CN105471296B - 逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆变电路，包括桥式电路、LC滤波电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，所述桥式电路输出至LC滤波电路，所述的桥式电路的上桥臂或/和下桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管。本发明由于采用上述方案两个逆变桥臂的开关管处于关断状态。在电路回路中至少有两个开关管处于关断状态，因此，第一开关管、第二开关管，第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管的两端电压为至少1/2输入电压，该发明在整个工作过程中，同一桥臂上始终有两个开关管处于关断状态，因此可选用较低电压的开关管以降低损耗，提升产品的性能，降低成本，提升转换效率。

Description

逆变电路

技术领域

本发明属于电子领域，尤其涉及一种电源逆变电路及其控制方式。

背景技术

随着电力电子技术的飞速发展，针对传统电路结构的研究逐渐深入，不断有新的电路结构被提出。电源中的逆变环节采用传统的逆变电路即全桥逆变电路，该电路主要有两种控制方式：第一种为单极性SPWM调制，第二种为双极性SPWM调制。

针对第一种控制方式单极性SPWM调制方式，相对桥臂的两个开关管为一组，其中下桥臂开关管采用SPWM方式驱动，经过滤波环节后产生标准正弦波；上桥臂开关管采用工频信号驱动，主要实现换向功能。交流换向过程中，设置死区时间以确保不会出现上、下桥臂直通，导致产品故障。该种控制方式的缺点在于：1、滤波环节采用单电感结构时，在输出线路上会出现高频噪声，导致产品的EMI很难控制。2、滤波环节采用双电感结构时，电感的利用率很低,降低了产品的转换效率。

针对第二种控制方式双极性SPWM调制方式，4个开关管同时进行高频切换，相对桥臂的两个开关管为一组，采用相同的调制信号进行驱动，另一组开关管的驱动信号与之互补。两组开关管的调制驱动信号开通和关断过程会有死区时间，在死区时间内利用体二极管进行续流。由于开关管导通、关断特性的不一致性以及死区时间的控制电路参数的不一致，可能导致同一桥臂的两个开关管同时导通，进而导致开关管损坏。

发明内容

本发明的目的在于提出一种逆变电路，在实现逆变功能的同时，提升产品的性能，降低成本，改善输出特性，降低共模EMI干扰。

本发明的技术实施方案是：逆变电路，包括桥式电路、LC滤波电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，所述桥式电路输出至LC滤波电路，其特征在于：所述的桥式电路的上桥臂或/和下桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述的桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第三开关管，第一开关管和第二开关管相串联构成第一桥臂，第五开关管和第六开关管串联构成第二桥臂，第七开关管构成第三桥臂，第三开关管构成第四桥臂。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述的桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管相串联构成第一桥臂，第五开关管和第六开关管串联构成第二桥臂，第七开关管和第八开关管相串联构成第三桥臂，第三开关管和第四开关管相串联构成第四桥臂。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述续流电路包括的第一、第二续流二极管，所述第一续流二极管和第二续流二极管分别接至上桥臂相串联的开关管之间的结点及输出端或下桥臂相串联的开关管之间的结点。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述LC滤波电路包括第一电感和第二电感，所述第一电感和第二电感分别连接在交流输出端的零线端和火线端。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述LC滤波电路还包括第一电容，所述第一电感的一端接至正半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容端和负载，第二电感的一端接至负半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容和负载。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述的第一、第四、第五和第八开关管采用金属-氧化物半导体场效应晶体管；所述第二、第三、第六和第七开关管采用绝缘栅双极型晶体管；续流二极管采用快恢复二极管。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述第一和第五开关管的漏极连接在一起与直流输入部分的正极输入端相连，第四和第八开关管开关管源极连接在一起，与直流输入部分的负极输入端相连。

基于上述目的，本发明的进一步改进方案是：所述第二开关管的集电极与第一开关管的源极相接，所述第二开关管的发射极与第三开关管的集电极相连；第三开关管的发射极与第四开关管的漏极连接；第六开关管的集电极与第五开关管的源极相连，第六开关管的发射极与第七开关管的集电极相连；第七开关管的发射极与第八开关管的漏极连接。

有益效果

本发明由于采用上述方案两个逆变桥臂的开关管处于关断状态。在电路回路中至少有两个开关管处于关断状态，因此，第一开关管、第二开关管，第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管以及第八开关管的两端电压为至少1/2输入电压，该发明在整个工作过程中，同一桥臂上始终有两个开关管处于关断状态，因此可选用较低电压的开关管以降低损耗，提升产品的性能，降低成本，提升转换效率。

