一种基于九开关结构的变换器电路

摘要

本发明公开了一种基于九开关结构的变换器电路，包括输入电源，输出端以及设置在输入电源和输出端之间的9个相同的，用于作为功率元件的模块电路；所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；随功率电路的变化，所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电源电压以及零电势的电路模态。通过使用具有多个电路模态的模块电路替代原变换器中的功率开关管，可以对模块电路采用特定的控制，控制模块电路进入不同的电路模态，输出多种的端口电压，有效的提高了对于母线的直流电压利用率并且增加了输出的电平数。

权利要求

1.一种基于九开关结构的变换器电路，包括输入电源以及输出端，其特征在于，还包括：设置在输入电源和输出端之间的9个相同的，用于作为功率元件的模块电路；

所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；随功率电路的变化，所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电源电压以及零电势的电路模态；

所述功率电路包括：一对不带有反向二极管的第一功率开关管及第四功率开关管；一对带有反向二极管的第二功率开关管以及第三功率开关管及其第一和第二反向二极管；

所述第一功率开关管、第二功率开关管与第三功率开关管、第四功率开关管对称设置；

所述第一功率开关管的源极与第三功率开关管的漏极连接，所述第二功率开关管的漏极与第四功率开关管的漏极连接所述电压输出端包括第一三相输出端和第二三相输出端；所述9个模块电路分别为第一至第九模块电路；

所述第一三相输出端从第一模块电路、第四模块电路以及第七模块电路引出；所述第二三相输出端从第二模块电路、第五模块电路以及第八模块电路引出。

2.根据权利要求1所述的变换器电路，其特征在于，所述模块电路的输出端口由第一功率开关管、第三功率开关管的连接端和第二功率开关管、第四功率开关管的连接端引出。

3.根据权利要求1所述的变换器电路，其特征在于，所述模块电路包括6个电路模态，分别为：第一功率开关管导通、第二功率开关管截止；第三功率开关管截止，第四功率开关管导通；第一及第二反向二极管截止的第一电路模态；

第一功率开关管截止、第二功率开关管导通；第三和第四功率开关管截止；第一反向二极管截止，第二反向二极管导通的第二电路模态；

第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三和第四功率开关管截止；第一反向二极管截止，第二反向二极管截止的第三电路模态；

第一功率开关管导通、第二功率开关管导通；第三功率开关管截止，第四功率开关管截止；第一及第二反向二极管截止的第四电路模态;第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三功率开关管截止，第四功率开关管导通；第一反向二极管截止，第二反向二极管导通的第五电路模态；

第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三功率开关管导通，第四功率开关管截止；第一反向二极管导通，第二反向二极管截止的第六电路模态。

说明书

一种基于九开关结构的变换器电路

技术领域

[0001] 本发明涉及电能转换设备技术领域，尤其涉及一种基于九开关结构的变换器电路。

背景技术

[0002] 图1所示的九开关变换器作为工业应用中不可或缺的电力电子设备，广泛应用于电力系统、高速列车、电动汽车、大型不间断电源（UPS）、新能源发电等领域。然而，随着九开关变换器功率的增大，以及功率开关管的开关频率的提高，使得功率开关管的开关损耗越来越大，已成为制约高功率密度逆变器发展的一个关键问题。

[0003] 在三相变换器控制方面，空间矢量脉冲宽度调制（SVPWM）技术与SPWM策略相比，具有输出电流波形的谐波分量小，且直流母线电压的利用率较高，更易于数字化控制。然而，由于九开关变换器结构上的复杂性，变换器虽然在结构上节省了开关管的使用，在控制上却因为上、下逆变器的耦合而变得复杂，使得传统SVPWM技术的应用受到了极大的限制。

[0004] 因此，现有技术还有待发展。

发明内容

[0005] 鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种基于九开关结构的变换器电路，旨在解决现有九开关变换器输出电平数及母线电压利用率不足的问题。

