CN101707442A - 一种无变压器型逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的无变压器型逆变器，包括一个输入电容，六个功率开关管，六个反并二极管，两个滤波电感。本发明利用六个功率开关管及其反并二极管协调进行开关动作，使得逆变器输出电压为零电平时，逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态，从而确保了逆变器输出电压在实现三电平调制的同时，其共模电压维持为一个常量，进而完全消除了共模电流；功率开关管上的开关电压变为直流输入电压的一半，减小了功率开关管的开关损耗；倍频式脉冲宽度调制使逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能质量，减小了滤波电感的体积，从而降低了滤波电感上产生的铜损和磁损。

Description

一种无变压器型逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术直流-交流变换器领域的一种逆变器，尤其是涉及一种无变压器型逆变器。
背景技术
逆变器是指通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能转换为交流电能的一种电力电子变换器，其作用是，把从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能质量较差的直流原始电能，变换为电能质量较高、能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境已经成为二十一世纪人类所面临的最重大问题之一，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。大量的可再生能源发出的都是直流电，必须使用逆变器把它变换成工频交流电才能大量应用。因此，逆变技术在可再生能源的开发和利用领域有着至关重要的作用。
一般而言，根据逆变器应用场合和控制方式不同，可以将逆变器系统分为独立型逆变器和并网型逆变器；根据逆变器中变压器配置不同，可以将逆变器系统分为带工频变压器型，带高频变压器型和无变压器型逆变器。工频变压器和高频变压器均可以实现升压和隔离的功能，然而，工频变压器体积庞大，重量增加，价格较贵，系统安装不便；高频变压器虽然体积和重量大大减小，但这类逆变器系统往往由多级组成，导致系统结构复杂，系统效率降低。而无变压器型逆变器由于系统结构简单，效率高，体积小，成本低等优点，在世界范围内得到了快速的发展。例如，在欧洲的太阳能光伏(Photovoltaic，PV)发电领域，无变压器型并网逆变器已经成为中小功率光伏并网发电系统(一般指小于等于10kW的系统)的主流。
但是，由于没有了隔离变压器对直流输入源和交流负载之间进行电气隔离，无变压器型逆变器中将存在共模电流干扰的技术难题。特别是在无变压器型逆变器应用于光伏并网发电系统中时，一方面，系统中的无变压器型光伏并网逆变器对光伏电池组件和市电电网不进行电气隔离，另一方面，光伏电池组件具有一个随着外部环境变化而变化范围很大的对地寄生电容，一般认为多晶硅电池组件的寄生电容为50-150nF/kWp，薄膜电池组件可达1μF/kWp，因此由众多光伏组件串并联构成的光伏阵列的对地寄生电容将变得更大，并且随外部环境变化而变化的范围也更大。所以，光伏电池阵列的这个对地寄生电容和无变压器型逆变器电路中各种滤波器的组件电感、电容通过地回路构成了一条电通路，从而形成了一个谐振电路，从而可能产生相当大的对地共模电流。较大的对地共模电流一方面会影响逆变器电路的工作模式，从而降低系统的电能质量和发电效率；另一方面会给人身安全带来严重威胁。因此，有效抑制甚至完全消除共模电流是无变压器型逆变器需要解决的关键问题。
当前，一般采用带双极性调制的全桥逆变器和半桥逆变器来解决共模电流问题，然而这类逆变器结构只能实现输出电压的两电平调制方式，导致输出电流纹波较大，输出滤波电感体积相应增加，从而使得逆变器发电的质量和效率都无法提高.半桥中点箝位的逆变器结构可以在消除对地漏电流的同时实现输出电压的三电平调制，但是该结构要求其直流侧输入电压的大小是全桥逆变器的两倍，相应增加了前级直流输入源串联的数量或者提高了前级DC/DC升压电路的升压比例以及设计难度.
