阅读说明：本技术 一种复合多电平功率变换电路及方法 () 是由 王要强 王凯歌 李忠文 海德伦 王金凤 章健 梁军 袁艺森 于 2019-08-28 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种复合多电平功率变换电路及方法,该复合多电平功率变换电路包括单个直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元；所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ；每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂；所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂；所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端；该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态；所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。本发明具有功率器件少、输出电平多和调制策略简单的优点。()

一种复合多电平功率变换电路及方法

技术领域

本发明涉及电能变换与新能源发电领域，具体的说，涉及了一种复合多电平功率变换电路及方法。

背景技术

传统燃料能源对环境的污染问题日益严重，已经引起人类的极大重视。作为它们的替代能源——可再生能源，尤其是太阳能，将会在未来的全球能源格局中占据越来越重要的地位。在光伏发电等可再生能源利用领域，多电平变换器受到研究人员的广泛关注；多电平变换器具备能够通过增加输出阶梯波电压的电平数量，降低输出波形的总谐波畸变，进而提高输出电能质量等优点。

传统的多电平DC/AC变换器主要分为中点钳位型、飞跨电容型和级联H桥型三类。其中，中点钳位型和飞跨电容型变换器存在拓扑结构复杂、电容电压不易平衡等缺点；级联H桥型变换器虽然具有模块化结构简单、输出控制容易等优点，但随着输出电平数量的增加，需要大量的隔离直流电源，一定程度上限制了它们在工程中的应用。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种复合多电平功率变换电路及方法。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种复合多电平功率变换电路，包括直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元；

所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ；

所述电容组串与所述直流母线电源并联连接；

所述正串桥臂Ⅰ的一端分别连接所述直流母线电源的阳极和所述电容组串的一端，所述正串桥臂Ⅰ的另一端分别连接所述电容组串的中点和所述正串桥臂Ⅱ的一端，所述正串桥臂Ⅱ的另一端分别连接所述电容组串的另一端和所述直流母线电源的阴极；

每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂；

其中，所述正串桥臂Ⅲ的中点连接所述正串桥臂Ⅰ的中点，所述正串桥臂Ⅲ的一端连接所述电容的阳极，所述正串桥臂Ⅲ的另一端分别连接所述电容的阴极和所述中间桥臂的一端，所述中间桥臂的另一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点；

所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂，所述左桥臂的一端分别连接所述正串桥臂Ⅲ的一端、所述电容的阳极和所述右桥臂的一端，所述左桥臂的另一端分别连接所述中间桥臂的另一端和所述右桥臂的另一端；

所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端。

本发明第二方面提供一种复合多电平功率变换方法，应用于上述复合多电平功率变换电路，该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态；所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

本发明提供了一种复合多电平功率变换电路及方法，通过所述母线分压电容单元中两个电解电容的充电或者放电，对所述直流母线电源V_dc进行分割处理，通过控制所述开关电容单元中开关电容的充电或者放电，正串桥臂Ⅲ和中间桥臂的导通或者截止，以及通过H桥单元对输出电压的正负极性转换，从而实现该复合多电平功率变换电路输出更多不同电位的电平；本发明简化了拓扑结构，提高了电能变换质量；并且，本发明可通过对开关电容单元的扩展，设置多个并联连接的开关电容单元，进一步提高该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益；因此，本发明具有功率器件少、输出电平多和调制策略简单等优点，尤其适用于输出电平多、升压要求适中的场合；

由于所述母线分压电容单元中的电解电容C_a和电解电容C_b的充放电状态在该复合多电平功率变换电路工作的正负半周期内具有对称交替互补工作特性，不存在电容的电压不平衡问题，且减小了其电压纹波。

附图说明

图1和图2为实施例1中所述复合多电平功率变换电路的电路结构图。

图3至图11分别为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的九种工作模态的电流通路示意图。

图12为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的调制原理图。

图13为实施例2中所述复合多电平功率变换电路的各个开关管的门极驱动脉冲波形图。

图14为实施例2中所述复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时的输出电压和负载电流波形图。

图15为发明实施例2中所述复合多电平功率变换电路带阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图。

