CN103236796A - 一种逆变器和控制逆变器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种逆变器，包括供电电源、逆变电路、滤波电路；逆变电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管及第四开关管串联接在供电电源的正负极之间；第二开关管和第三开关管的公共端为第三节点；第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点；第五开关管接在供电电源的正极与第三节点之间；第六开关管接在第三节点与供电电源的负极之间；第一二极管接在第一节点与中线之间；第二二极管接在第二节点与中线之间；第三节点经过滤波电路接中线。本发明实施例还提供一种控制逆变器的方法。采用本发明实施例，能够有效降低功率器件的开关损耗和通态损耗，有利于提高电路效率。

Description

一种逆变器和控制逆变器的方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种逆变器和控制逆变器的方法。

背景技术

目前，在电力电子领域，PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）逆变器被广泛的应用,尤其是用于UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源，）、太阳能逆变器、风能变流器、电动机驱动、以及燃料电池等方面。业界比较常用的逆变器为两电平逆变器和三电平逆变器。

两电平逆变器主要是通过脉宽调制控制,输出基于两个固定电平的输出电压，其具有成本低、控制简单等优点。但两电平逆变器具有很明显的缺陷,如:开关耐压为总输入电压，使得开关耐压等级较高，开关管的开关损坏非常大,从而限制了PWM的频率；同时，其输出电压谐波含量很丰富,从而导致输出滤波电感的体积和损耗都很大。

与两电平逆变器相比,三电平逆变器是基于三个固定电平的PWM脉宽调制,每个开关管承担输入总电压的一半,因此器件耐压等级较低,开关管的开关损耗明显降低。且由于输出PWM是三电平,因此谐波含量明显降低,从而输出滤波电感的体积和成本也随之下降。

发明内容

本发明提供了一种逆变器和控制逆变器的方法，能够有效降低功率器件的开关损耗和通态损耗，有利于提高电路效率。

第一方面，提供一种逆变器，所述逆变器包括：供电电源、逆变电路、滤波电路；所述逆变电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管及第二二极管；所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管依次串联接在所述供电电源的正极和负极之间；且所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别反向并联有一二极管；所述第二开关管和第三开关管的公共端为所述逆变电路的第三节点；所述第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，所述第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点；所述第五开关管的第一端接所述供电电源的正极，所述第五开关管的第二端接所述第三节点；所述第六开关管的第一端接所述第三节点，所述第六开关管的第二端接所述供电电源的负极；所述第一二极管的阴极接所述第一节点，所述第一二极管的阳极接中线；所述第二二极管的阳极接所述第二节点，所述第二二极管阴极接中线；所述逆变电路的第三节点经过所述滤波电路接中线。

在第一方面第一种可能的实现方式中，所述逆变器还包括：第三二极管和第四二极管；所述第三二极管的阴极接所述第五开关管的第一端，所述第三二极管的阳极接所述第五开关管的第二端；所述第四二极管的阴极接所述第六开关管的第一端，所述第四二极管的阳极接所述第六开关管的第二端。

结合第一方面上述任一种可能的实现方式，在第一方面第二种可能的实现方式中，所述第五开关管和第六开关管为双极结型晶体管；所述双极结型晶体管的集电极作为开关管的第一端，所述双极结型晶体管的发射极作为开关管的第二端。

结合第一方面上述任一种可能的实现方式，在第一方面第三种可能的实现方式中，所述第五开关管和第六开关管为场效应晶体管；所述场效应晶体管的源极作为开关管的第一端，所述场效应晶体管的漏极作为开关管的第二端。

第二方面，提供一种控制如第一方面任一种可能的实现方式所述的逆变器的方法，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管不工作，控制所述第五开关管和第六开关管工作，以使所述逆变器工作在两电平逆变器模态。

第三方面，提供一种控制如第一方面任一种可能的实现方式所述的逆变器的方法，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管工作，控制所述第五开关管和第六开关管不工作，以使所述逆变器工作在I型三电平逆变器模态。

第四方面，提供一种控制如第一方面任一种可能的实现方式所述的逆变器的方法，所述方法包括：控制所述第一开关管和第二开关管不工作，控制所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管工作，以使所述逆变器工作在T型三电平逆变器模态。

第五方面，提供一种控制如第一方面任一种可能的实现方式所述的逆变器的方法，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管均工作，以使所述逆变器工作在I-T混用型三电平逆变器模态。