采用专门的续流二极管实现续流回路，这样开关管本身的寄生二极管并不参与工作，由于寄生二极管本身的特性不好会影响电路的开关与关断输出，影响产品本身输出性能。

采用第一电感和第二电感，滤波环节采用对称结构，包括第一电感、第二电感、第一电容。第一电感的一端连接至第二开关管的发射极；第一电感的另一端连接至输出第一电容的一端，组成LC二阶滤波电路，并接至输出部分。第二电感的一端连接至第六开关管的发射极；第二电感的另一端连接至输出第一电容的一端，组成LC二阶滤波电路，并接至输出部分。在一个正弦输出周期内，第一电感、第二电感与开关管连接端都为高频脉冲信号，有效地降低共模干扰。

第一开关管、第四开关管、第五开关管和第八开关管进行高频开关，其主要损耗为开关损耗，本发明选用金属-氧化物半导体场效应晶体管(简称mosfet)以提升效率；第二开关管、第三开关管、第六开关管和第七开关管进行工频切换与输出同频率，其主要损耗为导通损耗，本发明选用绝缘栅双极型晶体管(简称IGBT)以提升效率。

附图说明：

图1为本发明实施例一电路原理图；

图2为本发明实施例一电路正半周导通状态电流流向示意图；

图3为本发明实施例一电路正半周关断状态续流示意图；

图4为本发明实施例一电路负半周导通状态电流流向示意图；

图5为本发明实施例一电路负半周关断状态续流示意图；

图6为本发明实施例一电路工作时序示意图；

图7为本发明实施例电路框图；

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案的原理及优点更加清晰，以下结合附图及具体实施方案，对本发明进行进一步详细说明。在本实施方式中，所描述的具体实施方案仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

如图7所示，一种高性能的逆变电路，该逆变电路包括直流模块、交流逆变模块、滤波电路、交流输出、控制模块、侦测模块。其中：控制模块产生SPWM信号，用以控制开关管进行能量转换。所述的交流逆变模块包括桥式电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，它们具有四个高频开关管、四个工频开关管、两个续流二极管。所述的四个高频开关管形成SPWM高频脉冲信号，即由第一开关管S1、第四开关管S4、第五开关管S5、第八开关管S8组成的高频调制正弦波产生环节；经过滤波电路后产生标准正弦波输出；所述的四个工频开关管主要与两个续流二极管主要是形成钳位及续流回路，即由第二开关管S2、第三开关管S3、第六开关管S6、第七开关管S7及续流电路组成的换向、续流环节，保证在高频开关管在关断时，逆变环节的续流回路最短，提升电路的转换效率；交流逆变模块和滤波电路采用对称式结构，可降低电路中开关管的电压，进而采用低压大电流的开关管，进一步提升效率，相比于传统的H4电路结构不增加成本；采用对称式逆变电路结构，提升电感的利用率的同时，改善逆变环节的电磁兼容特性能。滤波环节采用对称式结构，改善了输出侧的共模干扰。

其中所述具体电路结构如下：逆变电路包括桥式电路、LC滤波电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，所述桥式电路输出至LC滤波电路，所述的桥式电路的上桥臂和下桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管。其中所述的桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管相串联构成第一桥臂，第五开关管和第六开关管串联构成第二桥臂，第七开关管和第八开关管相串联构成第三桥臂，第三开关管和第四开关管相串联构成第四桥臂。所述续流电路包括的第一、第二续流二极管，所述第一续流二极管和第二续流二极管分别接至上桥臂相串联的开关管之间的结点及下桥臂相串联的开关管之间的结点。所有开关管的寄生二极管皆不参与电路工作。所述LC滤波电路包括第一电感、第二电感和第一电容，所述第一电感和第二电感分别连接在交流输出端的零线端和火线端。本实施例所述第一电感的一端接至正半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容端和负载；第二电感的一端接至负半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容和负载。其中第一开关管S1、第八开关管S8与第二开关管S2、第七开关管S7构成一组，进行交流输出的半波控制；第四开关管S4、第五开关管S5与第三开关管S3、第六开关管S6构成一组，进行交流输出的半波控制，同时与第一续流二极管D1、第二续流二极管D2构成续流回路，为滤波电感L1和滤波电感L2提供高频开关管关断时的电流回路。其中所述的第一、第四、第五和第八开关管采用金属-氧化物半导体场效应晶体管；它们可选用N沟道型场效应管，所述第二、第三、第六和第七开关管采用绝缘栅双极型晶体管；它们可选用N沟道绝缘栅双极型晶体管，续流二极管采用快恢复二极管。所述第一和第五开关管的漏极连接在一起与直流输入部分的正极输入端相连，第四和第八开关管源极连接在一起，与直流输入部分的负极输入端相连。所述第二开关管的集电极与第一开关管的源极相接，所述第二开关管的发射极与第三开关管的集电极相连；第三开关管的发射极与第四开关管的漏极连接；第六开关管的集电极与第五开关管的源极相连，第六开关管的发射极与第七开关管的集电极相连；第七开关管的发射极与第八开关管的漏极连接。本发明具体工作原理如下：针对本发明的实施例，按照逆变输出波形的周期将逆变模块的工作状态分为正半周和负半周。

