CN102223098A - 一种单相逆变器及其控制方法 - Google Patents

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徐立平
徐应群
李顺
毛伟
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Abstract

本发明公开一种多电平单相逆变器，包括第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由串联的两个开关管构成，在第一桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第一钳位二极管串，在第二桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第二钳位二极管串；并且，该逆变器的直流侧并联连接由第一电容器和第二电容器串联而成的电容器串，该电容器串的中点连接至第一、第二钳位二极管串的中点，第一、第二桥臂的中点输出作为逆变器的输出；该还包括控制部分，用于控制所述开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。本发明还公开了该多电平逆变器的控制方法。

Description

一种单相逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及单相逆变器及其控制方法，具体而言，涉及采用多电平技术构建的单相逆变器以及采用母线电容平衡控制方式和/或热平衡控制方式的单相逆变器控制方法。
背景技术
单相逆变器的结构可分为半桥逆变器、全桥逆变器和推挽逆变器等形式。目前，单相逆变器多数采用全桥电路形式，具有技术成熟、成本低廉等优势，但是也存在漏电流大、逆变器体积较大等缺点。为了解决漏电流大的问题，德国Sunway公司、德国SMA公司等相继研发出带有交流旁路的全桥逆变器、带有直流旁路的全桥拓扑及其H5拓扑，但都存在输出电感体积大、EMC(电磁兼容性)滤波电路体积大等问题。
发明内容
针对现有技术中存在的以上技术问题，本发明提出了基于多电平技术构建的单相逆变器，该单相逆变器可有效解决该问题。
为此，本发明提出了一种多电平单相逆变器，包括第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由串联的两个开关管构成，在第一桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第一钳位二极管串，在第二桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第二钳位二极管串；并且，该逆变器的直流侧并联连接由第一电容器和第二电容器串联而成的电容器串，该电容器串的中点连接至第一、第二钳位二极管串的中点，第一、第二桥臂的中点输出作为逆变器的输出。
优选地，该逆变器还包括控制部分，用于控制所述开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。
优选地，该控制器根据特定的检测信号选择所述路径之一，或者采用轮循的方式选择所述路径之一。
其中，所述检测信号包括第一电容器上的电压和第二电容器上的电压；如果第一电容器上的电压高于第二电容器上的电压，则选择与第一电容器构成回路的开关管路径；如果第二电容器上的电压高于第一电容器上的电压，则选择与第二电容器构成回路的开关管路径。
优选地，所述检测信号包括所述开关管的温度和损耗检测信号，所述控制器选择温度和损耗低的开关管路径以输出期望电压。
优选地，在第一、第二桥臂的中点分别连接有输出滤波电感。
本发明还公开上述多电平单相逆变器的控制方法，包括：控制该逆变器中开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。
具体地，该控制方法包括：检测特定的检测信号，根据该检测信号选择所述路径之一；或者采用轮循的方式选择所述路径之一。
优选地，所述检测信号包括第一电容器上的电压和第二电容器上的电压；如果第一电容器上的电压高于第二电容器上的电压，则选择与第一电容器构成回路的开关管路径；如果第二电容器上的电压高于第一电容器上的电压，则选择与第二电容器构成回路的开关管路径。
优选地，所述检测信号包括所述开关管的温度和损耗检测信号，选择温度和损耗低的开关管路径以输出期望电压。
在本发明的多电平逆变器中，输出波形电平数的增多降低了每个开关管的电压应力，而且与双电平逆变器相比，在相同的开关频率下，多电平逆变器由于输出波形电平数的增加，所以谐波畸变率较低，由于多电平逆变器可以提高功率、降低交流输出波形的谐波，所以特别适合应用于高压、大功率的场合中。
而且，通过采用母线电容轮循应用的控制方式，稳定了母线中点电位。由于多电平技术中存在多个路径可形成某一电平电位，所以，也可根据各个开关管的实际温度或损耗来进行控制，选择特定路径以形成该电平电位；或者，也可通过各个路径轮循的模式来延长各个开关管的寿命。虽然多电平技术的应用会引起功率开关器件数量增多，但目前PIM模块(即功率集成模块)技术可有效解决该问题。
附图说明
下面根据实施例和附图对本发明进行详细说明。
图1是根据本发明一实施例提出的通过二极管钳位三电平构建的单相逆变器的功率电路图。
