专利名称：基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器的制作方法
技术领域：
本发明属于电力电子变换技术，特别是一种基于正激变换器的交一交型三电平交 一交变换器。
背景技术：
交一交(AC-AC)变换技术是应用功率半导体器件，将某一频率和幅值的交流电 能转换成同一或另一频率和幅值的交流电能的一种变流技术，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。迄今为止，国内外电力电子研究人员对于交一交变换器的研究，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交一交变换器；对于多电平变换器的研究， 主要集中在多电平DC-DC、 DC-AC禾Q AC-DC变换器，而对于多电平交一交变换器的 研究则非常少，且仅仅局限于非隔离式、低频或中频隔离式交一直一交型多电平交一 交变换器和Buck型非隔离式交一交型三电平交一交变换器。交一直一交型多电平交一 交变换器和Buck型非隔离式交一交型三电平交一交变换器虽然各具优点，但前者存在 电路拓扑复杂、功率变换级数多、输入侧功率因数低、变换效率偏低、功率密度低等 缺陷；而后者存在拓扑形式单一、只能实现降压变换、无电气隔离等缺陷。M.Glinka等人提出了一种中频隔离式交一直一交型多电平交一交变换器("A new AC/AC multilevel converter family", IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2005， Vol.52， No.3， pp.662 669.)，其电路结构由模块化多电平交一交变换器(MtC)、中 频变压器、整流器、逆变器和滤波器等构成，具有电气隔离、输出电压可控、模块化、 适用于高压交一交变换等优点，但存在拓扑复杂、功率变换级数多(低频交流LFAC — 直流DC—中频交流MFAC —直流DC —低频交流LFAC)、输入侧功率因数低、变换效率 和功率密度低、体积重量大、控制复杂等缺陷。发明内容本发明的发明目的在于提供一种具有拓扑简洁、高频电气隔离、两级功率变换(低
频交流LFAC —高频交流HFAC—低频交流LFAC)、双向功率流、输入侧功率因数高、 输出滤波器前端电压频谱特性好、变换效率和功率密度高、适用于高压交一交电能变 换场合的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器。实现本发明目的的技术解决方案为 一种基于正激变换器的交一交型三电平交— 交变换器，由依次连接的输入滤波器、多电平变换器、高频变压器、周波变换器、输 出滤波器和输出交流负载构成，该变换器将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或 可调的同频、优质正弦交流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高 压交一交变换场合的电路结构，即输入滤波电感L，和输入滤波电容Ci构成输入滤波器， 该输入滤波器对输入高压交流电源Ui进行滤波，所述的将经输入滤波器滤波后的输入 电压转化为双极性多电平输出电压uN1的多电平变换器与高频变压器T的初级绕组Ni 连接，该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功 率开关S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器 的输出电压转化为单极性多电平输出电压UAB;在该周波变换器中，第三四象限功率开 关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开 关S4和输出滤波电感Lf相连接，该第四四象限功率开关S4的另一端和次级绕组N2的 另一端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与输出滤波电容Cf和输出交流负载Zl 一端连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的另一端或 者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输 出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压Uab中的高次谐波，从而在输出交流负载 侧得到高质量的正弦交流电压Uo。本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高 压交一交变换场合的正激式电路拓扑，即输入高压交流电源u,的一端与输入滤波电感 Li一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与输入滤波电容Ci、第五四象限功率开 关S5、四象限箝位功率开关Se和高频变压器T的初级绕组N！的一端相连接；该输入 滤波电容C,的另一端分别与该输入高压交流电源Ul的另一端、回馈绕组N3的一端、 第二四象限功率开关S2的一端连接;所述的输入滤波电感Li和输入滤波电容Ci构成输 入滤波器；该第五四象限功率开关S5的另一端与所述的回馈绕组N3的另一端连接；该 四象限箝位功率开关Sc的另一端分别与第二四象限功率开关S2另一端、第一四象限功 率开关Si —端连接；该第一四象限功率开关Si的另一端与高频变压器的初级绕组N, 的另一端连接；所述的第一四象限功率开关Si、第二四象限功率开关S2和四象限箝位 功率开关Sc构成多电平变换器；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载Z^的 另一端分别与次级绕组N2和周波变换器的第四四象限功率开关S4的另一端连接。