CN103916035B - 一种单级逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种单级逆变器。其包括输入电源U_in、第一开关A、第二开关B、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第一二极管D₁、第二二极管D₂、储能电容C，利用无源元件电容做能量交换元件，提出了一种新型的单级逆变器结构，合理划分电路工作区域，可实现降低输入电源能耗，延长输入电源的使用寿命，可广泛应用在光伏并网逆变器、混合动力车等领域。

Description

一种单级逆变器

技术领域

本发明涉及一种变换器，尤其是一种单级逆变器。

背景技术

传统的电压源逆变器输入直流电压输出交流电压，应用非常广阔。电压源逆变器的输入直流电压可以由电网或旋转交流电机经整流滤波得到，也可由蓄电池、燃料电池或光伏电池得到，分别对应一般工业应用场合（如变频器），电动车、可再生能源分布式发电等场合。在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，输入电源一直处于工作状态，对于蓄电池、燃料电池或光伏电池等作为输入电源将会导致其自身损耗增大，影响使用寿命，如附图1所示。

在一些特定的电机控制及电能变换的应用场合，正是由于存在以上不足，普通的电压源逆变器恰是实现系统功能的瓶颈，制约了相关技术的发展与进步。如在电动汽车与混合动力汽车的电力驱动系统中，直流电压一般由蓄电池或燃料电池电压决定，所以驱动电机的恒转矩输出的转速范围决定于电池电压，若电池损耗过渡，则电池电压将会下降，再进一步升速，则进入恒功率范围，电池电压的不足将导致车辆的加速能力将下降，现有技术中采用串入升压电路的方式又会导致系统结构复杂，控制繁琐等问题。在光伏并网逆变器领域中也存在同样的问题，不在赘述。

在当前全球能源供应日益紧张的背景下，降低输入电源的能耗已经成为一个新的关注点。因此，开发新型、高效、高可靠的升压逆变技术，具有很大的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中逆变器结构的缺陷，提出一种适合具有节省输入电源能耗功能的单级逆变器。

本发明的单级逆变器包括输入电源U_in、第一开关A、第二开关B、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第一二极管D₁、第二二极管D₂、储能电容C，输入电源U_in一端连接第一开关A的一端，第一开关A的另一端连接第一二极管D₁的阴极、第一功率开关管S₁的一端、第二功率开关管S₂的一端、第三功率开关管S₃的一端，第二开关B的一端连接第二二极管D₂的阳极、第四功率开关管S₄的一端、第五功率开关管S₅的一端、第六功率开关管S₆的一端，第一功率开关管S₁的另一端、第二功率开关管S₂的另一端、第三功率开关管S₃的另一端分别连接第四功率开关管S₄的另一端、第五功率开关管S₅的另一端、第六功率开关管S₆的另一端，且各连接点连接三相负载，如三相交流电机、三相电网等，储能电容C的负极连接第二开关B的另一端和输入电源U_in的另一端，储能电容C的正极连接第一二极管的阳极D₁和第二二极管的阴极D₂。

本发明提出的单级逆变器，利用电容做能量交换元件用，实现降低输入电源能耗的目的。此单级逆变器拓扑仅使用一级变换电路，巧妙的运用无源元件电容的储能特性，克服传统电压型逆变器的不足，与传统的DC/DC+DC/AC变换器相比减少了开关管数目，电路拓扑简化，降低了逆变器控制的复杂性，降低输入电源能耗，而且此拓扑与传统电压源逆变器和DC/DC+DC/AC变换器相比在同等工作条件下开关器件功率要小，效率要高，有效提升输入电源的使用寿命。

附图说明

图1：传统电压源逆变器；

图2：本发明的单级逆变器的结构示意图。

图中的主要符号名称：U_in——电源电压，S₁～S₆——功率开关管，第一二极管D₁，第二二极管D₂，A——第一开关，B——第二开关，C——储能电容。

具体实施方式

由图2可知，本发明的单级逆变器包括输入电源U_in、第一开关A、第二开关B、第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆、第一二极管D₁、第二二极管D₂、储能电容C。

