CN102263520A - 直流电压转换成交流电压的电路、方法和变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种将直流电压变换成交流电压的电路，包括全桥电路和交流续流电路，全桥电路包括第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，由第一开关器件和第二开关器件组成的第一串联支路、由第三开关器件和第四开关器件组成的第二串联支路分别并联连接在直流电源的正直流母线和负直流母线之间，第一开关器件和第二开关器件的连接点与交流负载的第一端相连，第三开关器件和第四开关器件的连接点与交流负载的第二端相连；交流续流电路并联连接在交流负载的两端，包括以反并联方式连接的第五开关器件和第六开关器件。本发明还公开了一种具有该电路的变换器以及用于该电路的电压转换方法，有效抑制了漏电流、提高了能量转换效率。

Description

直流电压转换成交流电压的电路、方法和变换器
技术领域
本发明属于电力电子领域，具体涉及一种直流电压转换成交流电压的方法、电路和具有该电路的变换器。 
背景技术
目前在直流电压转换成交流电压的装置中，为了能尽可能提高转换效率在交流端均已采用无变压器并网的方案，随之而来需要关注的问题是直流电源(例如太阳能电池板)对地寄生电容的存在而带来的共模漏电流的干扰，即，开关器件的动作可能产生高频时变电压作用在寄生电容之上，进而导致漏电流产生并可能超出范围。高频漏电流会降低系统效率，损害输出电能质量，增大系统电磁干扰，对人身造成威胁，形成安全隐患，且易导致漏电流保护装置跳脱，影响整个系统可靠性。 
常规的全桥逆变电路如果采用双极调制，可以得到稳定的共模电压，共模漏电流较小，但是转换效率差，电感电流脉动大，需采用较大的滤波电感；全桥逆变电路如果采用单极调制，则差模特性优良，如输入直流电压利用率高、滤波电感电流脉动小及效率高等受到关注，但同时产生开关频率脉动的共模电压，进而产生共模漏电流。 
增加漏电流吸收装置虽然可以在一定程度上解决上述问题，但是又会带来增加成本、降低能量转换效率等问题。 
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种避免产生开关频率脉动的共模电压、抑制共模漏电流、提高能量转换效率的将直流电压转换成交流电压的方法、电路和变换器。 
本发明提供了一种将直流电压变换成交流电压的电路，用于将直流电源的电压转换成交流电压提供给交流负载，其包括全桥电路，所述全桥电路包括带有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，所述第一开关器件和所述第二开关器件组成第一串联支路，所述第三开关器件和所述第四开关器件组成第二串联支路，所述第一串联支路和所述第二串联支路分别并联连接在所述直流电源的正直流母线和负直流母线之间，所述第一开关器件和所述第二开关器件的连接点与交流负载的第一端相连，所述第三开关器件和所述第四开关器件的连接点与交流负载的第二端相连；还包括交流续流电路，其并 联连接在所述交流负载的第一端和所述交流负载的第二端之间，所述交流续流电路包括以反并联方式连接的第五开关器件和第六开关器件。 
优选地，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的功率开关管。 
优选地，所述第五开关器件和所述第六开关器件均为能承受反压的IGBT。 
优选地，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的IGBT。 
优选地，所述交流续流电路的第一端与交流负载的第一端之间设置有第一输出电感，所述交流续流电路的第二端与交流负载的第二端之间设置有第二输出电感。 
第一输出电感和第二输出电感对称设置在交流输出支路中，进一步抑制漏电流，降低变换器输出交流电压的谐波，改善了功率因数，提高了电能质量。 
本发明还提供了一种将直流电压变换成交流电压的变换器，用于将直流电源的电压转换成交流电压提供给交流负载，包括将直流电压变换成交流电压的电路，该将直流电压变换成交流电压的电路包括全桥电路，所述全桥电路包括带有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，所述第一开关器件和所述第二开关器件组成第一串联支路，所述第三开关器件和所述第四开关器件组成第二串联支路，所述第一串联支路和所述第二串联支路分别并联连接在所述直流电源的正直流母线和负直流母线之间，所述第一开关器件和所述第二开关器件的连接点与交流负载的第一端相连，所述第三开关器件和所述第四开关器件的连接点与交流负载的第二端相连；该将直流电压变换成交流电压的电路还包括交流续流电路，其并联连接在所述交流负载的第一端和所述交流负载的第二端之间，所述交流续流电路包括以反并联方式连接的第五开关器件和第六开关器件。 