[0006] 为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

[0007] 一种基于九开关结构的变换器电路，包括输入电源以及输出端，其中，还包括：设置在输入电源和输出端之间的9个相同的，用于作为功率元件的模块电路；

[0008] 所述模块电路包括依次连接的模块电路输入电源，功率电路以及输出端口；随功率电路的变化，所述模块电路至少具有输出端口电压为正向输入电源电压、反向输入电源电压以及零电势的电路模态。

[0009] 所述的变换器电路，其中，所述功率电路包括：一对不带有反向二极管的第一功率开关管及第四功率开关管；一对带有反向二极管的第二功率开关管以及第三功率开关管及其第一和第二反向二极管；

[0010] 所述第一功率开关管、第二功率开关管与第三功率开关管、第四功率开关管对称设置；

[0011] 所述第一功率开关管的源极与第三功率开关管的漏极连接，所述第二功率开关管的漏极与第四功率开关管的漏极连接。

[0012] 所述的变换器电路，其中，所述模块电路的输出端口由第一功率开关管、第三功率开关管的连接端和第二功率开关管、第四功率开关管的连接端引出。

[0013] 所述的变换器电路，其中，所述模块电路包括6个电路模态，分别为：

[0014] 第一功率开关管导通、第二功率开关管截止；第三功率开关管截止，第四功率开关管导通；第一及第二反向二极管截止的第一电路模态；

[0015] 第一功率开关管截止、第二功率开关管导通；第三和第四功率开关管截止；第一反向二极管截止，第二反向二极管导通的第二电路模态；

[0016] 第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三和第四功率开关管截止；第一反向二极管截止，第二反向二极管截止的第三电路模态；

[0017] 第一功率开关管导通、第二功率开关管导通；第三功率开关管截止，第四功率开关管截止；第一及第二反向二极管截止的第四电路模态

[0018] 第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三功率开关管截止，第四功率开关管导通；第一反向二极管截止，第二反向二极管导通的第五电路模态；

[0019] 第一功率开关管截止、第二功率开关管截止；第三功率开关管导通，第四功率开关管截止；第一反向二极管导通，第二反向二极管截止的第六电路模态。

[0020] 所述的变换器电路，其中，所述电压输出端包括第一三相输出端和第二三相输出端；所述9个模块电路分别为第一至第九模块电路；

[0021] 所述第一三相输出端从第一模块电路、第四模块电路以及第七模块电路引出；所述第二三相输出端从第二模块电路、第五模块电路以及第八模块电路引出。

[0022] 有益效果：本发明提供的一种基于九开关结构的变换器电路，通过使用具有多个电路模态的模块电路替代原变换器中的功率开关管，可以对模块电路采用特定的控制，控制模块电路进入不同的电路模态，输出多种的端口电压，有效的提高了对于母线的直流电压利用率并且增加了输出的电平数，具有良好的应用前景。

附图说明

[0023] 图1为现有技术的九开关变换器的拓扑图。

[0024] 图2为本发明具体实施例的模块电路的拓扑图。

[0025] 图3为本发明具体实施例的变换器电路图。

具体实施方式

[0026] 本发明提供一种基于九开关结构的变换器电路。为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

[0027] 如图3所示，为本发明具体实施例的一种变换器电路。包括：输入电源100，输出端200以及设置在输入电源和输出端之间9个相同的模块电路310。所述9个模块电路分别为第一至第九模块电路（对应图3中的310-390所示）。

[0028] 所述模块电路作为功率元件，替代现有九开关变换器中的功率开关管，亦即设置位置与现有的九开关变换器的功率开关管相同。

[0029] 如图2所示，所述模块电路310包括：依次连接的模块电路输入电源311，功率电路312以及输出端口313。

[0030] 在特定的控制下，通过控制功率电路内部元件的截止或者导通，使所述模块电路310至少具有输出端口电压为正向输入电源电压+U、反向输入电源电压-U以及零电势0的电路模态。

[0031] 与现有的开关管仅有导通和截止两种状态不同的是，模块电路能够提供的多种不同的电路模态。在多个模块电路组合后，可以通过符合实际使用需求的控制方式，控制模块电路之间相互配合，可以在变换器输出端形成更多的电平数并且提高对于母线上直流电压的利用率。

