CN108736752A

CN108736752A - 一种逆变器

Info

Publication number: CN108736752A
Application number: CN201710277928.8A
Authority: CN
Inventors: 周友; 冀晓帆; 吴峂
Original assignee: Shenhua Group Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Current assignee: Shenhua Group Corp Ltd; National Institute of Clean and Low Carbon Energy
Priority date: 2017-04-25
Filing date: 2017-04-25
Publication date: 2018-11-02

Abstract

本申请公开了一种逆变器，该逆变器包含的器件焊接在电路板上，该逆变器包含第一滤波电路、逆变电路以及第二滤波电路，第一滤波电路滤除直流电中包含的电压纹波，并将滤除电压纹波的直流电输入至逆变电路，逆变电路包含T型三电平电路以及电平变换电路，T型三电平电路将直流电变换为直流三电平，电平变换电路结合T型三电平电路将直流三电平变换为交流三电平；第二滤波电路滤除交流电中包含的高次谐波。相对于现有技术而言，本申请实施例通过结构简单的电平变换电路结合T型三电平电路将直流三电平变换为交流三电平，从而驱动负载，这样，通过简化逆变器的电路结构，可以减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。

Description

一种逆变器

技术领域

本申请涉及电力电子领域，尤其涉及一种逆变器。

背景技术

直流-交流(英文名称：Direct Current-Alternating Current，简称DC-AC)逆变器(以下简称逆变器)是一种可以将直流电转换为交流电的装置。通常，逆变器内部可以包含用于滤除直流侧纹波的第一滤波电路、用于将直流电变换为交流电的逆变电路以及用于滤除输出的交流电中包含的高次谐波的第二滤波电路，这样，在逆变器的直流侧施加直流电后，逆变器可以将直流电变换为交流电，进而为不同的用电装置提供交流电源。

基于上述逆变器的功能，逆变器被广泛用于各种电器中，例如，在空调中，使用逆变器可以实现对空调的变频；在电动汽车中，逆变器可以将电动汽车内部电池的电能驱动电机，等。

逆变器的功率密度指的是逆变器的最大输出功率与逆变器的体积的比值，是衡量逆变器工作性能的重要指标。近年来，随着对电器小型化和智能化要求的提高，针对电器中的逆变器而言，在对逆变器功率需求相同的情况下，要求逆变器的体积较小，功率密度较大。这样，在逆变器体积较小的情况下，可以满足对电器小型化和智能化的要求。

然而，在实际应用中，由于逆变器包含的各部分电路的电路结构较为复杂，且电路中的器件所占的体积较大，使得现有的逆变器的体积往往比较大，在逆变器功率一定的情况下，逆变器的功率密度比较低。

发明内容

本申请实施例提供一种逆变器，用于解决现有技术中存在的由于逆变器的电路结构复杂，导致的逆变器的体积较大、逆变器的功率密度较低的问题。

本申请实施例提供一种逆变器，用于将直流电变换为交流电，其特征在于，所述逆变器包含的器件焊接在电路板上，所述逆变器包含第一滤波电路、逆变电路以及第二滤波电路，其中：

所述直流电输入至所述第一滤波电路，所述第一滤波电路用于滤除所述直流电中包含的电压纹波，并将滤除电压纹波的所述直流电输入至所述逆变电路；

所述逆变电路包含T型三电平电路以及电平变换电路，所述T型三电平电路用于将滤除电压纹波的所述直流电变换为直流三电平，所述电平变换电路用于结合所述T型三电平电路将所述直流三电平变换为交流三电平，并得到交流电；

所述第二滤波电路用于滤除所述交流电中包含的高次谐波。

本申请实施例的有益效果：

本申请实施例提供的逆变器，用于将直流电变换为交流电，其中的逆变电路包含T型三电平电路以及电平变换电路，T型三电平电路用于将直流电变换为直流三电平，电平变换电路结合T型三电平电路将直流三电平变换为交流三电平。这样，通过结构简单的电平变换电路结合T型三电平电路将直流三电平变换为交流三电平，从而驱动负载，相对于现有技术而言，可以简化逆变器的电路结构，减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种逆变器的电路结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种逆变器中的逆变电路的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种逆变器的第一滤波电路的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种逆变器的电路结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种逆变器输出交流信号的仿真拓扑图。

