具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑及其拓展结构

1.本发明涉及多电平逆变器领域，具体是一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑及其拓展结构。


背景技术：

2.近年来，光伏发电领域发展迅速，光伏发电市场日益成熟，因此，研究设计性能更加优异的逆变器对于光伏发电系统的发展和应用具有重要意义。多电平逆变器因为具有低更高的转换效率和高质量的输出波形等优点逐渐成为光伏逆变器中的主流拓扑。使用最多的多电平逆变器包括二极管箝位型、飞跨电容型、级联h桥型逆变器和模块化多电平逆变器，这些逆变器可以以较低的频率运行且输出较高质量的波形。但是，当这些传统的拓扑扩展到更高输出电平时，它们的应用受到器件数量增加和电容器电压不平衡问题的限制。
3.因此，基于开关电容技术的多电平逆变器被提出。与传统多电平逆变器相比，基于开关电容技术的多电平逆变器电路中不存在任何电感器件，由多个电容和开关管串并联组成，并且通常仅需要1个直流电压源；具有很强的升压能力；在无需辅助电路的情况下，电容电压可以实现自平衡。但是，一般的开关电容逆变器多为两级式结构，使得电路结构中某些开关管的电压应力过高，不适用于高压系统。再者，现有开关电容逆变器为了提高逆变器的升压能力，采用复杂的电路结构或者级联的方式来连接多个带独立直流电源的电路单元。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提出一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑，从结构机理上降低所有开关管的电压应力，使结构更加简单；在此基础上，提出拓展结构，在不增加复杂电路的情况下，使之可以实现更高电平输出，提高电压增益。
5.实现本发明目的的技术方案为：一方面，本发明提供一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构，包括1个直流电压输入源、3个电容和10个开关管；
6.直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容cf的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容cf的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
的源极和第四开关管s4的漏极。
7.另一方面，本发明还提供一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构的拓展结构，包括1个直流电压源，n+2个电容和4n+6个开关管，n＝2,3,
…
；
8.直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容
c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容c
f1
的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9和开关管s
a1
～s
a(n-1)
的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容c
f1
的负极连接于开关管s
c1
和开关管s
b1
的漏极，i＝1,2,
…
,n-1；飞跨电容c
fi
的正极连接于开关管s
a(i-1)
的源极和s
c(i-1)
的漏极；飞跨电容c
fi
的负极连接于开关管s
ci
和开关管s
bi
的漏极；飞跨电容c
fn
的正极连接于开关管s
a(n-1)
的源极和开关管s
c(n-1)
漏极；飞跨电容c
fn
的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
和开关管s
b1
～s
b(n-1)
的源极和第四开关管s4的漏极。
9.本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明提出的七电平逆变器结构具有升压和电容电压自平衡的功能，所有开关器件的电压应力均不大于输入电压；(2)本发明提出的拓展结构可以实现更高电平数的输出，仅需要1个直流电压源、n+2个电容和4n+6个开关管便可以产生4n+3阶电平输出，实现n+0.5倍的电压增益，n＝2,3,
…
。
附图说明
10.图1是本发明实施例中具有低电压应力的开关电容七电平逆变器示意图。
11.图2是该七电平逆变器结构在仿真实验时，输出电压波形图。
12.图3是该七电平逆变器结构在仿真实验时，直流侧电容电压波形图。
13.图4是该七电平逆变器结构在仿真实验时，飞跨电容电压波形图。
14.图5是该七电平逆变器结构在仿真实验时，开关管s9电压应力波形图。
15.图6是具有低电压应力的开关电容七电平逆变器的拓展结构示意图。
16.图7是拓展结构在n＝3时的十五电平逆变器示意图。
17.图8是拓展结构在n＝3时在仿真实验中的输出电压波形图。
具体实施方式
18.如图1所示，本发明提供一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构，由1个直流电压输入源、3个电容和10个开关管组成，其连接方式为：直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容cf的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容cf的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
的源极和第四开关管s4的漏极。第九开关管s9的源极、第十开关管s
10
的漏极与负载连接。
19.如图6所示，本发明还提供一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构的拓展结构，包括1个直流电压源，n+2个电容和4n+6个开关管，n＝2,3,
…
，输出4n+3阶电平。其连接方式为：直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第
一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容c
f1