本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高 压交一交变换场合的推挽式电路拓扑，即输入高压交流电源u,的一端与输入滤波电感 L,一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与输入滤波电容Q、第一四象限箝位功 率开关Sel和第二四象限箝位功率开关Sc2的一端以及高频变压器T的初级绕组Ni的中 间抽头相连接；该输入滤波电容C,的另一端分别与输入高压交流电源Ui的另一端、第二四象限功率开关S2、第六四象限功率开关S6连接，所述的输入滤波电感Li和输入滤 波电容Ci构成输入滤波器；该第二四象限功率开关S2的另一端分别与第一四象限功率 开关Si—端和第一四象限箝位功率开关Sd另一端相连接，该第一四象限功率开关S, 的另一端和初级绕组N,的一端连接;所述的第六四象限功率开关Se的另一端分别与第七四象限功率开关S7—端和第二四象限箝位功率开关Sc2另一端连接；该第七四象限 功率开关S7另一端和初级绕组N！的另一端相连接；所述的第一四象限功率开关Sh第二四象限功率开关S2、第一四象限箝位功率开关Sd、第六四象限功率开关S6、第七 四象限功率开关S7和第二四象限箝位功率开关Sc2共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关Sj、第二四象限功率开关S2和第一四象限箝位功率开关Sd构成该多电平变换器的第一基本构成单元，第六四象限功率开关S6、第七四象限功率开关S7和 第二四象限箝位功率开关Sc2构成该多电平变换器的第二基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的半桥式电路拓扑，即输入高压交流电源u,的一端与输入滤波电感 Li 一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与第一输入滤波电容Q和第二四象限功
率开关S2的一端相连接；该第一输入滤波电容G的另一端分别与第二输入滤波电容 C2、第三四象限箝位功率开关Sc3、第四四象限箝位功率开关Sc4、高频变压器T的初 级绕组Ni的一端连接；所述的输入滤波电感Li、第一输入滤波电容d和第二输入滤 波电容C2构成输入滤波器，对输入高压交流电源Ui滤波，且第一输入滤波电容C!和 第二输入滤波电容C2对输入高压交流电源Ui进行分压；该第二输入滤波电容C2的另 一端分别与输入高压交流电源Ui另一端和第八四象限功率开关S8—端连接；所述的第 二四象限功率开关S2的另一端分别和第三四象限箝位功率开关Sc3另一端和第一四象 限功率开关S, —端相连接；该第一四象限功率开关St的另一端分别与初级绕组N,另 一端和第九四象限功率开关S9 —端连接，该第九四象限功率开关S9的另一端分别与第 四四象限箝位功率开关Se4的另一端、第八四象限功率开关S8的另一端连接；所述的 第一四象限功率开关S卜第二四象限功率开关S2、第三四象限箝位功率开关Sc3、第八 四象限功率开关S8、第九四象限功率开关S9和第四四象限箝位功率开关S。4共同构成 多电平变换器，其中第一四象限功率开关Si、第二四象限功率开关S2和第三四象限箝 位功率开关Se3构成该多电平变换器的第一基本构成单元，第九四象限功率开关S9、第 八四象限功率开关S8和第四四象限箝位功率开关Se4构成该多电平变换器的第二基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。本发明基于正激变换器的交—交型三电平交—交变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的全桥式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与第一输入滤波电容Q、第二四象限功 率开关S2和第十三四象限功率开关S13的一端相连接；该第一输入滤波电容C,的另一 端分别与第二输入滤波电容C2、第五四象限箝位功率开关Sc5、第六四象限箝位功率开 关Se6、第七四象限箝位功率开关Sc7和第八四象限箝位功率开关Sc8的一端连接；所述的输入滤波电感Li、第一输入滤波电容d和第二输入滤波电容C2构成输入滤波器，对输入高压交流电源Ui滤波，且第一输入滤波电容C,和第二输入滤波电容C2对输入 高压交流电源Ui进行分压；该第二输入滤波电容C2的另一端分别与输入高压交流电源