具体实施方式

逆变器是一种将直流电变换为交流电的装置，被广泛应用于各种电器中。随着对电器小型化和智能化的要求的不断提高，要求逆变器的体积较小，功率密度较大。然而，在现有技术中，由于逆变器的电路结构比较复杂，且电路中的器件所占的体积较大，使得现有的逆变器的体积往往较大，功率密度较小。

例如，用于滤除直流侧纹波的直流母线电容的容量较大，电容的容量大意味着电容的体积较大；逆变器中需要包含两组逆变电路构成用于驱动负载的电压差，两组逆变电路使得逆变器的体积较大；逆变器中采用的传统开关器件，由于其工作在高频开关状态下时导通损耗较高，导致其在工作过程中的温度不断升高，甚至高于正常的工作温度，为了使开关器件维持在正常的工作温度，需要单独采用散热器等散热装置对其进行散热，而散热器等散热装置会导致逆变器的体积较大，功率密度较低，等等。

本申请实施例提供的逆变器，一方面采用新的拓扑结构，通过简化逆变器中的电路结构，可以大幅度的减小逆变器的体积，增加逆变器的功率密度；另一方面采用新的宽带隙半导体功率器件作为开关器件，宽带隙半导体功率器件具有功率密度高，发热少、能量损耗小的特点，使得逆变器中无需使用散热装置，进而解决现有技术中存在的逆变器的体积较大、功率密度较低的问题。除此之外，由于逆变器中无需使用散热装置，使得逆变器基于全电路板的设计成为可能。

下面结合本申请具体实施例及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请实施例提供的逆变器可以是单相逆变器，用于将直流电变换为单相的交流电，其中，所述直流电可以是直流电压，所述单相的交流电可以是单相的交流电压。相对于现有技术而言，本申请实施例提供的逆变器的体积相对较小，在逆变器输出功率一定的情况下，逆变器的功率密度较高。

本申请实施例中，所述逆变器中包含的器件均焊接在电路板上，也就是说，本申请实施例的逆变器是基于全电路板设计得到，这样，不仅可以减少逆变器内部寄生参数、提升逆变器抗电磁干扰能力、降低系统故障率、提高系统可靠性，而且，基于全电路板设计的逆变器更加易于工业化大批量的流水线生产。

本申请实施例中，所述第一控制器根据第一预设控制算法生成所述第一控制信号，所述第二控制器根据第二预设控制算法生成所述第二控制信号，所述第三控制器根据第三预设控制算法生成所述第三控制信号。

由于所述第一控制信号控制所述T型三电平电路中的开关管，所述第二控制信号控制所述电平变换电路中的开关管，且所述电平变换电路与所述T型三电平电路结合将直流三电平变换为交流三电平，因此，本申请实施例中所述第一控制信号与所述第二控制信号相关联。在实际应用中，为了得到相关联的所述第一控制信号以及所述第二控制信号，可以令所述第一预设控制算法以及所述第二预设控制算法均采用相同的控制策略(例如均使用比例谐振控制策略)，并同时由所述第一预设控制算法以及所述第二预设控制算法分别计算得到所述第一控制信号以及所述第二控制信号，其中，可以根据所述第一控制信号以及所述第二控制信号对开关管进行控制的目的，对所述第一预设控制算法以及所述第二预设控制算法中包含的参数和/或公式进行调整。

所述第三控制信号用于控制所述第一滤波电路中的开关管，在实际应用中，生成所述第三控制信号的所述第三预设控制算法可以具有与所述第一预设控制算法以及所述第二预设控制算法相同的控制策略(例如比例谐振控制策略)，在根据所述第三预设控制算法生成所述第三控制信号时，可以根据所述第三控制信号对开关管进行控制的目的，对所述第三预设控制算法中包含的参数和/或公式进行调整。

针对所述第一控制信号、所述第二控制信号以及所述第三控制信号，由于其控制的开关管的个数均大于1，因此，针对其中任一个控制信号而言，其可以包含多路不同的信号，该多路不同的信号之间相互关联，并分别控制不同的开关管。例如，针对所述第一控制信号，可以包含四路不同的信号，该四路不同的信号之间相互关联，每一路信号可以分别控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管的开启与关闭，共同实现将直流电变换为直流三电平。