正半周时电路中处于工作状态的元器件包括第一、第二、第七、第八开关管S1、S2、S7、S8，第一续流二极管D1，第一电感L1，第二电感L2，第一电容C1；其余开关管处于关断状态。其中第一开关管S1、第八开关管S8处于高频调制工作状态；第二开关管S2、第七开关管S7处于持续导通状态。当第一开关管S1、第二开关管S2、第七开关管S7、第八开关管S8皆处于导通状态时，逆变模块经过滤波环节对外提供能量，能量流向见图2，电流依次流过第一开关管S1，第二开关管S2，第一电感L1，第一电容C1和负载，第二电感L2，第七开关管S7，最后经由第八开关管S8流至电源负极。此时第一电感L1、第二电感L2处于滤波状态；当第一开关管S1、第八开关管S8处于关断状态时，第二开关管S2、第七开关管S7与第一续流二极管D1为第一电感L1、第二电感L2提供续流回路，保证电路的正常工作，能量流向见图3，此时第一开关管S1和第八开关管S8关断；电流通过第一电感L1，第一电容C1和负载，第二电感L2，第七开关管S7，第一续流二极管D1，最后经由第二开关管S2流回第一电感L1。此时第一电感L1、第二电感L2处于续流状态。

负半周时电路中处于工作状态的元器件包括第三、第四、第五、第六开关管S3、S4、S5、S6，第二续流二极管D2，第一电感L1，第二电感L2，第一电容C1；其余开关管处于关断状态。其中第四开关管S4、第五开关管S5处于高频调制工作状态；第三开关管S3、第六开关管S6处于持续导通状态。当第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6皆处于导通状态时，逆变模块经过滤波环节对外提供能量，能量流向见图4，电流依次流过第五开关管S5，第六开关管S6，第二电感L2，第一电容C1和负载，第一电感L1，第三开关管S3，最后由第四开关管S4流至电源负极。此时第一电感L1、第二电感L2处于滤波状态；当第四开关管S4、第五开关管S5处于关断状态时，第三开关管S3、第六开关管S6与第二续流二极管D2为第一电感L1、第二电感L2提供续流回路，保证电路的正常工作，能量流向见图5，此时第四开关管S4和第五开关管S5关断；电流通过第二电感L2，第一电容C1和负载，第一电感L1，第三开关管S3，第二续流二极管D2最后经由第六开关管S6流回第二电感L2。此时第一电感L1、第二电感L2处于续流状态。如图6所示，为电路的各个开关管的开关时序示意图，其中包含开关管的驱动波形示意图和输出电压波形示意图。

在本发明中，第一开关管S1、第二开关管S2，第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7以及第八开关管S8的两端电压为1/2输入电压，从而可以选用更低电压的开关管，提升产品的性能，降低成本。

实施例二：

与实施例一不同之处在于：逆变电路包括桥式电路、LC滤波电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，所述桥式电路输出至LC滤波电路，所述的桥式电路的上桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管。所述的桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管和第三开关管，第一开关管和第二开关管相串联构成第一桥臂，第五开关管和第六开关管相串联构成第二桥臂，第七开关管构成第三桥臂，第三开关管构成第四桥臂。所述续流电路包括的第一、第二续流二极管，所述第一续流二极管和第二续流二极管分别接至上桥臂相串联的开关管之间的结点与输出端。

实施例三：

所述下桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管。所述的桥式电路包括第二开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三开关管和第四开关管，第二开关管构成第一桥臂，第六开关管构成第二桥臂，第八开关管与第七开关管相串联构成第三桥臂，第四开关管与第三开关管相串联构成第四桥臂。所述续流电路包括的第一、第二续流二极管，所述第一续流二极管和第二续流二极管分别接至上桥臂的输入端与下桥臂相串联的开关管之间的结点。

