CN103580524A

CN103580524A - 新型h4桥三电平并网逆变电路

Info

Publication number: CN103580524A
Application number: CN201210278882.9A
Authority: CN
Inventors: 郭晓瑞
Original assignee: Individual
Current assignee: Huzhou University
Priority date: 2012-08-07
Filing date: 2012-08-07
Publication date: 2014-02-12

Abstract

为了提高并网逆变器的效率、可靠性及降低成本，发明了一种新型H4桥三电平并网逆变电路。它的主电路拓扑是由直流母线电容、两个工频开关管、两个高频开关管、两个快恢复二极管和两个滤波电感和一个容值较小的输出滤波电容组成。在采用单极性调制方式的全桥并网逆变电路的基础上，两个快恢复二极管分别并联在两个工频开关管两端，作为逆变电流的续流二极管，分别工作于市电正半周和负半周。该新型并网逆变电路具有类似传统三电平电路的效果，并且对地漏电流较小，结构简单，可靠性高，主要应用于光伏及风力并网发电逆变器中。

Description

新型H4桥三电平并网逆变电路

技术领域

本发明涉及一种新的并网逆变电路拓扑，该逆变电路能有效降低并网逆变器的损耗，提高效率，降低成本。

背景技术

目前，对太阳能、风能等绿色能源的需求量越来越大，很多新的并网逆变电路被研究，如何提高逆变器转换效率，减少并网电流畸变率及降低成本是其主要的研究方向。当前应用最普遍的并网逆变电路是全桥并网逆变电路和半桥并网逆变电路。其中，全桥并网逆变电路由直流母线电容、四个带反向并联二极管的开关管、两个滤波电感和一个容值很小的交流滤波电容组成。并网逆变电路的主要作用就是把直流母线电容上高于市电电压峰值的直流电转换为交流电(仅对非隔离逆变电路适用)，并输送到电网上。但是，传统全桥逆变电路需要的滤波电感值较大、对开关管耐压要求较高及存在较大的对地漏电流。另外，为了防止母线电容短路直通，上下开关管需要设置死区，逆变器性能及可靠性都不高。虽然有很多并网逆变新架构被提出来，但大多数电路比较复杂，成本较高。

发明内容

为了提高并网逆变器的效率、可靠性及降低成本，本发明提出一种新型H4桥三电平并网逆变电路，该逆变电路比传统全桥逆变电路效率高，对地漏电流小，滤波电感值仅有采用双极性调制方式的全桥逆变电路一半等优点，可以满足光伏及风力发电并网逆变器对低成本、高性能和高可靠性的要求。本发明涉及的新型H4桥三电平并网逆变电路是在传统全桥并网逆变电路的基础上，添加两个快恢复二极管组成的。新架构中四个开关管不需要带内置或外置反向并联二极管，所选用的MOSFET、IGBT或其它类型的开关管无论有没有带反向并联二极管，该并网逆变电路都可以正常工作，开关管的选择范围更广。

本发明所采用的技术方案是：在采用单极性调制方式的全桥并网逆变电路的基础上，在两个工作频率为工频(市电频率)的开关管两端各并联一个快恢复二极管，作为逆变电流的续流二极管，分别工作于市电正半周和负半周。新架构中四个开关管均不需要内置或外置反向并联二极管。逆变电流续流时，通过快恢复二极管、工频开关管、滤波电感及市电形成不经过直流母线电容的续流回路。这样逆变桥臂输出电压除了有正、负两种直流母线电压外，还存在由于续流二极管而产生的近似零电平，所以电路为三电平架构。新架构中母线电容负极对市电侧的电压不含有高频电压谐波，对地漏电流较小。另外新架构中两对上下开关管，分别在市电正负半周工作，除了在市电过零点需要设置死区时间外，母线电容不存在短路的风险，电路可靠性有了很大提高。

本发明的有益效果是，在传统全桥逆变电路的基础上，通过优化电路拓扑结构，在两个工频开关管两端各并联一个快恢复二极管就达到三电平电路效果的同时，也降低了传统三电平并网逆变器的成本，对地漏电流较小且结构简单，可靠。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是新型H4桥三电平并网逆变电路拓扑图。

图2是新型H4桥三电平并网逆变电路另外一种拓扑图。

图3是新型H4桥三电平并网逆变电路中四个开关管的工作时序图。

图4是新型H4桥三电平并网逆变电路在一个市电周期中四种工作状态示意图。其中图4(a)表示在市电正半周滤波电感充电时电流回路示意图；图4(b)表示在市电正半周滤波电感续流时电流回路示意图；图4(c)表示在市电负半周滤波电感充电时电流回路示意图；图4(d)表示在市电负半周滤波电感续流时电流回路示意图。