本申请实施例中所述第一控制器、所述第二控制器以及所述第三控制器可以是同一个控制器(例如单片机)，也可以是不同的控制器，这里不做具体限定。作为一种优选地方式，所述第一控制器、所述第二控制器以及所述第三控制器为同一个控制器。

以下结合附图，详细说明本申请各实施例提供的技术方案。

实施例1

图1为本申请实施例提供的一种逆变器的电路结构示意图。所述逆变器的电路如下所述。

如图1所示，所述逆变器包含第一滤波电路11、逆变电路12以及第二滤波电路13，在第一滤波电路11的输入端加载直流电，所述第一滤波电路11用于滤除所述直流电中包含的电压纹波，并将滤除电压纹波的所述直流电输入至逆变电路12，逆变电路12用于将所述直流电变换为交流电，并将所述交流电输入至第二滤波电路13，第二滤波电路13用于滤除所述交流电中包含的高次谐波。

在本申请实施例中，逆变电路12可以包含两部分电路，一部分电路为T型三电平电路121，另一部分电路为电平变换电路122。

如图1所示，T型三电平电路121的输入端与第一滤波电路11相连，用于将滤除电压纹波的所述直流电变换为直流三电平，电平变换电路122用于结合T型三电平电路将所述直流三电平变换为交流三电平，并将所述交流三电平输入至第二滤波电路13。

在现有技术中，一组T型三电平电路输出的直流电平仅能构成一个电势，由于需要两个电势之间形成电压差才可以驱动负载，因此，一组T型三电平电路不能正常驱动负载，也就是说，现有技术中需要两组T型三电平电路才能实现负载的驱动，这样，由于现有的逆变器中包含两组T型三电平电路，使得现有的逆变器的体积较大，功率密度较低。

本申请实施例相比于现有技术而言，在T型三电平电路121的输出端连接电平变换电路122，电平变换电路122可以结合T型三电平电路121将直流三电平变换为交流三电平，进而实现负载的驱动，这样，可以简化逆变器的电路结构，减小逆变器的体积，进而提高逆变器的功率密度。

实施例2

图2为本申请实施例提供的一种逆变器中的逆变电路的结构示意图。所述逆变电路如下所述。

如图2所示，逆变电路包含T型三电平电路以及电平变换电路，其中，所述T型三电平电路包含第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第一电容C1以及第二电容C2，所述电平变换电路包含第五开关管S5以及第六开关管S6。

第一电容C1的正极与所述直流电的正极相连(直流电未在图2中示出，可参见图1)，负极与第二电容C2的正极相连，第二电容C2的负极与所述直流电的负极相连。

第一开关管S1的集电极与第一电容C1的负极相连，第一开关管S1的发射极与第二开关管S2的发射极相连，第二开关管S2的集电极分别与第三开关管S3的发射极以及第四开关管S4的集电极相连，第三开关管S3的集电极分别与第一电容C1的正极以及第五开关管S5的集电极相连，第四开关管S4的发射极分别与第二电容C2的负极以及第六开关管S6的发射极相连，第五开关管S5的发射极与第六开关管S6的集电极相连。

本申请实施例中，第一电容C1的正极以及第二电容C2的负极两端的电压为所述直流电的输出电压，第一电容C1以及第二电容C2可以是直流电容。作为一种优选地方式，第一电容C1与第二电容C2的容值可以相等，这样，第一电容C1两端的电压差为所述直流电的输出电压的一半，第二电容C2两端的电压差为所述直流电的输出电压的一半，图2中A点的电压为直流电输出的电压的一半。

在实际应用中，为了减小第一电容C1以及第二电容C2的体积，第一电容C1以及第二电容C2可以采用铝电解电容，使得第一电容C1以及第二电容C2可以具有较高的电容值，并且安全性和可靠性都比较高。

在逆变器的工作过程中，所述T型三电平电路可以与第一控制器相连(图2中未示出)，所述第一控制器可以生成第一控制信号。具体地，所述第一控制信号可以由所述第一控制器基于第一预设控制算法确定得到，所述第一预设控制算法可以是比例谐振控制算法(简称PR控制算法)，所述第一控制信号可以是脉宽调制信号。