实施例四：

与实施例二不同之处在于，所述的续流电路包括第一续流二极管和第二续流二极管，所述第一、第二续流二极管分别接至第第三开关管和第七开关管的漏极与源极之间。另外，所述的所述第一续流二极管还可以分别接至相串联的第一开关管和第二开关管的漏极与源极之间。第二续流二极管还可以分别接至相串联的第五、第六开关管的漏极与源极之间。

实施例五：

与实施例三不同之处在于，所述的续流电路包括第一续流二极管和第二续流二极管，所述第一、第二续流二极管分别接至第第二开关管和第八开关管的漏极与源极之间。另外，所述的所述第一续流二极管还可以分别接至相串联的第三开关管和第四开关管的漏极与源极之间。第二续流二极管还可以分别接至相串联的第七、第八开关管的漏极与源极之间。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.逆变电路，包括桥式电路、LC滤波电路和与桥式电路共同构成续流回路使LC滤波电路续流的续流电路，所述桥式电路输出至LC滤波电路，其特征在于：所述的桥式电路的上桥臂和下桥臂的相邻两个桥臂上还分别串接了开关管；所述的桥式电路包括第一开关管、第二开关管、第五开关管、第六开关管、第七开关管、第八开关管、第三开关管和第四开关管，第一开关管和第二开关管相串联构成第一桥臂，第五开关管和第六开关管串联构成第二桥臂，第七开关管和第八开关管相串联构成第三桥臂，第三开关管和第四开关管相串联构成第四桥臂；其中第一开关管、第八开关管与第二开关管、第七开关管构成一组，进行交流输出的半波控制；第四开关管、第五开关管与第三开关管、第六开关管构成一组，进行交流输出的半波控制；所述续流电路包括的第一、第二续流二极管，所述第一续流二极管和第二续流二极管分别接至上桥臂相串联的开关管之间的结点及下桥臂相串联的开关管之间的结点；所述LC滤波电路包括第一电感、第二电感和第一电容，所述第一电感和第二电感分别连接在交流输出端的零线端和火线端；所述第一电感的一端接至正半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容端和负载，第二电感的一端接至负半周桥臂输出端，另一端分别接至第一电容和负载；当第一开关管、第八开关管处于关断状态时，第二开关管、第七开关管与第一续流二极管为第一电感、第二电感提供续流回路；当第四开关管、第五开关管处于关断状态时，第三开关管、第六开关管与第二续流二极管为第一电感、第二电感提供续流回路；所述的第一、第四、第五和第八开关管采用金属-氧化物半导体场效应晶体管,且采用高频信号驱动；所述第二、第三、第六和第七开关管采用绝缘栅双极型晶体管,且采用工频信号驱动；其中，续流二极管采用快恢复二极管，所述第一和第五开关管的漏极连接在一起与直流输入部分的正极输入端相连，第四和第八开关管开关管源极连接在一起，与直流输入部分的负极输入端相连；所述第二开关管的集电极与第一开关管的源极相接，所述第二开关管的发射极与第三开关管的集电极相连；第三开关管的发射极与第四开关管的漏极连接；第六开关管的集电极与第五开关管的源极相连，第六开关管的发射极与第七开关管的集电极相连；第七开关管的发射极与第八开关管的漏极连接；按照逆变输出波形的周期将逆变电路的工作状态分为正半周和负半周；正半周时逆变电路中处于工作状态的元器件包括第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管，第一续流二极管，第一电感，第二电感，第一电容；其余开关管处于关断状态；其中第一开关管、第八开关管处于高频调制工作状态；第二开关管、第七开关管处于持续导通状态；当第一开关管、第二开关管、第七开关管、第八开关管皆处于导通状态时，逆变电路通过LC滤波电路对外提供能量，此时第一电感、第二电感处于滤波状态；当第一开关管、第八开关管处于关断状态时，第二开关管、第七开关管与第一续流二极管为第一电感、第二电感提供续流回路，保证电路的正常工作，此时第一电感、第二电感处于续流状态；负半周时电路中处于工作状态的元器件包括第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管，第二续流二极管，第一电感，第二电感，第一电容；其余开关管处于关断状态；其中第四开关管、第五开关管处于高频调制工作状态；第三开关管、第六开关管处于持续导通状态；当第三开关管、第四开关管、第五开关管、第六开关管皆处于导通状态时，逆变电路通过LC滤波电路对外提供能量，此时第一电感、第二电感处于滤波状态；当第四开关管、第五开关管处于关断状态时，第三开关管、第六开关管与第二续流二极管为第一电感、第二电感提供续流回路，保证电路的正常工作，此时第一电感、第二电感处于续流状态。