优选地，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的功率开关管。 
优选地，所述第五开关器件和所述第六开关器件均为能承受反压的IGBT。 
优选地，所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的IGBT。 
优选地，所述交流续流电路的第一端与交流负载的第一端之间设置有第一输出电感，所述交流续流电路的第二端与交流负载的第二端之间设置有第二输 出电感。 
第一输出电感和第二输出电感对称设置在交流输出支路中，进一步抑制漏电流，降低变换器输出交流电压的谐波，改善了功率因数，提高了电能质量。 
本发明还提供了一种用于将直流电压变换成交流电压的电路中将直流电压变换成交流电压的方法，该方法设置有第一开关条件和第二开关条件，在所述第一开关条件下，所述第二开关器件和所述第三开关器件关断，所述第一开关器件和所述第四开关器件由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第五开关器件关断，所述第六开关器件以工频脉冲信号触发动作；在所述第二开关条件下，所述第一开关器件和所述第四开关器件关断，所述第二开关器件和所述第三开关器件由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第六开关器件关断，所述第五开关器件以工频脉冲信号触发动作。 
优选地，所述高频脉冲信号为KHz范围内的脉冲信号。 
优选地，所述高频脉冲信号为脉冲宽度调制信号。 
优选地，所述工频脉冲信号的频率为50Hz或60Hz。 
本发明的有益效果为：通过在常规全桥电路的基础上加入交流续流电路，且通过设置第一开关条件和第二开关条件来控制开关器件的导通和关断，避免了开关频率共模电压的产生，进而抑制了漏电流；同时保证功率传输阶段通过的开关器件少，有效降低了导通损耗，实现了能量的高效转换。 
并且通过在交流输出支路中对称设置的第一输出电感和第二输出电感，进一步抑制漏电流，降低变换器输出交流电压的谐波，改善了功率因数，提高了电能质量。 
附图说明
图1为本发明实施例公开的变换器的电路示意图； 
图2为图1所示电路工作于第一开关条件下第一开关器件和第四开关器件导通时的电流流向示意图； 
图3为图1所示电路工作于第一开关条件下第一开关器件和第四开关器件关断时的电流流向示意图； 
图4为图1所示电路工作于第二开关条件下第二开关器件和第三开关器件导通时的电流流向示意图； 
图5为图1所示电路工作于第二开关条件下第二开关器件和第三开关器件关断时的电流流向示意图； 
图6为图1所示电路交流输出电压波形以及对应的第一开关器件至第六开关器件的驱动波形。 
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，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。 
本发明的目的在于提供一种避免产生开关频率脉动的共模电压、抑制共模漏电流、提高能量转换效率的将直流电压转换成交流电压的方法、电路和变换器。 
参照图1，为本发明实施例公开的变换器的电路示意图。所述变换器用于将直流电源1输出的直流电压转换成交流电压提供给交流负载，包括储能电容C、将直流电压变换成交流电压的电路，所述将直流电压变换成交流电压的电路包括全桥电路2和交流续流电路3。 
上述全桥电路2包括第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4分别反并联连接有第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4，所述第一开关器件S1和所述第二开关器件S2组成第一串联支路，所述第三开关器件S3和所述第四开关器件S4组成第二串联支路，所述第一串联支路和所述第二串联支路分别连接在所述直流电源的正直流母线和负直流母线之间，所述第一开关器件S1和所述第二开关器件S2的连接点A与交流负载的第一端相连，所述第三开关器件S3和所述第四开关器件S4的连接点B与交流负载的第二端相连。 
需要说明的是，上述第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4结构对称、选用同一型号的开关器件，均为自带反并联二极管的功率开关管。具体的，第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4可以是自带反并联二极管的IGBT。 
