一種基於九開關結構的變換器電路的製作方法

2023-11-12 01:51:32

本發明涉及電能轉換設備技術領域，尤其涉及一種基於九開關結構的變換器電路。

背景技術：

圖1所示的九開關變換器作為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，隨著九開關變換器功率的增大，以及功率開關管的開關頻率的提高，使得功率開關管的開關損耗越來越大，已成為制約高功率密度逆變器發展的一個關鍵問題。

在三相變換器控制方面，空間矢量脈衝寬度調製（SVPWM）技術與SPWM策略相比，具有輸出電流波形的諧波分量小，且直流母線電壓的利用率較高，更易於數位化控制。然而，由於九開關變換器結構上的複雜性，變換器雖然在結構上節省了開關管的使用，在控制上卻因為上、下逆變器的耦合而變得複雜，使得傳統SVPWM技術的應用受到了極大的限制。

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基於九開關結構的變換器電路，旨在解決現有九開關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：

一種基於九開關結構的變換器電路，包括輸入電源以及輸出端，其中，還包括：設置在輸入電源和輸出端之間的9個相同的，用於作為功率元件的模塊電路；

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；隨功率電路的變化，所述模塊電路至少具有輸出埠電壓為正向輸入電源電壓、反向輸入電源電壓以及零電勢的電路模態。

所述的變換器電路，其中，所述功率電路包括：一對不帶有反向二極體的第一功率開關管及第四功率開關管；一對帶有反向二極體的第二功率開關管以及第三功率開關管及其第一和第二反向二極體；

所述第一功率開關管、第二功率開關管與第三功率開關管、第四功率開關管對稱設置；

所述第一功率開關管的源極與第三功率開關管的漏極連接，所述第二功率開關管的漏極與第四功率開關管的漏極連接。

所述的變換器電路，其中，所述模塊電路的輸出埠由第一功率開關管、第三功率開關管的連接端和第二功率開關管、第四功率開關管的連接端引出。

所述的變換器電路，其中，所述模塊電路包括6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，第四功率開關管導通；第一及第二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；第三和第四功率開關管截止；第一反向二極體截止，第二反向二極體導通的第二電路模態；

第一功率開關管截止、第二功率開關管截止；第三和第四功率開關管截止；第一反向二極體截止，第二反向二極體截止的第三電路模態；

第一功率開關管導通、第二功率開關管導通；第三功率開關管截止，第四功率開關管截止；第一及第二反向二極體截止的第四電路模態

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，第四功率開關管導通；第一反向二極體截止，第二反向二極體導通的第五電路模態；

第一功率開關管截止、第二功率開關管截止；第三功率開關管導通，第四功率開關管截止；第一反向二極體導通，第二反向二極體截止的第六電路模態。

所述的變換器電路，其中，所述電壓輸出端包括第一三相輸出端和第二三相輸出端；所述9個模塊電路分別為第一至第九模塊電路；

所述第一三相輸出端從第一模塊電路、第四模塊電路以及第七模塊電路引出；所述第二三相輸出端從第二模塊電路、第五模塊電路以及第八模塊電路引出。

有益效果：本發明提供的一種基於九開關結構的變換器電路，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，輸出多種的埠電壓，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為現有技術的九開關變換器的拓撲圖。

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電路圖。

具體實施方式

本發明提供一種基於九開關結構的變換器電路。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電路。包括：輸入電源100，輸出端200以及設置在輸入電源和輸出端之間9個相同的模塊電路310。所述9個模塊電路分別為第一至第九模塊電路（對應圖3中的310-390所示）。

所述模塊電路作為功率元件，替代現有九開關變換器中的功率開關管，亦即設置位置與現有的九開關變換器的功率開關管相同。

如圖2所示，所述模塊電路310包括：依次連接的模塊電路輸入電源311，功率電路312以及輸出埠313。

在特定的控制下，通過控制功率電路內部元件的截止或者導通，使所述模塊電路310至少具有輸出埠電壓為正向輸入電源電壓+U、反向輸入電源電壓-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。

具體的，如圖2所示，所述功率電路可以包括：一對不帶有反向二極體的第一功率開關管S1及第四功率開關管S4；一對帶有反向二極體的第二功率開關管S2以及第三功率開關管S3及其第一反向二極體D1和第二反向二極體D2。

所述第一功率開關管S1、第二功率開關管S2與第三功率開關管S3、第四功率開關管S4分別形成兩組開關管（S1和S2；S3和S4兩組）對稱設置。

其中，第一功率開關管、第三功率開關管的連接端(b點)和第二功率開關管、第四功率開關管的連接端（c點）引出所述模塊電路的輸出埠。

更具體的，在本實施例中，圖2所示的模塊電路具體包括有6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、第二功率開關管S2截止；第三功率開關管S3截止，第四功率開關管S4導通；第一及第二反向二極體截止。通過第一功率開關管S1和第四功率開關管S4導通，對模塊電源U2充電，輸出埠電壓為-U。

第二電路模態：第一功率開關管S1截止、第二功率開關管S2導通；第三S3和第四功率開關管S4截止；第一反向二極體D1截止，第二反向二極體D2導通。此時，由第二反向二極體D2和第二功率開關管S2導通，電源放電，輸出埠電壓為U。

第三電路模態：第一功率開關管S1截止、第二功率開關管S2截止；第三S3和第四功率開關管S4截止；第一反向二極體D1截止，第二反向二極體D2截止。所有的元件均處於截止狀態，為電源旁路，輸出埠電壓為0。

第四電路模態：第一功率開關管S1導通、第二功率開關管S2導通；第三功率開關管S3截止，第四功率開關管S4截止；第一D1及第二反向二極體D2截止。此時第一功率開關管S1，第二功率開關管S2導通，為旁路模塊電源，輸出埠電壓為0。

第五電路模態：第一功率開關管S1截止、第二功率開關管S2截止；第三功率開關管S3截止，第四功率開關管S4導通；第一反向二極體D1截止，第二反向二極體D2導通。此時第二反向二極體D2，第四功率開關管S4導通，為旁路模塊電源，輸出埠電壓為0。

第六電路模態：第一功率開關管S1截止、第二功率開關管S2截止；第三功率開關管S3導通，第四功率開關管S4截止；第一反向二極體D1導通，第二反向二極體D2截止。相類似地，此時第三功率開關管S3和第一反向二極體D1導通，處於模塊電源充電狀態，輸出埠電壓為0。

在本發明的具體實施例中，如圖3所示，所述模塊電路包括第一至第六模塊電路（200-205）。所述第一至第六模塊電路對應設置在六開關變換器拓撲的開關管位置。亦即使用6個相同的模塊電路分別替代六開關變換器的開關管。

具體的，如圖3所示，所述電壓輸出端包括第一三相輸出端OUTA和第二三相輸出端OUTB。

其中， 所述第一三相輸出端OUTA從第一模塊電路、第四模塊電路以及第七模塊電路引出。所述第二三相輸出端OUTB從第二模塊電路、第五模塊電路以及第八模塊電路引出。

根據以上描述，通過對上述9個模塊電路執行合適的控制策略和控制時序後，可以獲得9種輸出電平，分別為-4U、-3U、-2U、-U、0、U、2U、3U、4U（設輸入電源電壓為U）。而且，其最大輸出電壓由±U拓展至±4U，因此大大提高了直流母線電壓利用率

與現有的九開關變換器相比，本發明實施例的變換器電路的母線的直流電壓利用率是原有變換器的4倍，而且輸出的電平數增加至9電平（通過模塊電路的不同電路模態配合獲得），有效的提高了該變換器電路的系統性能，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。