CN102163934A - 高效并网逆变器 - Google Patents

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刘良贵
丁永强
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Shenzhen Growatt New Energy Technology Co., Ltd.
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ZHEJIANG GROWATT NEW ENERGY CO Ltd
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Abstract

本发明涉及一种结构简单、适于提升逆变器效率并改善直流电磁干扰的高效并网逆变器,其包括:四个逆变晶体管、两个续流晶体管、两个二极管和两个滤波电感;工作时,微控制器使第一续流晶体管导通半个工频周期,同时使第一、第四逆变晶体管和第二续流晶体管截止,并使第二、第三逆变晶体管在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感的外侧端输出交流电源之正半周;然后所述微控制器使第二续流晶体管导通半个工频周期,同时使第二、第三逆变晶体管和第一续流晶体管截止,第一、第四逆变晶体管在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感的外侧端输出交流电源之负半周,如此反复。

Description

高效并网逆变器
技术领域
本发明涉及逆变电源的技术领域,尤指涉及并网用高效并网逆变器。
背景技术
逆变器是一种电能转换装置,主要实现由直流到交流的能量转换。并网逆变器包括光伏并网逆变器、风能并网逆变器、燃料电池并网逆变器等。并网逆变器能将可再生能源产生的能量高效能的转换为可并接至市电的与市电同频率、同相位的交流电。
按其电路形式来划分:半桥逆变电源及全桥逆变电源。其中,全桥逆变器电源的控制方式有两种:单极性PWM调制,双极性PWM调制。双极性PWM调制同一桥臂的两个开关管互补驱动,由于开关管导通、截止特性的不一致性以及死区时间的控制电路参数的不一致,可能导致同一桥臂的两个开关管同时导通,进而导致开关管损坏。单极性PWM控制有:在市电正负半周都只有一个开关管作高频切换,导致输出电感的利用率下降,进而降低了逆变器电源的效率;同时,该种控制方式的DC EMI(直流电磁干扰)问题也很突出。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种结构简单、适于提升逆变器效率并改善直流电磁干扰的高效并网逆变器。
为了解决上述技术问题,本发明提供了一种高效并网逆变器,其特点是包括:四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4、两个续流晶体管S5和S6、两个二极管D1和D2和两个滤波电感L1和L2;第一、第二逆变晶体管S1、S2的电流输入端与直流电源SG的正极相连,第一逆变晶体管S1的电流输出端同时与第三逆变晶体管S3和第一续流晶体管S5的电流输入端相连,第三、第四逆变晶体管S3、S4的电流输出端与直流电源SG的负极相连,第二逆变晶体管S2的电流输出端同时与第二续流晶体管S6的电流输入端和第二滤波电感L2的内侧接线端相连,第二续流晶体管S6的电流输出端同时与第四逆变晶体管S4的电流输入端和第一二极管D1的阳极相连;第一逆变晶体管S1的电流输出端同时与第一二极管D1的阴极和第一滤波电感L1的内侧接线端相连,第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端为交流电源输出端;第一续流晶体管S5的电流输出端与第二二极管D2的阳极相连,第二二极管D2的阴极与第二滤波电感L2的内侧接线端相连。
进一步,所述直流电源SG的正、负极两端设有滤波电容C1,用于降低逆变环节输入纹波。直流电源SG为直流能量产生装置,例如:太阳能面板、风能、燃料电池等。
进一步,所述第一、第四逆变晶体管S1、S4的控制端分别经一调制电路与一微控制器MCU的第一高频脉冲信号输出端相连,所述第二、第三逆变晶体管S2、S3的控制端分别经调制电路与微控制器MCU的第二高频脉冲信号输出端相连;所述两个续流晶体管S5和S6分别与微控制器MCU的两个工频脉冲信号输出端相连;所述第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的外侧端接电网Grid。
进一步,所述调制电路用于将微控制器MCU输出的高频脉冲信号与一正弦信号调制成用于驱动所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4的高频触发信号;所述正弦信号与所述电网Grid上的交流电源Vgrid同频率且同相位。
