CN103001526A - 一种非隔离型逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种非隔离型逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种非隔离型逆变器及其控制方法，其中非隔离型逆变器包括一直流输入端、电容、第一桥臂单元、第二桥臂单元和一交流输出端电容与直流输入端并联；第一桥臂单元的上端和第二桥臂单元的上端与电容的第一端口连接，第一桥臂单元的下端和第二桥臂单元的下端与电容第二端口连接。第一桥臂单元包括两个开关管，该两个开关管同向串联连接，该两个开关管的连接处用于与所述交流输出端第一端口连接；通过本发明提供的控制方法控制第一桥臂单元的两个开关管分别在负载电流正半周期和负半周期导通，利用开关管的箝位作用，使得逆变器对地的寄生电容上没有高频电压，使本发明抑制了逆变器漏电流。

Description

一种非隔离型逆变器及其控制方法
技术领域
本发明属于有源逆变器技术领域，涉及一种逆变器，尤其涉及一种非隔离型逆变器及控制方法。
背景技术
逆变器是通过功率半导体器件（例如SCR、GTO、GTR、IGBT或者功率MOSFET）的开通和关断作用把直流电能转换为交流电能的一种电能变换技术。
光伏并网系统中常采用带工频或高频变压器的隔离型光伏并网逆变器，这样确保了电网和光伏系统之间的电气隔离，从而提供人身保护并避免了光伏系统和地之间的共模电流。然而，若采用工频变压器，其体积大、重量重且价格昂贵；若采用高频变压器，功率变换电路将被分成数级，使得控制复杂化，同时降低了系统效率。
为了克服上述有变压器的隔离型并网系统的不足，对无变压器的非隔离型逆变器进行了研究。无变压器的非隔离型单相光伏并网逆变器具有体积小、效率高、价格低的特点，其中最突出的优点是能够将整个系统的效率提高到97～98%，无变压器器拓扑的这个特点对于发电成本较高的光伏并网系统来说具有很大的吸引力，所以在小功率光伏并网系统中无变压器的拓扑被广泛应用。然而，在无变压器的非隔离型光伏并网系统中，电网和光伏阵列之间存在电气连接。由于光伏阵列和地之间存在寄生电容，会产生共模电流（即漏电流），这便增加了电磁辐射和安全隐患。因此，采用无变压器拓扑结构的光伏并网逆变器必须妥善解决的一个问题就是如何消除寄生电容形成的回路中所产生的共模电路。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中非隔离型逆变器不能有效抑制共模电流的不足，提供一种非隔离型并网逆变器及其控制方法，以更好地抑制非隔离型并网逆变器电路中共模电流的产生。
解决本发明技术问题所采用的技术方案是该非隔离型并网逆变器及其控制方法，包括：一直流输入端、一电容、一第一桥臂单元、一第二桥臂单元和一交流输出端；所述电容与所述直流输入端并联；所述第一桥臂单元的上端和所述第二桥臂单元的上端与所述电容的第一端口连接，所述第一桥臂单元的下端和所述第二桥臂单元的下端与所述电容第二端口连接；
所述第一桥臂单元包括两个开关管，所述两个开关管同向串联连接，所述两个开关管的连接处用于与所述交流输出端的第一端口连接,其中,在负载电流正半周期，可以使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断；在负载电流负半周期，可以使所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一桥臂单元的下管关断，用以抑制漏电流。
所述第二桥臂单元包括两个开关管和一电感，该两个开关管同向串联连接，连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口用于与所述交流输出端的第二端口连接。
所述第二桥臂单元还可以为至少两个，所述第二桥臂单元以并联方式连接。并且各所述第二桥臂单元包括两个开关单元和一电感，所述二开关单元同向串联连接，其连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连接各所述开关单元为一开关管或一二极管，其中所述开关单元至少一者为所述开关管。
所述第二桥臂单元数目为两个，其中一所述第二桥臂单元的上管为所述开关管，下管为所述二极管，另一所述第二桥臂单元的上管为所述二极管，下管为所述开关管，该两个所述第二桥臂单元并联连接。
所述的任一一种非隔离型逆变器还包括一控制电路，所述控制电路接受所述输入端电压信号、所述输出端电压信号以及所述电感电流信号，输出所述开关管开通或者关断的控制信号。所述控制电路可以通过一数字信号处理器实现。
所述控制电路中实现了输出电感的临界电流控制方法。
所述开关管可以通过绝缘栅双极晶体管和快恢复二极管并联组成。
