一种可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器

本发明属于电力变换器，具体涉及一种可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器。

背景技术：

1、开关电容多电平逆变器结构灵活，有非常多电容和开关管的组合方式；升压能力强，往往仅需一个直流电压源便能实现升压；多电平的输出，可以降低thd，提升电能质量。广泛应用于电动汽车、可再生能源发电、微电网、分布式发电等。

2、同时在光伏发电系统应用中，共地型开关电容多电平逆变器能够消除由杂散电容引起的漏电流，提高系统整体效率的同时还能避免出现漏电流引发的安全事故。

3、共地型开关电容多电平逆变器中的电容往往需要在工作期间长时间持续放电，为减小电容纹波，提高输出电压质量，需采用大电容（毫法级以上）。这种大电容需选用电解电容，但此类电容寿命较低，体积较大，这会严重影响功率密度。因此，如何降低电容的容值是提高共地型开关电容型多电平逆变器性能的关键性问题。

技术实现思路

1、本发明目的是：针对现有技术的不足，提供一种可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，能够解决光伏系统中的漏电流问题，缩短了电容放电时间，减小了逆变器体积，具有较高的功率密度和可靠性。

2、具体地说，本发明是采用以下技术方案实现的。

3、本发明提供一种可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，包括直流输入端、多电平交流输出端口、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、二极管、二极管、电容、电容；

4、所述直流输入端的正端和所述功率开关管的第一端、所述功率开关管的第一端相连接；所述直流输入端的负端和所述功率开关管的第二端、所述功率开关管的第二端、所述二极管的第二端、多电平交流输出端口的第二端相连接；所述直流输入端的负端接地；所述功率开关管的第二端和所述功率开关管的第一端、所述电容的第一端相连接；所述电容的第二端和所述二极管的第一端、所述功率开关管的第一端相连接；所述功率开关管的第二端和所述二极管的第一端相连接；所述功率开关管的第一端和所述功率开关管的第一端、所述二极管的第二端、所述电容的第一端相连接；所述功率开关管的第二端和所述功率开关管的第二端、所述电容的第二端相连接；所述功率开关管的第二端和所述功率开关管的第一端、多电平交流输出端口的第一端相连接；

5、采用正弦脉冲宽度调制方式控制各功率开关管的通断。

6、进一步地，所述可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，输出电压具有五个电压电平，分别为零电平、正一电平、正二电平、负一电平、负二电平；

7、其中，零电平为0v，正一电平为，正二电平为，负一电平为，负二电平为，为所述直流输入端的电压。

8、进一步地，所述零电平具有两个工作模态，在每个正弦脉冲的正负周期转换时进行切换；

9、在第一工作模态时，所述功率开关管、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、和所述二极管断开；所述电容充电；电容悬空；

10、在第二工作模态时，所述功率开关管、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、和所述二极管断开；所述电容充电；电容悬空。

11、进一步地，所述输出电压为正一电平时，所述功率开关管、、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、和二极管断开；电容充电；电容放电；直流输入端串联电容，给电容充电至，同时给负载供电；

12、所述输出电压为正二电平时，所述功率开关管、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；所述直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容给负载供电；

13、所述输出电压为负一电平时，所述功率开关管、、、和二极管导通；所述功率开关管、、和二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；电容串联直流输入端，给电容充电至，同时给负载供电；

14、所述输出电压为负二电平时，所述功率开关管、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容给负载供电。

15、进一步地，所述电容的容值的计算公式为

16、；

17、电容的容值的计算公式为

18、；

19、其中，是输出电流的最大值，是直流输入端电压，是允许的最大电容电压纹波比，是开关频率。

20、进一步地，所述可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器还包括开关电容单元；

21、所述开关电容单元包括端口1’、端口2’、端口3’、端口4’、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、电容；所述端口1’和所述功率开关管的第一端、所述电容的第一端、所述二极管的第二端、所述功率开关管的第一端相连接；所述端口2’和所述功率开关管的第二端、所述电容的第二端、所述功率开关管的第二端相连接；所述功率开关管的第二端和所述功率开关管的第一端、所述功率开关管的第二端相连接；所述功率开关管的第一端和所述功率开关管的第二端、所述功率开关管的第一端相连接；所述功率开关管的第一端和所述电容的第一端、所述端口3’、所述功率开关管的第一端相连接；所述功率开关管的第二端和所述电容的第二端、所述端口4’、所述功率开关管的第二端相连接。

