CN104170237A - 用于控制h桥逆变器的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及H桥逆变器和用于控制H桥逆变器的方法。H桥逆变器(1)包括：第一和第二DC端(Tdc1，Tdc2)、第一和第二AC端(Tac1，Tac2)、第一开关(S1)、第二开关(S2)、第三开关(S3)和第四开关(S4)。该逆变器还包括用于控制第一开关、第二开关、第三开关和第四开关(S1，S2，S3，S4)的切换的控制电路。该控制电路被配置为在下面的状态之间以连续模式控制开关(S1，S2，S3，S4)：其中第一开关(S1)被关断，第二开关(S2)执行PWM切换，第三开关(S3)被关断和第四开关(S4)被闭合的第一状态；其中第一开关(S1)被关断，第二开关(S2)执行PWM切换，第三开关(S3)被闭合和第四开关(S4)被关断的第二状态；其中第一开关(S1)被关断，第二开关(S2)被闭合，第三开关(S3)被关断和第四开关(S4)执行PWM切换的第三状态；以及其中第一开关(S1)被闭合，第二开关(S2)被关断，第三开关(S3)被关断和第四开关(S4)执行PWM切换的第四状态。

Description

用于控制H桥逆变器的方法
技术领域
本发明涉及H桥逆变器和控制H桥逆变器的方法。
背景技术
DC-AC转换器通常称为逆变器。一种类型的逆变器称为单相H桥逆变器，包括：图1所示的配置中的两个DC端Tdc1和Tdc2、两个AC端Tac1和Tac2和四个开关S1、S2、S3、S4。在大多数配置中，开关为具有本征二极管的晶体管，或者可使用与开关分开的二极管。在图1中，示出了开关和二极管两者。相应的三相H桥逆变器也是已知的。
控制图1中逆变器的开关的一种常用方法是使用脉宽调制(PWM)切换。这里，由PWM切换控制第一对相对开关(S1和S4)，第二对相对开关(S2和S3)在一个切换周期关断(turned off，断开)，并在下一个切换周期闭合(turn on，接通)。
通常当逆变器被用于转换来自太阳能系统的DC电力并接着将其提供给AC电网时，逆变器可与AC电网连接。这里，由AC电网确定AC频率和电压振幅，并且逆变器控制输出电流。
通常当逆变器被用在用于将来自电池的DC电力转换成负载需要的AC电压的不间断电源(UPS)中时，逆变器还可与AC负载连接。这里，由负载确定电流，并且逆变器控制输出电压。
本发明的目的在于实现可调整AC端的cosφ的同时仍有高效率的逆变器。此外，目的在于调整逆变器与两个方向上的AC侧之间的无功功率的流动(flow)，即，逆变器可消耗或提供无功功率。
发明内容
本发明涉及一种H桥逆变器，其中，该H桥逆变器包括：
-第一DC端(terminal)和第二DC端；
-第一AC端和第二AC端；
-连接在第一DC端和第一AC端之间的第一开关；
-连接在第一AC端和第二DC端之间的第二开关；
-连接在第一DC端和第二AC端之间的第三开关；
-连接在第二AC端和第二DC端之间的第四开关；
-用于控制第一、第二、第三和第四开关切换的控制电路；
其中，第一、第二、第三和第四开关包括反向并联二极管或与反向并联二极管并联；其特征在于，控制电路被配置为在下面状态之间以连续模式控制开关：
-其中第一开关被关断，第二开关执行PWM切换，第三开关被关断和第四开关被闭合的第一状态；
-其中第一开关被关断，第二开关执行PWM切换，第三开关被闭合和第四开关被关断的第二状态；
-其中第一开关被关断，第二开关被闭合，第三开关被关断和第四开关执行PWM切换的第三状态；
-其中第一开关被闭合，第二开关被关断，第三开关被关断和第四开关执行PWM切换的第四状态。
在本发明的一个方面，当检测到AC电流相对AC电压相位超前时，控制电路被配置为在第一状态、第二状态、第三状态、第四状态然后第一状态之中依次控制开关。
在本发明的一个方面，当检测到AC电流相对于AC电压相位滞后时，控制电路被配置成在第三状态、第二状态、第一状态、第四状态，然后第三状态之中依次控制开关。
