CN102437770A - 一种单相半桥三电平逆变器 - Google Patents

一种单相半桥三电平逆变器 Download PDF

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余鸿
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Abstract

本发明公开了一种单相半桥三电平逆变器，该逆变器包括：四个开关器件；四个开关器件中的第一开关器件、第二开关器件和第四开关器件串联连接在所述直流电源之间，第一开关器件的第一端连接所述直流电源的正端，第四开关器件的第二端连接所述直流电源的负端；第三开关器件的第一端连接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第三开关器件的第二端连接所述直流电源的分压中点；第二开关器件的第二端和第四开关器件的第一端相连并作为所述逆变器的第一输出端，直流电源的分压中点作为所述逆变器的第二输出端。利用本发明，可以减小损耗，提高转换效率。

Description

一种单相半桥三电平逆变器
技术领域
本发明涉及电压转换技术领域，具体涉及一种单相半桥三电平逆变器。
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，将直流电能转换为交流电能的一种变换器。近年来，三电平逆变器由于具有输出容量大、输出电压高、电流谐波含量小等优点，在高压大功率交流电机变频调速领域得到了广泛的应用。
现有的单相半桥三电平逆变器拓扑结构主要有两类，分别是：“1”字型拓扑结构和“T”字型拓扑结构。
如图1所示，是现有技术中“1”字型拓扑结构的示意图。
在该单相半桥逆变器中，通过在直流正负母线电压之间串联两个容抗相等的电容(即图1中的电容C1和电容C2)来获得三个电平：正母线电平、两电容串联接点电平、负母线电平。单相半桥逆变器交流输出的一个接线端子从上述两串联电容的接点n引出，另一个交流输出端子从图中a点引出。
该单相半桥逆变器的工作过程如下：
当半导体开关管T1、T2导通，半导体开关管T3、T4、二极管D3、D4、D5、D6截止时，输出节点a的电平等于正母线电平。输出侧电流从a点流出到电感L1时，二极管D1、D2截止，电流回路为T1-T2-L1-VG-L2-C1-T1；输出侧电流从L1流进a点时，二极管D1、D2导通，电流回路为D2-D1-C1-L2-VG-L1-D2。
当半导体开关管T2、T3导通，半导体开关管T1、T4、二极管D1、D2、D3、D4截止时，输出节点a的电平等于两电容串联接点电平。输出侧电流从a点流出到L1时，二极管D5导通，二极管D6截止，电流回路为D5-T2-L1-VG-L2-D5；输出侧电流从L1流进a点时，二极管D6导通，二极管D5截止，电流回路为T3-D6-L2-VG-L1-T3。
当半导体开关管T3、T4导通，半导体开关管T1、T2、二极管D1、D2、D5、D6截止时，输出节点a的电平等于负母线电平。输出侧电流从a点流出到L1时，二极管D3、D4导通，电流回路为D4-D3-L1-VG-L2-C2-D4；输出侧电流从L1流进a点时，二极管D3、D4截止，电流回路为T3-T4-C2-L2-VG-L1-T3。
由上述工作过程可知，“1”字型三电平逆变器的四组半导体开关管(T1和D1，T2和D2，T3和D3，T4和D4)承受的最大电压为直流总输入电压的一半，因此，可以选择额定电压较小的半导体开关管进而减小其开关损耗。但在该拓扑中，需要两个箝位二极管D5、D6，增加了器件个数和其损耗，同时还增加了半导体开关管T2、T3的通态损耗。
如图2所示，是现有技术中“T”字型拓扑结构的示意图。
在该单相半桥逆变器中，通过在直流正负母线电压之间串联两个容抗相等的电容(即图2中的电容C1和电容C2)来获得三个电平：正母线电平，两电容串联接点电平，负母线电平，单相半桥逆变器交流输出的一个接线端子从上述两串联电容的接点n引出，另一个交流输出端子从图中a点引出。
该单相半桥逆变器的工作过程如下：
当半导体开关管T1、T2导通，半导体开关管T3、T4、D2、D3、D4截止时，输出节点a的电平等于正母线电平。输出侧电流从a点流出到电感L1时，二极管D1截止，电流回路为T1-L1-VG-L2-C1-T1；输出侧电流从电感L1流进a点时，二极管D1导通，电流回路为D1-C1-L2-VG-L1-D1。
当半导体开关管T2、T3导通，半导体开关管T1、T4、D1、D4截止时，输出节点a的电平等于两电容串联接点电平。输出侧电流从a点流出到电感L1时，二极管D3导通，二极管D2截止，电流回路为T2-D3--L1-VG-L2-T2；输出侧电流从电感L1流进a点时，二极管D2导通，二极管D3截止，电流回路为T3-D2-L2-VG-L1-T3。
当半导体开关管T3、T4导通，半导体开关管T1、T2、D1、D2、D3截止时，输出节点a的电平等于负母线电平。输出侧电流从a点流出到电感L1时，二极管D4导通，电流回路为D4-L1-VG-L2-C2-D4；输出侧电流从电感L1流进a点时，二极管D4截止，电流回路为T4-C2-L2-VG-L1-T4。
