一种多电平光子电能变换器及其逆变方法

技术领域

本发明涉及新能源电能变换领域，特别是涉及一种多电平光子电能变换器及其逆变方法。

背景技术

随着发光二极管(LED)器件和光电热学(PET)理论不断优化和发展，光子变换器通过LED和光电二极管(PV)进行能量转换与传递，输出高质量电能，抑制谐波的畸变率，能够适用于医疗设备、现代通信技术等需要高隔离性电力变换的场合，解决传统开关变换器存在体积大、输出纹波大和电磁干扰等问题，在能源短缺的世界中，光子电能变换器将成为一种有潜力应用于各种领域的新型能量转换技术。

本发明公开了一种多电平光子电能变换器及其逆变方法，针对传统逆变器输出电压电平数较低导致器件损耗高、输出电压失真、电磁干扰等问题，一种多电平光子电能变换器结合光电材料特性和电气输出特性，根据PV在不同波长下的相对光谱灵敏度曲线，通过拓扑设计和控制策略实现光子电能变换器DC-AC的多电平输出，该电路结构简单、应用范围广、电气隔离性高，且具有低电磁干扰、低输出纹波和低元件功耗的优点。

发明内容

本发明公开了一种多电平光子电能变换器及其逆变方法，并提出相应的控制方法，通过控制开关管的相应占空比改变LED的输出光通量，应用于直流-交流变换的场合。变换器主要包括一个直流输入、一个RGB色彩模式的LED、五个开关管、三个电阻、两个光电二极管和一个负载。一种多电平光子电能变换器结合光电材料特性和电气输出特性，实现光子电能变换器DC-AC电能变换；不同于传统开关逆变器，一种多电平光子电能变换器通过光子进行能量转换与传输，具有结构简单、低电磁干扰、低输出纹波和低元件功耗的优点，旨在解决传统逆变器结构复杂、输出电平数较低、只能通过增加开关管实现多电平等问题，扩展光子电能变换器的应用领域。

一种多电平光子电能变换器包括：主电路单元和主控制单元；

所述主电路单元包括：直流电源DC、第一LED包括第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B、第一开关管S

所述主控制单元包括：电流传感器、电压传感器、运算放大器AMP、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第四电阻R

优选地，所述电压传感器为霍尔电压传感器；

优选地，所述电流传感器为霍尔电流传感器；

优选地，所述第一LED是灰度调节电路，能够实现256个不同的亮度级别；

优选地，所述第一电阻R

优选地，所述第四开关管S

一种多电平光子电能变换器的具体逆变方法为：

S1：所述直流电源DC为所述第一LED供电，包括第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B，所述电流传感器检测输入电流I

S2：输入电流I

S3：所述控制单元接收第二误差电压U

S4：所述第一开关管S

S5：所述输出侧PV

从以上技术方法可以看出，本发明案例实施具有以下有益效果：

本发明公开的一种多电平光子电能变换器及其逆变方法，并提出相应的控制策略，通过控制开关管的对应占空比改变LED的输出光通量，应用于直流-交流变换的场合。光子电能变换器采用光子作为能量传输介质，与传统开关变换器相比，具有结构简单、低电磁干扰、低器件功耗等优点；一种多电平光子电能变换器结合光电材料特性和电气输出特性，用五个开关管实现光子电能变换器的DC-AC电能变换理论上的N电平输出，N为大于1的任意正整数，扩展了光子电能变换器的应用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将简单介绍实施例中的附图，结合本发明的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显而易见地，所描述的实施例是本发明一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种多电平光子电能变换器结构示意图；

图2为本发明实施例中的一种多电平光子电能变换器工作原理示意图；

图3为本发明实施例中的一种多电平光子电能变换器依据的光电二极管在不同波长下的相对光谱灵敏度曲线图；

图4为本发明实施例中的一种多电平光子电能变换器逆变流程图；

图5为本发明实施例中的一种多电平光子电能变换器七电平和N电平的输出波形示意图。

具体实施方式

为了清楚地说明使本发明实施例中的目的、技术方案和特点，下面将结合现有技术和本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步地描述，显而易见地，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明的一种多电平光子电能变换器拓扑结构示意图，包括：主电路单元和主控制单元；

