（电力电子与电力传动专业论文）组合式多电平acac变换器研究.pdf

硕士论文 a b s t r a c t t h ed cs w i t c hu n i ti sd e f i n e db ya n a l y z i n gt h eb a s i cc o n v e r t e r so fb u c k ，b o o s ta n d b u c k b o o s t a n dt h ed cs w i t c hu n i ti sc o m b i n e dt of o r mt h ea cm u l t i 1 e v e ls w i t c hu n i t a n d t h eb a s i cm u l t i - - l e v e la c - a cc o n v e r t e r sa r eo b t a i n e db ya p p l y i n gt h ea cm u l t i - l e v e ls w i t c h u n i ti nt h eb a s i cc o n v e r t e r s c o m b i n a t i o nm o d em u l t i l e v e la c a cc o n v e r t e r sa r ep r o p o s e d b yc o m b i n i n gt w ob a s i ca c - a cc o n v e r t e r s ，w h i c hi n c l u d i n gb u c kt l b o o s tc o m b i n a t i o n m o d et h r e e l e v e la c - a cc o n v e r t e r , b u c k b o o s tt lc o m b i n a t i o nm o d et h r e e - l e v e la c a c c o n v e r t e r , b u c kt l - - b o o s tt lc o m b i n a t i o nm o d et h r e e - l e v e la c a cc o n v e r t e r t h eo p e r a t i o n p r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo fb u c kt l b o o s tc o m b i n a t i o nm o d et h r e e - l e v e la c - a c c o n v e r t e ra r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ev o l t a g ec o n t r o lo fc l a m pc a p a c i t o ri sr e a l i z e d i ti sp r o v e d b yt h es i m u l a t i o ni np s p i c et h a tt o p o l o g ym e t h o do fc o m b i n a t i o nm o d em u l t i - - l e v e la c a c c o n v e r t e ri sf e a s i b l ea n dt h eo p e r a t i o np r i n c i p l ei sc o r r e c t a n dt h ec o m b i n a t i o nm o d e m u l t i - - l e v e la c - a cc o n v e r t e r sa r ei m p r o v e di n t oc o m b i n a t i o nm o d em u l t i - l e v e la c a c c o n v e r t e r sw i t ht h ei n p u ta n do u t p u ts h a r i n gt h es a m eg r o u n d ( t h ei m p r o v e db u c kt l b o o s t c o m b i n a t i o nm o d et h r e e l e v e la c - a cc o n v e r t e r ；t h ei m p