CN103475253A

CN103475253A - 单相逆变器

Info

Publication number: CN103475253A
Application number: CN2013104052142A
Authority: CN
Inventors: 贾仁需; 于海明; 张艺蒙; 宋庆文; 闫宏丽
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2013-09-06
Filing date: 2013-09-06
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明涉及一种单相逆变器，包括：第一场效应管Q1的漏极与第一二极管D1的阴极相连接，源极与D1的阳极连接；第二场效应管Q2的漏极与第二二极管D2的阴极连接，源极与D2的阳极相连接；第三场效应管Q3的漏极与第三二极管D3的阴极相连接，源极与D3的阳极连接；第四场效应管Q4的漏极与第四二极管D4的阴极连接，源极与D4的阳极相连接；还包括电源。本发明的单相逆变器利用SiC材料的耐高温特性使得逆变器可以在高温下减少甚至不需要冷却，SiC器件的快速开通和关断特性，逆变器可以高频工作，以及SiC的宽的禁带，SiC的器件可以在高压下工作。

Description

单相逆变器

技术领域

本发明涉及一种单相逆变器，尤其涉及一种单相正弦波逆变器。

背景技术

在现有的逆变器为单项桥或者三相桥的逆变器，但是现在的硅器件已经到达硅极限，用硅材料做主功率器件的逆变器，因硅的功率器件的结温要小于150°其工作的环境温度只能在60°以下，不适合在高温环境下工作，而且随着结温的升高，其导通电阻会大幅度增大，这就会使得器件的损耗继续增加，推动了结温的进一步上升，形成了恶性循环。在这样的环境下工作为了防止器件因结温过高烧毁，要加大功率风扇甚至是水冷却系统，使得整台逆变器的体积增大，甚至冷却系统占到了整个体积的一半，这就使得逆变器不能满足对体积有严格要求的场合。

由于硅材料的禁带宽度比较小，单个硅器件的最高耐压值也就不会很高，这在高电压应用领域里就需要两个或者更多的功率器件串联使用来代替半个桥臂的单个器件，例如功率器件Q1’和Q1串联代替Q1，这是硅器件解决高压应用的现有的做法。但是这种连接方式增加了控制电路的复杂性，要求控制电路要控制Q1’和Q1同时导通，否则就会有高压击穿导通滞后的器件，设备的可靠性大幅度下降。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种单相逆变器，从而解决上述现有技术的逆变器不能满足高温、高频率和高压下工作的条件。

为实现上述目的，本发明提供了一种单相逆变器，包括：

第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4，以及第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4；

所述第一场效应管Q1的漏极与所述第一二极管D1的阴极相连接，所述第一场效应管Q1的源极与所述第一二极管D1的阳极连接；所述第二场效应管Q2的漏极与所述第二二极管D2的阴极连接，所述第二场效应管Q2的源极与所述第二二极管D2的阳极相连接；所述第三场效应管Q3的漏极与所述第三二极管D3的阴极相连接，所述第三场效应管Q3的源极与所述第三二极管D3的阳极连接；所述第四场效应管Q4的漏极与所述第四二极管D4的阴极连接，所述第四场效应管Q4的源极与所述第四二极管D4的阳极相连接；

所述单相逆变器还包括电源，所述第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极，所述第一二极管D1的阴极与第二二极管D2阴极与所述电源的正极相连接；所述第三场效应管Q3的源极与第四场效应管Q4的源极，所述第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极与电源的负极相连接；

所述第一场效应管Q1的源极与所述第三场效应管Q3的漏极与外部负载的一端相连接；所述第二场效应管Q2的源极与所述第四场效应管Q4的漏极与所述外部负载的另一端相连接。

所述第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4为碳化硅SiC金属-氧化层-半导体-场效晶体管。所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4为SiC续流二极管。所述电源为直流电源。

本发明的单相逆变器利用场效应管和二极管，解决了现有技术的逆变器无法在高温、高频率和高压下工作的条件，利用SiC材料的耐高温特性使得逆变器可以在高温下减少甚至不需要冷却，SiC器件的快速开通和关断特性，逆变器可以高频工作，以及SiC的宽的禁带，SiC的器件可以在高压下工作。

附图说明

图1为本发明单相逆变器的示意图；

图2为本发明单相逆变器和驱动电路的示意图

图3为单极性PWM控制方式波形图；

图4为双极性PWM控制方式波形图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1为本发明单相逆变器的示意图，如图所示，本发明单相逆变器包括：第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4，以及第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4和电源。

电源为直流电源DC，具体连接关系如下：

第一场效应管Q1的漏极与第一二极管D1的阴极相连接，第一场效应管Q1的源极与第一二极管D1的阳极连接；第二场效应管Q2的漏极与第二二极管D2的阴极连接，第二场效应管Q2的源极与第二二极管D2的阳极相连接；第三场效应管Q3的漏极与第三二极管D3的阴极相连接，第三场效应管Q3的源极与第三二极管D3的阳极连接；第四场效应管Q4的漏极与第四二极管D4的阴极连接，第四场效应管Q4的源极与第四二极管D4的阳极相连接。

