一種雙輸出單相五電平變換器的製作方法

2023-06-03 05:09:06

本發明涉及電能轉換技術領域，特別涉及一種雙輸出單相五電平變換器。

背景技術：

越來越多的電器設備裡面同時擁有兩個甚至多個用電模塊，同時，這兩個或多個用電模塊對系統電壓有著不同需求。因此，隨著智能化趨勢的發展，雙逆變輸出變換器必將成為未來電器設備中的一個關鍵設備。

然而，隨著變換器功率的增大、功率開關管開關頻率的提高、以及應用環境的惡劣化，如何使得雙逆變輸出變換器實現高可控性，高穩定性，以及多電平化已成為電力電子變換器領域的一個關鍵問題。

因而現有技術還有待改進和提高。

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雙輸出單相五電平變換器，實現了變換器的高可控性，且能有效提高直流母線電壓利用率及輸出電平數。

為了達到上述目的，本發明採取了以下技術方案：

一種雙輸出單相五電平變換器，其包括第一輸入電源、第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第一輸出模塊和第二輸出模塊，通過控制第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂的工作模態使第一輸出模塊和第二輸出模塊分別輸出相應的電壓；所述第一輸出模塊包括第一輸出端和第二輸出端，所述第二輸出模塊包括第三輸出端和第四輸出端；所述第一輸入電源連接第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂；所述第一橋臂還連接所述第一輸出端和第三輸出端；所述第二橋臂連接所述第二輸出端；所述第三橋臂連接所述第四輸出端。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，所述第一橋臂包括第一功率開關管、第二功率開關管和第三功率開關管，所述第一功率開關管的集電極連接第一輸入電源的正極、第二橋臂和第三橋臂，所述第一功率開關管的發射極連接第二功率開關管的集電極和第一輸出端；所述第二功率開關管的發射極連接第三功率開關管的集電極和第三輸出端；所述第三功率開關管的發射極連接第一輸入電源的負極、第二橋臂和第三橋臂。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，所述第二橋臂包括第一開關單元和第二開關單元，所述第一開關單元包括第二輸入電源、第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管和第七功率開關管，所述第二輸入電源的正極連接第四功率開關管的發射極和第六功率開關管的集電極，所述第二輸入電源的負極連接第五功率開關管的發射極和第七功率開關管的集電極；所述第四功率開關管的集電極連接第五功率開關管的集電極、第二功率開關管的集電極和第三橋臂；所述第六功率開關管的發射極連接第七功率開關管的發射極、第二開關單元和第二輸出端。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，所述第二開關單元包括第三輸入電源、第八功率開關管、第九功率開關管、第十功率開關管和第十一功率開關管，所述第三輸入電源的正極連接第八功率開關管的發射極和第十功率開關管的集電極，所述第三輸入電源的負極連接第九功率開關管的發射極和第十一功率開關管的集電極；所述第八功率開關管的集電極連接第九功率開關管的集電極、第六功率開關管的發射極和第二輸出端；所述第十功率開關管的發射極連接第十一功率開關管的發射極、第三功率開關管的發射極和第三橋臂。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，所述第三橋臂包括第三開關單元和第四開關單元，所述第三開關單元包括第四輸入電源、第十二功率開關管、第十三功率開關管、第十四功率開關管和第十五功率開關管，所述第四輸入電源的正極連接第十二功率開關管的發射極和第十四功率開關管的集電極，所述第二輸入電源的負極連接第十三功率開關管的發射極和第十五功率開關管的集電極；所述第十二功率開關管的集電極連接第十三功率開關管的集電極和第四功率開關管的集電極；所述第十四功率開關管的發射極連接第十五功率開關管的發射極、第四開關單元和第四輸出端。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，所述第四開關單元包括第五輸入電源、第十六功率開關管、第十七功率開關管、第十八功率開關管和第十九功率開關管，所述第五輸入電源的正極連接第十六功率開關管的發射極和第十八功率開關管的集電極，所述第五輸入電源的負極連接第十七功率開關管的發射極和第十九功率開關管的集電極；所述第十六功率開關管的集電極連接第十七功率開關管的集電極、第十四功率開關管的發射極和第四輸出端；所述第十八功率開關管的發射極連接第十九功率開關管的發射極和第十功率開關管的發射極。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，當第二輸入電源處於電源充電狀態時，控制第四功率開關管和第七功率開關管開啟、且第五開關管和第六開關管關閉；當第二輸入電源處於電源放電狀態時，控制第四功率開關管和第七功率開關管關閉、且第五開關管和第六開關管開啟；當第二輸入電源處於電源旁路狀態時，控制第四功率開關管和第六功率開關管開啟、且第五開關管和第七開關管關閉，或者控制第四功率開關管、第五功率開關管、第六功率開關管和第七功率開關管均關閉。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，當第三輸入電源處於電源充電狀態時，控制第八功率開關管和第十一功率開關管開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第三輸入電源處於電源放電狀態時，控制第八功率開關管和第十一功率開關管關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第三輸入電源處於電源旁路狀態時，控制第八功率開關管和第十功率開關管開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第八功率開關管、第九功率開關管、第十功率開關管和第十一功率開關管均關閉。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，當第四輸入電源處於電源充電狀態時，控制第十二功率開關管和第十五功率開關管開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第四輸入電源處於電源放電狀態時，控制第十二功率開關管和第十五功率開關管關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第四輸入電源處於電源旁路狀態時，控制第十二功率開關管和第十四功率開關管開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第十二功率開關管、第十三功率開關管、第十四功率開關管和第十五功率開關管均關閉。