U,的另一端、第十四象限功率开关SH)—端和第十四四象限功率开关Sw—端连接；所 述的第二四象限功率开关S2的另一端分别与第五四象限箝位功率开关Se5的另一端和 第一四象限功率开关S, —端相连接，该第一四象限功率开关S,的另一端分别与高频变压器T的初级绕组Ni的一端和第十一四象限功率开关Su —端连接，该第十一四象限 功率开关Su的另一端分别与第六四象限箝位功率开关Sc6的另一端、第十四象限功率 开关S1()的另一端连接；所述的第十三四象限功率开关S13的另一端分别与第七四象限 箝位功率开关Se7的另一端和第十二四象限功率开关S^—端连接，该第十二四象限功率开关Su的另一端分别与初级绕组Ni的另一端和第十五四象限功率开关Si5—端连 接，该第十五四象限功率开关S15的另一端分别和第八四象限箝位功率开关Se8的另一 端、第十四四象限功率开关S,4的另一端相连接；所述的第一四象限功率开关S卜第二 四象限功率开关S2、第五四象限箝位功率开关Se5、第十四象限功率开关Su)、第十一四象限功率开关Sn、第六四象限箝位功率开关Sc6、第十二四象限功率开关Su、第十三四象限功率开关Si3、第七四象限箝位功率开关Se7、第十四四象限功率开关Sw、第十五四象限功率开关Si5和第八四象限箝位功率开关Se8共同构成多电平变换器，其中 第一四象限功率开关第二四象限功率开关S2和第五四象限箝位功率开关Sc5构成该多电平变换器的第一基本构成单元；第十四象限功率开关S1()、第十一四象限功率开关Su和第六四象限箝位功率开关Se6构成该多电平变换器的第二基本构成单元；第十 二四象限功率开关Su、第十三四象限功率开关Su和第七四象限箝位功率开关S。7构成该多电平变换器的第三基本构成单元；第十四四象限功率开关Si4、第十五四象限功率开关Su和第八四象限箝位功率开关Se8构成该多电平变换器的第四基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的中间抽头连 接。本发明与现有技术相比，其显著优点本发明是实现新型电力电子变压器和正弦 交流调压器等的关键技术基础，在民用、国防和工业等领域的高压交一交电能变换场 合，具有广泛的应用前景。由于具有拓扑简洁、高频电气隔离、两级功率变换(低频交流LFAC —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，因而相对于中频隔离式交一直一交型三电平交一交变换器，本发 明可以提高变换效率和功率密度、减小体积和重量、并提高输入侧功率因数；由于采 用了三电平技术，因而相对于两电平交一交变换器，本发明可以适用于高压交一交变 换场合，并可以大大减小输出滤波器的体积和重量、提高输出波形质量。 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
图1是本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的电路结构图。 图2是本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的正激式拓扑图。 图3是本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的推挽式拓扑图。 图4是本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的半桥式拓扑图。 图5是本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的全桥式拓扑图。
具体实施方式
结合图1，本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，由依次连接的 输入滤波器、多电平变换器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载 构成，该变换器将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交 流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高压交一交变换场合的电路 结构，即输入滤波电感L,和输入滤波电容Ci构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高 压交流电源Ui进行滤波，所述的将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为双极性多电 平输出电压uN1的多电平变换器与高频变压器T的初级绕组Ni连接，该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功率开关S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输出电压UAB;在该周波变换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变 压器的次级绕组N2的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开关S4和输出滤波电感 Lf相连接，该第四四象限功率开关S4的另一端和次级绕组N2的另一端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与输出滤波电容Cf和输出交流负载Z^—端连接，该输出滤波 电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的另一端或者中间抽头相连接；所 述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周 波变换器的输出电压UAB中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交 流电压Uo。