在本发明的一个方面，逆变器为单相H桥逆变器。
本发明还涉及一种用于控制H桥逆变器的方法，其中，H桥逆变器包括：
-第一DC端和第二DC端；
-第一AC端和第二AC端；
-连接在第一DC端和第一AC端之间的第一开关；
-连接在第一AC端和第二DC端之间的第二开关；
-连接在第一DC端和第二AC端之间的第三开关；
-连接在第二AC端和第二DC端之间的第四开关；
方法包括下面的步骤：
-在第一时间周期，关断第一开关，通过第二开关执行PWM切换，关断第三开关并且闭合第四开关；
-在第二时间周期，关断第一开关，通过第二开关执行PWM切换，闭合第三开关并且关断第四开关；
-在第三时间周期，关断第一开关，闭合第二开关，关断第三开关并且通过第四开关进行PWM切换；
-在第四时间周期，闭合第一开关，关断第二开关，关断第三开关并且通过第四开关进行PWM切换。
附图说明
下面将结合附图对本发明的实施方式进行详细描述，其中，
图1示出了现有技术的单相H桥逆变器；
图2a示出了根据本发明的单相H桥逆变器中开关的不同状态，其中，逆变器与AC电网连接；
图2b示出了图2a的简化图；
图3a示出了在向AC电网提供感性无功功率(inductive reactivepower)的情况下图2a的单相H桥逆变器的不同状态的电压和电流；
图3b、图3c、图3d和图3e示出了针对图3a的电压和电流的单相H桥逆变器的不同状态；
图4a示出了在向AC电网提供容性无功功率(capacitive reactivepower)的情况下图2a的单相H桥逆变器的不同状态的电压和电流；
图4b、图4c、图4d和图4e示出了针对图4a的电压和电流的单相H桥逆变器的不同状态。
具体实施方式
现在参照示出H桥逆变器1的图2a。H桥逆变器1包括：第一DC端Tdc1和第二DC端Tdc2以及第一AC端Tac1和第二AC端Tac2。在图2a中，AC侧为设置在AC端Tac1和Tac2之间的由电压源v表示的AC电源和电感器。箭头也指示电流i。图2a的逆变器的典型应用是将来自诸如太阳能电池系统的DC电力转化成AC电力。这里，由AC电网确定AC频率和电压振幅，并且逆变器控制输出电流，即，电流振幅和关于电压的电流相位移。
如以上介绍所提及，负载也可以连接在AC端Tac1和Tac2之间。这样，逆变器的典型应用将是不间断电源(UPS)的逆变器，其中，来自电池的DC电力被转换成负载的预定频率和振幅(通常在50Hz的230V AC)的AC电力，其中由负载确定电流。负载可以是计算机服务器、电信设备等。
H桥逆变器1包括四个开关S1、S2、S3和S4。第一开关S1连接在第一DC端Tdc1和第一AC端Tac1之间。第二开关S2连接在第一AC端Tac1和第二DC端Tdc2之间。第三开关S3连接在第一DC端Tdc1和第二AC端Tac2之间。第四开关S4连接在第二AC端Tac2和第二DC端Tdc2之间。
第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4各自包括反向并联的二极管或者与反向并联的二极管并联。
H桥逆变器1进一步可包括连接在第一DC输入端Tdc1和第二DC输入端Tdc2之间的电容器C。
H桥逆变器1进一步包括用于控制第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3和第四开关S4的切换的控制电路(未示出)。
在图2a中，示出了切换周期中开关的不同状态。第一开关S1关断，但是第一开关S1的反向并联二极管导通。第二开关S2正执行脉宽调制(PWM)切换。第三开关S3闭合。第四开关S4关断，且第四开关的反向并联二极管未导通。
图2b示出了图2a的简化图，移除了第一开关S1和第二开关S2的非活跃(non-active)部分(图2a中灰色表示)，导通的第三开关S3被导体替代，移除了未导通的第四开关S4。在图3a到图3e和图4a到图4e中，状态如图2b所示。
实施例1：向AC电网提供感性无功功率的逆变器