所述的雙輸出單相五電平變換器中，當第五輸入電源處於電源充電狀態時，控制第十六功率開關管和第十九功率開關管開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第五輸入電源處於電源放電狀態時，控制第十六功率開關管和第十九功率開關管關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第五輸入電源處於電源旁路狀態時，控制第十六功率開關管和第十八功率開關管開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第十六功率開關管、第十七功率開關管、第十八功率開關管和第十九功率開關管均關閉。

相較於現有技術，本發明提供的雙輸出單相五電平變換器包括第一輸入電源、第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第一輸出模塊和第二輸出模塊，通過控制第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂的工作模態使第一輸出模塊和第二輸出模塊分別輸出相應的電壓；所述第一輸出模塊包括第一輸出端和第二輸出端，所述第二輸出模塊包括第三輸出端和第四輸出端；所述第一輸入電源連接第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂；所述第一橋臂還連接所述第一輸出端和第三輸出端；所述第二橋臂連接所述第二輸出端；所述第三橋臂連接所述第四輸出端，通過控制各個橋臂的工作模態實現了變換器的高可控性，且能有效提高直流母線電壓利用率及輸出電平數。

附圖說明

圖1 為本發明提供的雙輸出單相五電平變換器的電路圖。

圖2 為本發明提供的雙輸出單相五電平變換器的輸出電壓波形圖。

具體實施方式

本發明提供的雙輸出單相五電平變換器實現了變換器的高可控性，且能有效提高直流母線電壓利用率及輸出電平數。

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。

請參閱圖1，本發明提供的雙輸出單相五電平變換器包括第一輸入電源U1、第一橋臂10、第二橋臂20、第三橋臂30、第一輸出模塊41和第二輸出模塊42，通過控制第一橋臂10、第二橋臂20和第三橋臂30的工作模態使第一輸出模塊41和第二輸出模塊42分別輸出相應的電壓，從而實現了變換器的高可控性，其中，所述第一輸出模塊41包括第一輸出端A1和第二輸出端A2，所述第二輸出模塊42包括第三輸出端B1和第四輸出端B2；所述第一輸入電源U1連接第一橋臂10、第二橋臂20和第三橋臂30；所述第一橋臂10還連接所述第一輸出端A1和第三輸出端B1；所述第二橋臂20連接所述第二輸出端A2；所述第三橋臂30連接所述第四輸出端B2。

進一步地，所述第一橋臂10包括第一功率開關管S1、第二功率開關管S2和第三功率開關管S3，所述第一功率開關管S1的集電極連接第一輸入電源U1的正極、第二橋臂20和第三橋臂30，所述第一功率開關管S1的發射極連接第二功率開關管S2的集電極和第一輸出端A1；所述第二功率開關管S2的發射極連接第三功率開關管S3的集電極和第三輸出端B1；所述第三功率開關管S3的發射極連接第一輸入電源U1的負極、第二橋臂20和第三橋臂30，通過控制三個功率開關管的開啟和關閉調節輸出電壓，其中，所述第一功率開關管S1、第二功率開關管S2和第三功率開關管S3可採用不帶反向二極體的氮化鎵（GaN）功率器件，當然也可採用其他具有相同作用的開關管，本發明對此不作限定。