图16为实施例3中所述复合多电平功率变换电路的扩展结构图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1和附图2所示，一种复合多电平功率变换电路，它包括单个直流母线电源、母线分压电容单元、H桥单元和至少一个开关电容单元；所述母线分压电容单元包括电容组串、正串桥臂Ⅰ和正串桥臂Ⅱ；所述电容组串与所述直流母线电源并联连接；所述正串桥臂Ⅰ的一端分别连接所述直流母线电源的阳极和所述电容组串的一端，所述正串桥臂Ⅰ的另一端分别连接所述电容组串的中点和所述正串桥臂Ⅱ的一端，所述正串桥臂Ⅱ的另一端分别连接所述电容组串的另一端和所述直流母线电源的阴极；每个所述开关电容单元包括正串桥臂Ⅲ、开关电容和中间桥臂；其中，所述正串桥臂Ⅲ的中点连接所述正串桥臂Ⅰ的中点，所述正串桥臂Ⅲ的一端连接所述电容的阳极，所述正串桥臂Ⅲ的另一端分别连接所述电容的阴极和所述中间桥臂的一端，所述中间桥臂的另一端连接所述正串桥臂Ⅱ的中点；所述H桥单元包括左桥臂和右桥臂，所述左桥臂的一端分别连接所述正串桥臂Ⅲ的一端、所述电容的阳极和所述右桥臂的一端，所述左桥臂的另一端分别连接所述中间桥臂的另一端和所述右桥臂的另一端；所述左桥臂的中点和所述右桥臂的中点作为该复合多电平功率变换电路的交流电压输出端。

在上述复合多电平功率变换电路的基础上，本实施例还公开了一种复合多电平功率变换方法，该复合多电平功率变换电路设置九种工作模态；所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。

本发明的复合多电平功率变换电路及方法，通过所述母线分压电容单元中两个电解电容的充电或者放电，对所述直流母线电源V_dc进行分割处理，通过控制所述开关电容单元中电容的充电或者放电，正串桥臂Ⅲ和中间桥臂的导通或者截止，以及通过H桥单元对输出电压的正负极性转换，从而实现该复合多电平功率变换电路输出更多不同电位的电平；本发明简化了拓扑结构，提高了电能变换质量。

实施例2

本实施例给出了一种母线分压电容单元的具体实施方式，所述母线分压电容单元包括电解电容C_a、电解电容C_b、开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃和开关管S₄；所述电解电容C_a和所述电解电容C_b构成所述电容组串，所述开关管S₁和所述开关管S₂构成所述正串桥臂Ⅰ，所述开关管S₃和所述开关管S₄构成所述正串桥臂Ⅱ；其中，所述电解电容C_a的阳极与所述开关管S₁的输入端和所述直流母线电源V_dc的正极相连接，所述开关管S₁的输出端与所述开关管S₂的输入端相连接；所述开关管S₂的输出端分别与所述开关管S₃的输入端、所述电解电容C_a的阴极和所述电解电容C_b的阳极相连接；所述开关管S₃的输出端与所述开关管S₄的输入端相连接，所述开关管S₄的输出端分别与电解电容C_b的阴极和所述直流母线电源V_dc的负极相连接，所述电解电容C_b的阳极还分别与所述电解电容C_a的阴极和所述开关管S₃的输入端相连接。

本实施例中，所述母线分压电容单元中，当开关管S₁与开关管S₃导通、开关管S₂与开关管S₄关断时，由电解电容C_a放电，提供电压V_dc/2；当开关管S₂与开关管S₄导通、开关管S₁与开关管S₃关断时，由电解电容C_b放电，提供电压V_dc/2；当开关管S₁与开关管S₄导通、开关管S₂与开关管S₃关断时，由直流母线电源放电，提供电压V_dc；因此，所述母线分压电容单元利用电解电容C_a和C_b分割电源电压，以提供更多电平。