所述第一控制信号可以控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4的开启与关闭。在所述逆变器的工作过程中，所述第一控制器在设定的控制周期内发出控制命令，所述第一控制信号根据控制命令在每个控制周期，控制一次第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4的开启与关闭，实现将所述直流电输出的直流电压变换为直流三电平。

图2所示的T型三电平电路的工作原理如下所述：

所述第一控制信号控制第三开关管S3开启，控制第一开关管S1、第二开关管S2以及第四开关管S4关闭时，图2中的B点输出的电压为直流母线正极的电压；

所述第一控制信号控制第四开关管S4开启，控制第一开关管S1、第二开关管S2以及第三开关管S3关闭时，图2中的B点输出的电压为直流母线负极的电压；

所述第一控制信号控制第一开关管S1以及第二开关管S2开启，控制第三开关管S3以及第四开关管S4关闭时，图2中的B点输出的电压为直流母线的正极电压与负极电压的中点电位。

这样，图2中B点输出的电压为直流三电平。

所述电平变换电路可以与第二控制器相连(图2中未示出)，所述第二控制器可以生成第二控制信号。具体地，所述第二控制信号可以由所述第二控制器基于第二预设控制算法确定得到，所述第二预设控制算法可以是比例谐振控制算法(简称PR控制算法)，所述第二控制信号可以是脉宽调制信号。

需要说明的是，所述第二控制器可以与所述第一控制器为相同的控制器，也可以与所述第一控制器为不同的控制器。所述第二控制信号与所述第一控制信号相关联。

在所述逆变器工作的过程中，所述第二控制信号可以控制第五开关管S5以及第六开关管S6的开启与关闭。具体地，所述第二控制器在每个工频周期内发出控制命令，所述第二控制信号根据控制命令在每个工频周期，根据控制算法，结合所述第一控制信号，控制第五开关管S5以及第六开关管S6分别开启、关闭一次。

需要说明的是，由于所述第一控制信号与所述第二控制信号相关联，因此，所述第二控制信号可以与所述第一控制信号保持相对的同步特性，在所述第一控制信号控制第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4的开启或关闭时，所述第二控制信号可以控制第五开关管S5以及第六开关管S6的开启或关闭，并将直流三电平变换为交流三电平。

需要说明的是，由于所述第一控制信号控制开关管S1、S2、S3以及S4开启或关闭的频率是设定的开关周期，所述第二控制信号控制开关管S5以及S6开启或关闭的频率是工频周期，所述开关周期远高于所述工频周期，因此，在开关管S1、S2、S3以及S4的开启或关闭的频率远高于开关管S5以及S6开启或关闭的频率，开关管S5以及S6的开关损耗较小。

图2所示的电平变换电路的工作原理如下所述：

所述第二控制信号控制开关管S5开启，开关管S6关闭时，图2所示的C点输出电位为直流端高电平；

所述第二控制信号控制开关管S6开启，开关管S5关闭时，图2所示的C点输出电位为直流端低电平。

这样，由于C点在不同时间输出高电平和低电平，使得C点输出的为交流电平。

图2所示的B点和C点之间输出的为交流三电平，分别为零电压，正A点电压，正P点与N点(参见图2)之间的电压差，负A点电压，负P点与N点之间的电压差，通过对输出的交流三电平进行控制，可以使得所述交流三电平提供的交流电压的频率是50Hz，有效值是220V(在实际应用中，还可以根据实际需要控制得到不同频率以及不同有效值的交流电压，这里不做具体限定)。

需要说明的是，本申请实施例中，作为一种优选地方式，在所述逆变器工作的过程中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3以及第四开关管S4的开关频率为高频频率，远大于工频频率，第五开关管S5和第六开关管S6的开关频率等于所述工频频率。

这样，一方面，在第一开关管S1和第二开关管S2共发射极连接的情况下，可以保证所述T型三电平电路输出波形的高质量，所述T型三电平电路包含的四个开关管的开关动作次数少，另一方面，可以大幅度降低第五开关管S5和第六开关管S6的开关损耗。

在本申请实施例中，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4均为宽带隙半导体开关，第五开关管S5和第六开关管S6可以是宽带隙半导体开关，也可以普通开关，第五开关管S5和第六开关管S6的开关频率等于工频频率，即每工频周期开启、关闭各一次。

