[发明专利]一种多输出的无变压器对称型混合变换器及其调制方法

权利要求书

1.一种多输出的无变压器对称型混合变换器器的调制方法，所述混合变换器包括对称的升压滤波电感L_b1和L_b2、对称性无变压器VSI、功率二极管D和输出电容C_DC构成的DC-DC升压变换器、和包括对称性无变压器VSI与对称的差模滤波电感构成的无变压器型电压源并网逆变器；所述VSI在混合变换器中分时复用，既可作DC-DC升压变换器中的功率开关，又可作为无变压器型电压源并网逆变器的拓扑；

所述L_b1的第一极与光伏电池输入的正极P相连；L_b2的第一极与光伏电池输入的负极N相连接；L_b1的第二极与功率二极管D的阳极相连，功率二极管D的阴极与输出电容C_DC的正极相连，L_b2的第二极与输出电容C_DC的负极相连，输出电容电压即为直流输出电压V_dcout，VSI看作一个功率开关，VSI的输入端的正负极分别是第一极S和第二极T，第一极S、第二极T分别与L_b1的第二极和L_b2的第二极相连接；

所述VSI的输出端与对称的差模滤波电感连接，用于将升压后的直流电压逆变为交流电压，实现并网或离网带负载工作，

所述无变压器型电压源并网逆变器包括对称无变压器VSI拓扑和对称的差模滤波电感L₁和L₂，作为逆变器时，VSI为无变压器型电压源并网逆变器的拓扑；VSI的输出端为端口A和端口B，端口A与L₁的第一极相连，端口B与L₂的第一极相连，L₁的第二极与L₂的第二极与单相电网电压v_g相连；所述无变压器型电压源并网逆变器的结构对称，所述对称性无变压器VSI是基于全桥式VSI的混合变换器；所述的基于全桥式VSI的混合变换器采用单相全桥式拓扑VSI，包括2个开关管S_v1、S_v3构成的上桥臂和S_v2、S_v4构成的下桥臂；其中，所述开关管S_v1、S_v3的第一极与第一极S相连接，第二极依次与所述开关管S_v2、S_v4的第一极相连接于所述端口A、B；所述开关管S_v2、S_v4的第二极与第二极T相连接；

其特征在于，混合变换器在工作模式ST、P和N下均能保证变换器的共模电压V_CM为一常值，其中共模电压V_CM的表达式为

其中，V_AN和V_BN分别为VSI输出端口A和B到光伏电池输入负极N之间的电压，工作模式ST、P和N具体为：

模式ST：VSI的所有开关管闭合，光伏电池给电感L_b1和L_b2充电，功率二极管D处于反向截止状态，输出电容C_DC放电，变换器的共模电压V_CM可表示为

其中，V_Lb1和V_Lb2分别为L_b1和L_b2的电感电压，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2；

模式P：开关管S_v1、S_v4闭合，开关管S_v2、S_v3关断，电感L_b1和L_b2放电，功率二极管D处于正向导通状态，输出电容C_DC充电，该模式下，V_AN等于V_dcin+V_Lb1，V_BN等于-V_Lb2，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2，变换器的共模电压V_CM可表示为

模式N：开关管S_v1、S_v4关断，开关管S_v2、S_v3闭合，电感L_b1和L_b2放电，功率二极管D处于正向导通状态，输出电容C_DC充电，该模式下，V_AN等于-V_Lb1，V_BN等于V_dcin+V_Lb1，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2，变换器的共模电压V_CM可表示为

调制方法具体包含短路升压模式和交流逆变模式：

短路升压模式：对应模式ST，开关管S_v1、S_v2、S_v3、S_v4全部闭合，闭合时间为d个单位时间，其中，一个单位时间为一个开关周期时间T_sw，DC-DC变换器的升压比M(d)，其表达式可写为

交流逆变模式：对应模式P和模式N，全桥式VSI采用双极性脉宽调制方法，开关管S_v1、S_v4和S_v2、S_v3高频互补切换，切换过程无死区，全桥式VSI的调制比m_B的表达式可写为

所述双极性脉宽调制，工作在模式P，开关管S_v1、S_v4闭合，开关管S_v2、S_v3关断，全桥式VSI输出差模电压v_AB为+v_ST，该模式持续是时间为(1+m_B-d)/2个单位时间，其中v_ST为升压直流母线电压；工作在模式N，开关管S_v1、S_v4关断，开关管S_v2、S_v3闭合，全桥式VSI输出差模电压v_AB为-v_ST，该模式持续时间为(1-m_B-d)/2个单位时间，参考电压可写为

其中，

m_B+d≤1

所述基于全桥式VSI混合变换器的DC-DC升压比d和逆变器的调制m_B具有以上公式所述的约束，在参考电压v_ref大于等于0时，一个开关周期内，依次按照模式P、N、ST、N、P进行控制，在参考电压v_ref小于0时，一个开关周期内，依次按照模式N、P、ST、P、N进行开关控制。

2.一种多输出的无变压器对称型混合变换器器的调制方法，所述的混合变换器包括对称的升压滤波电感L_b1和L_b2、对称性无变压器VSI、功率二极管D和输出电容C_DC构成的DC-DC升压变换器、和包括对称性无变压器VSI与对称的差模滤波电感构成的无变压器型电压源并网逆变器；所述VSI在混合变换器中分时复用，既可作DC-DC升压变换器中的功率开关，又可作为无变压器型电压源并网逆变器的拓扑；