所述主电路单元包括：直流电源DC、第一LED包括第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B、第一开关管S

所述直流电源DC的正极与所述第一电阻R

所述直流电源DC的负极与所述第一开关管S

所述第二LED_R的正极与所述第一电阻R

所述第二LED_R的负极与所述第一开关管S

所述第三LED_G的正极与所述第二电阻R

所述第三LED_G的负极与所述第二开关管S

所述第四LED_B的正极与所述第三电阻R

所述第四LED_B的负极与所述第三开关管S

所述输出侧PV

所述输出侧PV

所述输出侧PV

所述主控制单元包括：电流传感器、电压传感器、运算放大器AMP、第一加法器SUM1、第二加法器SUM2、第四电阻R

所述电流传感器的输入端与所述直流电源DC的正极连接，所述电流传感器的输出端与所述运算放大器AMP的反相输入端连接；所述电压传感器的输入端与所述负载Z的第一端连接，所述电压传感器的输出端与所述第一加法器SUM1的负输入端连接；所述第一加法器SUM1的输出端与所述第二加法器SUM2的第二正输入端连接；所述运算放大器AMP的反相输入端与所述第四电阻R

优选地，所述电压传感器为霍尔电压传感器；

优选地，所述电流传感器为霍尔电流传感器；

优选地，所述第一LED是灰度调节电路，能够实现256个不同的亮度级别；

优选地，所述第一电阻R

优选地，所述第四开关管S

所述第一LED采用RGB色彩模式由第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B分别产生红光、绿光、蓝光三色。所述光子变换器输出电压由第一开关管S

请参照图2，图2为本发明的一种多电平光子电能变换器工作原理示意图，并结合图4的流程图和图5的工作波形分析本文所述DC-AC光子电能变换器，具体逆变方法为：

S1：所述直流电源DC输出恒定电压，对所述第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B进行供电，所述电流传感器对输入端电流I

S2：所述运算放大器AMP将采样到的输入电流I

S3：所述控制单元接收第二误差电压U

S4：所述第一开关管S

式中D

所述第二LED_R、第三LED_G、第四LED_B产生的光通量分别为φ

如图3所示，光电二极管在不同波长下的相对光谱灵敏度S

式中k

所述第一开关管S

式中λ

每个电平持续时间ΔT为：

式中T为输出电压周期，N为每个周期T选取的电平数目。

所述第一开关管S

式中M为每个电平持续时间ΔT与开关周期T

所述第一开关管S

举例说明：

在RGB值表上选取3个颜色值，红(255,0,0)，绿(0,255,0)，蓝(0,0,255),那么DC-AC光子变换器的输出结果如图5所示为七电平近似正弦的阶梯状的交流电压。

则每个电平持续时间ΔT为：

蓝(0,0,255)第三开关管S

D

绿(0,255,0)第二开关管S

D

红(255,0,0)第一开关管S

D

如图3所示，由于光电二极管对于红光、绿光和蓝光三种不同波长颜色的光接收程度不一致，输出结果如图5所示，光子变换器将实现七电平逆变器，输出七个不同电压，选取无穷多电平，光子变换器将理论上输出近似连续的电压波形。

S5：所述输出侧PV

式中I

所述输出侧PV

式中T

将直流电源DC和该光子电能变换器的内阻定义为Z

综上，本发明公开了一种多电平光子电能变换器及其逆变方法，根据光电二极管在不同波长下的相对光谱灵敏度特性，通过对五个开关管的控制即可实现光子电能变换器DC-AC电能变换理论上的N电平输出，N为大于1的任意正整数，解决传统逆变器开关损耗大、输出电压畸变率高以及隔离性能差等技术问题，提升电能质量，并能显著降低电路的电磁干扰，扩展光子电能变换器的应用领域。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制；对本发明所公开的实施例的说明，使本领域的专业技术人员能够使用或实现本发明，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些替换或者修改，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。