相对于中频隔离式交一直一交型多电平交一交变换器，本发明的电路结构仅具有两级功率变换(低频交流LFAC —高频交流HFAC—低频交流LFAC)、且具有高频电气 隔离，因而该变换器可提高输入侧功率因数、变换效率、功率密度和可靠性，并减少 体积、重量。由于本发明的电路结构采用四象限功率开关来取代单个的功率开关，因 而可实现双向功率流、并且其每个单个的功率开关所承受的电压应力为两电平交一交 变换器的一半，从而可以广泛应用于高压交一交变换场合。另外，相对于两电平交一 交变换器，由于本发明的电路结构中的周波变换器的输出电压为多电平的电压波形， 改善了频谱特性，因而可减小输出滤波器的体积和重量、并提高输出波形质量。本发明基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器的基本工作原理如下该 变换器可以采用有源箝位的脉宽调制(PWM)斩波加移相的控制方式。当不稳定的高 压、劣质交流电源Ui向交流输出负载Zt传递功率时，多电平变换器将其调制成双极性、 多电平(Ui、 u/2、 0、 -Ui/2、 -Ui)的高频脉冲电压uN1，经高频变压器隔离、传输，周波变换器将其解调成单极性、多电平(UjN2/N,、 ^1、 0、 -#、 -UiNz/ND的低频脉冲电压UAB，再经输出滤波器后得到稳定或可调的同频、优质正弦交流电压Uo。本发明所提出的、具有上述电路结构的基于正激变换器的交一交型三电平交一交 变换器，经过输入滤波器、 一个或多个基本构成单元、高频变压器、周波变换器以及 输出滤波器的依次连接可得到包括正激式、推挽式、半桥式和全桥式四种电路拓扑的 电路拓扑族，但是该电路拓扑族中的所有拓扑均具有相同的电路结构。其中，正激式电路拓扑如图2所示，其具体电路连接如下基于正激变换器的交 一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的正激式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li一端连接，该输入滤波电感Li
的另一端分别与输入滤波电容Ci、第五四象限功率开关Ss、四象限箝位功率开关Sc和 高频变压器T的初级绕组N,的一端相连接；该输入滤波电容Ci的另一端分别与该输 入高压交流电源u,的另一端、回馈绕组N3的一端、第二四象限功率开关S2的一端连 接；所述的输入滤波电感Li和输入滤波电容Ci构成输入滤波器；该第五四象限功率开 关S5的另一端与所述的回馈绕组N3的另一端连接；该四象限箝位功率开关Sc的另一 端分别与第二四象限功率开关S2另一端、第一四象限功率开关S,—端连接；该第一四 象限功率开关Si的另一端与高频变压器的初级绕组Ni的另一端连接；所述的第一四象 限功率开关Si、第二四象限功率开关S2和四象限箝位功率开关Se构成多电平变换器。 该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功率开关 S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出 电压转化为单极性多电平输出电压uab;在该周波变换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开关S4 和输出滤波电感Lf相连接，该第四四象限功率开关S4的另一端和次级绕组N2的另一 端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与输出滤波电容Cf和输出交流负载Zl —端 连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载Zi^的另一端与次级绕组N2的另一端或者中 间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤 波器滤除所述的周波变换器的输出电压uab中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得 到高质量的正弦交流电压Uo。输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载Zt的另一端分别与次级绕组N2和周波变换器的第四四象限功率开关S4的另一端连接。其中第一 四象限功率开关S卜第二四象限功率开关S2和四象限箝位功率开关Sc构成该多电平变换器的基本构成单元。推挽式电路拓扑如图3所示，其具体电路连接如下基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的推挽式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li一端连接，该输入滤波电感L,的另一 端分别与输入滤波电容C,、第一四象限箝位功率开关Sel和第二四象限箝位功率开关 Sc2的一端以及高频变压器T的初级绕组N,的中间抽头相连接；该输入滤波电容Ci的