第一场效应管Q1的漏极与第二场效应管Q2的漏极，第一二极管D1的阴极与第二二极管D2阴极与直流电源DC的正极相连接；第三场效应管Q3的源极与第四场效应管Q4的源极，第三二极管D3的阳极与第四二极管D4的阳极与直流电源DC的负极相连接。

第一场效应管Q1的源极与第三场效应管Q3的漏极与外部负载的一端相连接；第二场效应管Q2的源极与第四场效应管Q4的漏极与外部负载的另一端相连接。

而第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4可以为碳化硅SiC金属-氧化层-半导体-场效晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET），简称金氧半场效晶体管。而第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4为SiC续流二极管。

在驱动本发明的单相逆变器的时候，需要用到驱动电路，图2为本发明单相逆变器和驱动电路的示意图，如图所示，驱动电路包括：第一光电耦合器U1、第二光电耦合器U2、第三光电耦合器U3和第四光电耦合器U4。

具体的，第一光电耦合器U1，具有八个脚，第一光电耦合器U1的1脚跟4脚悬空，3脚接脉宽调制(Pulse Width Modulation，PWM)信号，4脚接地，5脚连接到第一场效应管Q1的源极，6脚与7脚相分别连接第一电阻R1的一端，第一电阻R1的另一端与第一场效应管的栅极连接，8脚连接到直流电源DC正极；第二光电耦合器U2，具有八个脚，第二光电耦合器U2的1脚跟4脚悬空，3脚接脉宽调制PWM信号，4脚接地，5脚连接到第二场效应管Q2的源极，6脚与7脚分别连接第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端与第二场效应管Q2的栅极连接，8脚连接到直流电源DC正极；第三光电耦合器U3，具有八个脚，第三光耦合器U3的1脚跟4脚悬空，3脚接PWM信号，4脚接地，5脚连接到第三场效应管Q3的源极，6脚与7脚分别与第三电阻R3的一端连接，第三电阻R3的另一端与第三场效应管Q3的栅极连接，8脚连接到直流电源DC正极；第四光电耦合器U4，具有八个脚，第四光耦合器U4的1脚跟4脚悬空，3脚接PWM信号，4脚接地，5脚连接到第四场效应管Q4的源极，6脚与7脚分别连接在第四电阻R4的一端，电阻R4的另一端与第四场效应管Q4的栅极连接，8脚连接到直流电源DC正极。

本发明单相逆变器的续流二极管与场效应管（MOSFET）反相并联连接，而驱动电路是光电耦合器直接驱动场效应管，连接方式均为光耦合器的输出连接一个栅极驱动电阻，再连接到功率场效应管的栅极。

图2中的直流侧输入电压为Ud，输出侧电压为Uo，与MOSFET Q1、Q2漏极连接的直流侧为直流母线正极，与MOSFET Q3、Q4连接的直流侧为直流母线负极，四个续流二极管D1、D2、D3、D4与四个MOSFET分别反并联连接接入直流母线。

本发明单相逆变器的工作方式如下：

1、单极性控制方式：

在输出电压u_o的正半周，让第一场效应管Q1保持通态，第三场效应管Q3保持断态，第二场效应管Q2和第四场效应管Q4交替导通。在大部分的应用中，负载电流比电压滞后，因此在电压正半周，电流有一段区间为正，一段区间为负。在负载电流为正的区间，功率MOSFET第一场效应管Q1和第四场效应管Q4导通，负载电压u_o等于直流电压U_d；第四场效应管Q4关断时，负载电流通过第一场效应管Q1和续流二极管第二二极管D2续流，Uo=0。在负载电流为负的区间，仍为第一场效应管Q1和第四场效应管Q4导通时，因i_o为负，故i_o实际上从第一二极管D1和第四二极管D4流过，仍有Uo=U_d；第四场效应管Q4关断，第二场效应管Q2开通后；i_o从第二场效应管Q2和第一二极管D1流过，u_o=0。这样，u_o总可以得到U_d和零两种电平。同样，在u_o的负半周，让第三场效应管Q3保持通态，第一场效应管Q1保持断态，第二场效应管Q2和第四场效应管Q4交替通断，由于负载电流比电压滞后，因此在电压负半周，电流有一段区间为负，一段区间为正，在负载电流为负的区间，功率MOSFET第二场效应管Q2和第三场效应管Q3导通，负载电压Uo等于负的直流母线电压-Ud，第二场效应管Q2关断时，负载电流通过第三场效应管Q3和第四二极管D4续流，Uo=0，在负载电流为正的区间，仍为第三场效应管Q3和第二场效应管Q2导通时，因i_o为正，故i_o实际上从续流二极管第二二极管D2和第三二极管D3流过，仍有Uo=-Ud，第二场效应管Q2关断，第四场效应管Q4开通后，i_o从第四场效应管Q4和第三二极管D3流过，Uo=0，这样负载电压u_o可以得到-U_d和零两种电平。