由上述工作过程可知，“T”字型三电平逆变器的四组半导体开关管中T1、T4承受的最大电压为直流总输入电压，T2、T3承受的最大电压为一半直流总输入电压。因此，增加了半导体开关管T1、T4的开关损耗，但无需两个箝位二极管，避免了该部分损耗。
发明内容
本发明实施例针对上述现有技术存在的问题，提供一种单相半桥三电平逆变器，以减小损耗，提高能量转换效率。
为此，本发明实施例提供如下技术方案：
一种单相半桥三电平逆变器，用于将直流电源输出的直流电转换成交流电，包括：四个开关器件；
所述四个开关器件中的第一开关器件、第二开关器件和第四开关器件串联连接在所述直流电源之间，其中，第一开关器件的第一端连接所述直流电源的正端，第四开关器件的第二端连接所述直流电源的负端；第三开关器件的第一端连接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第三开关器件的第二端连接所述直流电源的分压中点；
第二开关器件的第二端和第四开关器件的第一端相连并作为所述逆变器的第一输出端，所述直流电源的分压中点作为所述逆变器的第二输出端。
优选地，每个开关器件均包括：开关管和与所述开关管反并联的二极管。
可选地，所述二极管为独立二极管或所述开关管内部自带的反并联二极管。
优选地，所述四个开关器件的驱动信号由正弦调制波与三角形载波交截产生。
在所述正弦调制波的正半周期，第二开关器件导通，第四开关器件关断，并且如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波的电平，则第一开关器件导通，第三开关器件关断；如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波的电平，则第一开关器件关断，第三开关器件导通；
在所述正弦调制波的负半周期，第一开关器件保持关断状态，第三开关器件保持导通状态，并且如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波反向后的电平，则第二开关器件导通，第四开关器件关断；如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波反向后的电平，则第二开关器件关断，第四开关器件导通。
优选地，所述单相半桥三电平逆变器还包括：
两个分压电容，串联连接在所述直流电源之间，用于对所述直流电源进行分压，所述两个分压电容的连接点为所述直流电源的分压中点。
优选地，所述两个电容的容抗相同。
优选地，所述单相半桥三电平逆变器还包括：
滤波电路，连接在所述逆变器的第一输出端和第二输出端之间，用于滤除所述逆变器输出信号中的高频分量。
优选地，所述滤波电路包括：第一电感和第二电感，第一电感的第一端连接所述逆变器的第一输出端，第二电感的第一端连接所述逆变器的第二输出端，第一电感的第二端和第二电感的第二端分别连接于交流负载或电网的两端。
优选地，所述滤波电路还包括：
滤波电容，连接在所述第一电感的第二输出端与所述第二电感的第二输出端之间。
本发明实施例提供的单相半桥三电平逆变器，可以在保持三电平逆变器的器件数目最少的同时，降低部分开关管的电压应力，从而可以选用小功率半导体开关管，减小损耗，提高转换效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有技术中“1”字型单相半桥三电平逆变器的拓扑结构示意图；
图2是现有技术中“T”字型单相半桥三电平逆变器的拓扑结构示意图；
图3是本发明实施例单相半桥三电平逆变器的拓扑结构示意图；
图4是本发明实施例中各开关器件的驱动信号示意图；
图5是本发明实施例单相半桥三电平逆变器在第一工作模态下的电流回路示意图；
图6是本发明实施例单相半桥三电平逆变器在第二工作模态下的电流回路示意图；
图7是本发明实施例单相半桥三电平逆变器在第三工作模态下的电流回路示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
如图3所示，是本发明实施例单相半桥三电平逆变器的一种拓扑结构示意图。
该单相半桥三电平逆变器用于将直流电源输出的直流电转换成交流电，所述直流电源可以是光伏电源，也可以是储能电池。
该单相半桥三电平逆变器包括：四个开关器件。
如图3所示，各开关器件包括：开关管和与所述开关管反并联的二极管。所述开关管可以是半导体开关管，比如MOSFET(高压金属氧化物硅场效应晶体管)、IGBT(绝缘栅双极晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(增强注入栅晶体管)等。所述二极管可以是独立二极管或所述开关管内部自带的反并联二极管。所述开关管的漏极或集电极与所述二极管的阴极相连构成所述开关器件的第一端，所述开关管的源极或发射极与所述二极管的阳极相连构成所述开关器件的第二端。当然，本发明实施例并不限定上述开关管的类型，还可以是其它类型的开关管。