另一端分别与输入高压交流电源Ui的另一端、第二四象限功率开关S2、第六四象限功 率开关S6连接，所述的输入滤波电感Li和输入滤波电容C,构成输入滤波器；该第二四 象限功率开关S2的另一端分别与第一四象限功率开关S！—端和第一四象限箝位功率开 关Sel另一端相连接，该第一四象限功率开关Si的另一端和初级绕组Ni的一端连接； 所述的第六四象限功率开关S6的另一端分别与第七四象限功率开关S7—端和第二四象 限箝位功率开关Se2另一端连接；该第七四象限功率开关S7另一端和初级绕组I^的另 一端相连接；所述的第一四象限功率开关Si、第二四象限功率开关S2、第一四象限箝 位功率开关Sd、第六四象限功率开关S6、第七四象限功率开关S7和第二四象限箝位 功率开关Se2共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关Si、第二四象限功率开 关S2和第一四象限箝位功率开关Sd构成该多电平变换器的第一基本构成单元，第六 四象限功率开关S6、第七四象限功率开关S7和第二四象限箝位功率开关S。2构成该多 电平变换器的第二基本构成单元。该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器连接，该 周波变换器由第三四象限功率开关S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高频变压器 隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输出电压UAB;在该周波变 换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连接，另一 端分别与第四四象限功率开关S4和输出滤波电感Lf相连接，该第四四象限功率开关 S4的另一端和次级绕组N2的另一端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与输出滤波 电容Cf和输出交流负载ZL—端连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载Z^的另一端 与次级绕组N2的另一端或者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容 Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压UAB中的高次谐 波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压Uo。输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载Zl的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。半桥式电路拓扑如图4所示，其具体电路连接如下基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的半桥式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li 一端连接，该输入滤波电感L,的另一 端分别与第一输入滤波电容G和第二四象限功率开关S2的一端相连接；该第一输入滤
波电容d的另一端分别与第二输入滤波电容C2、第三四象限箝位功率开关S。、第四 四象限箝位功率开关Sc4、高频变压器T的初级绕组Ni的一端连接；所述的输入滤波 电感L,、第一输入滤波电容d和第二输入滤波电容C2构成输入滤波器，对输入高压 交流电源Ui滤波，且第一输入滤波电容d和第二输入滤波电容C2对输入高压交流电 源Ui进行分压；该第二输入滤波电容C2的另一端分别与输入高压交流电源Ui另一端和 第八四象限功率开关S8 —端连接；所述的第二四象限功率开关S2的另一端分别和第三 四象限箝位功率开关Se3另一端和第一四象限功率开关S！ —端相连接；该第一四象限 功率开关Si的另一端分别与初级绕组Ni另一端和第九四象限功率开关S9 —端连接，该第九四象限功率开关s9的另一端分别与第四四象限箝位功率开关se4的另一端、第八四象限功率开关S8的另一端连接；所述的第一四象限功率开关S卜第二四象限功率 开关S2、第三四象限箝位功率开关Se3、第八四象限功率开关Ss、第九四象限功率开关 S9和第四四象限箝位功率开关Sc4共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关 S!、第二四象限功率开关S2和第三四象限箝位功率开关S。3构成该多电平变换器的第一 基本构成单元，第九四象限功率开关S9、第八四象限功率开关S8和第四四象限箝位功 率开关Sc4构成该多电平变换器的第二基本构成单元。该高频变压器的次级绕组N2与 周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功率开关S3和第四四象限功率开关S4 构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输 出电压UAB;在该周波变换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开关S4和输出滤波电感Lf相连接， 该第四四象限功率开关S4的另一端和次级绕组N2的另一端连接；该输出滤波电感Lf 的另一端分别与输出滤波电容Cf和输出交流负载ZL—端连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的另一端或者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压Uab中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压U。。输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。 