的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9和开关管s
a1
～s
ai
(i＝n-1)的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容c
f1
的负极连接于开关管s
c1
(开关管s
ci
为两个开关管反向串联)和开关管s
b1
的漏极(i＝1,2,
…
,n-1)；飞跨电容c
fi
的正极连接于开关管s
a(i-1)
的源极和s
c(i-1)
的漏极(i＝1,2,
…
,n-1)；飞跨电容c
fi
的负极连接于开关管s
ci
和开关管s
bi
的漏极(i＝1,2,
…
,n-1)；飞跨电容c
fn
的正极连接于开关管s
a(n-1)
的源极和开关管s
c(n-1)
漏极；飞跨电容c
fn
的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
和开关管s
b1
～s
bi
(i＝n-1)的源极和第四开关管s4的漏极。
20.下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
21.实施例1
22.本实施例提出的具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑如图1所示，包括1个直流电压源、3个电容和10个开关管。
23.本实验例的参数选取为：直流电压输入v
dc
＝100v,电容c1＝c2＝2200μf,电容cf＝4700μf,阻感性负载r＝20ω,l＝75mh。
24.为了验证具有低电压应力的开关电容七电平逆变器的正确性与可行性，利用matlab搭建了具有低电压应力的开关电容七电平逆变器仿真模型，进行仿真验证。
25.图2是七电平输出电压波形，实现七电平输出，电压增益为1.5倍，与理论分析相符，验证了该结构的可行性。
26.图3是直流侧电容的电压波形，纹波电压最大为1.62v，说明直流侧电容电压可以实现自平衡。
27.图4是飞跨电容的电压波形，纹波电压最大为1.57v，说明飞跨电容电压可以实现自平衡。
28.图5为开关管s9的电压波形，其中100v为所有开关管两端的最大电压，因此开关管所承受的电压应力均不大于直流输入源电压，与理论分析相符，验证了该结构的正确性。
29.实施例2
30.本实施例提出的具有低电压应力的开关电容七电平逆变器的拓展结构如图6所示，当n＝3即输出电平为15电平时，其拓扑结构如图7所示，其结构包括1个直流电压源、5个电容和18个开关管。
31.本实验例的参数选取为：直流电压输入v
dc
＝100v,电容c1＝c2＝2200μf,电容c
f1
＝c
f2
＝c
f3
＝4700μf,输出频率为50hz,阻感性负载r＝20ω,l＝75mh。
32.为了验证具有低电压应力的开关电容七电平逆变器的拓展结构的正确性与可行性，利用matlab搭建了15电平逆变器仿真模型，进行仿真验证。
33.图8为15电平输出电压波形，实现十五电平输出，电压增益为3.5倍，与理论分析相符，验证了该结构的可行性。
34.以上论述仅为本发明的两个实施例，任何在本发明的基础上所作的等效变换，均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构，其特征在于，包括1个直流电压输入源、3个电容和10个开关管；直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容c
f
的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容c
f
的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
的源极和第四开关管s4的漏极。2.一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构的拓展结构，其特征在于，包括1个直流电压源，n+2个电容和4n+6个开关管，n＝2,3,
…
；直流输入电压源v
dc
的正极连接于第三开关管s3、第五开关管s5的漏极和第一电容c1的正极；直流输入电压源v
dc
的负极连接于第四开关管s4、第六开关管s6的源极和第二电容c2的负极；第一电容c1的负极连接于第二电容c2的正极和第一开关管s1的漏极；第一开关管s1的源极连接于第二开关管s2的源极；第二开关管s2的漏极连接于第五开关管s5、第七开关管s7的源极和第六开关管s6、第八开关管s8的漏极；飞跨电容c
f1
的正极连接于第七开关管s7、第九开关管s9和开关管s
a1
～s
a(n-1)
的漏极和第三开关管s3的源极；飞跨电容c
f1
的负极连接于开关管s
c1
和开关管s
b1
的漏极，i＝1,2,
…
,n-1；飞跨电容c
fi
的正极连接于开关管s
a(i-1)
的源极和s
c(i-1)
的漏极；飞跨电容c
fi
的负极连接于开关管s
ci
和开关管s
bi
的漏极；飞跨电容c
fn
的正极连接于开关管s
a(n-1)
的源极和开关管s
c(n-1)
漏极；飞跨电容c
fn
的负极连接于第八开关管s8、第十开关管s
10
和开关管s
b1
～s
b(n-1)
的源极和第四开关管s4的漏极。3.根据权利要求2所述的具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑结构的拓展结构，其特征在于，开关管s
ci
为两个开关管反向串联。

技术总结
本发明公开了一种具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑及其拓展结构，拓扑结构使用1个电压源、3个电容和10个开关管实现了1.5倍升压的七电平输出；在无需辅助电路的情况下，电容电压可以实现自平衡，并且所有开关管的电压应力均不大于输入电压。其拓展结构在七电平逆变器基础上每增加1个电容和4个开关管，输出电压可以增加4阶电平阶梯波，电压增益增加1倍。本发明提出的具有低电压应力的开关电容七电平逆变器拓扑，从结构机理上降低所有开关管的电压应力，使结构更加简单；在此基础上，提出拓展结构，在不增加复杂电路的情况下，使之可以实现更高电平输出，提高电压增益。提高电压增益。提高电压增益。


技术研发人员：吕广强 韩啸林 王宝华 蒋海峰
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：2023.07.24
技术公布日：2023/10/19