本发明还提供了一种非隔离型器控制方法，
提供一所述非隔离型逆变器，其中所述非隔离型逆变器包括一直流输入端、一电容、一第一桥臂单元、一第二桥臂单元和一交流输出端，所述电容与所述直流输入端并联, 所述第一桥臂单元的上端和所述第二桥臂单元的上端与所述电容的第一端口连接，所述第一桥臂单元的下端和所述第二桥臂单元的下端与所述电容第二端口连接, 所述第一桥臂单元包括两个开关管，所述两个开关管同向串联连接，所述两个开关管的连接处用于与所述交流输出端的第一端口连接；
在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断；以及
在负载电流负半周期时，使所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一桥臂单元的下管关断，用以抑制漏电流的发生。
当所述第二桥臂单元包括两个开关管和一电感，所述第二桥臂单元的二开关单元同向串联连接，其连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连；在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述电感电流上升；或者使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述电感电流下降。在负载电流负半周期时，使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述电感电流上升；或者使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述电感电流下降。
当所述非隔离型逆变器，包括至少两个第二桥臂单元，且各所述第二桥臂单元包括一开关管、一二极管和一电感，各所述第二桥臂单元的开关管以及二极管同向串联连接，其连接处与各所述电感第一端口连接，各所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连接，其中一所述第二桥臂单元的上管为所述开关管，下管为所述二极管，另一所述第二桥臂单元的上管为所述二极管，下管为所述开关管，两个所述第二桥臂单元并联连接；在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第一个第一桥臂单元的上管开通，所述第二个第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述第一个第二桥臂单元的电感电流上升；或者使所述第一个第二桥臂单元的上管关断，藉以使所述第一个第二桥臂单元的电感电流通过所述第一个第二桥臂单元二极管续流。在负载电流负半周期，使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一个第二桥臂单元的上管关断，所述第二个第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述电感电流上升；或者使所述第二个第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述第二个第二桥臂单元电感电流通过所述第二个第二桥臂单元二极管续流。
附图说明
 图1是本发明实施例一的结构图。
图2（a）至图2（d）是本发明实施例一在不同工作模式时电流回路示意图。
图3是本发明实施例一中电感的电流波形以及开关管的驱动波形。
图4是本发明实施例二的结构图。
图5是本发明实施例三的结构图。
图6是本发明实施例四的结构图。
图7（a）至图7（d）是本发明实施例五在不同工作模式时电流回路示意图。
图8是本发明实施例五的结构图。
具体实施方式
图1中的逆变器有一输入端,接受直流输入Vin；有一输出端，为负载提供交流电Vout。本实施例中的逆变器使用了电容C、开关器件S1和S2组成的第一桥臂单元101、开关器件S3、S4、电感L组成的第二桥臂单元102。第一桥臂单元101和第二桥臂单元102并联。还使用了一数字控制器作为控制电路，控制电路接受输入端电压信号、输出端电压信号以及电感电流信号，输出开关管开通或者关断的控制信号。其中输出端电压信号通过差分检测电路（103）进行检测。利用数字控制器产生开关器件S1、S2、S3、S4控制信号。并在数字控制器中实现了这样一种临界电流控制控制方法，数字控制器产生一输出电流参考波形iref(301),在输出电流正半周期，S2开通，S1关断，当电感电流检测值大于零小于参考值iref时, 开通S3关断S4，电感电流上升；当电感电流检测值上升到iref时, 关断S3开通S4，电感电流下降；当电感电流检测值下降到零时，立即或经过一定的延时开通S3，关断S4。在输出电流负半周期，S1开通，S2关断，当电感电流检测值大于零小于参考值iref时, 开通S4关断S3，电感电流上升；当电感电流检测值上升到iref时, 关断S4开通S3，电感电流下降；当电感电流检测值下降到零时，立即或经过一定延时开通S4，关断S3。但是本发明的临界电流控制方法的实现方式并不局限于数字控制器这种实现方法，利用模拟电路也可以实现本发明的临界电流控制方法。