宽带隙半导体开关具有功率密度小，发热少、开关损耗小一级导通电阻值低的特性，选用宽带隙半导体开关可以大大减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。本申请实施例中，所述宽带隙半导体开关可以是N沟道增强型碳化硅开关器件，也可以是氮化镓开关器件，还可以是其他宽带隙半导体开关，这里不做具体限定，作为一种优选地方式，所述宽带隙半导体开关为N沟道增强型碳化硅开关器件。

N沟道增强型碳化硅开关器件是新一代的基于高电压高频率高工作温度特性的宽带隙半导体材料器件，采用碳化硅开关器件的逆变器，相对于现有技术而言，可以去掉现有技术中复杂的风扇、散热板等构成的散热装置，不仅使得所述逆变器可以基于全电路板设计成为可能，并且可以极大减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。

在本申请的另一实施例中，作为一种优选地方式，所述逆变器中的所述第一滤波电路包含纹波抑制电路，所述纹波抑制电路用于生成补偿电压，所述补偿电压用于补偿所述直流电中包含的电压纹波，所述补偿电压的幅值与所述电压纹波的幅值相同，所述补偿电压的相位与所述电压纹波的相位相反。

需要说明的是，在实际应用中，所述直流电输出的直流电压通常包含电压纹波，在逆变器工作时，通常需要滤除所述电压纹波。在现有技术中，通常使用由电容和电感组成的滤波电路(可以是有源滤波的方式，也可以是无源滤波的方式)滤除所述电压纹波，这种滤波电路的方式完全需要电路中的电容消除逆变器输出的两倍工频的电压纹波，并且电感的体积与产生电压纹波的电流纹波大小成正比，因此，现有的滤波电路的滤波方式容易导致电路中电容和电感的重量大、发热多，进而使得逆变器的体积较大，功率密度较低。

本申请实施例提供逆变器中的所述第一滤波电路，可以包含纹波抑制电路，其中，所述纹波抑制电路可以生成与所述电压纹波相反的补偿电压，以实现补偿并滤除所述电压纹波的作用。这样，通过纹波抑制电路生成的所述补偿电压主对所述电压纹波进行滤除，可以减小所述第一滤波电路中的直流母线电容的容值，进而减小直流母线电容的体积，提高逆变器的功率密度。

图3为本申请实施例提供的一种逆变器的第一滤波电路的结构示意图。

图3中，所述纹波抑制电路包含第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9、第十开关管S10以及存储电容C_dc，其中：

第七开关管S7的发射极与第八开关管S8的集电极相连，第九开关管S9的发射极与第十开关管S10的集电极相连，第七开关管S7的集电极分别与第九开关管S9的集电极以及存储电容C_dc的一端相连，第八开关管S8的发射极分别与第十开关管S10的发射极以及存储电容C_dc的另一端相连。

如图3所示，所述第一滤波电路还包括高频滤波电路，所述高频滤波电路包含第一电感L1以及第三电容C3，其中：

第三电容C3的一端与第七开关管S7的发射极相连，另一端与第一电感L1的一端相连，第一电感L1的另一端与第十开关管S10的集电极相连。

在逆变器工作时，第一电感L1以及第三电容C3用于滤除第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10在开启与关闭时产生的高次谐波。

在逆变器的工作过程中，所述纹波抑制电路可以与第三控制器相连，所述第三控制器可以根据所述电压纹波生成第三控制信号，所述第三控制信号可以通过控制第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10的开启与关闭，生成所述补偿电压。

具体地，在实际应用中，可以使用监测装置实时监测所述直流电的电压波形，根据监测到的电压波形，通过预设算法(可以是比例谐振控制算法)分解出电压波形中的电压纹波，这样，所述第三控制器可以通过跟踪所述电压纹波，基于第三预设控制算法生成所述第三控制信号，其中，所述第三控制信号可以是脉宽调制信号。

在生成所述第三控制信号后，可以由所述第三控制信号通过控制第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10的开启与关闭，进而生成补偿电压，所述补偿电压的幅值与所述电压纹波相同，相位与所述电压纹波相差180度。