现在参照图3a。这里，表示电压v和电流i的曲线沿着水平时间轴绘制。如图所示，电流相对电压相位超前。此外，图3a中的曲线示出H桥逆变器的连续操作模式。连续操作模式为典型的操作模式。
图3a中，字母Q表示的区域指示其中向AC电源提供无功功率的切换周期T的时间。字母P表示的区域指示其中向AC电源提供有功功率的切换周期T的时间。
如图4b到图4e所示，控制电路被配置成在下面的状态1到4之间以连续模式来控制开关：
1)第一状态(图3b)，其中第一开关S1被关断，第二开关S2执行PWM切换，第三开关S3被关断并且第四开关S4被闭合。这里，第一开关S1的反向并联二极管导通。这里，向AC电源(AC mains)提供无功功率。
2)第二状态(图3c)，其中第一开关S1被关断，第二开关S2执行PWM切换，第三开关S3被闭合并且第四开关S4被关断。这里，第一开关S1的反向并联二极管导通。这里，向AC电源提供有功功率。
3)第三状态(图3d)，其中第一开关S1被关断，第二开关S2被闭合，第三开关S3被关断并且第四开关S4执行PWM切换。这里，第三开关S3的反向并联二极管导通。这里，向AC电源提供无功功率。
4)第四状态(图3e)，其中第一开关S1被闭合，第二开关S2被关断，第三开关S3被关断并且第四开关S4执行PWM切换。这里，第三开关S3的反向并联二极管导通。这里，向AC电源提供有功功率。
在上述实施例中，控制电路被配置成按上述顺序控制开关，即，首先状态1，然后状态2，然后状态3，然后状态4，并且然后再次是状态1。在上述实施例中，向AC电网(AC grid)提供感性无功功率。
应注意的是，H桥逆变器有时必须按照所谓的断续模式来控制，该断续模式在需要传输给AC电源的能量太小使得传输需要的时间小于一个切换周期时执行。应注意的是，本发明涉及控制电路和控制电路被配置成如何以连续模式来控制开关。断续模式来控制H桥逆变器中的开关被视为已为本领域的技术人员所已知。在图3a中提供有功功率的周期P期间，H桥逆变器与降压转换器类似，并且根据本发明的逆变器以与现有技术的降压转换器类似的方法来断续模式控制，比如：如Mohan、Undeland和Robbins所著的“Power Electronics，Converters Application and Design”，第二版，第8-2-1和8-3-2章节，其中参考第7-3章节(降压转换器)。
在图3a中提供无功功率的周期Q期间，H桥逆变器与升压转换器类似，并且根据本发明的逆变器以现有技术的升压转换器类似的方法来断续模式控制，例如：如上述参考文献所描述，第7-4章节(升压转换器)。
因此，间断模式控制H桥逆变器被视为现有技术。
实施例2：向AC电网提供容性无功功率的逆变器
现在参照图4a。同样，表示电压v和电流i的曲线沿着水平时间轴绘制。如图所示，电压相对于电流上相位滞后。如上述实施例，图3a中的曲线示出H桥逆变器的连续操作模式。
如图4b到图4e所示，控制电路被配置成在上述状态1到4以连续模式控制开关。然而，这里控制电路被配置成按不同的顺序在状态1至4之间控制开关，即：首先状态3(图4a)，然后状态2(图4b)，然后状态1(图3d)，然后状态4(图4e)并且然后再次状态3。在上述实施例中，向AC电网提供容性无功功率。
因此，使用相同的电子组件，并且控制电路控制相同状态之间的开关，与实施例1唯一的区别在于，控制电路改变了状态的顺序。
应注意的是，在实施例2中，控制电路可控制断续模式的逆变器。同样，如上所述，对于本领域的技术人员来说这被视为已知。
在现有技术中，在至少两个或多个开关中执行PWM切换，从而提供无功功率。这里，仅利用一个PWM开关控制有功/无功功率，并且以50Hz/60Hz的电网频率控制另一开关。因此，实现了切换损耗的降低。

Claims (5)

1.一种H桥逆变器，其中，所述H桥逆变器(1)包括：
-第一DC端(Tdc1)和第二DC端(Tdc2)；
-第一AC端(Tac1)和第二AC端(Tac2)；
-第一开关(S1)，连接在所述第一DC端(Tdc1)和所述第一AC端(Tac2)之间；