与现有技术相比，本发明实施例所述逆变器和控制逆变器的方法中，在所述逆变器的逆变电路的正电压输入端和第三节点之间串接第五开关管，在所述逆变电路的第三节点和负电压输入端之间串接第六开关管。对于该逆变器，通过不同的开关控制方式，可以使得该逆变器具有四种工作模态，包括两电平逆变器模态、I型三电平逆变器模态、T型三电平逆变器模态、以及I-T混用型三电平逆变器模态。因此，本发明实施例的逆变器能够同时兼顾两电平逆变器的低通态损耗和三电平逆变器的低开关损耗的优点，降低整体损耗，有效提高电路的整体效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一中的逆变器的电路图；

图2为本发明实施例一中逆变器在电压正半周时各功率器件的开关时序图；

图3a为本发明实施例一中逆变器的第一电流方向图；

图3b为本发明实施例一中逆变器的第二电流方向图；

图4为本发明实施例二中的逆变器的电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，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。

本发明提供了一种逆变器和控制逆变器的方法，能够有效降低功率器件的开关损耗和通态损耗，有利于提高电路效率。

参照图1，为本发明实施例一中的逆变器的电路图。如图1所示，所述逆变器包括：供电电源10、逆变电路20、滤波电路30。

所述逆变电路20包括：第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5、第六开关管Q6、第一二极管D1、以及第二二极管D2。

所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4依次串联接在所述供电电源10的正极和负极之间。具体的，所述第一开关管Q1的第一端作为所述逆变电路20的正电压输入端接所述供电电源10的正极，所述第一开关管Q1的第二端接所述第二开关管Q2的第一端；所述第二开关管Q2的第二端接所述第三开关管Q3的第一端，所述第三开关管Q3的第二端接所述第四开关管Q4的第一端；所述第四开关管Q4的第二端作为所述逆变电路的负电压输入端接所述供电电源10的负极。

如图1所示，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3以及第四开关管Q4分别反向并联有一二极管。

其中，所述第二开关管Q2和第三开关管Q3的公共端（即为所述第二开关管Q2的第二端和所述第三开关管Q3的第一端）为所述逆变电路20的第三节点A；所述第一开关管Q1和第二开关管Q2的公共端（即为所述第一开关管Q1的第二端和所述第二开关管Q2的第一端）为第一节点，所述第三开关管Q3和第四开关管Q4的公共端（即为所述第三开关管Q3的第二端和所述第四开关管Q4的第一端）为第二节点。

所述第五开关管Q5的第一端接所述供电电源10的正极，其第二端接所述第三节点A；所述第六开关管Q6的第一端接所述第三节点A，其第二端接所述供电电源10的负极。

所述第一二极管D1的阴极接所述第一节点，其阳极接中线N；所述第二二极管D2的阳极接所述第二节点，其阴极接中线N。

所述逆变电桥的第三节点A经过所述滤波电路30接中线N。

本发明实施例一所述逆变器中，在所述供电电源10的正极和逆变电路20的第三节点A之间串接第五开关管Q5，在所述逆变电路20的第三节点A和供电电源10的负极之间串接第六开关管Q6。对于该逆变器，通过不同的开关控制方式，可以使得该逆变器具有四种工作模态，包括两电平逆变器模态、I型三电平逆变器模态、T型三电平逆变器模态、以及I-T混用型三电平逆变器模态。因此，本发明实施例的逆变器能够同时兼顾两电平逆变器的低通态损耗和三电平逆变器的低开关损耗的优点，降低整体损耗，有效提高电路的整体效率。

如图1所示，所述供电电源10可以包括：第一电压源S1和第二电压源S2。其中，所述第一电压源S1的第一端为所述供电电源10的正极；所述第一电压源S1的第二端和第二电压源S2的第一端相连，接中线N；所述第二电压源S2的第二端为所述供电电源10的负极。

所述滤波电路30可以包括：第一电感L和第一电容C。其中，所述第一电感L的第一端接所述逆变电路20的第三节点A，所述第一电感L的第二端接所述第一电容C的第一端；所述第一电容C的第二端接所述中线N。

当然，图1所示仅为本发明实施例的供电电源和滤波电路一种具体实现形式，在实际应用中，任何与图1中所示供电电源和滤波电路具有相同功能的电路均可以用于本发明实施例所述的逆变器中。

本发明实施例一中所述的逆变器，通过对第一开关管Q1至第四开关管Q4、以及第五开关管Q5和第六开关管Q6的合理开关控制，可以使得在不同的控制方式下，该电路能够分别实现两电平逆变器、I型三电平逆变器、T型三电平逆变器、以及I-T混用型三电平逆变器的工作模态。具体的，该电路的控制方法包括以下四种：

第一种控制方式：控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4不工作，控制所述第五开关管Q5和第六开关管Q6工作，使得该电路工作在两电平逆变器模态。