全桥式电路拓扑如图5所示，其具体电路连接如下基于正激变换器的交一交型 三电平交一交变换器适用于高频电气隔离的高压交—交变换场合的全桥式电路拓扑， 即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li一端连接，该输入滤波电感Lj的另一 端分别与第一输入滤波电容C!、第二四象限功率开关S2和第十三四象限功率开关Si3的一端相连接；该第一输入滤波电容G的另一端分别与第二输入滤波电容C2、第五四 象限箝位功率开关Se5、第六四象限箝位功率开关Sc6、第七四象限箝位功率开关Sc7和 第八四象限箝位功率开关Se8的一端连接；所述的输入滤波电感Li、第一输入滤波电容 d和第二输入滤波电容C2构成输入滤波器，对输入高压交流电源Ui滤波，且第一输入 滤波电容Q和第二输入滤波电容C2对输入高压交流电源Ui进行分压；该第二输入滤 波电容C2的另一端分别与输入高压交流电源Ui的另一端、第十四象限功率开关SI0 —端和第十四四象限功率开关Sw—端连接；所述的第二四象限功率开关S2的另一端分 别与第五四象限箝位功率开关Sc5的另一端和第一四象限功率开关S！ —端相连接，该第一四象限功率开关Si的另一端分别与高频变压器T的初级绕组Ni的一端和第十一 四象限功率开关Su —端连接，该第十一四象限功率开关Su的另一端分别与第六四象限箝位功率开关Se6的另一端、第十四象限功率开关Su)的另一端连接；所述的第十三四象限功率开关s13的另一端分别与第七四象限箝位功率开关se7的另一端和第十二四象限功率开关S12 —端连接，该第十二四象限功率开关S12的另一端分别与初级绕组Ni的另一端和第十五四象限功率开关Si5—端连接，该第十五四象限功率开关Si5的另一 端分别和第八四象限箝位功率开关Se8的另一端、第十四四象限功率开关S4的另一端相连接；所述的第一四象限功率开关Si、第二四象限功率开关S2、第五四象限箝位功率开关Se5、第十四象限功率开关Sn)、第十一四象限功率开关Sn、第六四象限箝位功 率开关Sc6、第十二四象限功率开关Su、第十三四象限功率开关Sn、第七四象限箝位 功率开关Sc7、第十四四象限功率开关SM、第十五四象限功率开关S"和第八四象限箝 位功率开关Se8共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关S!、第二四象限功率 开关S2和第五四象限箝位功率开关Se5构成该多电平变换器的第一基本构成单元；第 十四象限功率开关Su)、第十一四象限功率开关Sn和第六四象限箝位功率开关S。6构成
该多电平变换器的第二基本构成单元；第十二四象限功率开关S^、第十三四象限功率 开关Su和第七四象限箝位功率开关Se7构成该多电平变换器的第三基本构成单元；第 十四四象限功率开关S14、第十五四象限功率开关S!s和第八四象限箝位功率开关Sc8 构成该多电平变换器的第四基本构成单元。该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器 连接，该周波变换器由第三四象限功率开关S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高 频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输出电压uab;在该周波变换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连 接，另一端分别与第四四象限功率开关S4和输出滤波电感Lf相连接，该第四四象限功 率开关S4的另一端和次级绕组N2的另一端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与 输出滤波电容Cf和输出交流负载ZL—端连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载Zt 的另一端与次级绕组N2的另一端或者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出 滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压Uab中 的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压u。。输出滤波器的输 出滤波电容Cf、输出交流负载Zl的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。上述基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器中所有的每个四象限功率开 关均由两个单个的功率开关反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的 开关。
权利要求