这样，所述补偿电压可以与所述电压纹波相互叠加，实现抵消所述电压纹波的目的，进而实现对所述电压纹波的滤除。

基于图3，所述第三控制信号生成所述补偿电压的工作原理如下所述：

图3中，电容C_dc的左端可以为正端，右端可以为负端。

所述第三控制信号控制第七开关管S7、第十开关管S10开启，控制第八开关管S8、第九开关管S9关闭，此时，图3中E点电压为C_dc正端电压，D点电压为C_dc负端电压，DE两端电压为负C_dc电压；

所述第三控制信号控制第七开关管S7、第九开关管S9开启，控制第八开关管S8、第十开关管S10关闭，此时，E点电压为C_dc正端电压，D点电压也为C_dc正端电压，DE两端电压为零电压；

所述第三控制信号控制第八开关管S8、第九开关管S9开启，控制第七开关管S7、第十开关管S10关闭，此时，E点电压为C_dc负端电压，D点电压为C_dc正端电压，DE两端电压为正C_dc电压；

所述第三控制信号控制第八开关管S8、第十开关管S10开启，控制第七开关管S7、第九开关管S9关闭，此时，E点电压为C_dc负端电压，D点电压也为C_dc负端电压，DE两端电压为零电压；

第一电感L1以及第三电容C3构成滤波电路，该滤波电路用于对DE两端的电压脉冲波形进行滤波，使得第三电容C3两端的电压的幅值与所述电压纹波的幅值相同，相位相差180度。

在本申请实施例中，第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10的开关频率为高频频率，远大于所述工频频率。

除此之外，第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10可以均为宽带隙半导体器件，作为一种优选地方式，宽带隙半导体器件可以选用N沟道增强型碳化硅开关器件。

这样，由于第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10选用碳化硅开关器件，且其工作频率远大于两倍的工频频率，因此，第七开关管S7、第八开关管S8、第九开关管S9以及第十开关管S10在开启和关闭的过程中产生的高次谐波的频率远大于两倍的工频频率，开关管S7-S10的发热少，损耗也少，可以有效减少逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。除此之外，由于避免了散热装置的使用，使得所述逆变器基于全电路板进行设计成为可能。

在本申请的另一实施例中，所述逆变器中的所述第二滤波电路可以包含第二电感和第四电容，其中：

所述第二电感的一端与所述第三开关管的发射极相连，另一端与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端与所述第六开关管的集电极相连。

所述第二电感以及所述第四电容用于滤除所述电平变换电路输出的交流电中的高次谐波。

所述第二滤波电路中的第二电感可以由两个并联的220uH高能量存储低阻抗电感构成，第四电容可以由4支并联的2.2uF金属膜电容构成，这样，可以降低输出电压的总谐波畸变率。

本申请实施例提供的逆变器，通过低开关频率的电平变换电路结合高开关频率的T型三电平电路将直流三电平变换为交流三电平，从而驱动负载，相对于现有技术而言，可以简化逆变器的电路结构，减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。在此基础上，使用纹波抑制电路滤除直流电中包含的电压纹波，进一步简化逆变器的电路结构，并且使用功率密度小，发热少的宽带隙半导体开关器件作为逆变器中的开关管，使得逆变器的体积可以大幅度减小，进而提高逆变器的功率密度。

实施例3

图4为本申请实施例提供的一种逆变器的电路结构示意图。

图4所示的逆变器的电路结构示意图中，所述逆变器为单相逆变器，所述逆变器中包含的电路可以分为三部分，分别是第一滤波电路、逆变电路以及第二滤波电路，三部分电路如图4所示依次相连。在所述第一滤波电路的输入端可以施加直流电源或电池，所述逆变器用于将所述直流电源或电池变换为单相的交流电。

所述第一滤波电路可以生成补偿电压，用于滤除在所述逆变器工作过中所述直流电源或电池中包含的电压纹波，其电路结构与上述实施例2中记载的所述第一滤波电路的电路结构相同，这里不再重复描述。

所述逆变电路用于将滤除所述电压纹波的所述直流电源或电池变换为直流三电平，并将所述直流三电平变换为交流三电平，其电路结构与上述实施例2中记载的所述逆变电路的电路结构相同，这里也不再重复描述。

所述第二滤波电路，用于滤除所述逆变电路输出的交流三电平中的高次谐波，所述第二滤波电路中包含一个电容以及一个电感。

在本申请实施例中，图4所述的开关管S1-S10可以均为碳化硅开关器件，其中，开关管S1-S4、开关管S7-S10的开关频率可以小于25KHz，远高于工频频率，开关管S5和开关管S6的开关频率可以等于工频频率。