再次需要说明的是，上述与第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4反并联连接的二极管既可以是第一开关器件S1、第二开关器件S2、第三开关器件S3和第四开关器件S4自带的反并联二极管，也可以是独立的二极管。 
上述交流续流电路3并联连接在交流负载的第一端和交流负载的第二端之间，交流续流电路3包括以反并联方式连接的第五开关器件S5和第六开关器件 S6。 
其中，上述第五开关器件S5和第六开关器件S6均为能承受反压的IGBT。 
上述第五开关器件S5和第六开关器件S6结构对称、型号相同。 
优选地，在所述第一开关器件S1和所述第二开关器件S2的连接点A与交流负载的第一端之间，设置有第一输出电感L1；在所述第三开关器件S3和所述第四开关器件S4的连接点B与交流负载的第二端之间，设置有第二输出电感L2。 
第一输出电感L1和第二输出电感L2对称设置在交流输出支路中，进一步抑制漏电流，降低变换器输出交流电压的谐波，改善了功率因数，提高了电能质量。 
需要说明的是，本发明实施例中交流负载既可以是交流耗能负载，也可以是交流电网。即，本发明实施例中的变换器既可以工作于并网运行模式，也可以工作于独立运行模式。 
本发明实施例还提供了一种用于将直流电压变换成交流电压的电路中将直流电压变换成交流电压的方法，该方法设置有第一开关条件和第二开关条件，在第一开关条件下，第二开关器件S2和第三开关器件S3关断，第一开关器件S1和第四开关器件S4由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第五开关器件S5关断，所述第六开关器件S6以工频脉冲信号触发动作；在所述第二开关条件下，第一开关器件S1和第四开关器件S4关断，第二开关器件S2和第三开关器件S3由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第六开关器件S6关断，所述第五开关器件S5以工频脉冲信号触发动作。 
具体地，高频脉冲信号为KHz范围内的脉冲信号或脉冲宽度调制信号，工频脉冲信号的频率为50Hz或60Hz。 
图6为图1所示电路交流输出电压波形以及对应的第一开关器件至第六开关器件的驱动波形。 
请结合图6，可以看出，上述第一开关条件对应于交流输出电压Vac的正半周，第二开关条件对应于交流输出电压Vac的负半周。 
下面请结合图2至图5，具体分析图1所示电路的工作过程。 
图2为图1所示电路工作于第一开关条件下第一开关器件S1和第四开关器件S4导通时的电流流向示意图。 
请结合图2，电流流经全桥电路2的第一开关器件S1、第一输出电感L1、第二输出电感L2、第四开关器件S4，直流电源1通过全桥电路2给交流负载供 电。 
图3为图1所示电路工作于第一开关条件下第一开关器件S1和第四开关器件S4关断时的电流流向示意图。 
请结合图3，电流流经交流续流电路3的第六开关管S6、第一输出电感L1、第二输出电感L2，其中第一输出电感L1、第二输出电感L2续流给交流负载供电。 
图4为图1所示电路工作于第二开关条件下第二开关器件S2和第三开关器件S 3导通时的电流流向示意图； 
请结合图4，电流流经全桥电路2的第三开关器件S3、第一输出电感L1、第二输出电感L2、第二开关器件S2，直流电源1通过全桥电路2给交流负载供电。 
图5为图1所示电路工作于第二开关条件下第二开关器件S2和第三开关器件S3关断时的电流流向示意图； 
请结合图5，电流流经交流续流电路3的第五开关管S5、第一输出电感L1、第二输出电感L2，其中第一输出电感L1、第二输出电感L2续流给交流负载供电。 
从以上图1所示电路的工作过程分析可知，功率传输阶段通过的开关器件较少，有效降低了导通损耗，提高了转换效率。 
下面具体分析在上述工作过程中如何抑制共模漏电流，提高转换效率。 
请再次结合图1，0点为直流电源1的负极，定义VDC为直流电源1的输出电压，VAO为A点与0点的电压，VBO为B点与0点的电压，Vcm为共模电压，icm为共模漏电流，Ccm为直流电源1对地寄生电容的容值，即共模电容容值。 
根据共模电压的定义可知，Vcm＝(VAO+VBO)/2。 
先结合第一开关条件下的工作过程具体分析： 
(1)在第一开关器件S1、第四开关器件S4导通期间，请结合图2，VAO＝VDC，VBO＝0，可以得知，共模电压Vcm＝VDC/2； 
(2)在第一开关器件S1、第四开关器件S4关断期间，请结合图3，由于第一开关器件S1、第四开关器件S4结构对称、型号相同，所以，VAO＝VDC/2，VBO＝VDC/2，可以得知，共模电压Vcm＝VDC/2。 
由上述推导可知：共模电压Vcm在第一开关条件下的工作过程中始终恒定 不变，由共模电压Vcm与共模漏电流icm之间的关系(icm＝CcmdVcm/dt)可知，共模漏电流icm为零。 