本实施例给出了一种开关电容单元的具体实施方式，所述开关电容单元包括开关电容C₁、开关管S₁₁、开关管S₁₂、开关管S₁₃以及二极管D₁，所述开关管S₁₁、开关管S₁₂构成所述正串桥臂Ⅲ，所述开关管S₁₃和所述二极管D₁构成所述中间桥臂；所述H桥单元包括开关管T₁、开关管T₂、开关管T₃和开关管T₄，所述开关管T₁和所述开关管T₂构成H桥单元的左桥臂，所述开关管T₃和所述开关管T₄构成H桥单元的右桥臂；其中，所述开关管S₁₁的输出端与所述开关管S₁₂的输入端相连接，所述开关管S₁₁的输入端与所述开关电容C₁阳极相连接，所述开关管S₁₂的输出端分别与所述开关电容C₁的阴极和所述开关管S₁₃的输入端相连接，所述开关管S₁₃的输出端与所述二极管D₁的阳极相连接；所述开关管T₁的输入端与所述开关管T₃的输入端相连接，所述开关管T₂的输出端与所述开关管T₄的输出端；所述开关管T₁的输出端与所述开关管T₂的输入端相连接，作为该复合多电平功率变换电路的正输出端；所述开关管T₄的输入端与所述开关管T₃的输出端相连接，作为该复合多电平功率变换电路的负输出端；所述开关管S₁₁与所述开关管S₁₂之间的连接点与所述开关管S₁与所述开关管S₂之间的连接点相连接，所述开关管S₁₁与所述开关电容C₁之间的连接点与所述开关管T₁与所述开关管T₃之间的连接点相连接；所述二极管D₁的阴极分别与所述开关管S₄与所述开关管S₃之间的连接点以及所述开关管T₂与所述开关管T₄之间的连接点相连接。

本实施例中，该复合多电平功率变换电路输出V_dc电平时，所述开关电容单元中开关管S₁₁和开关管S₁₃导通，开关电容C₁被充电至电源电压V_dc；当开关管S₁₂导通时，开关电容C₁放电，提供电压V_dc。所述H桥单元中，当开关管T₁和开关管T₄导通、开关管T₂和开关管T₃关断时，变换器工作在正半周期，输出电平为正；当开关管T₂和开关管T₃导通、开关管T₁和开关管T₄关断时，该复合多电平功率变换电路工作在负半周期，输出电平为负；当开关管T₁和开关管T₃导通、开关管T₂和开关管T₄关断，或者开关管T₂和开关管T₄导通、开关管T₁和开关管T₃关断时，该复合多电平功率变换电路输出0电平；因此，所述开关电容单元通过控制开关电容C₁的充放电，实现变换器的多电平输出和升压增益；H桥单元用来完成直流侧输出电平的正负极性转换。

具体的，所述电解电容C_a和所述电解电容C_b的规格参数一致；开关电容C_i(i=1,2,…,n)的规格参数一致。各个开关管均为带有反并联二极管的IGBT或MOSFET，其中，所述开关管S₁与开关管S₂、开关管S₃与开关管S₄、开关管S₁₁与开关管S₁₂、开关管S₁₃与开关管S₁₂、开关管T₁与开关管T₂、开关管T₃与开关管T₄分别工作在互补状态，所述二极管D₁的作用旨在抵消开关管S₁₃内部反并联二极管的作用。

在上述复合多电平功率变换电路的基础上，本实施例对所述复合多电平功率变换方法中的九种工作模态进行了详细说明。所述九种工作模态包括工作模态Ⅰ、工作模态Ⅱ、工作模态Ⅲ、工作模态Ⅳ、工作模态Ⅴ、工作模态Ⅵ、工作模态Ⅶ、工作模态Ⅷ和工作模态Ⅸ。

附图3至附图11示出了该复合多电平功率变换电路工作在九种工作模态下的电流通路；各个工作模态的具体工作原理如下：

工作模态Ⅰ：如附图3所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₄导通，开关管S₂和开关管S₃关断，由所述直流母线电源放电，提供电压V_dc；所述开关电容单元的开关管S₁₂导通，开关管S₁₁和开关管S₁₃关断，开关电容C₁与直流源处于串联放电状态；所述H桥单元的开关管T₁和开关管T₄导通，开关管T₂和开关管T₃关断；该复合多电平功率变换电路工作在正半周期，输出电平2V_dc；