图4所示的逆变电路的工作原理如下：

首先，在所述第一滤波电路的输入端施加直流电压或电池，监测装置可以实时监测所述直流电压或电池的电压波形，并由根据比例谐振控制算法分解得到所述电压波形中的电压纹波，控制器基于预设控制算法，根据所述电压纹波生成控制信号，控制开关管S7-S10的开启与关闭，并输出补偿电压，所述补偿电压的幅值与所述电压纹波的幅值相同，相位相反，这样，可以实现对所述电压纹波的补偿和滤除，在对所述电压纹波滤除后，由电容C3和电感L1进一步滤除开关管S7-S10在开启和关闭时产生的高频谐波；

其次，滤除所述电压纹波后的直流电源或电池施加在所述逆变电路的输入端，所述逆变电路中的控制信号通过控制开关管S1-S4的开启与关闭，控制图4所示的B点输出直流三电平，同时，控制信号控制开关管S5以及开关管S6的开启与关闭，使得图4所示的C点输出交流三电平；

最后，输出的交流三电平施加在所述第二滤波电路的输入端，所述第二滤波电路中的电容C4以及电感L2滤除输入的交流三电平中包含的高次谐波，得到波形质量较高的单相交流三电平，所述单相交流三电平可以输出驱动交流负载或者连接至电网。

图5中的红色波形为本申请实施例提供的逆变器输出的电压波形，蓝色波形为输出的电流波形。从图5中可以看出，所述逆变器输出的电流波形的质量比较高。

基于上述记载的内容，相对于现有技术而言，本申请实施例可以至少从以下几个方面减小逆变器的体积，进而提高逆变器的功率密度，包括：

第一方面：本申请实施例提供的逆变器所使用的开关管为宽带隙半导体开关器件，宽带隙半导体开关器件具有功率密度小，发热少、开关损耗少、导通电阻低等特点，不仅可以减小逆变器的体积，而且由于降低了逆变器的发热量，似的逆变器可以不使用现有技术中的散热装置，进而可以进一步减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度；

第二方面：本申请实施例提供的逆变器中的逆变电路包含T型三电平电路以及电平变换电路，由T型三电平电路以及电平变换电路组合生成交流三电平，相较于现有技术中两组逆变电路构成电位差驱动负载，可以有效简化电路结构，减小逆变器的体积，进而提高逆变器的功率密度；

第三方面：本申请实施例提供的逆变器中的第一滤波电路采用主动纹波抑制的方式滤除直流电输出的电压纹波，相较于现有技术中被动滤除电压纹波的方式，可以有效减小直流母线电容的体积，进而减小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度。

在实际应用中，使用如图4所示的电路结构后，可以将所述逆变器的体积减小至12cm×10cm×5cm(36.614in³)，功率密度可以高于54.625W/in³。

在实际应用中，由于本申请实施例提供的逆变器的体积小，因此，能将更多的可再生能源引入家庭，提高分布式电网的效率，提升电动汽车续航里程，有助于解决地球上偏远地区的供电问题。

除此之外，本申请实施例提供的逆变器，其包含的所有器件可以均焊接在电路板上，不仅可以减少逆变器内部的寄生参数，改善逆变器的电磁干扰问题，而且还适合工业化大规模生产。

在实际应用中，为了降低开关器件的发热和电磁兼容问题，碳化硅开关器件可以工作在低频(25kHz)下，此外，在逆变器中可以应用新型的空间矢量调制策略和开关损耗最优钳位方式，提高逆变器效率并降低损耗发热，在尽量保证减小体积的情况下限制设备的电磁接口。

在硬件设计时，为避免对大地耦合，功率电源平面与信号电源平面绝缘。除此之外，使用6层PCB电路板设计，包括3层布线层和3层内平面层，内平面层传送从输入到输出的能量，尽可能的保证整片铜箔的完整性以降低寄生的杂散参数，中间层用来传递信号，并且中间层被设计在两片连接大地的内层之间以降低来自功率部分的电磁干扰。