所述L_b1的第一极与光伏电池输入的正极P相连；L_b2的第一极与光伏电池输入的负极N相连接；L_b1的第二极与功率二极管D的阳极相连，功率二极管D的阴极与输出电容C_DC的正极相连，L_b2的第二极与输出电容C_DC的负极相连，输出电容电压即为直流输出电压V_dcout，VSI 看作一个功率开关，VSI的输入端的正负极分别是第一极S和第二极T，第一极S、第二极T分别与L_b1的第二极和L_b2的第二极相连接；

所述VSI的输出端与对称的差模滤波电感连接，用于将升压后的直流电压逆变为交流电压，实现并网或离网带负载工作；

所述无变压器型电压源并网逆变器包括对称无变压器VSI拓扑和对称的差模滤波电感L₁和L₂，作为逆变器时，VSI为无变压器型电压源并网逆变器的拓扑；VSI的输出端为端口A和端口B，端口A与L₁的第一极相连，端口B与L₂的第一极相连，L₁的第二极与L₂的第二极与单相电网电压v_g相连；所述对称性无变压器VSI是基于HERIC型VSI的混合变换器；

基于HERIC型VSI的混合变换器采用HERIC型拓扑VSI，包括2个开关管S_h1、S_h3构成的上桥臂，S_h2、S_h4构成的下桥臂和S_h5、S_h6构成的交流旁路电流；其中，所述开关管S_h1、S_h3的第一极与第一极S相连接，第二极依次与所述开关管S_h2、S_h4的第一极相连接于所述端口A、B；所述开关管S_h2、S_h4的第二极与第二极T相连接；所述开关管S_h5的第一极与端口A相连接，第二极与开关管S_h6的第二极相连接，而S_h6的第一极则与端口B相连接，形成交流旁路通道；

其特征在于，该混合变换器在工作模式ST、P、N和Z下均能保证变换器的共模电压V_CM为一常值，其中共模电压的表达式为

其中，V_AN和V_BN分别为VSI输出端口A和B到光伏电池输入负极N之间的电压，工作模式ST、P、N和Z具体为：

模式ST：VSI的所有开关管闭合，光伏电池给电感L_b1和L_b2充电，功率二极管D处于反向截止状态，输出电容C_DC放电，变换器的共模电压V_CM可表示为

其中，V_Lb1和V_Lb2分别为电感L_b1和电感L_b2的电感电压，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2；

模式P：开关管S_h1、S_h4和S_h6闭合，开关管S_h2、S_h3和S_h5关断，电感L_b1和L_b2放电，功率二极管D处于正向导通状态，输出电容C_DC充电，该模式下，V_AN等于V_dcin+V_Lb1，V_BN等于-V_Lb2，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2，变换器的共模电压V_CM可表示为

模式N：开关管S_h1、S_h4和S_h6断开，开关管S_h2、S_h3和S_h5闭合，电感L_b1和L_b2放电，功率二极管D处于正向导通状态，输出电容C_DC充电，该模式下，V_AN等于-V_Lb1，V_BN等于V_dcin+V_Lb1，V_Lb1＝V_Lb2＝V_dcin/2，变换器的共模电压V_CM可表示为

模式Z：开关管S_h5和S_h6闭合，开关管S_h1、S_h2、S_h3和S_h4断开，电感L_b1和L_b2放电，功率二极管D处于正向导通状态，输出电容C_DC充电，该模式下，开关管S_h1、S_h2、S_h3和S_h4均处于关断状态，其C-E极寄生电容C_g1、C_g2、C_g3和C_g4的电压V_cg1＝V_cg2＝V_cg3＝V_cg4＝(V_dcin+V_Lb1+V_Lb2)/2，该模式下，V_AN等于V_cg2-V_Lb1，V_BN等于V_cg4-V_Lb1，变换器的共模电压V_CM可表示为

调制方法具体包含短路升压模式和交流逆变模式：

短路升压模式：对应模式ST，开关管S_h1、S_h2、S_h3、S_h4、S_h5、S_h6全部闭合，闭合时间为d个单位时间，其中，一个单位时间为一个开关周期时间T_sw，DC-DC变换器的升压比M(d)，其表达式可写为

交流逆变模式：对应模式P、模式N和模式Z，HERIC型VSI采用具有无功注入能力的高效率脉宽调制，开关管S_h1、S_h2、S_h3、S_h4高频切换，交流旁路开关管S_h5、S_h6工频切换，切换过程无死区，HERIC型VSI的调制比m_U的表达式可写为

所述具有无功注入能力的高效率脉宽调制，工作在模式P，开关管S_h1、S_h4和S_h6闭合，开关管S_h2、S_h3和S_h5关断，HERIC型VSI输出差模电压v_AB为+v_ST，该模式持续是时间为m_U个单位时间，同样v_ST为升压直流母线电压；工作在模式N，开关管S_h1、S_h4和S_h6关断，开关管S_h2、S_h3和S_h5闭合，输出差模电压v_AB为-v_ST，该模式持续是时间为m_U个单位时间；当参考电压v_ref≥0，工作在模式Z，开关管S_h5和S_h6闭合，开关管S_h1、S_h2、S_h3和S_h4关断，HERIC型VSI输出差模电压v_AB为0，该模式持续时间为1-m_U-d个单位时间，参考电压可写为

v_ref＝m_U×V_dcout+1-m_U-d×(0)＝m_UV_dcout

其中，

m_U+d≤1

所述基于HERIC型VSI混合变换器的DC-DC升压比d和逆变器的调制m_U具有以上公式所述的约束，在参考电压v_ref大于等于0时，一个开关周期内，依次按照模式P、Z、ST、Z、P进行控制，在参考电压v_ref小于0时，一个开关周期内，依次按照模式N、Z、ST、Z、N进行开关控制。