具体实施方式
以下给出了一个具体实施例，为了便于理解，这里以三电平单相逆变器为例进行介绍说明。应当理解，本发明的单相逆变器可以采用更多电平，例如4电平及以上。本发明中的多电平单相逆变器可与正弦PWM调制、空间矢量PWM调制等现有调制方式结合使用。
图1为通过二极管钳位三电平构建的单相逆变器的功率电路图。二极管钳位型多电平逆变器通过串联的电容器将直流侧的电压分成一系列较低的电平电压。M电平的二极管钳位型多电平逆变器在直流侧需要M-1个电容器。
在图1所示二极管钳位三电平单相逆变器中，C1和C2表示直流侧串联电容器，开关管Q1、Q2、Q3、Q4以及钳位二极管d1和d2构成第一桥臂，开关管Q5、Q6、Q7、Q8以及钳位二极管d3和d4构成第二桥臂，L1和L2表示输出滤波电感。二极管d1和d2跨接在由开关管Q1和Q2构成的上桥臂的中点与由开关管Q3和Q4构成的下桥臂的中点之间，二极管d3和d4跨接在由开关管Q5和Q6构成的上桥臂的中点与由开关管Q7和Q8构成的下桥臂的中点之间；电容器C1和C2的中点联结至二极管d1和d2的中点以及二极管d3和d4的中点；第一桥臂的中点和第二桥臂的中点的输出作为该逆变器的输出。在这里，开关管可以例如为IGBT、MOSFET。由于采用多电平技术，在相同载波频率下，逆变器的开关频率更低，输出波形的谐波分量更小，从而开关损耗和谐波损耗减少，提高了系统的效率，同时优化了系统的EMC性能；而且，能够减小输出滤波电感及输出滤波器的体积。由于PIM模块技术的应用，开关管体积大大减小，从而整个系统的体积将会大大减小。
在该单相逆变器中，还包括控制部分用于控制所述开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。结合逆变器的性能要求，可以采用各种控制方式，例如母线电容平衡控制方式、热平衡控制方式、轮循控制方式，等等。下面以这些控制方式为例，对本发明进行具体描述。当然，本领域技术人员应当明确，本发明不限于上述控制方式，而是可以根据各种性能要求而根据不同的策略从就逆变器输出电压方面而言等效的不同开关管路径中选择其一。
母线电容平衡控制方式
对于母线电容串联应用，电容器的均压非常重要，全桥电路形式及其衍生电路都无法通过控制调节均压，本发明中的技术方案通过分别检测两个串联电容器C1和C2的电压，根据电压检测结果选择多个路径之一，以在逆变器输出端产生需要的电平。例如，如果电容器C1上的电压高于电容器C2上的电压，则选择与电容器C1构成回路的开关管路径；如果电容器C2上的电压高于电容器C1上的电压，则选择与电容器C2构成回路的开关管路径。下文中以逆变器输出电平为+1/2Vbus、电流与电压同相为例进行介绍。
要在逆变器输出端Out1与Out2之间产生+1/2Vbus电平时，可以通过由节点Bus+、开关管Q5和Q6、电感L1和L2、开关管Q3、二极管d2、中点N构成开关管路径(称为路径1)，相当于从电容器C1取能量，从而降低电容器C1两端间的电压；也可以通过中点N、二极管d3、开关管Q6、电感L1和L2、开关管Q3和Q4、节点Bus-构成开关管路径(称为路径2)，相当于从电容器C2取能量，从而降低电容器C2两端间的电压。在逆变器的控制过程中，检测电容器C1和C2上的电压，如果电容器C1上的电压高，则选择从电容器C1取能量的路径，即路径1；如果电容器C2上的电压高，则选择从电容器C2取能量的路径，即路径2。
此外，也可以采用轮循的方式进行控制，保证在周期时间内从电容器C1和C2取得的能量相同，从而保证母线电容电压的平衡。从两个路径差异方面而言，选择路径1时，开关管Q5导通、开关管Q4关断；选择路径2时，开关管Q4导通、开关管Q5关断，所以这种控制方式实现起来非常简便。
热平衡控制方式
为了减小体积，基于多电平构建的单相逆变器一般通过2个PIM模块实现其2个桥臂。正常工作时，希望这2个PIM模块的温度都在一定范围之内。本发明通过分别检测这2个PIM模块的温度，根据温度检测结果选择路径以在输出端产生需要的电平，从而实现这2个PIM模块损耗在一定范围内浮动，使高温的PIM模块温度降低。
下面还是以输出电平为+1/2Vbus、电流与电压同相为例进行介绍。同理存在上述路径1和路径2实现，比较这2个路径的差异，可以得出路径1中开关管Q5的损耗转移到路径2的开关管Q4，路径1中二极管d2的损耗转移到路径2的二极管d3，若开关管损耗比二极管损耗高时，开关管Q5和二极管d3所在PIM模块(简称“模块1”)在路径1工作时将比在路径2工作时的损耗高，同理开关管Q4和二极管d2所在PIM模块(简称“模块2”)在路径2工作时将比在路径1工作时的损耗高，这样可以得出当路径1更换成路径2后，模块1上多余损耗转移到模块2上，从而达到PIM模块温度平衡控制的功能。也可以采用轮循的方式进行控制，保证在周期时间内两个模块的损耗平衡，从而保证PIM模块的温度平衡；也可以根据两模块实际散热条件的不同，合理分配两PIM模块的损耗。
在实际实现中，本发明中的母线电容平衡控制方式与热平衡控制方式可以结合使用。例如，可以为这两种控制方式各自设定优先级，根据优先级的不同，保证兼顾的指标，达到最优控制方式。
总之，本发明采用多电平技术构建单相逆变器，并采用母线电容平衡控制方式、热平衡控制方式等方式进行路径选择，具有母线中点电位稳定、温度平衡、体积小、输出电流电压纹波小、漏电流小、EMI小、效率较高等优势。