再结合第二开关条件下的工作过程具体分析： 
(1)在第二开关器件S2、第三开关器件S3导通期间，请结合图4，VAO＝0，VBO＝VDC，可以得知，共模电压Vcm＝VDC/2； 
(2)在第二开关器件S2、第三开关器件S3关断期间，请结合图5，由于第二开关器件S2、第三开关器件S3结构对称、型号相同，所以，VAO＝VDC/2，VBO＝VDC/2，可以得知，共模电压Vcm＝VDC/2。 
由上述推导可知：共模电压Vcm在第二开关条件下的工作过程中始终恒定不变，由共模电压Vcm与共模漏电流icm之间的关系(icm＝CcmdVcm/dt)可知，共模漏电流icm为零。 
综上所述，共模电压Vcm在第一开关条件和第二开关条件即整个工作过程中始终恒定不变，共模漏电流为零，从而，避免了漏电流吸收装置的使用，降低了系统成本、提高了能量转换效率。 
本发明实施例的有益效果为：通过在常规全桥电路的基础上加入交流续流电路，且通过设置第一开关条件和第二开关条件来控制开关器件的导通和关断，避免了开关频率共模电压的产生，进而抑制了漏电流；同时保证功率传输阶段通过的开关器件少，有效降低了导通损耗，实现了能量的高效转换。 
并且通过在交流输出支路中对称设置的第一输出电感L1和第二输出电感L2，进一步抑制漏电流，降低变换器输出交流电压的谐波，改善了功率因数，提高了电能质量。 
显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

Claims (10)

1.一种将直流电压变换成交流电压的电路，用于将直流电源的电压转换成交流电压提供给交流负载，其包括全桥电路，所述全桥电路包括带有第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件，所述第一开关器件和所述第二开关器件组成第一串联支路，所述第三开关器件和所述第四开关器件组成第二串联支路，所述第一串联支路和所述第二串联支路分别并联连接在所述直流电源的正直流母线和负直流母线之间，所述第一开关器件和所述第二开关器件的连接点与交流负载的第一端相连，所述第三开关器件和所述第四开关器件的连接点与交流负载的第二端相连；其特征在于：该将直流电压变换成交流电压的电路还包括交流续流电路，其并联连接在所述交流负载的第一端和所述交流负载的第二端之间，所述交流续流电路包括以反并联方式连接的第五开关器件和第六开关器件。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的功率开关管。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述第五开关器件和所述第六开关器件均为能承受反压的IGBT。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：所述第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件、第四开关器件均为带反并联二极管的IGBT。
5.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述交流续流电路的第一端与交流负载的第一端之间设置有第一输出电感，所述交流续流电路的第二端与交流负载的第二端之间设置有第二输出电感。
6.一种将直流电压变换成交流电压的变换器，其特征在于：包括权利要求1至5中任意一项所述的将直流电压变换成交流电压的电路。
7.一种用于权利要求1至5中任意一项所述电路的将直流电压变换成交流电压的方法，其特征在于：设置有第一开关条件和第二开关条件，在所述第一开关条件下，所述第二开关器件、所述第三开关器件和所述第五开关器件关断，所述第一开关器件和所述第四开关器件由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第六开关器件以工频脉冲信号触发动作；在所述第二开关条件下，所述第一开关器件、所述第四开关器件和所述第六开关器件关断，所述第二开关器件和所述第三开关器件由同步的高频脉冲信号触发动作，所述第五开关器件以工频脉冲信号触发动作。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高频脉冲信号为KHz范围内的脉冲信号。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述高频脉冲信号为脉冲宽度调制信号。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述工频脉冲信号的频率为50Hz或60Hz。
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