如图3所示，第一开关器件由第一开关管T1和第一二极管D1组成，第二开关器件由第二开关管T2和第二二极管D2组成，第三开关器件由第三开关管T3和第三二极管D3组成，第四开关器件由第四开关管T4和第四二极管D4组成。
其中，第一开关器件、第二开关器件和第四开关器件串联连接在所述直流电源之间，其中，第一开关器件的第一端连接所述直流电源的正端，第四开关器件的第二端连接所述直流电源的负端；第三开关器件的第一端连接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第三开关器件的第二端连接所述直流电源的分压中点，在该实施例中，所述分压中点由两个串联连接在所述直流电源之间的分压电容C1、C2形成，所述分压中点即为两个分压电容C1、C2的连接点n。
第二开关器件的第二端和第四开关器件的第一端相连并作为所述逆变器的第一输出端a，所述直流电源的分压中点n作为所述逆变器的第二输出端。
在该实施例中，两个分压电容C1、C2对所述直流电源进行分压，其容抗相同，以获得三个电平，即：正母线电平，两电容串联接点电平，负母线电平。
需要说明的是，在实际应用中，可以将上述单相半桥三电平逆变器中的四个开关器件集成为一个独立的实体，也可以将上述分压电容和/或滤波电路与所述四个开关器件一起作为一个独立设备应用。
本发明实施例的逆变器的调制方式为单极性脉冲宽度调制，四个开关器件的驱动信号由正弦调制波(即调制信号)与三角形载波(即载波信号)交截产生，如图4所示。
其中，Ug为正弦调制波，比如50Hz，Uc是三角形载波，如20KHz。S1、S2、S3和S4分别表示第一开关器件、第二开关器件、第三开关器件和第四开关器件的驱动信号，Van表示所述逆变器的输出信号。
在所述正弦调制波Ug的正半周期，第二开关器件和第四开关器件以工频信号驱动，第一开关器件和第三开关器件以高频脉冲信号驱动。具体地，如图4所示，第二开关器件导通，第四开关器件关断，并且如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波的电平，即Uc＜Ug，则第一开关器件导通，第三开关器件关断；如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波的电平，即Uc＞Ug，则第一开关器件关断，第三开关器件导通；
在所述正弦调制波Ug的负半周期，第一开关器件和第三开关器件以工频信号驱动，第二开关器件和第四开关器件以高频脉冲信号驱动。具体地，如图4所示，第一开关器件保持关断状态，第三开关器件保持导通状态，并且如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波反向后的电平，即Uc＞-Ug，则第二开关器件导通，第四开关器件关断；如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波反向后的电平，即Uc＜-Ug，则第二开关器件关断，第四开关器件导通。
需要说明的是，上述高频脉冲信号为PWM脉冲信号，比如可以是几KHZ至几十KHZ之间范围内的脉冲信号。
在实际应用中，本发明实施例单相半桥三电平逆变器还可进一步包括：滤波电路，连接在所述逆变器的第一输出端和第二输出端之间，用于滤除所述逆变器输出信号中的高频分量。
需要说明的是，上述逆变器的两个输出端，即节点a和节点n之间所连接的滤波电路可以是L型，LC型、LCL型等。
如图3所示，该滤波电路包括：第一电感L1和第二电感L2，第一电感L1的第一端连接所述逆变器的第一输出端，第二电感L2的第一端连接所述逆变器的第二输出端，第一电感L1的第二端和第二电感L2的第二端分别连接于交流负载或电网VG的两端。第一电感L1和第二电感L2用于滤除所述单相半桥三电平逆变器输出信号中的高频分量。该滤波电路还可进一步包括：滤波电容C，与第一电感L1和第二电感L2组成LCL型低通滤波器，以滤除所述单相半桥三电平逆变器输出信号中的高频分量。这种情况适应于大功率输出的单相半桥三电平逆变器。
本发明实施例单相半桥三电平逆变器可以工作在三个电平的工作模态，下面结合图3进一步详细说明其工作过程。
如图5所示，当第一开关管T1、第二开关管T2导通，第三开关管T3、第四开关管T4、第三二极管D3、第四二极管D4截止时，输出节点a的电平等于正母线电平。输出侧电流从节点a流出到第一电感L1时，第一二极管D1、第二二极管D2截止，电流回路为T1-T2-L1-VG-L2-C1-T1；输出侧电流从第一电感L1流进节点a时，第一二极管D1和第二二极管D2导通，电流回路为D2-D1-C1-L2-VG-L1-D2。
如图6所示，当第二开关管T2、第三开关管T3导通，第一开关管T1、第四开关管T4、第一二极管D1、第四二极管D4截止时，输出节点a的电平等于两个分压电容C1、C2串联接点n的电平，即Vdc/2，其中，Vdc为直流电源的电平。输出侧电流从节点a流出到第一电感L1时，第三二极管D3导通，第二二极管D2截止，电流回路为D3-T2-L1-VG-L2-D3；输出侧电流从第一电感L1流进节点a时，第二二极管D2导通，第三二极管D3截止，电流回路为D2-T3-L2-VG-L1-D2。