工作时,所述微控制器MCU使第一续流晶体管S5导通半个工频周期,同时使第一、第四逆变晶体管S1、S4和第二续流晶体管S6截止,并使第二、第三逆变晶体管S2、S3在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之正半周;然后所述微控制器MCU使第二续流晶体管S6导通半个工频周期,同时使第二、第三逆变晶体管S2、S3和第一续流晶体管S5截止,第一、第四逆变晶体管S1、S4在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vg rid之负半周,如此反复。
进一步,在所述第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之正半周期间,当所述高频触发信号为高电平时,第二、第三逆变晶体管S2、S3导通,直流电源SG的正极、第二逆变晶体管S2、第二滤波电感L2、电网Grid、第一滤波电感L1、第三变晶体管S3和直流电源SG的负极依次构成电流回路;当高频触发信号为低电平时,第二、第三逆变晶体管S2、S3截止,第二滤波电感L2、电网Grid、第一滤波电感L1、第一续流晶体管S5和第二二极管D2依次构成续流回路。
在所述第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之负半周期间,当高频触发信号为高电平时,第一、第四逆变晶体管S1、S4导通,直流电源SG的正极、第一逆变晶体管S1、第一滤波电感L1、电网Gr id、第二滤波电感L2、第四变晶体管S4和直流电源SG的负极依次构成电流回路;当高频脉冲信号为低电平时,第一、第四逆变晶体管S1、S4截止,第一滤波电感L1、电网Grid、第二滤波电感L2、第二续流晶体管S6和第一二极管D1依次构成续流回路。
进一步,所述微控制器MCU连接有用于检测所述电网Grid上的交流电源Vgrid相位的相位传感器,以使所述正弦信号的相位与所述电网Grid上的交流电源Vgrid的相位相同,同时使微控制器MCU输出的用于控制第一续流晶体管S5的第一工频脉冲信号与所述正弦信号同相位,使微控制器MCU输出的用于控制第二续流晶体管S6的第二工频脉冲信号与所述正弦信号反相位。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:(1)本发明的高效并网逆变器相对于传统全桥电路,在每个桥臂上都增加了一个高频晶体管,使得无论在正半周或负半周,两个电感同时工作,在提高电感利用率的同时,改善了DC EMI问题。相对于传统逆变电路结构而言,该结构提高了电感的利用率,减小了续流路径,进而提升了整机效率;同时降低了机器的DC EMI,使得逆变器各方面性能提升。(2)、由于续流装置的引入,使得储能装置(即电容C1)不参与续流过程,图1中的A、B两点的电位在续流过程中电位保持基本相等,且逆变状态与续流状态A、B两点电位变化量较小,这降低了DC EMI问题。(3)、本发明中的逆变装置采用的四个晶体管皆作高频切换,这使得无论在正负半周,两个滤波电感L1和L2的内侧接线端的电位都呈高频脉冲,其外侧接线端为市电,这提高了滤波电感的利用率。(4)、本发明引入续流回路,使得续流回路变短,从而降低损耗提升了效率。在市电正和负半周都会有两个晶体管做高频切换,相应的低频晶体管与二极管做续流。在市电正或负半周会有一个低频晶体管参与能量转换。所有晶体管的寄生二极管皆不参与能量转换及续流。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中
图1为实施例中的高效并网逆变器的结构示意图;
图2为实施例中的高效并网逆变器的控制部分的电路框图;
图3为实施例中的高效并网逆变器工作时各部件上的波形图;
图4为实施例中的高效并网逆变器输出正半周交流电时的电流回路示意图;
图5为实施例中的高效并网逆变器输出正半周交流电时的续流回路示意图;
图6为实施例中的高效并网逆变器输出负半周交流电时的电流回路示意图;
图7为实施例中的高效并网逆变器输出负半周交流电时的续流回路示意图。
具体实施方式
见图1-7,本实施例的高效并网逆变器包括:为了解决上述技术问题,本发明提供了一种高效并网逆变器,其特点是包括:四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4、两个续流晶体管S5和S6、两个二极管D1和D2和两个滤波电感L1和L2;第一、第二逆变晶体管S1、S2的电流输入端与直流电源SG的正极相连,第一逆变晶体管S1的电流输出端同时与第三逆变晶体管S3和第一续流晶体管S5的电流输入端相连,第三、第四逆变晶体管S3、S4的电流输出端与直流电源SG的负极相连,第二逆变晶体管S2的电流输出端同时与第二续流晶体管S6的电流输入端和第二滤波电感L2的内侧接线端相连,第二续流晶体管S6的电流输出端同时与第四逆变晶体管S4的电流输入端和第一二极管D1的阳极相连;第一逆变晶体管S1的电流输出端同时与第一二极管D1的阴极和第一滤波电感L1的内侧接线端相连,第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端为交流电源输出端;第一续流晶体管S5的电流输出端与第二二极管D2的阳极相连,第二二极管D2的阴极与第二滤波电感L2的内侧接线端相连。
