CN102868311A - 一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路及逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明适用于电能转换领域，提供了一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路及逆变器。所述电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，当输入的电压值过高时，由第一开关管Q1、第二开关管Q2及电感L构成降压电路，使输出的电压值下降；当输入电压值过低时，由第二开关管Q2、第三开关管Q3及电感L构成升压电路，使输出到电压值上升，从而实现较宽的电压输入范围。另外，本发明所述逆变器输入级的输出端电压稳定，可降低逆变器输入级的直流母线电压等级，提高逆变器输入级的直流母线支撑电容的寿命，使成本降低。

Description

一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路及逆变器

技术领域

本发明属于电能转换领域，具体涉及一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路及逆变器。

背景技术

逆变器是一种将直流转换为交流的转换装置。而并网逆变器是指将可再生能源产生的直流电能高效能的转换为可并接至市电的与市电同频率、同相位的交流电的逆变器，并网逆变器一般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。

在很多并网逆变器中，如光伏并网逆变器，太阳能电池的输出特性会随着外部环境条件的变化而改变，在夜间太阳能电池输出电压接近0，太阳能电池最大功率点对应电压值，会随着温度、光照强度而发生变化；而且不同类型的太阳能电池（单晶、多晶、薄膜）的特性不同，最大功率点电压与开路电压值比例相差也较大；对于不同厂家生产的电池组件，由多个小的电池单元通过不同的串并联得到较高的电压值、电流值，而不同数量的太阳能电池单元串并联组合得到的太阳能电池组件电压、电流也不尽相同。因此，为适应更多种型号的太阳能电池组件，需要逆变器具有一个较宽的输入电压范围。

现有的逆变器，为满足不同输入电压的要求，在逆变电路前设置电压变换电路（升压或降压电路），如图1所示的光伏逆变器的降压控制电路，通过驱动控制电路可以控制开关11、12的开闭，降压（BUCK，BUCK电路即降压电路）电路由功率开关11、二极管13、电感14和电容15构成，当输入电压过低时，开关11就会闭合旁路，使逆变器输入级的直流母线直接与输入短接来提高输入电压。但该降压电路，输入电压的范围较窄，对于低电压的输入仍然不能满足逆变器的工作要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路，以满足不同输入电压下逆变器仍能正常工作的要求。

本发明实施例提供了一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路，所述电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，所述第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，所述电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，所述第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，所述模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，所述第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

本发明实施例提供了一种宽电压输入范围的逆变器包括逆变器输入级的直流母线模块和逆变模块，所述逆变器输入级的直流母线模块与逆变模块相连，在直接母线模块与输入电路间还连接有输入级电路，所述输入级电路包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，所述第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，所述电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，所述第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，所述模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，所述第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

本发明还提供了一种根据上述宽电压输入范围的逆变器输入级电路实现宽电压输入的方法，所述方法包括：

所述采样控制模块采集输入电路的电压值；

将采集的输入电压与逆变器输入级的直流母线允许的电压范围进行比较；

当采集的输入电压低于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最低电压值时，采样控制模块控制第一旁路开关K1导通，第二旁路开关K2断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与第模式2引脚连接；

当采集的输入电压高于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最高电压值时，采样控制模块控制第二旁路开关K2导通，第一旁路开关K1断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与第模式1引脚连接。

本发明实施例所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，当输入的电压值过高时，采样控制模块根据采样电压，控制旁路开关K2保持导通，模式选择开关K3选择模式1，由第一开关管Q1、第二开关管Q2及电感L构成降压电路，由采集控制模块调整第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关频率调整输出电压，使输出的电压值下降；当输入电压值过低时，采样控制模块根据采样电压，控制旁路开关保持K1导通，模式选择开关K3选择模式2，由第二开关管Q2、第三开关管Q3及电感L构成升压电路，由采集控制模块调整第二开关管Q2和第三开关管Q3的开关频率调整输出电压，使输出到电压值上升，从而实现较宽的电压输入范围。另外，本发明所述降压和升压过程中，共用电感L和第三开关管Q3，减少了器件数量，降低了逆变器成本；逆变器输入级的输出端电压稳定，可降低逆变器输入级的直流母线电压等级，提高逆变器输入级的直流母线支撑电容的寿命，使成本降低；而在第一开关管和第二开关管都设置有旁路开关，可充分利用旁路开关提高逆变器效率。

