CN103312203A - 一种高效率逆变器拓扑 - Google Patents

Abstract

一种高效率的逆变器拓扑，用较低成本高效率实现了把电能从直流电逆变成交流电，同时本拓扑没有共模干扰问题，可以方便的应用于无隔离变压器的逆变系统中。其原理是在直流输入侧的正端和负端有高频斩波开关，它们同时开通和关断，通过调制它们的开关占空比，实现输出电压的幅值变化；它们的后级各连接一个平波电感，两个平波电感与斩波开关连接的一侧有续流电路，保证当斩波开关关断时平波电感的续流；电感的后级是H换向桥，它以逆变器期望输出的频率换向，从而实现逆变。本拓扑降低了开关管的开关电压，从而降低了系统的开关损耗，同时本拓扑没有共模干扰问题，可以用于无变压器的逆变系统。

Description

一种高效率逆变器拓扑

技术领域

本发明属于电力变流领域，是把直流电变换成交流电的一种拓扑结构，可以广泛应用于对转换效率或需要共模电流抑制要求高的逆变器中，比如光伏逆变器、风力发电逆变器等。

背景技术

随着工业的发展对逆变器转换效率的要求越来越高，尤其是在新能源发电、智能电网、柔性交直流输电等行业。提高逆变器的转换效率，可以节省更多的电能，同时也减少了逆变器自身的散热要求。逆变器效率的决定性因素是逆变器的拓扑结构，拓扑结构的优劣决定了逆变器的效率和成本。有许多应用场合的逆变器，例如光伏并网逆变器，常采用带变压器的隔离型输入侧和输出侧，这样两侧系统之间的电气隔离，从而提供人身保护并避免了两侧之间的漏电流。然而，由于变压器的损耗，所以降低了系统的效率，同时也增加了成本。为了克服上述有变压器的隔离型逆变器的不足，可以选择无变压器的非隔离型逆变器拓扑。无变压器逆变器拓扑的突出优点是效率高，整体成本低。但无变压器的逆变拓扑由于输入输出侧没有隔离，所以两侧之间容易出现高频共模漏电流。现存的拓扑结构能适用于无变压器逆变器的比较少，并且都有各自缺点。比如传统的H桥式逆变拓扑有双极性调制方式和单极性调制方式；如果使用双极性调制方式，虽然没有高频共模漏电流问题，但其开关损耗高，转换效率低；如果使用单极性调制方式存在共模漏电流问题。所以，设计高效率、低成本，并且无共模漏电流的拓扑就非常重要。

发明内容

本发明提出了一种逆变拓扑结构，创新的实现了高效率、低成本和无共模漏电流的电能逆变。

本发明采用的拓扑结构(参考图1和图2)和原理是：

直流电输入端正负极上各串联一个开关管(这里称这两个开关管为斩波开关，称与正极连接的斩波开关为S5，称与负极连接的斩波开关为S6)；斩波开关S5和S6后面各串一个电感(这里称这两个电感为平波电感，称与斩波开关S5连接的平波电感为L1，称与斩波开关S6连接连接的平波电感为L2)；两个平波电感与斩波开关的连接一侧之间连接有续流二极管(图1中的D1，图2中的D5和D6)，续流二极管的导通方向为从斩波开关S6与平波电感L2之间的节点到斩波开关S5与平波电感L1之间的节点；两个平波电感L1和L2的另外一侧之间连接由四个开关管组成的H型换向桥(简称这个H型换向桥为H桥，称H桥中与平波电感L1连接的两个开关管为S1和S3，称H桥中与平波电感L2连接的两个开关管为S2和S4，S1与S2组成一个桥臂，S3与S4组成一个桥臂)；为了提高性能，可以在H桥输入的两端上并联平波电容(这里称这个电容为C2)和H桥输出点(即两个桥臂中点)之间连接平波电容(这里称这个电容为C3)，平波电容C2和C3不必两个都必需要的，至少需要有其中一个，不然会有较大的电磁辐射问题；H桥的两个桥臂中点是逆变交流的输出，当然实际应用中其后级还要增加EMC滤波电路，EMC滤波电路在图1和图2中没有画，因为这不是本发明的范畴；在H桥的两个输入端或H桥的输出端与直流输入侧之间可以增加电容(这里称这两个电容为动态均压电容，图1和图2中的C4和C5)，它们的作用是对斩波开关S5和S6进行动态均压，防止在系统运行中这两个开关管的电压应力分配偏移，并且它们也有抑制直流输入侧和交流输出侧之间的共模漏干扰的作用；从理论上，如果所有的器件都是理想的，动态均压电容C4和C5是不需要的，但由于现实中用到的器件并不是绝对理想的，所以增加动态均压电容更好；当然动态均压电容C4和C5只需要一个也能达到效果，甚至在某些特殊应用中，由于逆变器输入和输出侧之间的寄生电容已经足够大，这时逆变器内的共模抑制电容可以不要，因为逆变器直流输入侧和交流输出侧之间的寄生电容起到了对斩波开关S5和S6的动态均压作用，所以这种情况从电路原理上来讲，动态均压电容还是存在的。