r o v e db u c k - - b o o s tt lc o m b i n a t i o n m o d et h r e e - l e v e la c - a cc o n v e r t e ra n dt h ei m p r o v e db u c kt l b o o s tt lc o m b i n a t i o nm o d e t h r e e l e v e la c a cc o n v e r t e r ) t h ef o u ro p e r a t i o nm o d e sa n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ei m p r o v e db u c kt l b o o s t c o m b i n a t i o nm o d et h r e e - l e v e lc o n v e r t e ra r ei n v e s t i g a t e d ，a n dt h ev o l t a g e - u n i t e dc o n t r o l s t r a t e g yi sp r o p o s e d v o l t a g ec o n t r o lo ft h ef l o a t i n gc a p a c i t o ri sr e a l i z e di nm u l t i l e v e la c a c c o n v e r t e ra n dv o l t a g es t r e s s e so ft h es w i t c h e sa r ea n a l y z e da n dt h ep a r a m e t e r so ft h em a i n c o m p o n e n t sa r ed e s i g n e d i t so p e r a t i o np r i n c i p l ei sp r o v e db ys i m u l a t i o n t h e nt h es a m p l ei s m a d e t h ec o r r e c t n e s so fo p e r a t i o np r i n c i p l ea n dc o n t r o ls t r a t e g yo ft h ei m p r o v e db u c k t l b o o s tc o m b i n a t i o nm o d et h r e e - l e v e la c a cc o n v e r t e ri s p r o v e db ye x p e r i m e n t t h e p r i m a r ye x p e r i m e n tr e s u l ti sg i v e n ，a n dt h ep o w e rf a c t o ri nn e t w o r ks i d e ，t h et o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o na n dt h ee f f i c i e n c ya r et e s t e da n da n a l y z e d k e yw o r d ：c o n v e r t e rt o p o l o g y , c o m b i n a t i o nm o d e ，m u l t i 1 e v e l ，a c a cc o n v e r t e r , v o l t a g e - u n i t e dc o n t r o ls t r a t e g y i i 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 图表目录 图1 1 单相可控硅交流调压器1 图1 2 可控硅相控变频器框图2 图1 3 三相输入三相输出矩阵变换器一2 图1 4 交流斩波器结构框图3 图1 5 交交型高频环节a c a c 变换器结构3 图1 6 交直交型高频环节a c a c 变换器4 图1 7 非电气隔离式多电平a c a c 变换器结构图5 图1 8 电气隔离式多电平a c a c 变换器结构图5 图2 1 三种基本变换器9 图2 2 改动后的b o o s t 变换器9 图2 3 基本开关单元9 图2 4 