工作模态Ⅱ：如附图4所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₃导通，开关管S₂和开关管S₄关断，由电解电容C_a放电，提供电压V_dc/2；所述开关电容单元的开关管S₁₂导通，开关管S₁₁和开关管S₁₃关断，开关电容C₁与电解电容C_a处于串联放电状态；所述H桥单元的开关管T₁和开关管T₄导通，开关管T₂和开关管T₃关断；该复合多电平功率变换电路工作在正半周期，输出电平3V_dc/2；

工作模态Ⅲ：如附图5所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₄导通，开关管S₂和开关管S₃关断，由所述直流母线电源放电，提供电压V_dc；所述开关电容单元的开关管S₁₁和开关管S₁₃导通，开关管S₁₂关断，开关电容C₁与直流母线电源V_dc并联；所述H桥单元的开关管T₁和开关管T₄导通，开关管T₂和开关管T₃开关管关断；该复合多电平功率变换电路工作在正半周期，输出电平V_dc；

工作模态Ⅳ：如附图6所示，所述母线分压电容单元的开关管的S₂和开关管S₄导通，开关管的S₁和开关管S₃关断，由电解电容C_b放电，提供电压V_dc/2；所述开关电容单元的开关管S₁₁导通，开关管S₁₂和开关管S₁₃关断，二极管D₁处于反偏截止状态，开关电容C₁不参与工作；所述H桥单元的开关管T₁和开关管T₄导通，其余开关管关断；开关管T₂和开关管T₃开关管关断；该复合多电平功率变换电路工作在正半周期，输出电平V_dc/2；

工作模态Ⅴ：如附图7所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₄导通，开关管S₂和开关管S₃关断；所述开关电容单元的开关管S₁₁和开关管S₁₃导通，开关管S₁₂关断，所述H桥单元的开关管T₁和开关管T₃导通，开关管T₂和开关管T₄关断；该复合多电平功率变换电路输出电平0；

工作模态Ⅵ：如附图8所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₃导通，开关管S₂和开关管S₄关断，由电解电容C_a放电，提供电压V_dc/2；所述开关电容单元的开关管S₁₁导通，开关管S₁₂和开关管S₁₃关断，二极管D₁处于反偏截止状态，开关电容C₁不参与工作；所述H桥单元的开关管T₂和开关管T₃导通，开关管T₁和开关管T₄关断；该复合多电平功率变换电路工作在负半周期，输出电平-V_dc/2；

工作模态Ⅶ：如附图9所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₄导通，开关管S₂和开关管S₃关断，由所述直流母线电源放电，提供电压V_dc；所述开关电容单元的开关管S₁₁和开关管S₁₃导通，开关管S₁₂关断，开关电容C₁与直流母线电源V_dc并联；所述H桥单元的开关管T₂和开关管T₃导通，开关管T₁和开关管T₄关断；该复合多电平功率变换电路工作在负半周期，输出电平-V_dc；

工作模态Ⅷ：如附图10所示，所述母线分压电容单元的开关管S₂和开关管S₄导通，开关管S₁和开关管S₃关断，由电解电容C_a放电，提供电压V_dc/2；所述开关电容单元的开关管S₁₂导通，开关管S₁₁和开关管S₁₃关断，开关电容C₁与电解电容C_b处于串联放电状态；所述H桥单元的开关管T₂和开关管T₃导通，开关管T₁和开关管T₄关断；该复合多电平功率变换电路工作在负半周期，输出电平-3V_dc/2；

工作模态Ⅸ：如附图11所示，所述母线分压电容单元的开关管S₁和开关管S₄导通，开关管S₂和开关管S₃关断，由所述直流母线电源放电，提供电压V_dc；所述开关电容单元的开关管S₁₂导通，开关管S₁₁和开关管S₁₃关断，开关电容C₁与直流母线电源V_dc处于串联放电状态；所述H桥单元的开关管T₂和开关管T₃导通，开关管T₁和开关管T₄关断；该复合多电平功率变换电路工作在负半周期，输出电平-2V_dc。