附图说明

图1是本发明现有技术中的光伏逆变器的降压控制电路结构图；

图2是本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器输入级电路图；

图3为本发明实施例提供的采样控制模块电路结构示意图；

图4为本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器输入级电路在升压模式的等效电路示意图；

图5为本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器输入级电路在降压模式的等效电路示意图；

图6为本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器电路示意图；

图7为本发明实施例提供的实现宽电压输入范围的方法流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

图2示出了本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器输入级电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。

宽电压输入范围的逆变器输入级电路，包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

按照上述宽电压输入范围的逆变器的输入级电路，可以根据输入的电压灵活调整各个旁路开关和模式选择开关的开闭或者开关管的开闭频率，从而使电路进入到相应的升压模式或者降压模式，其工作原理如下：

1、升压模式：当输入电压过低时，由采集控制模块检测到输入电压值超过逆变器输入级的直流母线允许的范围，需要控制其进入到升压模式。如图3为采集控制模块的电路结构示意图，该采样控制模块包括采样模块31、控制器32、调制电路33，所述采样模块将采集到的数据，包括输入电路的电压值、电流值、直线母线的电压值等，经由控制器计算处理后发出相应的控制命令至调制电路，由调制电路驱动对应的开关管或旁路开关或模式选择开关。上述调制电路为适应控制器对各开关管及旁路开关、模式选择开关的控制作设置的驱动电路，针对不同的开关设计不同的驱动电流以实现可靠的控制。

当然，本采样控制模块还可以为其它电路形式实现，如通过采样电压值比较等不需要控制器芯片的方式。

当输入电压值过低时，由采样控制模块根据采样的输入电路的电压值偏低，由控制器控制旁路开关保持K1导通，模式选择开关K3选择模式2，由第二开关管Q2、第三开关管Q3及电感L构成BOOST升压电路，如图4所示为本发明实施例所述宽电压输入范围的逆变器的输入级电路在升压模式下的等效电路图由采集控制模块调整第二开关管Q2和第三开关管Q3的开关频率调整输出电压，将较低的电池或其它输入电压抬升到逆变器输入级的直流母线允许电压范围。

2、降压模式：当输入电压过高时，由采集控制模块检测到输入电压值超过逆变器输入级的直流母线允许的范围，需要控制其进入到升压模式：由控制器控制旁路开关K2保持导通，模式选择开关K3选择模式1，由第一开关管Q1、第二开关管Q2及电感L构成降压BUCK电路，其等效电路如图5所示，由采集控制模块调整第一开关管Q1和第二开关管Q2的开关频率调整输出电压，使输出的电压值下降。

3、旁路模式：作为本发明实施例的进一步完善，所述逆变器输入级电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和直接母线，其控制端与采样控制模块相连。

当输入的电压值在逆变器输入级的直流母线的允许的范围内时，第四旁路开关K4导通，此时，输入电压直接连接逆变器输入级的直流母线。

上述电路中，所述开关管为MOS管或三极管等快速反应的可控开关，所述旁路开关或模式选择开关为继电器。

通过上述三种模式，对于输入的电压值高于逆变器输入级的直流母线允许的电压、低于逆变器输入级的直流母线允许的电压或在逆变器输入级的直流母线允许的范围之内时，分别对应不同的模式，使得电压调整至逆变器输入级的直流母线允许的范围，并且降压模式和升压模式下，电路共用同一电感L和第二开关管Q2，减少器件数量，使得逆变器成本降低。

作为本发明实施例的进一步改进，所述采样控制模块还包括采集逆变器输入级的直流母线的电压值和输入电路的电流值。通过采样输入电路的电流值，这样可以通过控制器计算得到输入级的实时输入功率，使输入端的光伏电池等始终工作在最大功率输出状态。

而在本发明实施例中加入了旁路开关，在升压模式时，旁路开关K1旁路第一开关管Q1，降压模式时，旁路开关K3旁路第三开关管Q3，当输入电压在逆变器输入级的直流母线工作电压范围内时第四旁路开关K4旁路输入级，由于旁路开关可以减少因开关管损耗的电压值，使输入级输入效率更高，进一步应用于逆变器上来说，可以提高逆变器效果。

图6示出了本发明实施例提供的宽电压输入范围的逆变器电路的示例电路结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下。