基本开关单元的延拓1 0 图2 5 多电平d c d c 变换器1 1 图2 6 组合式多电平d c d c 变换器1 2 图2 7 交流开关单元拓扑1 2 图2 8 基于串并思想生成的多电平a c a c 开关结构一1 3 图2 9 基本三电平a c a c 变换器1 4 图2 1 0 组合式三电平a c a c 变换器拓扑族1 6 图3 1 组合式t l a c a c 变换器1 7 图3 2 各开关管的控制时序及主要波形1 8 图3 3 个开关周期内电流流向图一2 0 图3 4s l 、s l 、s 4 、s 4 的控制时序2 1 图3 5 组合式t l a c a c 变换器的控制电路原理框图2 2 图3 6 组合式t l a c - a c 变换器仿真实验波形2 5 图4 1 组合式t l a c a c 变换器的改进2 8 图4 2 改进的组合式三电平a c a c 变换器拓扑族2 8 图4 3 开关管控制时序和主要波形2 9 图4 4 工作模态a 时的开关模态图3 1 图4 5 工作模态b 时的开关模态图3 3 图4 6 改进的组合式t l a c a c 变换器控制电路框图一3 5 图4 7 改进的组合式t l a c a c 变换器的仿真实验波形4 1 v 图表目录 硕士论文 图5 1 改进的组合式t l a c a c 变换器的系统组成框图4 2 图5 2 改进的组合式t l a c a c 变换器功率电路4 2 图5 3 与电网电压同步的正弦基准电路框图。4 4 图5 4i c l 8 0 3 8 内部结构与封装4 4 图5 5 锯齿波输出电路4 5 图5 6 输入电压和输出电压采样电路4 5 图5 7v s m 5 0 0 d 外观和具体接线端4 6 图5 8 浮动电容采样电压的处理4 7 图5 9p i 调节器4 7 图5 1 0 误差修正信号的产生4 8 图5 1 lp w m 比较器。4 8 图5 1 2 信号选通电路4 9 图5 1 3 基本门电路4 9 图5 1 4r c 平移电路。5 0 图5 15r c d 延时电路5 0 图5 16 驱动电路5 0 图5 17 电容参数设计图5 1 图5 1 8 改进的组合式t l a c a c 变换器实验样机5 5 图5 19 控制电路调试5 9 图5 2 0 主要实验波形6 4 图5 21 网侧功率因数曲线6 7 图5 2 2u ，= 1 9 8 v 时t h d 测试曲线6 9 图5 2 3u ；= 2 2 0 v 时t h d 测试曲线6 9 图5 2 4u ，= 2 4 2 v 时t h d 测试曲线7 0 图5 2 5 效率测试曲线7 1 表4 1 工作模态a 时各开关管的电压应力3 4 表4 2 工作模态c 时各开关管的电压应力3 4 表5 1v s m 5 0 0 d 的主要参数4 6 表5 2u i - 1 9 8 v 时网侧功率因数6 5 表5 3u i _ 2 2 0 v 时网侧功率因数6 6 表5 4u i = 2 4 2 v 时网侧功率因数6 6 表5 5u i = l9 8 v 时电压谐波失真测试6 7 表5 6u i = 2 2 0 v 时电压谐波失真测试6 8 表5 7u i = 2 4 2 v 时电压谐波失真测试6 8 v i 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 表5 8 效率测试数据7 0 v l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名：季越翻 ， 学位论文使用授权声明 h 年s 具咖 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：座丝型 一年? i 月婀 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 1 绪论 自从2 0 世纪5 0 年代电力电子技术诞生以来，经过半个多世纪的发展，电力电子技 术已广泛应用于d c d c 1 3 1 ，a c d c l 4 - 7 和d c a c i s - 1 伽等领域中。目前，在中、小功率变换领 域，电力电子技术己逐渐趋于成熟，将来主要的研究目标是电力电子技术在高电压、大 功率领域中的应用。但是，目前遇到的难题是电力电子器件耐压等级较低，满足不了高 电压、大功率的要求。这限制了传统的两电平电力电子变换器向高电压、大功率领域的 发展。