第二种控制方式：控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4工作，控制所述第五开关管Q5和第六开关管Q6不工作，使得该电路工作在I型三电平逆变器模态。

第三种控制方式：控制所述第一开关管Q1和第二开关管Q2不工作，控制所述第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6工作，使得该电路工作在T型三电平逆变器模态。

第四种控制方式:控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6均工作，使得该电路工作在I-T混用型三电平逆变器模态。

由此，可以使得该电路能够兼顾两电平逆变器的低通态损耗和三电平逆变器的低开关损耗的优点，从而有效降低功率器件的开关损耗和通态损耗，提高电路效率。

下面结合图1和图2，以电压电流正半周为例，对本发明实施例所述的逆变器的工作原理进行详细介绍。参照图2，为本发明实施例一所述逆变器在电压正半周时各功率器件的开关时序图。

在BUS电压正半周，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2导通，正BUS电压沿所述第一开关管Q1和第二开关管Q2给所述第一电感L充电。

在所述第一开关管Q1导通一定延迟时间Td后，所述第五开关管Q5导通，此时该电路工作在I-T混用型三电平逆变器模态。由于所述第一开关管Q1和第二开关管Q2均已处于导通状态，则所述第五开关管Q5两端的电压为零，因此，所述第五开关管Q5为零电压导通，第五开关管Q5没有开通损耗。由此就有效规避了高压器件（如图1所示，第五开关管Q5和第六开关管Q6直接挂接在供电电源正极和负极之间，因此对第五开关管Q5和第六开关管Q6的耐压要求较高）的开关损耗较大的问题，实现低开关损耗。

所述第五开关管Q5导通后，所述第一开关管Q1和第二开关管Q2串联后与所述第五开关管Q5并联。由于所述第五开关管Q5的导通压降明显低于所述述第一开关管Q1和第二开关管Q2的串联电压，因此电流不会流过所述第一开关管Q1和第二开关管Q2，而是全部流过所述第五开关管Q5，其电流方向如图3a所示。由此就有效规避了低压器件（如图1所示，所述第一开关管Q1至第四开关管Q4串联后挂接在供电电源正极和负极之间，因此对第一开关管Q1至第四开关管Q4的耐压要求稍低）的通态损耗较大的缺点，实现了低通态损耗。

在所述第一开关管Q1关断前一定延迟时间Td时，第五开关管Q5先关断。所述第五开关管Q5关断时，由于所述第一开关管Q1和第二开关管Q2仍处于导通状态，因此所述第五开关管Q5没有关断损耗。由此就有效规避了高压器件（第五开关管Q5）的开关损耗较大的问题，实现低开关损耗。

在所述第五开关管Q5关断后，所述第一开关管Q1正常关断，其电流方向如图3b所示。由于所述第一开关管Q1是低压器件，因此其开关损耗较低，进一步实现低开关损耗。

本发明实施例一所述逆变器在电压电流负半周的工作原理与上述相同，在此不再赘述。

由此可见，本发明实施例一所述逆变器中，通过对第一开关管Q1至第四开关管Q4、以及第五开关管Q5和第六开关管Q6的合理开关控制，可以使得该电路能够兼顾两电平逆变器的低通态损耗和三电平逆变器的低开关损耗的优点，从而有效降低功率器件的开关损耗和通态损耗，提高电路效率。

参照图4，为本发明实施例二所述的逆变器的电路图。如图4所示，实施例二所述逆变器与图1所示实施例一的区别在于：为所述第五开关管Q5和第六开关管Q6分别反向并联一二极管。

具体的，与实施例一相比，所述逆变电路20还包括：第三二极管D3和第四二极管D4。

所述第三二极管D3的阴极接所述第五开关管Q5的第一端，所述第三二极管D3的阳极接所述第五开关管Q5的第二端。

所述第四二极管D4的阴极接所述第六开关管Q6的第一端，所述第四二极管D4的阳极接所述第六开关管Q6的第二端。

需要说明的是，与图4所示实施例二相比，对于图1所示实施例一提供的三电平逆变器，所述第一开关管Q1的反并二极管和第二开关管Q2的反并二极管串联，可以等效于实施例二中的第三二极管D3；所述第三开关管Q3的反并二极管和第四开关管Q4的反并二极管Q4串联，可以等效于实施例二中的第四二极管D4。

因此，图4所示实施例二提供的逆变器的工作原理与实施例一相同，在此不再赘述。

需要说明的是，本发明上述各实施例中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6均可以采用BJT（BipolarJunction Transistor，双极结型晶体管）或者FET（Field Effect Transistor，场效应晶体管）。