-第二开关(S2)，连接在所述第一AC端(Tac1)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
-第三开关(S3)，连接在所述第一DC端(Tdc1)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
-第四开关(S4)，连接在所述第二AC端(Tac2)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
-控制电路，用于控制所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关(S1，S2，S3，S4)的切换；
其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关和所述第四开关(S1，S2，S3，S4)包括反向并联二极管，或者与反向并联二极管并联；
其特征在于：
所述控制电路被配置为在以下状态之间以连续模式来控制开关(S1，S2，S3，S4)：
-第一状态，其中，所述第一开关(S1)被关断，所述第二开关(S2)执行PWM切换，所述第三开关(S3)被关断并且所述第四开关(S4)被闭合；
-第二状态，其中，所述第一开关(S1)被关断，所述第二开关(S2)执行PWM切换，所述第三开关(S3)被闭合并且所述第四开关(S4)被关断；
-第三状态，其中，所述第一开关(S1)被关断，所述第二开关(S2)被闭合，所述第三开关(S3)被关断并且所述第四开关(S4)执行PWM切换；
-第四状态，其中，所述第一开关(S1)被闭合，所述第二开关(S2)被关断，所述第三开关(S3)被关断并且所述第四开关(S4)执行PWM切换。
2.根据权利要求1所述的H桥逆变器，其中，当检测到AC电流相对AC电压相位超前时，所述控制电路被配置为依次在所述第一状态、所述第二状态、所述第三状态、所述第四状态、然后再次所述第一状态之间控制所述开关(S1，S2，S3，S4)。
3.根据权利要求1或2所述的H桥逆变器，其中，当检测到AC电流相对AC电压相位滞后时，所述控制电路被配置为依次在所述第三状态、所述第二状态、所述第一状态、所述第四状态、然后再次所述第三状态之间控制所述开关(S1，S2，S3，S4)。
4.根据权利要求1到3中的任一项所述的H桥逆变器，其中，所述逆变器是单相H桥逆变器。
5.一种用于控制H桥逆变器的方法，其中，所述H桥逆变器包括：
-第一DC端(Tdc1)和第二DC端(Tdc2)；
-第一AC端(Tac1)和第二AC端(Tac2)；
-第一开关(S1)，连接在所述第一DC端(Tdc1)和所述第一AC端(Tac2)之间；
-第二开关(S2)，连接在所述第一AC端(Tac1)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
-第三开关，连接在所述第一DC端(Tdc1)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
-第四开关(S4)，连接在所述第二AC端(Tac2)和所述第二DC端(Tdc2)之间；
其中，所述方法包括以下步骤：
-在第一时间周期，关断所述第一开关(S1)，通过所述第二开关(S2)执行PWM切换，关断所述第三开关(S3)并且闭合所述第四开关(S4)；
-在第二时间周期，关断所述第一开关(S1)，通过所述第二开关(S2)执行PWM切换，闭合所述第三开关(S3)并且关断所述第四开关(S4)；
-在第三时间周期，关断所述第一开关(S1)，闭合所述第二开关(S2)，关断所述第三开关(S3)并且通过所述第四开关(S4)执行PWM切换；
-在第四时间周期，闭合所述第一开关(S1)，关断所述第二开关(S2)，关断所述第三开关(S3)并且通过所述第四开关(S4)执行PWM切换。
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