22、进一步地，所述可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，输出电压具有七个电压电平，分别为零电平、正一电平、正二电平、正三电平、负一电平、负二电平、负三电平；

23、其中，零电平为0v，正一电平为，正二电平为，正三电平为，负一电平为，负二电平为，负三电平为，为所述直流输入端的电压；

24、所述零电平具有两个工作模态，在每个正弦脉冲的正负周期转换时进行切换；

25、在第一工作模态时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；电容、悬空；

26、在第二工作模态时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、、和所述二极管断开，所述电容充电；电容、悬空。

27、进一步地，所述输出电压为正一电平时，所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、和二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容、充电至，同时给负载供电；

28、所述输出电压为正二电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；所述直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容与电容并联给负载供电；

29、所述输出电压为正三电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容充电至，直流输入端与电容串联给负载供电；

30、所述输出电压为负一电平时，所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；电容串联直流输入端，给电容、充电至，同时给负载供电；

31、所述输出电压为负二电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容与电容并联给负载供电；

32、所述输出电压为负三电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容充电至，直流输入端与电容串联给负载供电。

33、进一步地所述可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，还包括开关电容单元；

34、所述开关电容单元包括端口1’、端口2’、端口3’、端口4’、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、功率开关管、电容；所述端口1’和所述功率开关管的第一端、所述功率开关管的第一端、所述电容的第一端、所述二极管的第二端、所述功率开关管的第一端相连接；所述端口2’和所述功率开关管的第一端、所述功率开关管的第二端相连接；所述功率开关管的第二端和所述功率开关管的第二端相连接；所述功率开关管的第二端和功率开关管的第二端相连接；功率开关管的第二端和功率开关管的第一端、电容的第二端、端口4’、所述功率开关管的第二端相连接；功率开关管的第一端和功率开关管的第一端、电容的第一端、端口3’、所述功率开关管的第一端相连接。

35、进一步地，所述可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，输出电压具有七个电压电平，分别为零电平、正一电平、正二电平、正三电平、负一电平、负二电平、负三电平；

36、其中，零电平为0v，正一电平为，正二电平为，正三电平为，负一电平为，负二电平为，负三电平为，为所述直流输入端的电压；

37、所述零电平具有两个工作模态，在每个正弦脉冲的正负周期转换时进行切换；

38、在第一工作模态时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；电容、悬空；

39、在第二工作模态时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通；所述功率开关管、、、、、和所述二极管断开；所述电容充电电容、悬空。

40、进一步地，所述输出电压为正一电平时，所述所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容、充电至，同时给负载供电；

41、所述输出电压为正二电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；所述直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容与电容并联给负载供电；

42、所述输出电压为正三电平时，所述功率开关管、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容充电至，直流输入端与电容串联给负载供电；

43、所述输出电压为负一电平时，所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；电容串联直流输入端，给电容、充电至，同时给负载供电；

44、所述输出电压为负二电平时，所述功率开关管、、、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容充电；所述电容放电；直流输入端与电容并联，给电容充电至，电容与电容并联给负载供电；

45、所述输出电压为负三电平时，所述功率开关管、、、、和所述二极管导通，所述功率开关管、、、、、、、和所述二极管断开；所述电容充电；所述电容放电；所述电容放电；直流输入端串联电容，给电容充电至，直流输入端与电容串联给负载供电。

46、本发明的可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器的有益效果如下：

47、本发明的可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器中，电容、电容按脉宽调制频率交替充放电，电容电压纹波与所述开关频率成反比，通过提高开关频率可减小电容容值，从而提高多电平逆变器功率密度和可靠性。

48、本发明的可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，不仅能够解决光伏系统中的漏电流问题，而且避免了以往的共地型开关电容逆变器的电容长时间放电问题，缩短了电容放电时间。

49、本发明的可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，选型使用多个体积更小的贴片电容并联，相比于使用电解电容，这减小了逆变器体积，提高了逆变器的寿命和功率密度。

50、本发明的可减小容值的共地型开关电容多电平逆变器，制作了实验样机并进行了实验，实验结果皆显示该共地型开关电容多电平逆变器能够正常工作，为负载放电。