平波电感L1和L2的续流电路有两种，一种是单二极管续流电路(图1中的D1)，一种是双二极管续流电路(图2中的C10、C11、D5和D6组成的电路)。单二极管方式是直接在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个续流二极管，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。双二极管方式是：在直流电源输入端串联两个电容，在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接串联两个二极管，两个电容之间的中点与两个二极管之间的中点相连，两个串联二极管的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。双二极管方式的好处是对斩波开关有电压钳位保护功能，而且可以不需要动态均压电容对斩波开关S5和S6进行均压，这时动态均压电容主要是降低系统的共模干扰输出。两种续流电路可以同时存在，提供最大的性能。

当系统工作时，两个斩波开关S5和S6同时高频开关，它们同时开通或同时关断；当S5和S6开通时，对后级电路充电，当S5和S6断开时，平波电感L1和L2的电流通过续流二极管续流；通过调制斩波开关S5和S6的开关占空比，调整逆变器输出的电压幅值波动；H换向桥以逆变需要输出的频率进行换向，实现交流输出的极性变换；当期望输出交流正半波时关断S1和S4，开通S2和S3；当期望输出交流的负半波时关断S2和S3，开通S1和S4。

本发明的有益效果是：

有益效果一，虽然用的开关管数量比传统全桥逆变拓扑多了，但提高了系统效率，并且降低了成本，因为降低了开关管的开关电压和额定电压要求。斩波开关S5和S6的开关电压和阻断电压都是Vin/2；H桥中换向开关S1、S2、S3和S4的开关电压为零，它们的阻断电压为Vout。本发明拓扑中对各个开关管的电压要求比传统桥式的开关管电压要求Vin小了很多，所以采用本发明设计逆变器时选择开关管的额定电压低，所以成本低。开关电压的降低，会降低了系统的开关损耗；开关管额定电压的要求降低，可以大大降低了开关管的成本。

有益效果二，本拓扑从原理上没有共模干扰输出，所以没有共模漏电流问题，提高了电磁兼容的同时，可以方便的应用于无隔离变压器的逆变系统中。

附图说明

本说明书有五个附图：

图1，采用单二极管续流的无共模漏电流的逆变拓扑结构；

图2，采用带电压钳位功能的双二极管续流的无共模漏电流的逆变拓扑结构；

图3，当逆变器输出交流正半波时的开关状态一；

图4，当逆变器输出交流正半波时的开关状态二；

图5，当逆变器输出交流负半波时的开关状态一；

图6，当逆变器输出交流负半波时的开关状态二。

具体实施方式

图3、图4、图5、图6是使用本发明的逆变拓扑实现的逆变器例子的工作时的开关状态。图3和图4是当逆变器输出交流正半波时的情况，图5和图6是当逆变器输出交流负半波时的情况。当逆变器输出交流正半波时，换向开关S2和S3保持在开通状态；换向开关S1和S4保持在关断状态，它们的阻断电压是Vout。当逆变器输出交流负半波时，换向开关S1和S4保持在开通状态；换向开关S2和S3保持在关断状态，它们的阻断电压是Vout。斩波开关S5和S6同时高频开关，图3和图5是它们开通时的情况，图4和图6是它们关断时的情况。当S5和S6开通时，电能从主流输入Vin向后级传送，这时续流二极管关断；当S5和S6关断时，平波电感L1和L2中的电流通过续流二极管续流，这时斩波开关S5和S6右侧的电压时Vin/2，S5和S6的电压应力是Vin/2。通过调制S5和S6的开关占空比，控制逆变输出的电压幅值变换；通过换向开关S1、S2、S3、S4控制逆变输出的极性变换，从而实现逆变。由于S5和S6同时开通时直流输入侧和交流输出侧之间的共模电压，与S5和S6同时关断时直流侧和交流侧之间的共模电压没有改变，所以本拓扑没有共模干扰的问题，大大改善了系统的EMC性能，并且可以方便的用于无变压器隔离的逆变系统中。

Claims (6)

1.一种高效率逆变器拓扑，实现了把直流电逆变为交流电，其特征在于直流输入端的正极和负极上各有一个斩波开关，这两个斩波开关后面各连接一个平波电感，在两个斩波开关与平波电感的连接之间有续流电路，两个平波电感的后面连接一个H型换向桥。

2.根据权利要求1所述的高效率逆变器拓扑，其特征在于它的续流电路可以采用单二极管续流电路或双二极管续流电路或两者同时存在。

3.根据权利要求1和权利要求2所述的高效率逆变器拓扑，其特征在于所述的单二极管续流电路是在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个二极管，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处

4.根据权利要求1和权利要求2所述的高效率逆变器拓扑，其特征在于所述的双二极管续流电路是在直流电源输入端串联两个电容，在两个平波电感与斩波开关的连接处之间连接串联两个二极管，两个电容之间的中点与两个二极管之间的中点相连，两个串联二极管的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。

5.根据权利要求1所述的高效率逆变器拓扑，其特征在于它的两个斩波开关同时高频开通或关断，进行高频斩波，通过调制它们的开关占空比而控制输出的电压幅值波动。

6.根据权利要求1所述的高效率逆变器拓扑，其特征在于H桥的两个输入端或H桥的输出端与直流输入侧之间可以连接有动态均压电容，进行两个斩波开关的电压应力进行动态均压，和抑制直流输入侧和交流输出侧之间的共模漏干扰输出的作用。

Images