CN102185511B - 一种非隔离型直流电压到交流电压的转换电路 - Google Patents

一种非隔离型直流电压到交流电压的转换电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，在第一节点、第二节点和第三节点之间连接有箝位电路，该箝位电路包括三个开关管，分别是第五开关管、第六开关管和第七开关管、两个二极管，分别是第一二极管和第二二极管，箝位电路实现了转换电路续流阶段时续流回路的电位处于直流电源电压的一半，从而减小输出电流中的共模成分，减小输出的漏电流。并且保证了功率传输阶段输出电流仅流经两个开关管，不像现有技术那样流经三个开关管，因此，本发明提供的电路可以降低流经开关管时产生的损耗，从而可以提高电路的转换效率。

Description

一种非隔离型直流电压到交流电压的转换电路
技术领域
本发明涉及电压变换技术领域，特别涉及一种非隔离型直流电压到交流电压的转换电路。
背景技术
非隔离型光伏并网逆变器本质是一种直流电压到交流电压的转换电路。
非隔离型光伏并网逆变器由于没有变压器，因此拥有效率高、体积小、重量轻和成本低等优势。但是由于光伏发电中的电池板对地寄生电容的存在，使得并网逆变器中开关器件的开关动作产生的高频时变电压作用在寄生电容上，由此增加了输出电流的共模成分，产生的漏电流可能超过允许的范围。而高频漏电流会带来传导和辐射干扰，使得进网电流谐波和损耗增加。
单极性并网逆变器相对于双极性并网逆变器损耗低、谐波小、电磁干扰小，因此更适合用于并网逆变控制。但是单极性SPWM全桥并网逆变器会产生开关频率脉动的高频共模电压，因此，需要加入变压器进行隔离，降低了直流到交流的转换效率，进一步也增加了产品成本。
现有技术中为了去掉单极性SPWM全桥并网逆变器中的隔离变压器，同时消除高频共模电压，中国专利(公开号为CN101814856)公开了一种非隔离型光伏并网逆变器，如图1所示，太阳能电池PV正端和中点电位(Cdc1和Cdc2的公共端)之间引入两个高频开关S1和S2。这样可以使得续流回路的电位箝位在太阳能电池PV的中点电位处，这样可以减小输出的高频共模电压。但是图1所示电路在功率传输阶段输出电流需要流经三个开关管，由于开关管的损耗较大，因此造成电路的转换效率不高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种非隔离型直流电压到交流电压的转换电路，不但能够去掉单极性SPWM全桥并网逆变器中的隔离变压器，可以消除高频共模电压，而且可以提高电路的转换效率。
本发明提供一种非隔离型直流电压到交流电压转换电路，包括：第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第一二极管、第二二极管和电感；
所述第一电容和第二电容串联后连接在直流电源的正输出端和负输出端；
所述第一电容和第二电容的公共端为第一节点；
所述第一开关管和第三开关管串联后连接直流电源的正输出端和负输出端；所述第二开关管和第四开关管串联后连接在直流电源的正输出端和负输出端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管组成全桥逆变电路；
所述第一开关管和第三开关管的公共端为第二节点，所述第二开关管和第四开关管的公共端为第三节点；
所述第六开关管和第五开关管串联后连接在第二节点和第三节点；
所述第六开关管和第五开关管的公共端为第四节点；所述第一二极管的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第三节点；
所述第二二极管的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第二节点；
所述第一节点和第四节点之间连接所述第七开关管；
所述第二节点和第三节点之间连接所述电感；
供电电压的正半波中，第五开关管导通；供电电压的负半波中，第六开关管导通。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第七开关管为MOS管，所述第五开关管和第六开关管为IGBT管。
优选地，所述第一二极管为独立的二极管或第六开关管的体内二极管；
所述第二二极管为独立的二极管或第五开关管的体内二极管。
优选地，所述第一电容的正端、直流电源的正输出端、第一开关管的漏极和第二开关管的漏极连接在一起；
第一电容的负端、第二电容的正端、第七开关管的漏极连接所述第一节点；
第二电容的负端、直流电源的负输出端、第三开关管的源极和第四开关管的源极连接在一起。
优选地，第一开关管的源极、第三开关管的漏极、第五开关管的集电极、第二二极管的阴极连接所述第二节点；
所述第二开关管的源极、第四开关管的漏极、第六开关管的集电极、第一二极管的阴极连接所述第三节点；
所述第七开关管的源极、第五开关管的发射极、第六开关管的发射极、第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接所述第四节点。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为对称的开关管。
优选地，所述第五开关管和第六开关管被频率为50Hz的脉冲信号触发。
优选地，第七开关管被频率范围为kHz的脉冲信号触发。
优选地，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管在不同的阶段被频率为50Hz的脉冲信号触发和被频率范围为kHz的脉冲信号触发。
优选地，所述第一开关管和第四开关管被同一个脉冲信号触发，所述第二开关管和第三开关管被同一个脉冲信号触发。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，在第一节点、第二节点和第三节点之间连接有箝位电路，该箝位电路包括三个开关管(分别是第五开关管、第六开关管和第七开关管)、两个二极管(第一二极管和第二二极管)，箝位电路实现了转换电路续流阶段时续流回路的电位处于直流电源电压的一半，从而减小输出电流中的共模成分，减小输出的漏电流。并且保证了功率传输阶段输出电流仅流经两个开关管，不像现有技术那样流经三个开关管，因此，本申请可以降低流经开关管时产生的损耗，从而可以提高电路的转换效率。