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单，能够在消除共模电流的同时，实现输出电压三电平调制方式的无变压器型逆变器。
本发明的无变压器型逆变器，其特征是包括一个输入电容，六个功率开关管，六个反并二极管，两个滤波电感，第一功率开关管、第一反并二极管、第二功率开关管、第二反并二极管、第三功率开关管、第三反并二极管和第四功率开关管、第四反并二极管共同构成全桥结构电路，第五功率开关管的漏极、输入电容的正端与输入直流端的正极相连，第五功率开关管的源极、第一功率开关管的漏极与第三功率开关管的漏极相连，第一功率开关管的源极、第二功率开关管的漏极与第一滤波电感的一端相连，第三功率开关管的源极、第四功率开关管的漏极与第二滤波电感的一端相连，第二功率开关管的源极、第四功率开关管的源极与第六功率开关管的漏极相连，第六功率开关管的源极、输入电容的负端与输入直流端的负极相连，第一、第二、第三、第四、第五和第六功率开关管分别与第一、第二、第三、第四、第五和第六反并二极管以反并的形式相连，即功率开关管的漏极与其对应的反并二极管的阴极相连，功率开关管的源极与其对应的反并二极管的阳极相连，第一、第二、第三、第四、第五和第六功率开关管的栅极分别由各自相应的驱动电路驱动，从而控制功率开关管的开关动作。
所述功率开关管及其反并二极管由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成。
所述功率开关管为高压金属氧化物硅场效应晶体管或者绝缘双极晶体管。
所述滤波电感构成的滤波器是L型滤波器结构、LC型滤波器结构或LCL型滤波器结构。
本发明的无变压器型逆变器具有两种调制方式：单极性脉冲宽度调制(PWM)和倍频式脉冲宽度调制。采用单极性脉冲宽度调制方式时，第一功率开关管和第二功率开关管或者第三功率开关管和第四功率开关管组成的一个桥臂以工频周期进行开关动作(例如50Hz)，相应的另一个桥臂以高频周期进行开关动作(例如20kHz)，第五功率开关管和第六功率开关管则交替以工频周期和高频周期进行开关动作；采用倍频式脉冲宽度调制方式时，第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管均以高频周期进行开关动作，但第一功率开关管和第二功率开关管的调制波与第三功率开关管和第四功率开关管的调制波相位相反，第五功率开关管和第六功率开关管也以高频周期进行开关动作，但其调制波在第一功率开关管和第二功率开关管的调制波与第三功率开关管和第四功率开关管的调制波之间交替变化。
本发明的无变压器型逆变器工作时，由于第五功率开关管和第六功率开关管与其他功率开关管构成的全桥电路协调进行开关动作，使得逆变器输出电压在零电平时，逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态，从而确保了在整个调制过程中，逆变器输出电压实现三电平的同时，逆变器输出侧的共模电压保持为一个常量，进而完全消除了共模电流；同时逆变器中进行开关动作的功率开关管上的电压变为了输入直流电压的一半，大大减小了功率开关管的开关损耗，从而提高了逆变器效率；倍频式脉冲宽度调制方式的实现，使得逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能质量，同时可以减小滤波电感的体积，从而降低在滤波电感上产生的铜损和磁损.本发明的无变压器型逆变器可适用于独立型逆变器和并网型逆变器系统，并特别适合应用在光伏并网发电系统中.
本发明利用六个功率开关管及其反并二极管协调进行开关动作，完全消除了共模电流；功率开关管上的开关电压变为直流输入电压的一半，减小了功率开关管的开关损耗；倍频式脉冲宽度调制使逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能质量，减小了滤波电感的体积，从而降低了滤波电感上产生的铜损和磁损。本发明结构简单，能够在消除共模电流的同时，实现输出电压三电平调制方式。
附图说明
图1是本发明无变压器型逆变器的电路示意图。
图2是本发明采用单极性脉宽调制方式的波形示意图。
图3是本发明采用倍频式脉宽调制方式的波形示意图。
图4a-图4h是本发明无变压器型逆变器的八种工作模式示意图。
具体实施方式
参见附图1，本发明的无变压器型逆变器包括一个输入电容Cdc，六个功率开关管，六个反并二极管，两个滤波电感L1和L2；第一功率开关管S1、第一反并二极管D1、第二功率开关管S2、第二反并二极管D2、第三功率开关管S3、第三反并二极管D3和第四功率开关管S4、第四反并二极管D4共同构成全桥结构电路，第五功率开关管S5的漏极、输入电容Cdc的正端与输入直流端的正极相连，第五功率开关管S5的源极、第一功率开关管S1的漏极与第三功率开关管S3的漏极相连，第一功率开关管S1的源极、第二功率开关管S2的漏极与第一滤波电感L1的一端相连，第三功率开关管S3的源极、第四功率开关管S4的漏极与第二滤波电感L2的一端相连，第二功率开关管S2的源极、第四功率开关管S4的源极与第六功率开关管S6的漏极相连，第六功率开关管S6的源极、输入电容Cdc的负端与输入直流端的负极相连，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5和第六功率开关管S6分别与第一反并二极管D1、第二反并二极管D2、第三反并二极管D3、第四反并二极管D4、第五反并二极管D5和第六反并二极管D6以反并的形式相连，即功率开关管的漏极与其对应的反并二极管的阴极相连，功率开关管的源极与其对应的反并二极管的阳极相连，第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5和第六功率开关管S6的栅极分别由各自相应的驱动电路驱动，从而控制功率开关管的开关动作。