[0032] 具体的，如图2所示，所述功率电路可以包括：一对不带有反向二极管的第一功率开关管S1及第四功率开关管S4；一对带有反向二极管的第二功率开关管S2以及第三功率开关管S3及其第一反向二极管D1和第二反向二极管D2。

[0033] 所述第一功率开关管S1、第二功率开关管S2与第三功率开关管S3、第四功率开关管S4分别形成两组开关管（S1和S2；S3和S4两组）对称设置。

[0034] 其中，第一功率开关管、第三功率开关管的连接端(b点)和第二功率开关管、第四功率开关管的连接端（c点）引出所述模块电路的输出端口。

[0035] 更具体的，在本实施例中，图2所示的模块电路具体包括有6个电路模态，其具体电路模态工作情况及开关状态如下：

[0036] 第一电路模态：第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2截止；第三功率开关管S3截止，第四功率开关管S4导通；第一及第二反向二极管截止。通过第一功率开关管S1和第四功率开关管S4导通，对模块电源U2充电，输出端口电压为-U。

[0037] 第二电路模态：第一功率开关管S1截止、第二功率开关管S2导通；第三S3和第四功率开关管S4截止；第一反向二极管D1截止，第二反向二极管D2导通。此时，由第二反向二极管D2和第二功率开关管S2导通，电源放电，输出端口电压为U。

[0038] 第三电路模态：第一功率开关管S1截止、第二功率开关管S2截止；第三S3和第四功率开关管S4截止；第一反向二极管D1截止，第二反向二极管D2截止。所有的元件均处于截止状态，为电源旁路，输出端口电压为0。

[0039] 第四电路模态：第一功率开关管S1导通、第二功率开关管S2导通；第三功率开关管S3截止，第四功率开关管S4截止；第一D1及第二反向二极管D2截止。此时第一功率开关管S1，第二功率开关管S2导通，为旁路模块电源，输出端口电压为0。

[0040] 第五电路模态：第一功率开关管S1截止、第二功率开关管S2截止；第三功率开关管S3截止，第四功率开关管S4导通；第一反向二极管D1截止，第二反向二极管D2导通。此时第二反向二极管D2，第四功率开关管S4导通，为旁路模块电源，输出端口电压为0。

[0041] 第六电路模态：第一功率开关管S1截止、第二功率开关管S2截止；第三功率开关管S3导通，第四功率开关管S4截止；第一反向二极管D1导通，第二反向二极管D2截止。相类似地，此时第三功率开关管S3和第一反向二极管D1导通，处于模块电源充电状态，输出端口电压为0。

[0042] 在本发明的具体实施例中，如图3所示，所述模块电路包括第一至第六模块电路（200-205）。所述第一至第六模块电路对应设置在六开关变换器拓扑的开关管位置。亦即使用6个相同的模块电路分别替代六开关变换器的开关管。

[0043] 具体的，如图3所示，所述电压输出端包括第一三相输出端OUTA和第二三相输出端OUTB。

[0044] 其中， 所述第一三相输出端OUTA从第一模块电路、第四模块电路以及第七模块电路引出。所述第二三相输出端OUTB从第二模块电路、第五模块电路以及第八模块电路引出。

[0045] 根据以上描述，通过对上述9个模块电路执行合适的控制策略和控制时序后，可以获得9种输出电平，分别为-4U、-3U、-2U、-U、0、U、2U、3U、4U（设输入电源电压为U）。而且，其最大输出电压由±U拓展至±4U，因此大大提高了直流母线电压利用率

[0046] 与现有的九开关变换器相比，本发明实施例的变换器电路的母线的直流电压利用率是原有变换器的4倍，而且输出的电平数增加至9电平（通过模块电路的不同电路模态配合获得），有效的提高了该变换器电路的系统性能，总谐波畸变率（THD）得到了很好的控制，具有良好的应用效果。

[0047] 可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及本发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。