当采用BJT时，所述BJT的集电极作为各开关管的第一端，所述BJT的发射极作为各开关管的第二端。

当采用FET时，所述FET的源极作为各开关管的第一端，所述FET的漏极作为各开关管的第二端。

当然，在本发明其他实施例中，所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6可以但不限于采用BJT或者FET来实现。实际上，任何能够实现本发明目的的功率器件均可以用于本发明实施例所述的三电平逆变器。

对应于本发明实施例提供的逆变器，本发明实施例还提供一种控制逆变器的方法。具体的，本发明实施例提供的控制逆变器的方法包括四种具体的实现形式，分别如下所述。

第一种实现形式：控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4不工作，控制所述第五开关管Q5和第六开关管Q6工作，以使所述逆变器工作在两电平逆变器模态。

第二种实现形式：控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3和第四开关管Q4工作，控制所述第五开关管Q5和第六开关管Q6不工作，以使所述逆变器工作在I型三电平逆变器模态。

第三种实现形式：控制所述第一开关管Q1和第二开关管Q2不工作，控制所述第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6工作，以使所述逆变器工作在T型三电平逆变器模态。

第四种实现形式：控制所述第一开关管Q1、第二开关管Q2、第三开关管Q3、第四开关管Q4、第五开关管Q5和第六开关管Q6均工作，以使所述逆变器工作在I-T混用型三电平逆变器模态。

由上述可知，对于本发明实施例所述逆变器，通过不同的控制方法，可以使得该逆变器具有四种工作模态，包括两电平逆变器模态、I型三电平逆变器模态、T型三电平逆变器模态、以及I-T混用型三电平逆变器模态。因此，本发明实施例的逆变器能够同时兼顾两电平逆变器的低通态损耗和三电平逆变器的低开关损耗的优点，降低整体损耗，有效提高电路的整体效率。

以上对本发明所提供的一种逆变器和控制逆变器的方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；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 (8)

1.一种逆变器，其特征在于，所述逆变器包括：供电电源、逆变电路、滤波电路；

所述逆变电路包括：第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第一二极管及第二二极管；

所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管依次串联接在所述供电电源的正极和负极之间；且所述第一开关管、第二开关管、第三开关管以及第四开关管分别反向并联有一二极管；

所述第二开关管和第三开关管的公共端为所述逆变电路的第三节点；所述第一开关管和第二开关管的公共端为第一节点，所述第三开关管和第四开关管的公共端为第二节点；

所述第五开关管的第一端接所述供电电源的正极，所述第五开关管的第二端接所述第三节点；所述第六开关管的第一端接所述第三节点，所述第六开关管的第二端接所述供电电源的负极；

所述第一二极管的阴极接所述第一节点，所述第一二极管的阳极接中线；所述第二二极管的阳极接所述第二节点，所述第二二极管阴极接中线；

所述逆变电路的第三节点经过所述滤波电路接中线。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器还包括：第三二极管和第四二极管；

所述第三二极管的阴极接所述第五开关管的第一端，所述第三二极管的阳极接所述第五开关管的第二端；

所述第四二极管的阴极接所述第六开关管的第一端，所述第四二极管的阳极接所述第六开关管的第二端。

3.根据权利要求1或2所述的逆变器，其特征在于，所述第五开关管和第六开关管为双极结型晶体管；

所述双极结型晶体管的集电极作为开关管的第一端，所述双极结型晶体管的发射极作为开关管的第二端。

4.根据权利要求1或2所述的逆变器，其特征在于，所述第五开关管和第六开关管为场效应晶体管；

所述场效应晶体管的源极作为开关管的第一端，所述场效应晶体管的漏极作为开关管的第二端。

5.一种控制权利要求1至4任一项所述的逆变器的方法，其特征在于，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管不工作，控制所述第五开关管和第六开关管工作，以使所述逆变器工作在两电平逆变器模态。

6.一种控制权利要求1至4任一项所述的逆变器的方法，其特征在于，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管和第四开关管工作，控制所述第五开关管和第六开关管不工作，以使所述逆变器工作在I型三电平逆变器模态。

7.一种控制权利要求1至4任一项所述的逆变器的方法，其特征在于，所述方法包括：控制所述第一开关管和第二开关管不工作，控制所述第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管工作，以使所述逆变器工作在T型三电平逆变器模态。

8.一种控制权利要求1至4任一项所述的逆变器的方法，其特征在于，所述方法包括：控制所述第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第五开关管和第六开关管均工作，以使所述逆变器工作在I-T混用型三电平逆变器模态。

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