如图7所示，当第三开关管T3、第四开关管T4导通，第一开关管T1、第二开关管T2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3截止时，输出节点a的电平等于负母线电平。输出侧电流从节点a流出到第一电感L1时，第四二极管D4导通，电流回路为D4-L1-VG-L2-C2-D4；输出侧电流从第一电感L1流进节点a时，第四二极管D4截止，电流回路为T4-C2-L2-VG-L1-T4。
在图7所示工作过程中，虽然第三开关管T3导通信号，但由于第四开关管T4导通，二极管D2承受反向压降，所以该二极管不能流通电流，第三开关管T3并不流通电流，因此，并不影响逆变器的输出，而且可以简化驱动信号的实现。
由上述工作过程可以看出，本发明实施例单相半桥三电平逆变器，与现有的“1”字型拓扑相比，无需两个箝位二极管，减少了一个开关管的通态损耗；与现有“T”字型拓扑相比，器件数目相同，而且其中两组开关管的电压应力降低一半，因此可以选用小功率半导体开关管，减小损耗，提高转换效率。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的设备；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种单相半桥三电平逆变器，用于将直流电源输出的直流电转换成交流电，其特征在于，包括：四个开关器件；
所述四个开关器件中的第一开关器件、第二开关器件和第四开关器件串联连接在所述直流电源之间，其中，第一开关器件的第一端连接所述直流电源的正端，第四开关器件的第二端连接所述直流电源的负端；第三开关器件的第一端连接第一开关器件的第二端和第二开关器件的第一端，第三开关器件的第二端连接所述直流电源的分压中点；
第二开关器件的第二端和第四开关器件的第一端相连并作为所述逆变器的第一输出端，所述直流电源的分压中点作为所述逆变器的第二输出端。
2.根据权利要求1所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，每个开关器件均包括：开关管和与所述开关管反并联的二极管。
3.根据权利要求2所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述二极管为独立二极管或所述开关管内部自带的反并联二极管。
4.根据权利要求1所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述四个开关器件的驱动信号由正弦调制波与三角形载波交截产生。
5.根据权利要求4所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，
在所述正弦调制波的正半周期，第二开关器件导通，第四开关器件关断，并且如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波的电平，则第一开关器件导通，第三开关器件关断；如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波的电平，则第一开关器件关断，第三开关器件导通；
在所述正弦调制波的负半周期，第一开关器件保持关断状态，第三开关器件保持导通状态，并且如果所述三角形载波的电平大于所述正弦调制波反向后的电平，则第二开关器件导通，第四开关器件关断；如果所述三角形载波的电平小于所述正弦调制波反向后的电平，则第二开关器件关断，第四开关器件导通。
6.根据权利要求1至5任一项所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述单相半桥三电平逆变器还包括：
两个分压电容，串联连接在所述直流电源之间，用于对所述直流电源进行分压，所述两个分压电容的连接点为所述直流电源的分压中点。
7.根据权利要求6所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述两个电容的容抗相同。
8.根据权利要求1至5任一项所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述单相半桥三电平逆变器还包括：
滤波电路，连接在所述逆变器的第一输出端和第二输出端之间，用于滤除所述逆变器输出信号中的高频分量。
9.根据权利要求8所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述滤波电路包括：第一电感和第二电感，第一电感的第一端连接所述逆变器的第一输出端，第二电感的第一端连接所述逆变器的第二输出端，第一电感的第二端和第二电感的第二端分别连接于交流负载或电网的两端。
10.根据权利要求9所述的单相半桥三电平逆变器，其特征在于，所述滤波电路还包括：
滤波电容，连接在所述第一电感的第二输出端与所述第二电感的第二输出端之间。
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