附图说明
图1是现有技术中提供的一种非隔离型光伏并网逆变器的电路图；
图2是本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路的示意图；
图3是图2对应的供电电压正半波期间Q2和Q3导通时的电流流向图；
图4是图2对应的供电电压正半波期间Q2和Q3关断时的电流流向图；
图5是图2对应的供电电压负半波期间Q1和Q4导通时的电流流向图；
图6是图2对应的供电电压负半波期间Q1和Q4关断时的电流流向图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
参见图2，该图为本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路的示意图。
本发明实施例提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，包括：第一电容C1、第二电容C2、第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7、第一二极管D1、第二二极管D2和电感；
所述第一电容C1和第二电容C2串联后连接在直流电源SG的正输出端和负输出端；
第一电容C1和第二电容C2构成直流分压电路；
所述第一电容C1和第二电容C2的公共端为第一节点；
所述第一开关管Q1和第三开关管Q3串联后连接直流电源SG的正输出端和负输出端；所述第二开关管Q2和第四开关管Q4串联后连接在直流电源SG的正输出端和负输出端；所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4组成全桥逆变电路；
Q1、Q2、Q3和Q4组成全桥逆变电路，Q1和Q4被同时触发导通或关断，Q2和Q3被同时触发导通或关断。优选地，Q1和Q4被同一个脉冲信号触发，Q2和Q3被同一个脉冲信号触发。
所述第一开关管Q1和第三开关管Q3的公共端为第二节点，所述第二开关管Q2和第四开关管Q4的公共端为第三节点；
所述第六开关管Q6和第五开关管Q5串联后连接在第二节点和第三节点；
所述第六开关管Q6和第五开关管Q5的公共端为第四节点；
所述第一二极管D1的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第三节点；
所述第二二极管D2的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第二节点；
所述第一节点和第四节点之间连接所述第七开关管Q7；
所述第二节点和第三节点之间连接所述电感；
需要说明的是，本实施例中的电感包括第一滤波电感L1和第二滤波电感L2，第一滤波电感L1的第一端1连接第三节点，第一滤波电感L1的第二端2连接电网GRID；第二滤波电感L2的第一端1连接第二节点，第二滤波电感L2的第二端2连接电网GRID。
供电电压的正半波中，第五开关管Q5一直处于导通状态；供电电压的负半波中，第六开关管Q6一直处于导通状态。
当本实施例提供的转换电路为光伏并网逆变器时，此处的供电电压是指电网电压。
本发明提供的转换电路实质上是一种逆变器，即将直流电逆变为交流电，而实际应用中，所述直流电源SG可以为太阳能电池SG。该转换电路可以将太阳能电池输出的直流电逆变为交流电，反馈给电网，实现并网运行。
需要说明的是，本实施例提供的转换电路，通过Q7、C1和C2将第四节点的电压箝位到C1和C2所分的电压上，这样可以避免第四节点的电压处于悬浮状态，因此，本实施例可以减小共模成分。
本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，在第一节点、第二节点和第三节点之间连接有箝位电路，该箝位电路包括三个开关管(分别是Q5、Q6和Q7)、两个二极管(D1和D2)，箝位电路实现了转换电路续流阶段时续流回路的电位处于电池电压的一半，从而减小输出电流中的共模成分，减小输出的漏电流。并且保证了功率传输阶段输出电流仅流经两个开关管，不像现有技术那样流经三个开关管，因此，本申请可以降低流经开关管时产生的损耗，从而可以提高电路的转换效率。
下面结合各个附图介绍功率传输和续流时的传输路径。以下实施例中以直流电源为太阳能电池为例进行介绍。
参见图3，该图为图2中的供电电路正半波期间Q2和Q3导通时的电流流向图。
本实施例中，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第七开关管为MOS管，所述第五开关管和第六开关管为IGBT管。
所述第一二极管D1为独立的二极管或第六开关管Q6的体内二极管；
所述第二二极管D2为独立的二极管或第五开关管Q5的体内二极管。
所述第一电容C1的正端、太阳能电池SG的正输出端、第一开关管Q1的漏极和第二开关管Q2的漏极连接在一起；
第一电容C1的负端、第二电容C2的正端、第七开关管Q7的漏极连接所述第一节点；
第二电容C2的负端、太阳能电池SG的负输出端、第三开关管Q3的源极和第四开关管Q4的源极连接在一起。
第一开关管Q1的源极、第三开关管Q3的漏极、第五开关管Q5的集电极、第二二极管D2的阴极连接所述第二节点；
所述第二开关管Q2的源极、第四开关管Q4的漏极、第六开关管Q6的集电极、第一二极管D1的阴极连接所述第三节点；
所述第七开关管Q7的源极、第五开关管Q5的发射极、第六开关管Q6的发射极、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阳极连接所述第四节点。
所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4优选采用对称的开关管。
所述第五开关管Q5和第六开关管Q6被频率为50Hz的脉冲信号触发。