具體地，所述第二橋臂20單元包括第一開關單元201和第二開關單元202，所述第三橋臂30包括第三開關單元301和第四開關單元302，本發明中的第一組輸出從第一功率開關管S1和第二功率開關管S2的中間點以及第一開關單元201和第二開關第一的中間點引出，分別為第一輸出端A1和第二輸出端A2；第二組輸出從第二功率開關管S2和第三功率開關管S3的中間點以及第三開關單元301和第四開關單元302的中間點引出，分別為第三輸出端B1和第四輸出端B2，兩組輸出的輸出電壓由三個功率開關管和四個開關單元的工作模態進行控制，從而輸出相應的電壓，與現有的雙逆變輸出電路相比，本發明提供的雙輸出單相五電平變換器有效提高直流母線電壓利用率，且增加了系統的可控性。

其中，所述第一開關單元201包括第二輸入電源U2、第四功率開關管S4、第五功率開關管S5、第六功率開關管S6和第七功率開關管S7，所述第二輸入電源U2的正極連接第四功率開關管S4的發射極和第六功率開關管S6的集電極，所述第二輸入電源U2的負極連接第五功率開關管S5的發射極和第七功率開關管S7的集電極；所述第四功率開關管S4的集電極連接第五功率開關管S5的集電極、第二功率開關管S2的集電極和第三橋臂30；所述第六功率開關管S6的發射極連接第七功率開關管S7的發射極、第二開關單元202和第二輸出端A2，所述第四功率開關管S4、第五功率開關管S5、第六功率開關管S6和第七功率開關管S7可採用不帶反向二極體的氮化鎵（GaN）功率器件，當然也可採用其他具有相同作用的開關管，本發明對此不作限定。

所述第一開關單元201存在四種工作模態，第一種模態為控制第四功率開關管S4和第七功率開關管S7開啟、且第五開關管和第六開關管關閉，此時第二輸入電源U2處於電源充電狀態；第二種模態為控制第四功率開關管S4和第七功率開關管S7關閉、且第五開關管和第六開關管開啟，此時第二輸入電源U2處於電源放電狀態；第三種模態為控制第四功率開關管S4和第六功率開關管S6開啟、且第五開關管和第七開關管關閉，此時第二輸入電源U2處於電源旁路狀態；第四種模態為控制第四功率開關管S4、第五功率開關管S5、第六功率開關管S6和第七功率開關管S7均關閉，此時第二輸入電源U2也處於電源旁路狀態，通過對各個功率開關管的精準控制，提高了整個系統的可控性。

具體地，請繼續參閱圖1，當處於第一種模態時，電流由b點流入，經過第四功率開關管S4到a點，然後流過第二輸入電源U2對電源充電，再經過第七功率開關管S7到達c點，此時的埠電壓為-Uin，其中Uin為電源電壓幅值，此時由於關斷了第五功率開關管S5和第六功率開關管S6以阻斷電流流通，電流只能從b點流入c點流出，實現高可控性；當出入第二種模態時，電流由b點流入，經過第五功率開關管S5到d點，然後流過第二輸入電源U2對電源放電，再經過第六功率開關管S6到達c點，此時的埠電壓為Uin；當處於第三種模態時，電流由b點流入，經過第四功率開關管S4到a點，再經過第六功率開關管S6到達c點，此時無電流流過第二輸入電源U2，電源處於旁路狀態；當處於第四重模態時，第四功率開關管S4、第五功率開關管S5、第六功率開關管S6和第七功率開關管S7均關斷，無電流流通，電源同樣處於旁路狀態。

同樣地，所述第二開關單元202包括第三輸入電源U3、第八功率開關管S8、第九功率開關管S9、第十功率開關管S10和第十一功率開關管S11，所述第三輸入電源U3的正極連接第八功率開關管S8的發射極和第十功率開關管S10的集電極，所述第三輸入電源U3的負極連接第九功率開關管S9的發射極和第十一功率開關管S11的集電極；所述第八功率開關管S8的集電極連接第九功率開關管S9的集電極、第六功率開關管S6的發射極和第二輸出端A2；所述第十功率開關管S10的發射極連接第十一功率開關管S11的發射極、第三功率開關管S3的發射極和第三橋臂30。