宽电压输入范围的逆变器包括逆变器输入级的直流母线模块61和逆变模块62，所述逆变器输入级的直流母线模块61与逆变模块62相连，在直接母线模块与输入电池64间还连接有输入级电路63，所述输入级电路63包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

在逆变器输入级的直流母线模块61中，包括逆变器输入级的直流母线与支撑电容C，在逆变模块中，本发明实施例采用的逆变模块62中的逆变桥，包括第五开关管Q5、第六开关管Q6、第七开关管Q7和第八开关管Q8桥式连接，在逆变模块62的输出端串接输出电感L1和L2并接至电网。

而在本发明实施例中，所述逆变器的输入级电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和直接母线，其控制端与采样控制模块相连，这样在输入电压在逆变器输入级的直流母线允许的范围内时，第四旁路开关K4作为输入级电路的旁路可以直接导通，减少因开关管造成的电压损耗，提高输出效率。

在逆变器的输入级电路中，所述采样控制模块包括采样模块、控制器、调制电路，所述采样模块将采集到的数据经由控制器计算处理后发出相应的控制命令至调制电路，由调制电路驱动对应的开关管或旁路开关或模式选择开关。

另外，逆变器的输入级电路中的采样控制模块还包括采集逆变器输入级的直流母线的电压值和输入电路的电流值，通过采集逆变器输入级的直流母线的电压值供输入级电路中的采样控制器比较控制，将输入电路的电流值与电压值计算可以得到输入端，比如光伏电池的实时输出功率，并通过控制器控制逆变器的输入级电路，使电池工作在最大功率的输出状态下。

在本发明实施例中：

(1)本发明的高效逆变器相对于传统逆变输入电路，其输入电压范围更宽，降压电路与升压电路共用同一个电感L、和下管Q2，减少了器件数量，使得逆变器成本降低；

(2)本发明的逆变器输入级的直流母线电压等级可以降低，而不需要用多个电容串联来得到较高的逆变器输入级的直流母线耐压值，从而使得成本大大降低；

(3)本发明中加入了旁路开关，在升压电路工作时旁路开关K1旁路其中一个开关管Q1，降压线路工作时旁路开关K2旁路开关管Q3，当电池工作电压在逆变器输入级的直流母线工作电压范围内时旁路开关K4旁路输入级，充分利用旁路开关提高了逆变器效率；

(4)本发明中，逆变器输入级的直流母线电压维持在一个很小的电压范围内，使得逆变器输入级的直流母线支撑电容C的寿命大大提高。

本发明实施例所述的开关管，包括三极管和MOS管、IGBT等，可以由控制器高效的实现对其开闭控制。

如图7所示为本发明实施例提供的实现宽电压输入范围的方法的流程示意图，详述如下：

在步骤S701中，所述采样控制模块采集输入电路的电压值。

在步骤S702中，将采集的输入电压与逆变器输入级的直流母线允许的电压范围进行比较。

在步骤S703中，当采集的输入电压低于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最低电压值时，采样控制模块控制第一旁路开关K1导通，第二旁路开关K2断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与第模式2引脚连接，并根据采集的输入电压调节第二开关管Q2的占空比。

具体的，根据采集的输入电压值的大小，可以相应的调节第二开关管Q2的占空比值，如对于逆变器输入级的直流母线电压范围为90-100KV，检测到输入电压为50KV，则提高第二开关管Q2的占空比，相应的，占空比的数值与输入电压的大小而改变，如输入电压为50KV时对应占空比为可以为，当输入电压为50KV时，对应第二开关管Q2的占空比为0.5等，当输入电压为60KV时，调整第二开关管Q2的占空比为0.4。使输入电压经过升压后得到一个符合要求的输出电压，当然，占空比对应直流母线电压范围也有一个占空比范围值，所调节的占空比在此范围即可，较为优选的方式是使输出电压为直流母线允许的电压范围的中部值。

在步骤S704中，当采集的输入电压高于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最高电压值时，采样控制模块控制第二旁路开关K2导通，第一旁路开关K1断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与模式1引脚连接，并根据采集的输入电压调节第一开关管Q1的占空比。

具体的，与步骤S703相应的，在输入电压大于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围90-100KV时，可以调整第一开关管Q1的占空比值，如输入电压为150KV时，相应的占空比设置为0.65，其设置值也具有一个范围，较优的方式为将输出电压调节至允许的电压范围的中间值。