Claims (10)

1.一种多电平单相逆变器，其特征在于，包括第一桥臂和第二桥臂，每个桥臂的上桥臂和下桥臂均由串联的两个开关管构成，在第一桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第一钳位二极管串，在第二桥臂的上桥臂中点与下桥臂中点之间跨接由两个二极管串联构成的第二钳位二极管串；并且，该逆变器的直流侧并联连接由第一电容器和第二电容器串联而成的电容器串，该电容器串的中点连接至第一、第二钳位二极管串的中点，第一、第二桥臂的中点输出作为逆变器的输出。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，还包括控制部分，用于控制所述开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。
3.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于，根据特定的检测信号选择所述路径之一，或者采用轮循的方式选择所述路径之一。
4.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于，所述检测信号包括第一电容器上的电压和第二电容器上的电压；如果第一电容器上的电压高于第二电容器上的电压，则选择与第一电容器构成回路的开关管路径；如果第二电容器上的电压高于第一电容器上的电压，则选择与第二电容器构成回路的开关管路径。
5.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于，所述检测信号包括所述开关管的温度和损耗检测信号，所述控制器选择温度和损耗低的开关管路径以输出期望电压。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的逆变器，其特征在于，在第一、第二桥臂的中点分别连接有输出滤波电感。
7.一种用于根据权利要求1所述的多电平单相逆变器的控制方法，包括：
控制该逆变器中开关管的通、断，以从使得逆变器能够输出同一期望电压的多个开关管路径中选择其一。
8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，包括：检测特定的检测信号，根据该检测信号选择所述路径之一；或者采用轮循的方式选择所述路径之一。
9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述检测信号包括第一电容器上的电压和第二电容器上的电压；如果第一电容器上的电压高于第二电容器上的电压，则选择与第一电容器构成回路的开关管路径；如果第二电容器上的电压高于第一电容器上的电压，则选择与第二电容器构成回路的开关管路径。
10.根据权利要求8所述的逆变器，其特征在于，所述检测信号包括所述开关管的温度和损耗检测信号，选择温度和损耗低的开关管路径以输出期望电压。
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