直到上个世纪8 0 年代，日本学者a n a b s e 提出三电平中点箝位式逆变q 器r 1 1 1 】才解 决了电力电子器件耐压等级低的难题。 本章系统地论述了交流变换器的发展现状以及应用前景，介绍了论文的研究意义和 主要研究内容。 1 1 交流变换器的发展 交流变换器是利用电力电子开关，将某一频率和幅值的交流电能转换成同一或另一 种频率和幅值的交流电能的一种变换装置。广泛应用于工矿、企业、科学研究所和大学 实验室等。根据变换器中是否含有变压器【1 2 9 1 ，可将交流变换器分类为；非电气隔离式 交流变换器和电气隔离式交流变换器两大类。 1 1 1 非电气隔离式交流变换器 非电气隔离式交流变换器是指变换器结构中没有高频交流变压器，直接通过对功率 开关管的控制实现交流电能的输送。该类变换器具有拓扑结构简单、输入和输出电压均 为正弦波形、变换效率高、输出的电压幅值可调等特点。 ( 1 ) 可控硅交流调压器 可控硅交流调压器是通过调节两个反并联的晶闸管的触发角来调节输出电压的幅 值。单相可控硅交流调压器电路拓扑，如图1 1 所示。该电路具有电路拓扑简洁、控制 简单、无电气隔离、输出含有较严重的谐波分量、同频变换等特点。 土u o 图1 1 单相可控硅交流调压器 可控硅交流调压器不改变交流电的频率，一般控制方式为相位控制和通断控制，即 通过改变s 和s 的触发角来调节输出电压u o ，广泛应用于灯光控制、异步电机的软启动 l 绪论 硕士论文 和调速等方面。 ( 2 ) 可控硅相控变频器 可控硅相控变频器【2 0 是通过控制正，反两组可控整流器的切换频率，把电网频率的 交流电直接变换成可调频率的交流电的一种变流电路，如图1 2 所示。可控硅相控变频 器具有双向功率流、网侧功率因数低、控制复杂、输出电压频率远低于输入电压频率等 特点。常采用“余弦波交截控制法”以获得平均正弦波的输出，随着输入电压相数的增 多，输出波形质量越好。常应用于低速大功率的电机调速传动系统。 正组反组 图1 2 可控硅相控变频器框图 ( 3 ) 矩阵变换器 矩阵变换器【2 m 5 1 是一种采用高频p w m 技术将任意频率和幅值的多相交流电直接转换 成另一种频率和幅值的交流电的一种装置。矩阵变换器具有输入功率因数高、双向功率 流、控制复杂、输出电压频率可高于或低于输入电压频率等特点。三相输入三相输出矩 阵变换器电路结构如图1 3 所示，其中s l s 9 为双向功率开关，用于阻断任意方向的电 压和电流。对三相输入到三相输出矩阵变换器进行控制时，要首先检测三相输入电压， 从而根据输出电压的大小计算出功率开关s l s 9 的占空比，去控制各个开关管，从而得 到输出电压。 图1 3 三相输入三相输出矩阵变换器 ( 4 ) 交流斩波器 交流斩波器是在直流斩波器的基础上发展起来的 2 们，将直流斩波器中的所有开关 管和二极管用双向交流开关管代替得到的。交流斩波器主要是将不稳定的劣质的正弦交 流电转换成稳定的优质的同频的正弦交流电，它由输入滤波器、交流变换单元和输出滤 2 硕士论文组合式多电平a c a c 变换器研究 波器构成，如图1 4 所示。通常采用具有输入电压极性选择的p w m 控制，实现交流调压 功能。交流斩波器具有双向功率流、网侧功率因数高、动态响应快、变换效率高、易实 现、输出容量大、滤波体积小、同频变换等特点。广泛地应用于工业加热、灯光控制、 交流电机的启动与调速等领域。 烈 ，、，v ，、，、，- y n 厂 l i 川s,i l o r 。ic i = c o = 输入滤波器 输出滤波器 输 雌 图1 4 交流斩波器结构框图 1 1 2 电气隔离式交流变换器 电气隔离式交流变换器指变换器结构中带有高频交流变压器的交流变换器，通过对 功率开关的控制和变压器参数的调节实现交流电能的传送。该类变换器具有拓扑结构相 对复杂、体积较大、功率因数低、输入输出电气隔离、输出电压幅值可调度大等特点。 ( 1 ) 交交型高频环节a c a c 变换器 交一交型高频环节a c a c 变换器 1 6 】具有电路拓扑简洁、两级功率变换、功率密度和 变换效率高、双向功率流、音频噪音低等特点。该变换器结构主要包括输入滤波器、输 入周波变换器、高频变压器、输出周波变换器、输出滤波器，如图1 5 所示。主要适用 于中小功率变换场合。 r_- 1 。兰1 “0 j ”i 【 交流电网输入滤波器输入周波变换器高频变压器输出周波变换器输出滤波器交流负载 图1 5 交交型高频环节a c - a c 变换器结构 3 l 绪论硕士论文 ( 2 ) 交直交型高频环节a c a c 变换器 交直交型高频环节a c a c 变换器是先将正弦交流电整流成直流，然后再逆变，得 到所需要的交流电压，变换器框图如图1 6 所示。