可选的，在所述宽电压输入范围的逆变器输入级电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和所述逆变器输入级的直接母线，其控制端与采样控制模块相连，本发明实施例还可以包括步骤S705，当采集的输入电压在逆变器输入级的直流母线允许的电压范围内时，采样控制模块控制第四旁路开关K4导通。

在此情况下，可将输入电压直接通过旁路输出至逆变器输入级的直流母线，可以减少因开关管带来的损耗，提高逆变效率。

另外，有研究表明，对应同样功率等级的太阳能逆变器，配置相同功率的太阳能电池组件，通过组件串联高压的输入形式比低压多组串并联输入形式更有利于提高整个逆变系统的发电量，因此，调整逆变器的工作电压，使输入太阳能组件近可能的以串联形式输入，从而提高逆变系统的工作效率和太阳能电池的发电量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述电路包括第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，所述第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，所述电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，所述第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，所述模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，所述第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、所述逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和所述逆变器输入级的直接母线，其控制端与采样控制模块相连。

3.根据权利要求1所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述采样控制模块还用于采集所述逆变器输入级的直流母线的电压值和输入电路的电流值。

4.根据权利要求1-3所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述采样控制模块包括采样模块、控制器、调制电路，所述采样模块将采集到的数据经由控制器计算处理后发出相应的控制命令至调制电路，由调制电路驱动对应的开关管或旁路开关或模式选择开关。

5.根据权利要求1-3所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述开关管为MOS管或三极管，所述旁路开关或模式选择开关为继电器。

6.一种宽电压输入范围的逆变器，包括逆变器输入级的直流母线模块和逆变模块，所述逆变器输入级的直流母线模块与逆变模块相连，其特征在于，在直接母线模块与输入电路间还连接有输入级电路，所述输入级电路包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2、模式选择开关K3、电感L和采样控制模块，所述第一开关管Q1的输入端与输入电压正极相连，所述第一开关管Q1的输出端与电感L和模式选择开关的模式1引脚相连，所述电感L的另一端与第三开关管Q3的输入端以及模式选择开的模式2引脚相连，所述第三开关管Q3的输出端与逆变器输入级的直流母线正端相连，所述模式选择开关K3的模式选择引脚与第二开关管Q2的输入端相连，所述第二开关管Q2的输出端与输入电压负极、逆变器输入级的直流母线负端相连，所述第一旁路开关K1和第二旁路开关K2分别与第一开关管Q1和第二开关管Q2并联，所述采样控制模块采集输入电路的电压值并分别与第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第一旁路开关K1、第二旁路开关K2和模式选择开关K3的控制端相连。

7.根据权利要求6所述的宽电压输入范围的逆变器，其特征在于，所述输入级电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和直接母线，其控制端与采样控制模块相连。

8.根据权利要求6所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述采样控制模块还包括采集逆变器输入级的直流母线的电压值和输入电路的电流值。

9.根据权利要求6-8所述的宽电压输入范围的逆变器输入级电路，其特征在于，所述采样控制模块包括采样模块、控制器、调制电路，所述采样模块将采集到的数据经由控制器计算处理后发出相应的控制命令至调制电路，由调制电路驱动对应的开关管或旁路开关或模式选择开关。

10.一种根据权利要求1所述宽电压输入范围的逆变器输入级电路实现宽电压输入的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

所述采样控制模块采集输入电路的电压值；

将采集的输入电压与逆变器输入级的直流母线允许的电压范围进行比较；

当采集的输入电压低于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最低电压值时，采样控制模块控制第一旁路开关K1导通，第二旁路开关K2断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与模式2引脚连接，并根据采集的输入电压调节第二开关管Q2的占空比；

当采集的输入电压高于逆变器输入级的直流母线允许的电压范围的最高电压值时，采样控制模块控制第二旁路开关K2导通，第一旁路开关K1断开，模式选择开关K3的模式选择引脚与模式1引脚连接，并根据采集的输入电压调节第一开关管Q1的占空比。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述宽电压输入范围的逆变器输入级电路还包括第四旁路开关K4，所述第四旁路开关K4连接输入电压正极和所述逆变器输入级的直接母线，其控制端与采样控制模块相连，所述方法还包括：

所述当采集的输入电压在逆变器输入级的直流母线允许的电压范围内时，采样控制模块控制第四旁路开关K4导通。

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