所述直流电源SG的正、负极两端设有滤波电容C1。
所述第一、第四逆变晶体管S1、S4的控制端分别经一调制电路与一微控制器MCU的第一高频脉冲信号输出端相连,所述第二、第三逆变晶体管S2、S3的控制端分别经调制电路与微控制器MCU的第二高频脉冲信号输出端相连;所述两个续流晶体管S5和S6分别与微控制器MCU的两个工频脉冲信号输出端相连;所述第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的外侧端接电网Grid;所述调制电路用于将微控制器MCU输出的高频脉冲信号与一正弦信号调制成用于驱动所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4的高频触发信号;所述正弦信号与所述电网Grid上的交流电源Vgrid同频率且同相位。
工作时,所述微控制器MCU使第一续流晶体管S5导通半个工频周期,同时使第一、第四逆变晶体管S1、S4和第二续流晶体管S6截止,并使第二、第三逆变晶体管S2、S3在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换(即在截止和导通两种状态之间作高频同步切换),以使第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之正半周;然后所述微控制器MCU使第二续流晶体管S6导通半个工频周期,同时使第二、第三逆变晶体管S2、S3和第一续流晶体管S5截止,第一、第四逆变晶体管S1、S4在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之负半周,如此反复。
在所述第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之正半周期间,当所述高频触发信号为高电平时,第二、第三逆变晶体管S2、S3导通,直流电源SG的正极、第二逆变晶体管S2、第二滤波电感L2、电网Grid、第一滤波电感L1、第三变晶体管S3和直流电源SG的负极依次构成电流回路;当高频触发信号为低电平时,第二、第三逆变晶体管S2、S3截止,第二滤波电感L2、电网Gr i d、第一滤波电感L1、第一续流晶体管S5和第二二极管D2依次构成续流回路。
在所述第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vgrid之负半周期间,当高频触发信号为高电平时,第一、第四逆变晶体管S1、S4导通,直流电源SG的正极、第一逆变晶体管S1、第一滤波电感L1、电网Grid、第二滤波电感L2、第四变晶体管S4和直流电源SG的负极依次构成电流回路;当高频脉冲信号为低电平时,第一、第四逆变晶体管S1、S4截止,第一滤波电感L1、电网Grid、第二滤波电感L2、第二续流晶体管S6和第一二极管D1依次构成续流回路。
所述微控制器MCU连接有用于检测所述电网Grid上的交流电源Vgrid相位的相位传感器,以使所述正弦信号的相位与所述电网Grid上的交流电源Vgrid的相位相同,同时使微控制器MCU输出的用于控制第一续流晶体管S5的第一工频脉冲信号与所述正弦信号同相位,使微控制器MCU输出的用于控制第二续流晶体管S6的第二工频脉冲信号与所述正弦信号反相位。
作为最优的实施方式,以提高逆变器的效率,所述四个逆变晶体管S1、S2、S3、S4选用同一型号的MOS管作为开关器件,两个续流晶体管S5、S6则选择IGBT管作为开关器件。
所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4的控制端为所述MOS管的栅极,两个续流晶体管S5和S6的控制端为所述IGBT管的栅极,所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4的电流输出端为MOS管的源极,两个续流晶体管S5和S6的电流输出端为IGBT管的发射极,所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4的电流输入端为MOS管的漏极,两个续流晶体管S5和S6的电流输入端为IGBT管的集电极。
