一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器的制作方法

本发明涉及多电平逆变器，具体是一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器。

背景技术：

1、在一般情况下，新能源发电装置输出的直流电不稳定，不能直接供给需要交流电的用户使用。因此，需要采用dc-ac变换的逆变技术来将直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。多电平逆变器因为具有输出电压谐波含量少，开关管电压应力低、开关损耗少、电磁干扰少等优点，已被广泛应用于新能源发电。传统的多电平逆变器有二极管钳位型、飞跨电容型和级联h桥等逆变电路。但是，随着输出电平数增加，目前的逆变电路结构比较复杂且需要较多的电子器件，增加了系统成本和系统控制的复杂程度。

2、然而，传统多电平逆变器存在电压增益不足的问题，因此如何使用较少数量的元件去产生更高的电压增益已经成为研究的热点问题。目前对于该课题，既有的学术论文对此做了深入的理论分析，也有实际应用的工程方法，如发明专利申请公开《一种升压型七电平逆变器》(cn112564529a)和《一种开关电容多电平逆变器及其调制方法》(cn115051585a)。

3、中国发明专利申请公开文献cn112564529a于2020年12月9日公开的《一种升压型七电平逆变器》主要由直流电源、二极管、浮动电容器和开关管组成。该逆变电路可以输出七电平电压，产生1.5倍的电压增益可以有效降低输出电流的谐波。但是，该单相七电平逆变器存在如下不足：

4、1)电压增益不足，输出电压最大值仅为输入电压的1.5倍。

5、2)电路中使用元件种类与数目过多，导致电路结构十分复杂。

6、中国发明专利申请公开文献cn115051585a于2022年09月13日公开的《一种开关电容多电平逆变器及其调制方法》主要由直流电源、开关管、二极管、浮动电容器组成。使用所述调制方法，该逆变电路可以输出五电平电压。同样的，该单相五电平逆变器存在如下不足：

7、1)调制手段复杂；

8、2)电路中使用元件种类与数目过多，导致电路结构十分复杂。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器，以解决现有技术中的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器，包括一个直流输入电源、一个开关电容、一个双向导通的复合开关管、六个单向导通开关管以及一个负载；其中六个单向导通的开关管分别记为开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5以及开关管s7；双向导通开关管由两个单向导通的开关管串联而成，记为s6；在所有开关管上均反向并联一个二极管；

3、所述直流输入电源的正极分别与开关管s5的发射极、开关管s6的一端发射极连接，直流输入电源的负极分别与开关管s2、开关管s4、开关管s7的发射极连接；电容c1的正极与开关管s3的集电极、开关管s5的集电极连接，电容c1的负极分别与双向导通开关管s6的另一端发射极、开关管s7的集电极相连；负载的正极分别与开关管s1的发射极、开关管s2的集电极相连接，负载的负极分别与开关管s3的发射极、开关管s4的集电极相连接。

4、优选的，将所述具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器记为逆变器，逆变器的直流输入电源处的电压记为直流输入电压vdc、逆变器的交流输出电压记为负载电压uo，所述逆变器包括以下六种工作状态：

5、第一种工作状态：+2电平状态时，开关管s1、开关管s4、开关管s6导通，其余开关均关断；此时电容c1与电源串联放电，此状态下负载两端的输出电压为+2vdc；

6、第二种工作状态：+1电平状态时，开关管s1、开关管s4、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管均关断；此时电容c1与电源并联，电容c1充电至vdc，此状态下负载两端的输出电压为+vdc；

7、第三种工作状态：+0电平状态时，开关管s1、开关管s3、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管均关断；此时电容c1与电源并联，电容c1充电至vdc，此状态下负载两端被短接，负载两端输出电压为+0vdc；

8、第四种工作状态：-0电平状态时，开关管s2、开关管s4、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管均关断；此时电容c1与电源并联，电容c1充电至vdc，此状态下负载两端被短接，负载两端输出电压为-0vdc；

9、第五种工作状态：-1电平状态时，开关管s2、开关管s3、开关管s5、开关管s7导通，其余开关管均关断；此时电容c1与电源并联，电容c1充电至vdc,此状态下负载两端输出电压为-vdc；

10、第六种工作状态：-2电平状态时，开关管s2、开关管s3、开关管s6导通，其余开关管均关断；此时电容c1与电源串联放电，此状态下负载两端输出电压为+2vdc。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

12、1、由于本发明的拓扑结构，仅使用七个开关器件，能够产生五电平两倍升压增益；

13、2、由于本发明的拓扑结构，电容电压能够自动均衡；

14、3、由于本发明的拓扑结构，使用的调制手段较为简单，为移幅层叠正弦脉宽调制。

技术特征：

1.一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器，其特征在于：包括一个直流输入电源、一个开关电容、一个双向导通的复合开关管、六个单向导通开关管以及一个负载；其中六个单向导通的开关管分别记为开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5以及开关管s7；双向导通开关管由两个单向导通的开关管串联而成，记为s6；在所有开关管上均反向并联一个二极管；

2.根据权利要求1所述的一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器，其特征在于：将所述具有两倍电压增益的升压型五电平逆变器记为逆变器，逆变器的直流输入电源处的电压记为直流输入电压vdc、逆变器的交流输出电压记为负载电压uo，所述逆变器包括以下六种工作状态：

技术总结
本发明公开了一种具有两倍电压增益的五电平开关电容逆变器，包括一个直流输入电源、一个开关电容、一个双向导通的复合开关管、六个单向导通开关管以及一个负载；其中六个单向导通的开关管分别记为开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、开关管S5以及开关管S7；双向导通开关管由两个单向导通的开关管串联而成，记为S6；在所有开关管上均反向并联一个二极管。本发明，具有高电压增益、电容自均衡、调制策略简单、电路结构简单且应用成本较低的优点，解决了目前的逆变电路结构比较复杂且需要较多的电子器件的问题，并适用于光伏微型逆变器的设计与应用。

技术研发人员：李善寿
受保护的技术使用者：苏州钮斯威科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15