为了进一步说明图1的电路机构的工作原理，图2（a）至图2（b）详细描述了图1中电路的在各种工作模态时电路中电流回路示意图，图3（a）至图3（b）给出了电路中关键变量的波形图。
如图2（a）所示，S3和S2开通，S1和S4关断，流过电感L中的电流：                                                
Figure 167599DEST_PATH_IMAGE001
。iL的电流波形如图3中300中(t0～t1)所示。t1时刻，S3关断，S4导通，并且S2保持导通状态，S1保持关断状态，其电流回路如图2（b）所示。这个时间段中的iL的电流波形如图3中300中(t1～t2)所示，由L向负载端提供能量。在负载电流正半周期中，重复(t0～t2)中的开关步骤，直到负载电流进入负半周期。t3时刻，S1和S4开通，S3和S2关断，电流回路如图2（c）所示，这个时间段中的iL的电流波形如图3中300中(t3～t4)所示。t4时刻，S4关断，S3导通，并且S1保持导通状态，S2保持关断状态，其电流回路如图2（d）中箭头所示。这个时间段中的iL的电流波形如图3中300中(t4～t5)所示，由L向负载端提供能量。
由上分析可知在正半周期，开关管S2保持开通；在负半周期，开关管S1保持开通。利用开关管S1和S2的箝位作用，使得逆变器对地的寄生电容上没有高频电压，因而抑制了漏电流。
本发明还提供了逆变器交错并联的连接方式，如图4所示，其为本发明提供的电源转换电路实施例三的结构。该逆变器包括电容C、第一桥臂单元401和第二桥臂单元组402；其中第二桥臂单元组402包括两个第二桥臂单元，该两个第二桥臂单元并联连接。
第一桥臂单元401的上端和该两个并联的第二桥臂单元的上端与电容C的第一端口连接，第一桥臂单元401的下端和该两个并联的第二桥臂单元的下端与电容C的第二端口连接。
第一桥臂单元401包括开关管S1和开关管S2，开关管S1和开关管S2同向串联连接，开关管S1和开关管S2的连接处用于与输出端第二端连接。其中开关管S1和开关管S2可以为MOSFET等可控开关。
第二桥臂单元402组中第1个桥臂单元包括开关管S2和开关管S3，电感L1;开关管S2和开关管S3同向串联连接，电感L1的第一端口连接在开关管S2和开关管S3的连接处，电感L1的第二端口用于与输出端第一端口连接。其中开关管S2和开关管S3可以为MOSFET等可控开关。
第二桥臂单元组中第2个桥臂单元包括开关管S4和开关管S5，电感L1;开关管S4和开关管S5同向串联连接，电感L2的第一端口连接在开关管S4和开关管S5的连接处，电感L2的第二端口用于与输出端第一端口连接。其中开关管S4和开关管S5可以为MOSFET等可控开关。
第一桥臂单元1包括开关管S1和开关管S2，分别在正半周期和负半周期工作，利用开关管S1和S2的箝位作用，使得逆变器对地的寄生电容上没有高频电压，因而抑制了漏电流。两个第二桥臂单元交错开通。
可以理解的是，本发明实施例提供的电源转换电路可以具有三个或者更多个第二桥臂单元，图5描述了本发明提供的电源转换电路实施例四的结构，包括第一桥臂单元501、第二桥臂单元组502和电容C；其中第二桥臂单元组502包括n个第二桥臂单元，该n个第二桥臂单元并联连接。
第一桥臂单元501的上端和上述n个第二桥臂单元的上端与电容C的第一端口连接，第一桥臂单元1的下端和上述n个第二桥臂单元的下端与电容C的第二端口连接。
第一桥臂单元501包括开关管S1和开关管S2，开关管S1和开关管S2同向串联连接，开关管S1和开关管S2的连接处用于与输出端第二端连接。其中开关管S1和开关管S2可以为MOSFET等可控开关。
第二桥臂单元组502中第1个桥臂单元包括开关管S2和开关管S3，电感L1;开关管S2和开关管S3同向串联连接，电感L1的第一端口连接在开关管S2和开关管S3的连接处，电感L1的第二端口用于与输出端第一端口连接。其中开关管S2和开关管S3可以为MOSFET等可控开关。
第二桥臂单元组中第2个桥臂单元包括开关管S4和开关管S5，电感L1;开关管S4和开关管S5同向串联连接，电感L2的第一端口连接在开关管S4和开关管S5的连接处，电感L2的第二端口用于与输出端第一端口连接。其中开关管S4和开关管S5可以为MOSFET等可控开关。