作为其他实施方式,所述四个逆变晶体管S1、S2、S3和S4和两个续流晶体管S5和S6可都为同一型号的MOS管或IGBT管。
所述高频脉冲信号为10-100KHz的高频脉冲信号。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (4)

1.一种高效并网逆变器,其特征在于包括:四个逆变晶体管(S1、S2、S3和S4)、两个续流晶体管(S5和S6)、两个二极管(D1和D2)和两个滤波电感(L1和L2);
第一、第二逆变晶体管(S1、S2)的电流输入端与直流电源(SG)的正极相连,第一逆变晶体管(S1)的电流输出端同时与第三逆变晶体管(S3)和第一续流晶体管(S5)的电流输入端相连,第三、第四逆变晶体管(S3、S4)的电流输出端与直流电源(SG)的负极相连,第二逆变晶体管(S2)的电流输出端同时与第二续流晶体管(S6)的电流输入端和第二滤波电感(L2)的内侧接线端相连,第二续流晶体管(S6)的电流输出端同时与第四逆变晶体管(S4)的电流输入端和第一二极管(D1)的阳极相连;
第一逆变晶体管(S1)的电流输出端同时与第一二极管(D1)的阴极和第一滤波电感(L1)的内侧接线端相连,第一、第二滤波电感(L1、L2)的外侧端为交流电源输出端;
第一续流晶体管(S5)的电流输出端与第二二极管(D2)的阳极相连,第二二极管(D2)的阴极与第二滤波电感(L2)的内侧接线端相连;
所述第一、第四逆变晶体管(S1、S4)的控制端分别经一调制电路与一微控制器(MCU)的第一高频脉冲信号输出端相连,所述第二、第三逆变晶体管(S2、S3)的控制端分别经调制电路与微控制器(MCU)的第二高频脉冲信号输出端相连;所述两个续流晶体管(S5和S6)分别与微控制器(MCU)的两个工频脉冲信号输出端相连;所述第一滤波电感(L1)和第二滤波电感(L2)的外侧端接电网(Grid);
所述调制电路用于将微控制器(MCU)输出的高频脉冲信号与一正弦信号调制成用于驱动所述四个逆变晶体管(S1、S2、S 3和S4)的高频触发信号;所述正弦信号与所述电网(Grid)上的交流电源(Vgrid)同频率且同相位;
工作时,所述微控制器(MCU)使第一续流晶体管(S5)导通半个工频周期,同时使第一、第四逆变晶体管(S1、S4)和第二续流晶体管(S6)截止,并使第二、第三逆变晶体管(S2、S3)在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感(L1、L2)的外侧端输出交流电源(Vgrid)之正半周;
然后所述微控制器(MCU)使第二续流晶体管(S6)导通半个工频周期,同时使第二、第三逆变晶体管(S2、S3)和第一续流晶体管(S5)截止,第一、第四逆变晶体管(S1、S4)在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感(L1、L2)的外侧端输出交流电源(Vgrid)之负半周,如此反复。
2.根据权利要求1所述的高效并网逆变器,其特征在于:在所述第一、第二滤波电感(L1、L2)的外侧端输出交流电源(Vgrid)之正半周期间,当所述高频触发信号为高电平时,第二、第三逆变晶体管(S2、S3)导通,直流电源(SG)的正极、第二逆变晶体管(S2)、第二滤波电感(L2)、电网(Grid)、第一滤波电感(L1)、第三变晶体管(S3)和直流电源(SG)的负极依次构成电流回路;当高频触发信号为低电平时,第二、第三逆变晶体管(S2、S3)截止,第二滤波电感(L2)、电网(Grid)、第一滤波电感(L1)、第一续流晶体管(S5)和第二二极管(D2)依次构成续流回路。
3.根据权利要求2所述的高效并网逆变器,其特征在于:在所述第一、第二滤波电感(L1、L2)的外侧端输出交流电源(Vgrid)之负半周期间,当高频触发信号为高电平时,第一、第四逆变晶体管(S1、S4)导通,直流电源(SG)的正极、第一逆变晶体管(S1)、第一滤波电感(L1)、电网(Grid)、第二滤波电感(L2)、第四变晶体管(S4)和直流电源(SG)的负极依次构成电流回路;当高频脉冲信号为低电平时,第一、第四逆变晶体管(S1、S4)截止,第一滤波电感(L1)、电网(Grid)、第二滤波电感(L2)、第二续流晶体管(S6)和第一二极管(D1)依次构成续流回路。
4.根据权利要求1-3之一所述的高效并网逆变器,其特征在于:所述微控制器(MCU)连接有用于检测所述电网(Grid)上的交流电源(Vgrid)相位的相位传感器,以使所述正弦信号的相位与所述电网(Grid)上的交流电源(Vgrid)的相位相同,同时使微控制器(MCU)输出的用于控制第一续流晶体管(S5)的第一工频脉冲信号与所述正弦信号同相位,使微控制器(MCU)输出的用于控制第二续流晶体管(S6)的第二工频脉冲信号与所述正弦信号反相位。
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