控制MOSFET通断的方法如图3所示。其中u_r是调制信号，其波形为正弦波，u_c为载波，在u_r的正半周为正极性的三角波，在u_r的负半周为负极性的三角波。在u_r和u_c的交点时刻控制功率MOSFET的开通和关断。在u_r的正半周，第一场效应管Q1保持通态，第三场效应管Q3保持断态，当u_r>u_c时使第四场效应管Q4导通，第二场效应管Q2关断，u_o=U_d；当u_r<u_c时使第四场效应管Q4关断，第二场效应管Q2导通，u_o=0。在u_r的负半周，第一场效应管Q1保持断态，第三场效应管Q3保持通态，当u_r<u_c时使第二场效应管Q2导通，第四场效应管Q4关断，u_o=-U_d；当u_r>u_c时控制第二场效应管Q2关断，第四场效应管Q4导通，u_o=0。这样，就得到了SPWM波形u_o。图中的虚线u_of表示u_o中的基波分量。

2、双极性控制方式：

在采用双极性控制方式时的波形如图4所示。采用双极性方式时，在u_r的半个周期内，三角载波不再是单极性的，而是双极性的有正有负，所得到的PWM波也是有正有负。在u_r的正负半周，对各开关器件的控制规律相同，即当u_r>u_c时，给第一场效应管Q1和第四场效应管Q4以导通信号，给第二场效应管Q2和第三场效应管Q3以关断信号，这时如i_o>0，则第一场效应管Q1和第四场效应管Q4通，如果i_o<0，则第一二极管D1和第四二极管D4导通，不管哪种情况都是输出电压u_o=U_d；当u_r<u_c时，给第二场效应管Q2和第三场效应管Q3以导通信号，给第一场效应管Q1和第四场效应管Q4以关断信号，这时如果i_o<0，则第二场效应管Q2和第三场效应管Q3导通，如i_o>0，则第二二极管D2和第三二极管D3导通，不管哪种情况都是输出电压u_o=-U_d。在u_r的一个周期内，输出的PWM波也是只有±U_d两种电平。仍然在调制信号u_r和载波信号u_c的交点时刻控制各MOSFET器件的开通和关断。图四是双极性控制方式的波形图，其中u_r是调制波信号，是一个标准的正弦波，u_c是载波信号，是双极性三角波，Uo是负载两端的电压，也就是输出电压，Uof是Uo的基波分量。

图2所示的是采用功率光电耦合器直接驱动，如上述所说控制信号连接到相应的第一光耦合器U1、第二光耦合器U2、第三光耦合器U3和第四光耦合器U4的PWM引脚上，其输出引脚通过驱动电阻连接到场效应管的栅极，当光耦合器的PWM引脚为低电平时，其输出OUT引脚也为低电平，相应的场效应管关断，当PWM引脚为高电平时，其输出OUT引脚也为高电平，相应的场效应管导通，这就可靠驱动了功率场效应管（MOSFET）的导通和关断。其驱动电路简单可靠，简化了电路设计而且还有效的实现了高低电压的隔离。

本发明单相逆变器具有如下技术效果：

本发明单相逆变器采用全SiC功率MOSFET器件作为桥臂，SiC材料的MOSFET器件可以在200°温度下正常工作，在一般应用中可以不需要散热风扇，可以大幅度减小逆变器的体积和重量，而且其导通电阻随着温度的上升变化幅度很小，基本不变，所以在高温情况下功率MOSFET的功耗不会有大的上升，可以在高温下安全的工作，适合高温应用的场合。SiC材料的MOSFET器件其栅极电荷Qg很小，这就可以减小功率MOSFET的开通和关断时间，提高逆变器工作频率，这就可以减小滤波电感和电容的体积和重量，使得逆变器的体积和重量减小，可以使逆变器工作在对体积和重量有高要求的场合。SiC材料的宽的禁带宽度，使得SiC的单个MOSFET可以承受更高的电压，使其不需要串联器件就可以在高压下应用，简化了硅功率器件在高压下应用控制电路的复杂性，使得逆变器在高压下的可靠性有大幅度的提高。其驱动电路采用功率光电耦合器直接驱动，驱动电路简单可靠，而且实现了高低压的隔离，简化了驱动电路的设计，使得逆变器的可靠性得到提高。

专业人员应该还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器（RAM）、内存、只读存储器（ROM）、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种单相逆变器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的单相逆变器，其特征在于，所述第一场效应管Q1、第二场效应管Q2、第三场效应管Q3、第四场效应管Q4为碳化硅SiC金属-氧化层-半导体-场效晶体管。

3.根据权利要求1所述的单相逆变器，其特征在于，所述第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4为SiC续流二极管。

4.根据权利要求1所述的单相逆变器，其特征在于，所述电源为直流电源。