第二桥臂单元组中第n个桥臂单元包括开关管S(2n-1)和开关管S(2n)，电感Ln; 开关管S(2n-1)和开关管S(2n)同向串联连接，电感Ln的第一端口连接在开关管S(2n-1)和开关管S(2n)的连接处，电感Ln的第二端口用于与输出端第一端口连接。其中开关管S(2n-1)和开关管S(2n)可以为MOSFET等可控开关。
第一桥臂单元501包括开关管S1和开关管S2，分别在正半周期和负半周期工作，利用开关管S1和S2的箝位作用，使得逆变器对地的寄生电容上没有高频电压，因而抑制了漏电流。n个第二桥臂单元交错并联工作。
图6是依照本发明实施例四的结构图。图6中的逆变器有一输入端,接受直流输入Vin；有一输出端，为负载提供交流电Vout。本实施例中的逆变器使用了电容C、第一桥臂单元601、第二桥臂单元组602。其中：
电容C与输入端并联；
第一桥臂单元601的上端和第二桥臂单元组602的上端和与滤波电容的第一端子连接；第一桥臂单元601的下端和第二桥臂单元组602的下端与电容C的第二端子连接；
第一桥臂单元包括开关器件S1、S2，开关器件S1、S2同向串联，连接处与输出端第二端子连接。开关器件S1、S2为MOSFET等可控开关器件。
第二桥臂单元组702包括两个第二桥臂单元，其中第1个第二桥臂单元包括一开关器件S3和一二极管D1以及一输出电感L1，开关器件S2和二极管D1同向串联，连接处与第一输出电感L1的第一端子连接，其中开关器件S3用作上桥臂，二极管D1用作下桥臂。第一输出电感L1的第二端子与输出端第一端子连接。开关器件S1为MOSFET等可控开关器件。第2个第二桥臂单元包括开关器件S4和二极管D2以及第二输出电感L2，开关器件S4和二极管D2同向串联，连接处与第二输出电感L2的第一端子连接，二极管D2用作上桥臂，开关器件S4用作下桥臂。第二输出电感L2的第二端子与输出端第一端子连接。开关器件S4为MOSFET等可控开关器件。
为了进一步说明图6的电路拓扑的工作原理，图7（a）至图7（d）详细描述了图6中电路的各种工作模态。
当逆变器的输出电流io为正半周期时，其电流方向与图中电感L1的电流iL1同向，电流通路如图7（a）和图7（b）中箭头所示，开关器件S2开通，开关器件S1关断。开关器件S3、L1和D1所构成的BUCK电路工作，而开关器件S4和二极管D2不工作。此时，电感L2的电流iL2=0，iL1跟踪电流给定信号，得到输出正弦电压的正半周期波形；当逆变器的输出电流io为负半周期时，其与图中的iL2同向，电流通路如图7（c）和图7（d）中箭头所示，开关器件S1开通，开关器件S2关断。开关器件S4、L2和D2所构成的BUCK电路工作，而开关器件S3和二极管D1不工作。此时，电感L1的电流iL1=0，iL2跟踪电流给定信号，得到输出正弦电压的正半周期波形。这样，即可实现双BUCK电路的逆变输出，得到完整的正弦波输出电压。
第一桥臂单元1包括开关管S1和开关管S2，分别在正半周期和负半周期工作，利用开关管S1和S2的箝位作用，使得逆变器对地的寄生电容上没有高频电压，因而抑制了漏电流。
在本发明实施例一中开关S3、S4存在反向恢复，电感L中电流不适合工作在连续模式。于是提供实施例五，如图8所示。其中S3、S4由绝缘栅双极晶体管（IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor）和快恢复二极管（如碳化硅二极管）并联组成。

Claims (12)

1.一种非隔离型逆变器，包括一直流输入端、一电容、一第一桥臂单元、一第二桥臂单元和一交流输出端，其特征在于：
所述电容与所述直流输入端并联；
所述第一桥臂单元的上端和所述第二桥臂单元的上端与所述电容的第一端口连接，所述第一桥臂单元的下端和所述第二桥臂单元的下端与所述电容第二端口连接；
所述第一桥臂单元包括两个开关管，所述两个开关管同向串联连接，所述两个开关管的连接处用于与所述交流输出端的第一端口连接,其中,在负载电流正半周期，可以使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断；在负载电流负半周期，可以使所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一桥臂单元的下管关断，用以抑制漏電流的發生。
2.如权利要求1所述一种非隔离型逆变器，其特征在于，所述第二桥臂单元包括两个开关管和一电感，该两个开关管同向串联连接，连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口用于与所述交流输出端的第二端口连接。
3.如权利要求1所述一种非隔离型逆变器，其特征在于，所述第二桥臂单元为至少两个，所述第二桥臂单元以并联方式连接。