由于中间带有直流环节和高频变压器， 该变换器具有三级功率变换( l f a c d c h f a c l f a c ) 、电路拓扑复杂、体积重量大、变 换效率低、电网谐波污染严重、单向功率传递、成本高等特点。 交流电网低频整流器高频逆变器高频变压器周波变换器输出滤波器工频交流负载 图1 6 交直交型高频环节a c a c 变换器 1 2 多电平a c a c 变换器的发展 传统的a c - a c 变换器输出的脉冲波大多是0 和l 两种电平，具有开关管承受的电压 应力大、谐波含量多、对电网的影响较大、滤波器体积庞大、不利于携带等特点。随着 电力电子技术的发展，电力电子变换技术在中小功率领域已经不断走向成熟，现在不断 趋向于高电压、大功率a c - a c 变换领域扩展，这就要求电力电子开关管的耐压等级较高。 虽然目前国内外厂家生产的功率开关管的耐压值几经高达几千伏，最大容量也高达几万 甚至几十万伏安，但是很多时候，传统的两电平a c - a c 变换器仍然满足不了人们对高电 压、大功率的要求，这使得电力电子变换器的发展受到了很大的限制。为了解决这一问 题，许多学者致力于新的电力电子变换器拓扑的探索，直至上世纪8 0 年代，三电平中 点箝位式逆变电路的提出，使许多研究人员和学者看到了希望，多年来，许多学者一直 致力于新的多电平结构拓扑的探索，逐渐形成箝位型和级联型两大类多种样式的多电平 变换器拓扑结构【2 眦8 1 ，这在许多方面都得到广泛的应用，也取得了非常显著的成果。近 年来，也有不少学者探索多电平技术在a c a c 方面的应用，提出了非电气隔离式多电 平a c - a c 变换器【l z j ，如图1 7 所示，和电气隔离式多电平a c a c 变换器【】3 】，如图1 8 所示。这两类变换器输出的脉冲波含有多种电平，谐波含量少，有利于滤波器的设计， 降低了开关管的电压应力，这解决了在高电压大功率场合下，电力电子器件耐压等级不 足的难题。进一步推动着电力电子技术向高电压、大功率场合发展。 4 硕士论文组合式多电平a c a c 变换器研究 0 4 u ar - 一= l 一，u 扎 - ，、，_ 、，、 _ - j _ i ，1 v n f 牛f ll r 上 u 衄 c f ；z i 。i c it t ”c1f ll 一 一卜- r 输入交流电源输入滤波器多电平变换器输出滤波器输出交流负载 图1 7 非电气隔离式多电平a c - a c 变换器结构图 广一一一一1 i i 吼c r 一。一1 l 勇燃j h f a c 广 三删i l 一一- j 图1 8 电气隔离式多电平a c a c 变换器结构图 多电平a c a c 变换器主要应用领域有：高压大容量交流电机变频调速、交直流能 量转换、电能质量综合治理等。和传统的两电平a c - a c 变换器相比，多电平a c a c 变 换器具有它独特的优势： ( 1 ) 开关管的电压应力降低，能应用于高压大功率的场合。 ( 2 ) 谐波含量少。对于多电平变换器，可产生多层的阶梯性输出电压，理论上提高 电平数可以使电压波形接近纯正弦波，所以谐波含量很小。 ( 3 ) 电磁干扰降低。开关器件一次动作的d v d t 只有两电平的1 ( n 1 ) ，所以电磁干 扰问题大大减轻。 ( 4 ) 减小滤波器体积，保留同样的纹波电压和纹波电流，多电平变换器所需的滤波 电感和滤波电容要比传统的两电平变换器所需的要小得多。 目前，国内外对多电平a c a c 变换器研究的还不多，技术还不够成熟，有待于学 者进一步研究。 5 l 绪论硕士论文 1 3 论文研究的主要内容和研究意义 1 3 1 论文研究的主要内容 论文从基本开关单元拓扑入手，运用串一并( 并一串) 的思想，将基本多电平a c - a c 变 换器进行组合，提出一族组合式多电平a c - a c 变换器，并对其改进。论文主要研究内 容包括： 1 、分析基本直流变换器，寻找基本开关单元，利用串一并( 并一串) 思想，找出多电平 开关单元的拓扑方法，并将基本变换器进行组合，提出一族组合式多电平d c d c 变换器。 2 、将组合的方法应用到交流变换器中，提出一族组合式多电平a c a c 变换器。 3 、以三电平为例，理论研究了b u c k t l b o o s t 组合式三电平a c a c 变换器的工作原 理和控制方法，通过调整开关管的控制顺序，解决了均压电容电压平衡的问题，并进行 软件仿真验证。 