附图中C表示直流母线电容；Q1和Q2表示工频开关管；Q3和Q4表示高频开关管；D1和D2表示快恢复二极管；上下桥臂两个滤波电感的电感值相等，分别为总感值L的一半；C_f表示容值较小的交流滤波电容；V_a表示并网市电电压；Vcarrier表示高频载波信号；Vcontrol表示逆变控制器输出的调制信号。

具体实施方式

新型H4桥三电平并网逆变电路按图1中顺序进行连接，其中两条相交线上的黑点表示两线之间相互连接在一起，没有黑点表示两线之间没有任何连接。工频开关管Q1和Q2作为上管，高频开关管Q3和Q4作为下管，连接成H4全桥架构，再在两个工频开关管Q1和Q2两端分别并联快恢复二极管D1和D2。

新型H4桥三电平并网逆变电路也可以按图2中顺序进行连接，其中两条相交线上的黑点表示两线之间相互连接在一起，没有黑点表示两线之间没有任何连接。工频开关管Q1和Q2作为下管，高频开关管Q3和Q4作为上管，连接成H4全桥架构，再在两个工频开关管Q1和Q2两端分别并联快恢复二极管D1和D2。

图3给出了Q1、Q2、Q3、Q4四个开关管在一个市电周期内的工作时序。在市电正半周时工频开关管Q1一直导通，工频开关管Q2和高频开关管Q3一直断开，高频开关管Q4根据Vcontrol和Vcarrier相互比较产生的高频PWM信号开通或关断；在市电负半周时工频开关管Q2一直导通，工频开关管Q1和高频开关管Q4一直断开，高频开关管Q3根据一Vcontrol和Vcarrier相互比较产生的高频PWM信号开通或关断。

图4给出了新型H4桥三电平并网逆变电路在一个市电周期中的四种工作状态。图中实线表示当前时刻电流经过的路径，箭头所指的方向表示逆变电流的方向。由于交流滤波电容C_f容值较小，一般只起到滤除高频开关电流纹波的作用，在分析逆变电流走向时暂不考虑它的作用。

图4(a)表示在市电正半周时，工频开关管Q1一直导通，工频开关管Q2和高频开关管Q3一直断开，当高频开关管Q4导通时，逆变电流从直流母线电容C正极流出，经过开关管Q1到上桥臂滤波电感，流经市电后经过下桥臂滤波电感，再经过开关管Q4后返回直流母线电容C负极，形成一个完整的电感电流充电回路。

图4(b)表示在市电正半周高频开关管Q4关断时，由于电感电流的方向不能突变，会继续从开关管Q1通过上桥臂滤波电感流经市电，通过下桥臂滤波电感经过二极管D2后流回开关管Q1，形成一个完整的电感电流续流回路。

图4(c)表示在市电负半周时，工频开关管Q2一直导通，工频开关管Q1和高频开关管Q4一直断开，当高频开关管Q3导通时，逆变电流从直流母线电容C正极流出，经过开关管Q2到下桥臂滤波电感，流经市电后经过上桥臂滤波电感，再经过开关管Q3后返回直流母线电容C负极，形成一个完整的电感电流充电回路。

图4(d)表示在市电负半周高频开关管Q3关断时，由于电感电流的方向不能突变，会继续从开关管Q2通过下桥臂滤波电感流经市电，通过上桥臂滤波电感再经过二极管D1后流回开关管Q2，形成一个完整的电感电流续流回路。

Claims

1.新型H4桥三电平并网逆变电路，主电路拓扑是由直流母线电容、两个工频开关管、两个高频开关管、两个快恢复二极管和两个滤波电感和一个容值较小的交流滤波电容组成，其特征是：在传统全桥并网逆变电路的基础上，添加了两个快恢复二极管。

2.根据权利要求1所述的新型H4桥三电平并网逆变电路，其特征是：在采用单极性调制方式的全桥并网逆变电路的基础上，两个快恢复二极管分别并联在两个工频开关管两端，作为续流二极管，分别工作于市电正半周和负半周。

3.根据权利要求1所述的新型H4桥三电平并网逆变电路，其特征是：四个开关管不需要强制带内置或外置的反向并联二极管。

4.根据权利要求1所述的新型H4桥三电平并网逆变电路，其特征是：两个滤波电感在任何时刻均同时工作。