本发明的无变压器型逆变器具有两种调制方式：单极性脉冲宽度调制和倍频式脉冲宽度调制。附图2是采用单极性脉宽调制方式的波形示意图，其中uc是高频载波(例如20kHz)，ug是工频调制波(例如50Hz)，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2做互补的工频开关动作，第三功率开关管S3和第四功率开关管S4做互补的高频开关动作，当调制波ug处于正半周期时，第五功率开关管S5和第四功率开关管S4的开关动作相同，第六功率开关管S6和第一功率开关管S1的开关动作相同，当调制波ug处于负半周期时，第五功率开关管S5和第二功率开关管S2的开关动作相同，第六功率开关管S6和第三功率开关管S3的开关动作相同；附图3是采用倍频式脉宽调制方式的波形图，其中uc是高频载波(例如20kHz)，ug1和ug2是相位相反的工频调制波(例如50Hz)，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2做互补的高频开关动作，调制波为ug1，第三功率开关管S3和第四功率开关管S4同样做互补的高频开关动作，调制波为ug2，调制波ug1与调制波ug2相位相反，当调制波ug1处于正半周期时，第五功率开关管S5和第四功率开关管S4的开关动作相同，第六功率开关管S6和第一功率开关管S1的开关动作相同，当调制波ug1处于负半周期时，第五功率开关管S5和第二功率开关管S2的开关动作相同，第六功率开关管S6和第三功率开关管S3的开关动作相同。
参见附图4a-附图4h，本发明的无变压器型逆变器在整个工作过程中，最多存在8种工作模式，其中：在工作模式1时，电流流过第五功率开关管S5、第一功率开关管S1、第四功率开关管S4和第六功率开关管S6，逆变器输出正电压；在工作模式2时，电流流过第五功率开关管S5、第三功率开关管S3、第二功率开关管S2和第六功率开关管S6，逆变器输出负电压；在工作模式3时，电流流过第一功率开关管S1和第三反并二级管D3，在工作模式4时，电流流过第三功率开关管S3和第一反并二级管D1，在工作模式3和4时，第五功率开关管S5和第五反并二级管D5均处于关断状态，使逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态；在工作模式5时，电流流过第二功率开关管S2和第四反并二级管D4，在工作模式6时，电流流过第四功率开关管S4和第二反并二级管D2，在工作模式5和6时，第六功率开关管S6和第六反并二级管D6均处于关断状态，使逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态；在工作模式3、4、5和6时，逆变器输出零电压；在工作模式7时，电流流过第六反并二级管D6、第二反并二级管D2、第三反并二级管D3和第五反并二级管D5，逆变器输出负电压；在工作模式8时，电流流过第六反并二级管D6、第四反并二级管D4、第一反并二级管D1和第五反并二级管D5，逆变器输出负电压。
本实施例所述功率开关管及其反并二极管可以由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成，也可以由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成；所述功率开关管可以是高压金属氧化物硅场效应晶体管(MetalOxide Semiconductor Field-effect Transistor，MOSFET)或绝缘双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)等；所述滤波电感L1和L2构成的L型滤波器结构可以由LC型滤波器或LCL型滤波器结构替代；本实施例所述的无变压器型逆变器结构，既适用于并网型逆变器也适用于独立型逆变器结构。

Claims (4)

1.一种无变压器型逆变器，包括一个输入电容(Cdc)，六个功率开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)，六个反并二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)，两个滤波电感(L1、L2)，第一功率开关管(S1)、第一反并二极管(D1)、第二功率开关管(S2)、第二反并二极管(D2)、第三功率开关管(S3)、第三反并二极管(D3)和第四功率开关管(S4)、第四反并二极管(D4)共同构成全桥结构电路，第五功率开关管(S5)的漏极、输入电容(Cdc)的正端与输入直流端的正极相连，第五功率开关管(S5)的源极、第一功率开关管(S1)的漏极与第三功率开关管(S3)的漏极相连，第一功率开关管(S1)的源极、第二功率开关管(S2)的漏极与第一滤波电感(L1)的一端相连，第三功率开关管(S3)的源极、第四功率开关管(S4)的漏极与第二滤波电感(L2)的一端相连，第二功率开关管(S2)的源极、第四功率开关管(S4)的源极与第六功率开关管(S6)的漏极相连，第六功率开关管(S6)的源极、输入电容(Cdc)的负端与输入直流端的负极相连，第一功率开关管(S1)、第二功率开关管(S2)、第三功率开关管(S3)、第四功率开关管(S4)、第五功率开关管(S5)和第六功率开关管(S6)分别与第一反并二极管(D1)、第二反并二极管(D2)、第三反并二极管(D3)、第四反并二极管(D4)、第五反并二极管(D5)和第六反并二极管(D6)以反并联的形式相连，即功率开关管的漏极与其对应的反并二极管的阴极相连，功率开关管的源极与其对应的反并二极管的阳极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关管的开关动作。
2.根据权利要求1所述的无变压器型逆变器，其特征在于：所述功率开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)及其反并二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6)由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成，或由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成。
3.根据权利要求1所述的无变压器型逆变器，其特征在于：所述功率开关管(S1、S2、S3、S4、S5、S6)为高压金属氧化物硅场效应晶体管或者绝缘双极晶体管。
4.根据权利要求1所述的无变压器型逆变器，其特征在于：所述滤波电感(L1、L2)构成的滤波器是L型滤波器结构、LC型滤波器结构或LCL型滤波器结构。
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