4 、将输入输出不共地的组合式三电平a c - a c 变换器进行改进成输入输出共地的组 合式三电平a c - a c 变换器，研究了改进的b u c kt l b o o s t 组合式三电平a c a c 变换器的 工作原理、输入输出特性及控制策略等，提出了电压联合控制方案，在交流多电平变换 器中，实现了浮动电容电压的控制。 5 、对改进的b u c k t l b o o s t 组合式三电平a c a c 变换器进行各种负载仿真实验，从 而为样机制作和具体实验奠定基础。 6 、实验研究：输入电压u i ：2 2 0 v a c 1 0 、5 0 h z 的交流电，额定容量s - 5 0 0 v a ， 输出电压u o ：2 2 0 v a c 、5 0 h z 的交流电，负载功率因数c o s t a ：0 7 5 o 7 5 。根据实验要 求，设计并制作改进的b u c kt l 。b o o s t 组合式三电平a c a c 变换器原理试验样机，并进 行实验。 7 、给出实验结果。当样机输入电压分别为1 9 8 v ，2 2 0 v 和2 4 2 v 时，负载由轻载不断 变化到满载，直到过载时，对样机的网侧功率因数、总谐波失真( t h d ) 和效率进行测试， 并对实验结果和测试数据进行分析和总结。 1 3 2 论文研究的意义 论文课题来源于国家自然科学基金资助项目( 5 0 6 0 7 0 0 8 ) ：交一交型多电平a c a c 变 换器原理研究。其主要研究意义如下： 1 论文课题利用组合的方法将基本多电平变换器进行组合，提出一族组合式多电平 d c - d c 变换器和一族组合式多电平a c a c 变换器，然后对组合式多电平a c a c 变换 器进行改进，改进成输入输出共地的组合式多电平a c a c 变换器，为电力电子变换器 拓扑提供一种拓扑方法，丰富了电力电子学的研究内容。 2 组合式多电平a c a c 变换器具有电路拓扑简洁、控制方法简单、双向功率流、 6 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 网侧功率因数高、开关管电压应力小、音频噪音小、谐波含量少、体积重量小、单级功 率变换、成本低等优点，在高电压、大功率场合具有广阔的应用前景。 3 组合式多电平a c a c 变换器技术成果可推广应用于航空航天、科研生产、高校 实验室和日常生活等领域。该技术的研究是在直流电子变压器的基础上发展起来的新型 交流电子变压器、正弦交流稳压器和交流调压器的关键技术基础，具有重要的理论价值 和工程应用价值。 7 2 组合式多电平变换器拓扑硕士论文 2 组合式多电平变换器拓扑 电力电子变换器主要是通过对开关单元的控制来实现电能的转换，是电力电子学的 主体和重要研究内容。目前，常用的电力电子变换器数不胜数，而且随着电力电子技术 的发展，新的变换器拓扑结构也不断涌现，因此电力电子变换器的拓扑方法具有非常重 要研究意义。 本章从分析基本变换器入手，重点研究了多电平开关结构的拓扑方法( 从直流到交 流，两电平到多电平) ，利用组合的方法，提出一族具有共同特点的组合式多电平d c d c 变换器和组合式多电平a c a c 变换器。 2 1 组合式多电平d c d c 变换器拓扑 2 1 1 直流基本开关单元及延拓 电力电子变换器主要构成部分是开关单元，因此开关单元的拓扑是电力电子变换器 拓扑的前提。论文所说的电平开关拓扑为电压型开关单元，即电平就是电压 2 9 捌。所谓 的基本开关单元指构成电平开关拓扑结构中必不可少的元器件。 下面从基本直流变换器入手，图2 1 是b u c k 、b o o s t 和b u c k b o o s t 三种基本变换器 的拓5 e b t 2 9 , 3 2 】。 8 、 l il f 卜；卜 lj 引 a ) b u c k 变换器 l i l f d b ) b o o s t 变换器 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 v ； l i d c ) b u c k b o o s t 变换器 图2 1 三种基本变换器 如果将b o o s t 变换器稍作改动，将二极管d 移到输出负载的另一侧，如图2 2 所示。 、 图2 2 改动后的b o o s t 变换器 可以看出三种基本变换器都含有如图2 3 ( a ) 所示的开关结构( 1 个二极管，1 个功率开 关管和1 个电容) ，必要时可以将功率开关管s 和二极管d 换成双向开关结构，如图2 3 ( b ) 所示。