當第三輸入電源U3處於電源充電狀態時，控制第八功率開關管S8和第十一功率開關管S11開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第三輸入電源U3處於電源放電狀態時，控制第八功率開關管S8和第十一功率開關管S11關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第三輸入電源U3處於電源旁路狀態時，控制第八功率開關管S8和第十功率開關管S10開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第八功率開關管S8、第九功率開關管S9、第十功率開關管S10和第十一功率開關管S11均關閉。

所述第三開關單元301包括第四輸入電源U4、第十二功率開關管S12、第十三功率開關管S13、第十四功率開關管S14和第十五功率開關管S15，所述第四輸入電源U4的正極連接第十二功率開關管S12的發射極和第十四功率開關管S14的集電極，所述第二輸入電源U2的負極連接第十三功率開關管S13的發射極和第十五功率開關管S15的集電極；所述第十二功率開關管S12的集電極連接第十三功率開關管S13的集電極和第四功率開關管S4的集電極；所述第十四功率開關管S14的發射極連接第十五功率開關管S15的發射極、第四開關單元302和第四輸出端B2。

當第四輸入電源U4處於電源充電狀態時，控制第十二功率開關管S12和第十五功率開關管S15開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第四輸入電源U4處於電源放電狀態時，控制第十二功率開關管S12和第十五功率開關管S15關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第四輸入電源U4處於電源旁路狀態時，控制第十二功率開關管S12和第十四功率開關管S14開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第十二功率開關管S12、第十三功率開關管S13、第十四功率開關管S14和第十五功率開關管S15均關閉。

所述第四開關單元302包括第五輸入電源U5、第十六功率開關管S16、第十七功率開關管S17、第十八功率開關管S18和第十九功率開關管S19，所述第五輸入電源U5的正極連接第十六功率開關管S16的發射極和第十八功率開關管S18的集電極，所述第五輸入電源U5的負極連接第十七功率開關管S17的發射極和第十九功率開關管S19的集電極；所述第十六功率開關管S16的集電極連接第十七功率開關管S17的集電極、第十四功率開關管S14的發射極和第四輸出端B2；所述第十八功率開關管S18的發射極連接第十九功率開關管S19的發射極和第十功率開關管S10的發射極。

當第五輸入電源U5處於電源充電狀態時，控制第十六功率開關管S16和第十九功率開關管S19開啟、且第九開關管和第十開關管關閉；當第五輸入電源U5處於電源放電狀態時，控制第十六功率開關管S16和第十九功率開關管S19關閉、且第九開關管和第十開關管開啟；當第五輸入電源U5處於電源旁路狀態時，控制第十六功率開關管S16和第十八功率開關管S18開啟、且第九開關管和第十一開關管關閉，或者控制第十六功率開關管S16、第十七功率開關管S17、第十八功率開關管S18和第十九功率開關管S19均關閉。

所述第二開關單元202、第三開關單元301和第四開關單元302同樣具有四種工作模態，其電流路徑與第一開關單元201類似，此處不再贅述，通過對第一橋臂10、第一開關單元201、第二開關單元202、第三開關單元301和第四開關單元302的控制可得到如圖2所示的輸出波形（輸入電壓為100V），該輸出波形相比現有雙逆變輸出電路，其直流母線電壓利用率增加為原電路的2倍，輸出電壓亦由原來的2電平增加到5電平，由於輸出電平數的增加可附帶降低總諧波畸變率（THD），從而有效提高了系統性能。

綜上所述，本發明提供的雙輸出單相五電平變換器包括第一輸入電源、第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第一輸出模塊和第二輸出模塊，通過控制第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂的工作模態使第一輸出模塊和第二輸出模塊分別輸出相應的電壓；所述第一輸出模塊包括第一輸出端和第二輸出端，所述第二輸出模塊包括第三輸出端和第四輸出端；所述第一輸入電源連接第一橋臂、第二橋臂和第三橋臂；所述第一橋臂還連接所述第一輸出端和第三輸出端；所述第二橋臂連接所述第二輸出端；所述第三橋臂連接所述第四輸出端，通過控制各個橋臂的工作模態實現了變換器的高可控性，且能有效提高直流母線電壓利用率及輸出電平數。

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其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。