一種變換器拓撲的製作方法

2023-06-03 00:29:01

本發明涉及電能轉換設備技術領域，尤其涉及一種變換器拓撲。

背景技術：

圖1所示的雙逆變輸出變換器是工業應用中不可或缺的電力電子設備，廣泛應用於電力系統、高速列車、電動汽車、大型不間斷電源（UPS）、新能源發電等領域。然而，隨著變換器功率的增大，功率開關管的開關頻率的提高以及應用環境的惡劣程度不斷加強，對於變換器的可控性、穩定性以及輸出的電平數等提出了更高的要求，是當前電力電子變換器領域中的關鍵技術問題。

因此，現有技術還有待發展。

技術實現要素：

鑑於上述現有技術的不足之處，本發明的目的在於提供一種變換器拓撲，旨在解決現有變換器輸出電平數及母線電壓利用率不足的問題。

為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：

一種變換器拓撲，其中，包括：直流輸入電源，若干作為功率元件的模塊電路以及電壓輸出端；

所述直流輸入電源通過以預定控制方式進行控制的，由所述模塊電路組成的功率單元，在電壓輸出端形成目標輸出電壓；

所述模塊電路包括依次連接的模塊電路輸入電源，功率電路以及輸出埠；所述模塊電路至少具有輸出埠電壓為正向輸入電源電壓、反向輸入電壓電壓以及零電勢的電路模態。

所述的變換器拓撲，其中，所述功率電路包括：不帶有反向二極體的第一功率開關管，一對帶有反向二極體的第二功率開關管、第三功率開關管以及功率二極體；

所述第一功率開關管的源極和第二功率開關管的源極連接，連接處引出輸出埠的第一端；

所述功率二極體的正極與第三功率開關管的漏極連接，連接處引出輸入埠的第二端；

所述第一功率開關管的漏極及第三功率開關管的源極與模塊電路輸入電源的正極連接；所述第二功率開關管的漏極及功率二極體的負極與模塊電路輸入電源的負極連接。

所述的變換器拓撲，其中，所述模塊電路包括5個電路模態，分別為：

第一功率開關管導通，第二功率開關管截止，第三功率開關管截止，功率二極體導通，反向二極體截止的第一電路模態；

第一功率開關管截止，第二功率開關管導通，第三功率開關管導通，功率二極體截止，反向二極體截止的第二電路模態；

第一功率開關管截止，第二功率開關管導通，第三功率開關管截止，功率二極體導通，反向二極體截止的第三電路模態；

第一功率開關管導通，第二功率開關管截止，第三功率開關管導通，功率二極體截止，反向二極體截止的第四電路模態；以及

第一功率開關管截止，第二功率開關管截止，第三功率開關管截止，功率二極體截止，反向二極體導通的第五電路模態。

所述的變換器拓撲，其中，所述電壓輸出端包括第一電壓輸出端和第二電壓輸出端；所述模塊電路包括結構相同的第一至第六模塊電路；

所述第一電壓輸出端從第一模塊電路和第三模塊電路的連接處以及第二模塊電路和第四模塊電路的連接處引出；

所述第二電壓輸出端從第三模塊電路和第五模塊電路的連接處以及第四模塊電路和第六模塊電路的連接處引出。

有益效果：本發明提供的一種變換器拓撲，通過使用具有多個電路模態的模塊電路替代原變換器中的功率開關管，可以對模塊電路採用特定的控制，控制模塊電路進入不同的電路模態，有效的提高了對於母線的直流電壓利用率並且增加了輸出端能夠輸出的電平數，具有良好的應用前景。

附圖說明

圖1為現有技術的變換器的拓撲圖。

圖2為本發明具體實施例的模塊電路的拓撲圖。

圖3為本發明具體實施例的變換器拓撲圖。

圖4為圖3所示的變換器的多電平輸出波形圖。

具體實施方式

本發明提供一種變換器拓撲。為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。

如圖3所示，為本發明具體實施例的一種變換器拓撲。其包括：直流輸入電源100，若干作為功率元件的模塊電路200以及電壓輸出端300。

所述模塊電路用於作為功率元件，替代原有變換器中的功率開關管。其之間的具體連接方式和數量，可以由實際應用的變換器所決定。

其中，如圖2所示，所述模塊電路包括：模塊電路輸入電源U1，功率電路210以及輸出埠OUT1，三者之間可以依次連接，實現不同的工作模態。所述模塊電路200至少具有輸出埠OUT1電壓為正向輸入電源電壓+U、反向輸入電壓電壓-U以及零電勢0的電路模態。