输入电源U_in一端连接第一开关A的一端，第一开关A的另一端连接第一二极管D₁的阴极、第一功率开关管S₁的一端、第二功率开关管S₂的一端、第三功率开关管S₃的一端，第二开关B的一端连接第二二极管D₂的阳极、第四功率开关管S₄的一端、第五功率开关管S₅的一端、第六功率开关管S₆的一端，第一功率开关管S₁的另一端、第二功率开关管S₂的另一端、第三功率开关管S₃的另一端分别连接第四功率开关管S₄的另一端、第五功率开关管S₅的另一端、第六功率开关管S₆的另一端，且各连接点连接三相负载，如三相交流电机、三相电网等，储能电容C的负极连接第二开关B的另一端和输入电源U_in的另一端，储能电容C的正极连接第一二极管的阳极D₁和第二二极管的阴极D₂。

第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅、第六功率开关管S₆构成的三相逆变器分为六个开关区域，在第一区域中，开关S₁和S₅闭合，并且其它四个断开。在第二区域中，开关S₁和S₆闭合，并且其它四个断开。在第三区域中，开关S₂和S₆闭合。在第四区域中，开关S₂和S₄闭合，并且其它四个断开。在第五区域中，开关S₃和S₄闭合，并且其它四个断开。最后，在第六区域中，开关S₃和S₅闭合，并且其它四个断开。

在第一、三、五开关区域时，第一开关A闭合，第二开关B关断；在第二、四、六开关区域时，第二开关B闭合，第一开关A关断。在第一、三、五开关区域时，输入电源驱动负载和给储能电容充电，在第二、四、六开关区域时，储能电容释放能量，驱动负载工作。如此可有效减少输入电源的使用频率，在使用蓄电池、燃料电池或光伏电池等作为输入电源时，降低输入电源的能耗，提高系统的工作效率。

完成上述六个工作区域时，已经执行一次完成的循环，将从第一阶段再次开关下一次循环。

此外，为了达到更好的节省能耗效果，储能电容的电压的变化范围为输入电源的30%—60%之间，其初始能量可由外部电源提前充电。

各功率开关管、第一开关、第二开关可为IGBT或MOSFET等大功率开关器件。

输入电源为蓄电池、燃料电池或光伏电池等新型储能电源。

Claims (6)

1.一种单级逆变器，包括输入电源Uin、第一开关A、第二开关B、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第五功率开关管S5、第六功率开关管S6、第一二极管D1、第二二极管D2、储能电容C，输入电源Uin一端连接第一开关A的一端，第一开关A的另一端连接第一二极管D1的阴极、第一功率开关管S1的一端、第二功率开关管S2的一端、第三功率开关管S3的一端，第二开关B的一端连接第二二极管D2的阳极、第四功率开关管S4的一端、第五功率开关管S5的一端、第六功率开关管S6的一端，第一功率开关管S1的另一端、第二功率开关管S2的另一端、第三功率开关管S3的另一端分别连接第四功率开关管S4的另一端、第五功率开关管S5的另一端、第六功率开关管S6的另一端，且各连接点输出连接三相负载，储能电容C的负极连接第二开关B的另一端和输入电源Uin的另一端，储能电容C的正极连接第一二极管的阳极D1和第二二极管的阴极D2。

2.根据权利要求1所述的单级逆变器，所述储能电容C的电压的变化范围为输入电源的30％—60％。

3.根据权利要求2所述的单级逆变器，所述储能电容C的初始电压由外部电源提供。

4.根据权利要求1所述的单级逆变器，所述输入电源为蓄电池、燃料电池或光伏电池。

5.根据权利要求1所述的单级逆变器，各功率开关管、第一开关、第二开关为IGBT或MOSFET。

6.根据权利要求1所述的单级逆变器，三相负载为电动机或三相电网。