[发明专利]一种电压泵升多电平装置

说明书

技术领域

本发明属于电力电子、电源领域，涉及一种新型电压泵升多电平装置及其控制策略，适用于电动汽车以及其他由直流输出储能单元提供电能的供电场合。

背景技术

随着能源问题与环境污染的日益突出，人们对于绿色能源和生态环境越来越关注，以电动汽车取代传统的内燃机汽车成为当前研究的热点之一，而给电动汽车供电的电源一般是通过逆变器得到交流电，不可避免地会产生谐波和干扰，直接影响电动汽车的运行性能，迫切需要寻找一种谐波含量小的供电电源。多电平逆变器与传统的二电平逆变器相比，能有效地降低输出电压的电磁干扰，由于其输出电压谐波干扰小、同等电压等级下所要求的开关器件耐压等级更低，多电平逆变器被广泛应用于各个领域。对于电动汽车，从运行过程中的安全性、性能以及损耗来考虑，更需电磁兼容性较好的供电电源，输出电压谐波含量很小作为多电平逆变器的出色性能决定了多电平逆变器能够很好地应用于电动汽车上。

现有的多电平逆变器有三种拓扑结构，按结构划分主要为：二极管钳位多电平逆变器、飞跨电容多电平逆变器和级联多电平逆变器。二极管钳位多电平逆变器相对来说比较简单，但需要大量的二极管；飞跨电容多电平逆变器相对二极管钳位多电平逆变器较灵活，但也存在需要大量电容的问题，而且这两种拓扑结构的多电平逆变器均无法实现升压的功能，输出交流电压的峰峰值和输入的直流测电压相同。级联多电平逆变器的基本思想是将具有独立直流电源的传统单相逆变器进行级联，可以达到电压泵升的目的，但是需要大量的独立直流电源。

过去的研究表明，如要获得新的多电平装置，必须在电路结构上进行革新才有可能获得积极的结果，但从已经公开发表的资料来看，新的多电平结构无一例外存在两个问题：其一多电平的级数由电路中的某种或某几种器件的数量来决定，即所谓的由硬件条件来决定多电平输出的效果，这意味着，如要获得更好的多电平效果，必须增加更多的器件数量，大大增加了成本；其二输出电压的泵升，基本上都由增加输入电源的数量来获得，即所谓叠加输入电压来获得高的输出电压，这也提高了装置的成本，并对控制策略的复杂性和系统的安全性都提出了挑战。鉴于上述三种传统多电平逆变器结构的缺点以及部分新结构的不足，有必要发明一种新装置，用较少的元件设备，不仅能够泵升电压，还能使输出电压谐波含量小。

发明内容

技术问题：本发明针对现有多电平逆变器的不足进行设计，提出了一种新型电压泵升多电平装置，该装置充分运用DC-DC电压泵升的思想，构造了新的电路拓扑结构，并通过逆变电路进行输出，实现了无需外加独立电源即可提升输出电压，此外，可以通过控制单元便捷地实现输出电压的电平数任意增加，而无需额外增加电路中的元器件，节约了成本，降低了逆变器电路结构的复杂度。新型电压泵升多电平装置可灵活的通过软件的方法，改变输出的多电平阶数，获得理想的正弦输出，非常适合对于输出电压的THD要求苛刻的场合。

技术方案：

1、一种新型电压泵升多电平装置，其特征在于包括直流输出储能单元、双向Buck/Boost电路、部分充放电电路、逆变电路和控制器；所述直流输出储能单元后依次连接双向Buck/Boost电路、部分充放电电路和逆变电路；

1)所述双向Buck/Boost电路包括电感L、二极管D、以及功率开关器件Sa和Sb；所述功率开关器件Sa和Sb都并联连接有二极管；

所述Sa连接在直流输出储能单元的“+”极与L之间，与Sa并联的二极管的阴极连接直流输出储能单元的“+”极，与Sa并联的二极管的阳极连接L的第一端；

所述Sb连接在L的第一端与直流输出储能单元的“-”极之间，与Sb并联的二极管的阳极连接直流输出储能单元的“-”极，与Sb并联的二极管的阴极连接L的第一端；

所述D的阴极连接L的第二端，D的阳极连接直流输出储能单元的“-”极；

2)所述部分充放电电路包括：

2n个相同功率开关器件作为充放电功率开关器件，设充放电功率开关器件分别为S₁₁、S₁₂、S₂₁、S₂₂……、S_n1、S_n2；每个充放电功率开关器件都并联二极管，构成充放电功率开关单元；

n-1个相同功率开关器件作为电压泵升功率开关器件；设电压泵升功率开关器件分别为S_C1、S_C2……、S_Cn-1：