與現有的開關管僅有導通和截止兩種狀態不同的是，模塊電路能夠提供的多種不同的電路模態。在多個模塊電路組合後，可以通過符合實際使用需求的控制方式，控制模塊電路之間相互配合，可以在變換器輸出端形成更多的電平數並且提高對於母線上直流電壓的利用率。

與現有的變換器相類似地，所述直流輸入電源100通過以預定控制方式進行控制的，由所述模塊電路組成的功率單元400（替代原有的功率開關管），在電壓輸出端300形成目標輸出電壓。

具體的，如圖2所示，所述功率電路可以包括：不帶有反向二極體的第一功率開關管S1，一對帶有反向二極體（D2和D3）的第二及第三功率開關管（S2和S3）以及功率二極體D1。

其中，所述第一功率開關管S1的源極和第二功率開關管S2的源極連接，連接處b引出輸出埠的第一端；所述功率二極體D1的正極與第三功率開關管S3的漏極連接，連接處c引出輸入埠的第二端。

所述第一功率開關管S1的漏極及第三功率開關管S3的源極與模塊電路輸入電源U1的正極連接；所述第二功率開關管S2的漏極及功率二極體D1的負極與模塊電路輸入電源U1的負極連接。

更具體的，在本實施例中，圖2所示的模塊電路具體包括有5個電路模態，其具體電路模態工作情況及開關狀態如下：

第一電路模態：第一功率開關管S1導通，第二及第三功率開關管S2和S3截止，功率二極體D1導通，反向二極體D2和D3截止。第一電路模態的工作情況具體為：電流由b點流入，經過功率開關管S1到a點，然後流過U1對電源充電，再經過二極體D1到達c點。此時，模塊電路的輸出埠的埠電壓為+U，處於電源充電狀態。

第二電路模態：第一功率開關管S1截止，第二及第三功率開關管S2和S3導通，功率二極體D1截止，反向二極體D2和D3截止。第二電路模態的工作情況具體為：電流由b點流入，經過功率開關管S2到d點，然後留過U1對電源放電，再經過功率開關管S3到達c點。此時，模塊電路的輸出埠的埠電壓為-U，處於電源充電狀態。

第三電路模態：第一功率開關管S1截止，第二功率開關管S2導通，第三功率開關管S3截止，功率二極體D1導通，反向二極體D2和D3截止。第三電路模態的工作情況具體為：電流由b點流入，經過功率開關管S2到d點，再經過二極體D1到達c點。此時，模塊電路的輸出埠的埠電壓為0，處於電源旁路狀態。

第四電路模態：第一功率開關管S1導通，第二功率開關管S2截止，第三功率開關管S3導通，功率二極體D1截止，反向二極體D2和D3截止。第四電路模態的工作情況具體為：電流由b點流入，經過功率開關管S1到a點，再經過功率開關管S3到達c點。此時，模塊電路的輸出埠的埠電壓為-U，處於電源充電狀態。

第五電路模態：第一功率開關管S1截止，第二和第三功率開關管S2和S3截止，功率二極體D1截止，反向二極體D2和D3導通。第五電路模態的工作情況具體為：電流由c點流入，經過二極體D3到a點，然後流過U1對電源充電，再經過二極體D2到達b點。此時，模塊電路的輸出埠的埠電壓為0，處於電源旁路狀態。

具體的，如圖3所示，所述電壓輸出端包括第一電壓輸出端OUTA和第二電壓輸出端OUTB，所述模塊電路包括第一至第六模塊電路（200-205）。

其中，所述第一電壓輸出端OUTA的兩端分別從第一模塊電路200和第三模塊電路202的連接處以及第二模塊電路201和第四模塊電路203的連接處引出；

所述第二電壓輸出端OUTB的兩端分別從第三模塊電路202和第五模塊電路204的連接處以及第四模塊電路203和第六模塊電路205的連接處引出。

根據以上描述，通過對6個模塊電路執行合適的控制後，可以獲得在直流輸入電壓為100V的情況下，雙輸出端OUTA和OUTB的輸出電壓波形圖（圖4）。

與現有的雙逆變輸出變換器相比，本發明實施例的變換器拓撲的母線的直流電壓利用率是原有變換器的4倍，而且輸出的電平數從原來的3電平增加為9電平（由於模塊電路輸出多個不同輸出埠電壓），有效的提高了該變換器拓撲的系統性能，總諧波畸變率（THD）得到了很好的控制，具有良好的應用效果。

可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本發明的技術方案及本發明構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本發明所附的權利要求的保護範圍。