这种开关结构主要是应用在直流变换器中，因此定义这种开关结构为基本开关单 元。 d c 一 d a )b ) 图2 3 基本开关单元 根据串一并( 并一串) 思想【2 9 , 3 0 , 3 1 】，把这种基本开关单元进行串联，并联和串一并( 并一串) 组合，可以得到多电平直流开关拓扑结构，如图2 4 所示。 9 2 组合式多电平变换器拓扑硕士论文 上s ： 习#c 丁s 善 a ) 基本开关单元串联拓扑结构b ) 基本开关单元的并联拓扑结构 p j 一 c d l = 小z sd 。 p j1 小z d 2 = 式2 卜一j1 c d - j _ _ c d 2 = 小z 王d 3 乔2 = j 广 2 到、2 d 。 = 卜= 、 一一 孓d ，c a f r 小zs l h c d 3 = z 一 s 6 、 d 6 c ) 基本开关单元串并的直流四电平开关结构 图2 4 基本开关单元的延拓 按照这种串一并( 并一串) 思想，如果将更多的开关单元进行串一并( 并一串) 联，可以得 到更多电平的直流开关拓扑，在此不再赘述。 2 1 2 组合式多电平d c d c 变换器拓扑 将基本变换器中的基本开关单元换成直流多电平开关结构就可以得到多电平 d c d c 变换器结构，如图2 5 所示。 1 0 a ) b u c k 三电平d c - d c 变换器 r o 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 、 v ； l i l f d l b ) b o o s t 三电平d c d c 变换器 r o c ) b u c k - b o o s t 三电平d c - d c 变换器 图2 5 多电平d c - d c 变换器 从基本开关单元入手，根据串一并( o f 一串) 思想，最后形成的多电平d c d c 变换器 与文献 2 所得出的三电平直流斩波器相同，这说明此种拓扑方法的正确性，为寻找更 多的变换器拓扑又提供一种可行的拓扑方法。 众所周知，b u c k 变换器电压增益小于1 ，适用于高压输入低压输出的场合；而b o o s t 变换器电压增益大于1 ，适用于低压输入高压输出的场合。可见b u c k 、b o o s t 变换器调 压范围有一定的局限性，使其应用范围受到很大的限制。因此，论文利用组合的方法， 将b u c k ，b o o s t 变换器进行组合，提出具有共同特点的一族组合式多电平d c d c 变换 器。如图2 6 所示。 v a ) b u c kt l - b o o s t 组合式d c d c 变换器 r o 2 组合式多电平变换器拓扑硕士论文 。蟛 b ) b u c kt l b o o s tt l 组合式d c d c 变换器 l il f d 2 r o c ) b u c k - b o o s tt l 组合式d c - d c 变换器 图2 6 组合式多电平d c d c 变换器 2 2 组合式多电平a c - a c 变换器拓扑 2 2 1 交流开关单元及延拓 交流变换器是在直流变换器的基础上逐渐发展起来的。在交流变换器中，要求开关 管具有双向导通能力，常用的交流开关结构如图2 7 ( a ) 所示，将两个直流开关管分别反 并联一个二极管，然后再串联组成的。将直流开关单元中的开关管和二极管都换成交流 开关就得到交流开关单元，如图2 7 ) 所示。 1 2 d u i d a ) 交流开关结构 同样根据串- 并( 并串) 思想， v j 习、j 【d l i f：d ： | r q 2：s ：、 一 p j 【d ：u 。i 手一 _ ps! d ： s 2 卜、 b ) 交流开关单元 图2 7 交流开关单元拓扑 将交流开关单元进行串- 并( 并串) 组合，可以得到如图 硕士论文 组合式多电平a c a c 变换器研究 2 8 所示的多电平a c a c 开关结构。 u i 卜一j 小2 孓d l 非7d ： c d l 2：卜、一 一 弹 d 2 坠一5 zd 2 、 一 梦一 【d ： ， y 5zd 3 卜、 c 北2 。 v - - p 【d 4 y 5zd ： 卜 u o a ) 交流开关单元串联的a c - a c 三电平开关结构 l j 小2 sd l 皲：d ； c d l 2：、 p 一p j 魏 i d 2 魏 d ， 、 z d ： ：卜、 zd ： k 一j c d 4 2 p j d 8 小2 d 3 魏：d ； l浒 zd ； 卜、。 