需要说明的是，该复合多电平功率变换电路中由于使用了较多相邻两个开关之间互补工作的开关对，如开关管S₁与开关管S₂、开关管S₁₃与开关管S₁₂、开关管T₁与开关管T₂，因此，在实际应用中，该复合多电平功率变换电路在模态切换时必须设置死区时间，以避免变换器直通对电源和电容造成损坏。

本实施例中，所述电解电容C_a和所述电解电容C_b的充放电状态在该复合多电平功率变换电路工作的正负半周期内具有对称交替互补工作特性，不存在电容的电压不平衡问题，且减小了其电压纹波。

在上述复合多电平功率变换电路及方法的基础上，本实施例还给出了各个开关管的驱动信号的具体实施方式。

通过比较八个相同幅值的三角载波信号e₁~e₈与一个调制波信号e_s，产生八个原始脉冲信号u₁~u₈；将原始脉冲信号u₁~u₈进行逻辑组合，获得各个开关管的驱动信号；各个开关管的驱动信号的计算公式为：

其中，V_GS1至V_GS4分别对应表示开关管S₁至开关管S₄的驱动信号，V_GS11至V_GS13分别对应表示开关管S₁₁至开关管S₁₃的驱动信号，V_GT1至V_GT4分别对应表示开关管T₁至开关管T₄的驱动信号。

本实施例中，该复合多电平功率变换电路在载波层叠调制方式下的调制比，由三角载波的幅值f_c和正弦调制波的幅值f_s共同决定，可以表达为：M=A_s/4A_c ；其中，A_c为单个三角载波的幅值，A_s为单个正弦调制波的幅值。调制比的总体取值范围为0<M≤1；当0<M≤0.25时，该复合多电平功率变换电路输出三电平；当0.25<M≤0.5时，该复合多电平功率变换电路输出五电平；当0.5<M≤0.75时，该复合多电平功率变换电路输出七电平；当0.75<M≤1时，该复合多电平功率变换电路输出九电平，对应本实施例的九种工作模态。

本实施例通过仿真对该复合多电平功率变换电路及方法进行了验证，根据上述复合多电平功率变换方法对所述复合多电平功率变换电路进行调制。

附图12示出了该复合多电平功率变换电路的调制原理图，图13示出了该复合多电平功率变换电路的各个开关管的门极驱动脉冲波形图；附图14示出了该复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时的输出电压和负载电流波形图；当该复合多电平功率变换电路带纯阻性负载时，负载电流与输出电压波形相似，呈现正弦阶梯PWM波形。图15示出了该复合多电平功率变换电路带阻感性负载时的输出电压和负载电流波形图；当该复合多电平功率变换电路带阻感性负载时，负载电流受电感的滤波作用，波形的正弦性较好。该复合多电平功率变换电路输出电压和输出电流的纹波均稳定，且满足逆变器工作的条件；说明该复合多电平功率变换电路及方法能够输出正确的目标波形，验证了该复合多电平功率变换电路及方法的正确性。

实施例3

本实施例给出了拓展的复合多电平功率变换电路的具体实施方式。如附图16所示，本发明可通过对开关电容单元的扩展，设置多个并联连接的开关电容单元，进一步提高该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益；当所述开关电容单元的数量大于1时，多个开关电容单元之间并联连接。

也就是说，当所述开关电容单元的数量N=1时，该复合多电平功率变换电路最多输出九种不同的电平；当所述开关电容单元的数量N≥2时，该复合多电平功率变换电路设置4N+5种工作模态，即每增加一个开关电容单元，该复合多电平功率变换电路输出的电平数量增加4种。例如，当N=2时，该复合多电平功率变换电路中设置两个开关电容单元，此时该复合多电平功率变换电路输出13种电平：0、±V_dc/2、±V_dc、±3V_dc/2、±2V_dc、±5V_dc/2、±3V_dc。

因此，本实施例通过可设置多个并联连接的开关电容单元，该复合多电平功率变换电路进行拓展，进一步提高了该复合多电平功率变换电路输出电平的数量和升压增益。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。