序，使中間電容Cb上的電壓始終為輸入電壓Ui的一半，并將濾波后的輸入電壓信號轉(zhuǎn)換成三種電平信號，經(jīng)儲能電感Lf進行存儲，再通過調(diào)節(jié)第五、第六基本交流開關(guān)單元Ss、S6的控制時序，對儲能電感Lf存儲的能量進行釋放，最后經(jīng)過輸出濾波電容Q濾除高次諧波，得到穩(wěn)定的同頻、優(yōu)質(zhì)正弦交流電。全文摘要本發(fā)明公開了組合式三電平交-交變換器。該變換器的電路結(jié)構(gòu)由輸入濾波器、三電平基本變換器、基本變換器、輸出濾波器和輸出交流負載構(gòu)成，其中三電平變換器由四個交流基本開關(guān)單元和中間電容或儲能電感構(gòu)成，將經(jīng)過輸入濾波器的輸入電壓轉(zhuǎn)化為三種輸出電平；經(jīng)過基本變換器、輸出濾波器，得到輸出波形。本發(fā)明提高了變換效率和功率密度、不帶有變壓器使變換器體積減小，重量減輕、并提高輸入側(cè)功率因數(shù)；可以實現(xiàn)電壓等級低的器件完成電壓等級高，容量大的交-交電能變換，使得電力電子技術(shù)可以應(yīng)用在高壓大功率的場合，并減小輸出濾波器的體積和重量、提高輸出波形質(zhì)量，從而大大地減輕了組合式三電平交-交變換器的體積和重量。文檔編號H02M5/02GK101677218SQ20081019619公開日2010年3月24日申請日期2008年9月17日優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日發(fā)明者仲慶龍,唐棟材,磊李,楊君東,楊開明,徵韋申請人:南京理工大學