1、一种基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器，其特征在于该变换器由依次连接的输入滤波器、多电平变换器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器和输出交流负载构成，该变换器将不稳定的高压、劣质交流电变换成稳定或可调的同频、优质正弦交流电，并降低功率变换级数、实现高频电气隔离、适用于高压交-交变换场合的电路结构，即输入滤波电感Li和输入滤波电容Ci构成输入滤波器，该输入滤波器对输入高压交流电源ui进行滤波，所述的将经输入滤波器滤波后的输入电压转化为双极性多电平输出电压uN1的多电平变换器与高频变压器T的初级绕组N1连接，该高频变压器的次级绕组N2与周波变换器连接，该周波变换器由第三四象限功率开关S3和第四四象限功率开关S4构成，将经高频变压器隔离、传输的多电平变换器的输出电压转化为单极性多电平输出电压uAB；在该周波变换器中，第三四象限功率开关S3的一端与高频变压器的次级绕组N2的一端连接，另一端分别与第四四象限功率开关S4和输出滤波电感Lf相连接，该第四四象限功率开关S4的另一端和次级绕组N2的另一端连接；该输出滤波电感Lf的另一端分别与输出滤波电容Cf和输出交流负载ZL一端连接，该输出滤波电容Cf、输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的另一端或者中间抽头相连接；所述的输出滤波电感Lf和输出滤波电容Cf构成输出滤波器，该输出滤波器滤除所述的周波变换器的输出电压uAB中的高次谐波，从而在输出交流负载侧得到高质量的正弦交流电压uo。
2、 根据权利要求1所述的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，其特征在于该变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的正激式电路拓扑，即输入高压交流电源u,的一端与输入滤波电感L' 一端连接，该输入滤波电感Lj的另一端分别与输入滤波电容Ci、第五四象限功率开关S5、四象限箝位功率开关Sc和高频变压器T的初级绕组Ni的一端相连接；该输入滤波电容Ci的另一端分别与该输入高压交流电源Ui的另一端、回馈绕组N3的一端、第二四象限功率开关S2的一端连接；所述的输入滤波电感L,和输入滤波电容Ci构成输入滤波器；该第五四象限功率开关S5的另 一端与所述的回馈绕组N3的另一端连接；该四象限箝位功率开关&的另一端分别与第 二四象限功率开关S2另一端、第一四象限功率开关S!—端连接；该第一四象限功率开关Si的另一端与高频变压器的初级绕组N！的另一端连接;所述的第一四象限功率开关 第二四象限功率开关S2和四象限箝位功率开关Se构成多电平变换器；输出滤波器 的输出滤波电容Cf、输出交流负载Zl的另一端分别与次级绕组N2和周波变换器的第 四四象限功率开关S4的另一端连接。
3、 根据权利要求1所述的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，其特 征在于该变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的推挽式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感L, 一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与输入滤波电容C,、第一四象限箝位功率开关Sa和第二四象限箝位功率开关Sc2 的一端以及高频变压器T的初级绕组Ni的中间抽头相连接；该输入滤波电容Ci的另 一端分别与输入高压交流电源Ui的另一端、第二四象限功率开关S2、第六四象限功率 开关S6连接，所述的输入滤波电感Li和输入滤波电容Ci构成输入滤波器；该第二四象限功率开关s2的另一端分别与第一四象限功率开关s,—端和第一四象限箝位功率开关Sd另一端相连接，该第一四象限功率开关Si的另一端和初级绕组N!的一端连接；所 述的第六四象限功率开关S6的另一端分别与第七四象限功率开关S7—端和第二四象限 箝位功率开关Se2另一端连接；该第七四象限功率开关S7另一端和初级绕组Ni的另一端相连接；所述的第一四象限功率开关S卜第二四象限功率开关S2、第一四象限箝位功率开关Sd、第六四象限功率开关S6、第七四象限功率开关S7和第二四象限箝位功 率开关Sc2共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关S卜第二四象限功率开关 S2和第一四象限箝位功率开关Sd构成该多电平变换器的第一基本构成单元，第六四象 限功率开关S6、第七四象限功率开关S7和第二四象限箝位功率开关Se2构成该多电平变换器的第二基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流负载Zt的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。
4、 根据权利要求1所述的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，其特 征在于该变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的半桥式电路拓扑，即 输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li 一端连接，该输入滤波电感Li的另一端分别与第一输入滤波电容C！和第二四象限功率开关S2的一端相连接；该第一输入滤波电容G的另一端分别与第二输入滤波电容C2、第三四象限箝位功率开关Sc3、第四四 象限箝位功率开关Se4、高频变压器T的初级绕组N,的一端连接；所述的输入滤波电 感Li、第一输入滤波电容Q和第二输入滤波电容C2构成输入滤波器，对输入高压交 流电源Ui滤波，且第一输入滤波电容Ci和第二输入滤波电容C2对输入高压交流电源 Ui进行分压；该第二输入滤波电容C2的另一端分别与输入高压交流电源Ui另一端和第 八四象限功率开关S8—端连接；所述的第二四象限功率开关S2的另一端分别和第三四 象限箝位功率开关S。