第七开关管Q7被频率范围为kHz的脉冲信号触发。
所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4在不同的阶段被频率为50Hz的脉冲信号触发和被频率范围为kHz的脉冲信号触发。Q1-Q4在不同的阶段被不同的脉冲信号触发，有时被50Hz脉冲信号触发，有时被频率范围为kHz的脉冲信号触发。
此处的kHz的脉冲信号可以优选频率为15kHz-20kHz的脉冲信号。
优选的，所述第一开关管Q1和第四开关管Q4被同一个脉冲信号触发，所述第二开关管Q2和第三开关管Q3被同一个脉冲信号触发。
图3所示的电路是供电电压的正半波期间，Q5导通，Q2和Q3被同步地触发导通，Q7被触发管断时对应的电流流向示意图，这个阶段对应的是功率传输阶段；从图3中可以看出，电流仅流经了Q2和Q3两个开关管。
参见图4，该图为图2对应的供电电压正半波期间Q2和Q3关断时的电流流向图。
图4是供电电压正半波期间，Q5导通，Q2和Q3被同步地触发关断，Q7被触发导通。
图4对应的阶段是电流续流阶段。
参见图5，该图为图2对应的供电电压负半波期间Q1和Q4导通时的电流流向图。
图5是供电电压负半波期间，Q6导通，Q1和Q4被同步地触发导通，Q7被触发关断。
从图5中可以看出，该功率传输阶段电流仅流经了Q1和Q4两个开关管。
参见图6，该图为图2对应的供电电压负半波期间Q1和Q4关断时的电流流向图。
图6是供电电压负半波期间，Q6导通，Q1、Q4被同步地触发关断，Q7被触发开通。
图6对应的是电流续流阶段。
综上所述，本发明提供的非隔离型直流电压到交流电压的转换电路实际上是一个逆变器，主要用于将直流电压逆变为交流电压。该逆变器中既没有隔离变压器，但是通过箝位电路可以降低共模干扰。并且功率传输阶段电流仅流经两个开关管，因此可以降低开关管的损耗，从而提高电源转换效率。而现有技术中的逆变器功率传输阶段电流需要流经三个开关管，由于每个开关管的开关状态发生变化时都会带来损耗，因此，降低了将直流逆变为交流的转换效率。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，包括：第一电容、第二电容、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第一二极管、第二二极管和电感；
所述第一电容和第二电容串联后连接在直流电源的正输出端和负输出端；
所述第一电容和第二电容的公共端为第一节点；
所述第一开关管和第三开关管串联后连接直流电源的正输出端和负输出端；所述第二开关管和第四开关管串联后连接在直流电源的正输出端和负输出端；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管组成全桥逆变电路；
所述第一开关管和第三开关管的公共端为第二节点，所述第二开关管和第四开关管的公共端为第三节点；
所述第六开关管和第五开关管串联后连接在第二节点和第三节点；
所述第六开关管和第五开关管的公共端为第四节点；所述第一二极管的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第三节点；
所述第二二极管的阳极连接所述第四节点，阴极连接所述第二节点；
所述第一节点和第四节点之间连接所述第七开关管；
所述第二节点和第三节点之间连接所述电感；
供电电压的正半波中，第五开关管导通；供电电压的负半波中，第六开关管导通。
2.根据权利要求1所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第七开关管为MOS管，所述第五开关管和第六开关管为IGBT管。
3.根据权利要求1所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一二极管为独立的二极管或第六开关管的体内二极管；
所述第二二极管为独立的二极管或第五开关管的体内二极管。
4.根据权利要求2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一电容的正端、直流电源的正输出端、第一开关管的漏极和第二开关管的漏极连接在一起；
第一电容的负端、第二电容的正端、第七开关管的漏极连接所述第一节点；
第二电容的负端、直流电源的负输出端、第三开关管的源极和第四开关管的源极连接在一起。
5.根据权利要求4所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，第一开关管的源极、第三开关管的漏极、第五开关管的集电极、第二二极管的阴极连接所述第二节点；
所述第二开关管的源极、第四开关管的漏极、第六开关管的集电极、第一二极管的阴极连接所述第三节点；
所述第七开关管的源极、第五开关管的发射极、第六开关管的发射极、第一二极管的阳极、第二二极管的阳极连接所述第四节点。
6.根据权利要求2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管为对称的开关管。
7.根据权利要求2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第五开关管和第六开关管被频率为50Hz的脉冲信号触发。
8.根据权利要求2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，第七开关管被频率范围为15kHz-20kHz的脉冲信号触发。
9.根据权利要求2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管在不同的阶段被频率为50Hz的脉冲信号触发和被频率范围为15kHz-20kHz的脉冲信号触发。
10.根据权利要求1或2所述的非隔离型直流电压到交流电压转换电路，其特征在于，所述第一开关管和第四开关管被同一个脉冲信号触发，所述第二开关管和第三开关管被同一个脉冲信号触发。
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