【d 9 l 卜、 p j c d 22 一燕 s d 4 婶 y 5z d ：l一5 zd ； 卜、 c d 5 2= s ：卜、 p j v - - 小2 【d 5 p d l o 浒1d ： 21 1 ，5zd ：。 c d 3 =、卜、 v - - n 2d 6 篷一：d ： 卜、 u o b ) 交流开关单元串并的a c a c 四电平开关结构 图2 8 基于串并思想生成的多电平a c - a c 开关结构 2 2 2 组合式多电平a c a c 变换器拓扑 将串并( 并串) 思想生成的a c a c 多电平开关结构应用到基本直流变换器中，可以 得到基本多电平a c a c 变换器，例如交流开关单元串联的a c a c 多电平开关结构应用 到直流变换器中，如图2 9 所示。 1 3 2 组合式多电平变换器拓扑硕士论文 1 4 u i l i ：i d l 。卜一 v ! z d ： l f c 们= ： 卜、 一 - n 【d ： 、 c j = = 一、 d 2 乡 入 一 c 于= r 。 手 d ： 一jd 3 、 c d 22 2 一 n 【d 。 一】z d 4 s ：卜、 a ) b u c k 三电平a c a c 变换器 、d l l ；l ，# s v - zd ： 卜2 l 。、，、 ，u 、，u j = 一 c 订= n d ： 一5 zd c ；： s ，卜、 2 r 0 司、i 2d j 舛zd r = - - 、一c 一 一 赴 d 4 一5 1d ： s ：h 、 b ) b o o s t 三电平a c - a c 变换器 d 1d ld ，d ： d ：d 4 d 3d 3 c ) b u c k b o o s t 三电平a c - a c 变换器 图2 9 基本三电平a c - a c 变换器 u o 上u 。 i u 。 硕士论文组合式多电平a c a c 变换器研究 根据组合式多电平d c d c 变换器的拓扑方法，将b u c ka c a c 变换器和b o o s t a c a c 变换器进行组合，提出一族组合式多电平a c a c 变换器，如图2 1 0 所示。组合 式多电平a c a c 变换器具有电路拓扑简洁、谐波含量少、单级功率直接变换、网侧功 率因数高、双向功率流、滤波体积小和成本低等特点。 l is i 一 1 、j【d i 山上2 。：点 父父 k 。 c d i = i p j t ：r 一 对 fn -1 ，0 2 一 ) 一j 一j d 。d 6 d ： 7 c i2 = s 2 卜、 z d 2叭 i c o = 一 墨g d 砖 ， ! d 5夺 d 3 l 一、 一 s 3 、 c i 一 夺o d 一! d 4 s ：、 a ) b u c kt l - b o o s t 组合式三电平a c - a c 变换器 id j ! d 3 c n2 = 8 4 d 4 d 2 岛 3 zd ： r 。【 10 2 s 一： 【d 5 _ 心点s 一卜i - 。】i i 一 1 d ； 应：= s z c i ： 一 s 厂k 、2 【d 6 s # 【d ： i b ) b u c k - b o o s tt l 组合式三电平a c a c 变换器 1 5 2 组合式多电平变换器拓扑 硕士论文 l i s 一一 1 l2【d - s ；飞2 d ： 虬上2d ： s ! 耽 c d l = ： 、。 1 m 唧刍 一= 一 一 【d 6 c n 一 手0 【d ： h s 6 弋2 一j! d，l。一 j 5d ： c j ：=s 2 、 9 卜、 r 。【 一 i 琏 s ，弋2 id 7 c d 22一誓 卜 ! d ，文! 1d ； 一。 卜、c ， = 一量 一 d 。s 3 弋2 id 8 卜 s ：、 ! d j s ： 0 ，正弦负半周内u i o 一一- 一i h o ，u ； 0 ，i l f 0 ；u i 0 ，i l l 0 ；u i 0 ；u i 0 为例分析一个开关周期 内变换器的开关模态。 ( 1 ) 开关模态l t o ，t l 】： 这段时间内，开关管s 2 ，s 4 ，s 5 导通，分压电容c d 2 向储能电感l f 中储存能量，电 流由c d 2 ，s 2 ，d 2 ，l f ，s 5 ，d 57 ，s 4 ，d 4 形成回路，负载由输出滤波电容c o 供电，如 图3 3 ( a ) 所示