4.如权利要求3所述一种非隔离型逆变器，其特征在于，各所述第二桥臂单元包括两个开关单元和一电感，所述二开关单元同向串联连接，其连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连接，各所述开关单元为一开关管或一二极管，其中所述开关单元至少一者为所述开关管。
5.如权利要求4所述一种非隔离型逆变器，其特征在于，所述第二桥臂单元数目为两个，其中一所述第二桥臂单元的上管为所述开关管，下管为所述二极管，另一所述第二桥臂单元的上管为所述二极管，下管为所述开关管，该两个所述第二桥臂单元并联连接。
6.如权利要求1至5所述的一种非隔离型逆变器的任一者，其特征在于，还包括一控制电路，所述控制电路接受所述输入端电压信号、所述输出端电压信号以及所述电感电流信号，输出所述开关管开通或者关断的控制信号。
7.如权利要求6所述的一种非隔离型逆变器，其特征在于，所述控制电路可以通过一数字信号处理器实现。
8.如权利要求1至3所述的一种非隔离型逆变器的任一者，其特征在于，在所述控制电路中实现了输出电感的临界电流控制方法。
9.如权利要求2所述一种非隔离型逆变器，其特征在于，所述开关管，包括一绝缘栅双极晶体管和一快恢复二极管，所述绝缘栅双极晶体管（IGBT）和所述快恢复二极管并联。
10.一种非隔离型逆变器的控制方法，包括：
提供一所述非隔离型逆变器，其中所述非隔离型逆变器包括一直流输入端、一电容、一第一桥臂单元、一第二桥臂单元和一交流输出端，所述电容与所述直流输入端并联, 所述第一桥臂单元的上端和所述第二桥臂单元的上端与所述电容的第一端口连接，所述第一桥臂单元的下端和所述第二桥臂单元的下端与所述电容第二端口连接, 所述第一桥臂单元包括两个开关管，所述两个开关管同向串联连接，所述两个开关管的连接处用于与所述交流输出端的第一端口连接；
在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断；以及
在负载电流负半周期时，使所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一桥臂单元的下管关断，用以抑制漏电流的发生。
11.如权利要求10所述一种非隔离型器控制方法，
其中所述第二桥臂单元包括两个开关管和一电感，所述第二桥臂单元的二开关单元同向串联连接，其连接处与所述电感第一端口连接，所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连接；
在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述电感电流上升；或者使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述电感电流下降，
在负载电流负半周期时，使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的上管关断，所述第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述电感电流上升；或者使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的上管开通，所述第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述电感电流下降。
12.如权利要求10所述一种非隔离型逆变器控制方法，
其中所述非隔离型逆变器，包括至少二个第二桥臂单元，且各所述第二桥臂单元包括一开关管、一二极管和一电感，各所述第二桥臂单元的开关管以及二极管同向串联连接，其连接处与所述电感第一端口连接，各所述电感的第二端口和所述交流输出端的第二端口连接，其中一所述第二桥臂单元的上管为所述开关管，下管为所述二极管，另一所述第二桥臂单元的上管为所述二极管，下管为所述开关管，两个所述第二桥臂单元并联连接；
在负载电流正半周期时，使所述第一桥臂单元的下管开通，所述第一桥臂单元的上管关断，所述第一个第二桥臂单元的上管开通，所述第二个第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述第一个第二桥臂单元的电感电流上升；或者使所述第一个第二桥臂单元的上管关断，藉以使所述第一个第二桥臂单元的电感电流通过所述第一个第二桥臂单元二极管续流，
在负载电流负半周期时，使所述第一桥臂单元的下管关断，所述第一桥臂单元的上管开通，所述第一个第二桥臂单元的上管关断，所述第二个第二桥臂单元的下管开通，藉以使所述第二个第二桥臂单元的电感电流上升；或者使所述第二个第二桥臂单元的下管关断，藉以使所述第二个第二桥壁单元电感电流通过所述第二个第二桥臂单元二极管续流。
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