另一端和第一四象限功率开关S, —端相连接；该第一四象限功 率开关S！的另一端分别与初级绕组N！另一端和第九四象限功率开关S9—端连接，该 第九四象限功率开关S9的另一端分别与第四四象限箝位功率开关Se4的另一端、第八 四象限功率开关S8的另一端连接；所述的第一四象限功率开关Sb第二四象限功率开 关S2、第三四象限箝位功率开关Se3、第八四象限功率开关Ss、第九四象限功率开关 S9和第四四象限箝位功率开关Sc4共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关 S^第二四象限功率开关S2和第三四象限箝位功率开关Sc3构成该多电平变换器的第一 基本构成单元，第九四象限功率开关S9、第八四象限功率开关S8和第四四象限箝位功 率开关Se4构成该多电平变换器的第二基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、 输出交流负载ZL的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。
5、根据权利要求1所述的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，其特征在于该变换器适用于高频电气隔离的高压交一交变换场合的全桥式电路拓扑，即输入高压交流电源Ui的一端与输入滤波电感Li 一端连接，该输入滤波电感L,的另一端分别与第一输入滤波电容c!、第二四象限功率开关s2和第十三四象限功率开关s13的一端相连接；该第一输入滤波电容Q的另一端分别与第二输入滤波电容C2、第五四象限箝位功率开关Se5、第六四象限箝位功率开关Sc6、第七四象限箝位功率开关Se7和第 八四象限箝位功率开关Sc8的一端连接；所述的输入滤波电感Li、第一输入滤波电容 d和第二输入滤波电容C2构成输入滤波器，对输入高压交流电源U,滤波，且第一输入 滤波电容Q和第二输入滤波电容C2对输入高压交流电源Ui进行分压；该第二输入滤波电容C2的另一端分别与输入高压交流电源Ui的另一端、第十四象限功率开关S10 — 端和第十四四象限功率开关S"—端连接；所述的第二四象限功率开关S2的另一端分 别与第五四象限箝位功率开关Se5的另一端和第一四象限功率开关Si —端相连接，该 第一四象限功率开关S,的另一端分别与高频变压器T的初级绕组N,的一端和第十一 四象限功率开关Su —端连接，该第十一四象限功率开关Su的另一端分别与第六四象限箝位功率开关Sc6的另一端、第十四象限功率开关Su)的另一端连接；所述的第十三四象限功率开关s13的另一端分别与第七四象限箝位功率开关se7的另一端和第十二四象限功率开关S!2—端连接，该第十二四象限功率开关S12的另一端分别与初级绕组的另一端和第十五四象限功率开关Si5—端连接，该第十五四象限功率开关Si5的另一 端分别和第八四象限箝位功率开关Se8的另一端、第十四四象限功率开关Si4的另一端相连接；所述的第一四象限功率开关S卜第二四象限功率开关S2、第五四象限箝位功率开关Sc5、第十四象限功率开关S1()、第十一四象限功率开关Su、第六四象限箝位功 率开关Se6、第十二四象限功率开关S！2、第十三四象限功率开关Su、第七四象限箝位 功率开关Se7、第十四四象限功率开关Sw、第十五四象限功率开关S!5和第八四象限箝 位功率开关Se8共同构成多电平变换器，其中第一四象限功率开关S、第二四象限功率 开关S2和第五四象限箝位功率开关Sc5构成该多电平变换器的第一基本构成单元；第 十四象限功率开关SW、第十一四象限功率开关Sn和第六四象限箝位功率开关Se6构成 该多电平变换器的第二基本构成单元；第十二四象限功率开关Su、第十三四象限功率 开关Su和第七四象限箝位功率开关Se7构成该多电平变换器的第三基本构成单元；第 十四四象限功率开关S14、第十五四象限功率开关Su和第八四象限箝位功率开关Sc8构成该多电平变换器的第四基本构成单元；输出滤波器的输出滤波电容Cf、输出交流 负载Zl的另一端与次级绕组N2的中间抽头连接。
6、根据权利要求1至5任一项所述的基于正激变换器的交一交型三电平交一交变换器，其特征在于每个四象限功率开关均由两个单个的功率开关反向串联而构成承受正向、反向的电压应力和电流应力的开关。
全文摘要
本发明公开了一种基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器。该变换器的电路结构由依次连接的输入高压交流电源、输入滤波器、多电平变换器、高频变压器、周波变换器、输出滤波器以及输出交流负载构成，其中多电平变换器由一个或多个基本构成单元构成将输入电压转化为多种输出电平；该基本构成单元由两个四象限功率开关和一个四象限箝位功率开关组成。基于正激变换器的交-交型三电平交-交变换器的电路拓扑族，包括正激式、推挽式、半桥式和全桥式拓扑。本发明降低功率开关的电压应力，减少功率变换级数，提高输入侧功率因数、变换效率和功率密度；能够适用于高频电气隔离的高压交-交电能变换场合，大大拓宽了三电平交-交变换器的应用领域。
文档编号H02M5/257GK101150286SQ20071002094
公开日2008年3月26日 申请日期2007年4月4日 优先权日2007年4月4日
发明者仲庆龙, 磊 李, 杨君东, 徵 韦 申请人:南京理工大学