本申请实施例提供的逆变器，通过使用宽带隙半导体开关器件，以及简化逆变器中包含的各部分电路的电路结构，可以有效较小逆变器的体积，提高逆变器的功率密度，满足人们对逆变器小型化以及高功率密度的需求。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。内存是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims

1.一种逆变器，用于将直流电变换为交流电，其特征在于，所述逆变器中包含的器件焊接在电路板上，所述逆变器包含第一滤波电路、逆变电路以及第二滤波电路，其中：

所述第二滤波电路用于滤除所述交流电中包含的高次谐波。

2.如权利要求1所述的逆变器，其特征在于，

所述T型三电平电路包含第一开关管、第二开关管、第三开关管、第四开关管、第一电容以及第二电容，所述电平变换电路包含第五开关管以及第六开关管，其中：

所述第一电容的正极与所述直流电的正极相连，负极与所述第二电容的正极相连，所述第二电容的负极与所述直流电的负极相连；

所述第一开关管的集电极与所述第一电容的负极相连，所述第一开关管的发射极与所述第二开关管的发射极相连，所述第二开关管的集电极分别与所述第三开关管的发射极以及所述第四开关管的集电极相连，所述第三开关管的集电极分别与所述第一电容的正极以及所述第五开关管的集电极相连，所述第四开关管的发射极分别与所述第二电容的负极以及所述第六开关管的发射极相连，所述第五开关管的发射极与所述第六开关管的集电极相连。

3.如权利要求2所述的逆变器，其特征在于，

所述T型三电平电路与第一控制器相连，所述第一控制器生成第一控制信号，所述第一控制信号控制所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管的开启与关闭，实现将所述第一滤波电路输出的直流电变换为直流三电平；

所述电平变换电路与第二控制器相连，所述第二控制器生成第二控制信号，所述第二控制信号控制所述第五开关管以及所述第六开关管的开启与关闭，实现将所述直流三电平变换为交流三电平。

4.如权利要求3所述的逆变器，其特征在于，

所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管以及所述第四开关管的开关频率采用高频频率，所述第五开关管和所述第六开关管的开关频率等于工频频率。

5.如权利要求1至4任一项所述的逆变器，其特征在于，

所述第一滤波电路包含纹波抑制电路，所述纹波抑制电路用于生成补偿电压，所述补偿电压用于补偿所述逆变器工作时所述直流电中包含的电压纹波，所述补偿电压的幅值与所述电压纹波的幅值相同，所述补偿电压的相位与所述电压纹波的相位相反。

6.如权利要求5所述的逆变器，其特征在于，

所述纹波抑制电路包含第七开关管、第八开关管、第九开关管、第十开关管以及存储电容，其中：

所述第七开关管的发射极与所述第八开关管的集电极相连，所述第九开关管的发射极与所述第十开关管的集电极相连，所述第七开关管的集电极分别与所述第九开关管的集电极以及所述存储电容的一端相连，所述第八开关管的发射极分别与所述第十开关管的发射极以及所述存储电容的另一端相连。

7.如权利要求6所述的逆变器，其特征在于，

所述纹波抑制电路与第三控制器相连，所述第三控制器生成第三控制信号，所述纹波抑制电路通过所述第三控制信号控制所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管以及所述第十开关管的开启与关闭，生成所述补偿电压。

8.如权利要求7所述的逆变器，其特征在于，

所述第三控制器根据所述直流电中包含的电压纹波生成所述第三控制信号，所述直流电中包含的电压纹波根据监测装置监测到的所述直流电的电压波形确定得到。

9.如权利要求3或7所述的逆变器，其特征在于，

所述第一控制器基于第一预设控制算法生成所述第一控制信号，所述第二控制器基于第二预设控制算法生成所述第二控制信号，所述第三控制器基于第三预设控制算法生成所述第三控制信号。

10.如权利要求7所述的逆变器，其特征在于，

所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管以及所述第十开关管的开关频率采用高频频率。

11.如权利要求6所述的逆变器，其特征在于，

所述第一滤波电路还包含高频滤波电路，所述高频滤波电路包含第一电感以及第三电容，其中：

所述第三电容的一端与所述第七开关管的发射极相连，另一端与所述第一电感的一端相连，所述第一电感的另一端与所述第十开关管的集电极相连，所述第一电感以及所述第三电容用于滤除所述第七开关管、所述第八开关管、所述第九开关管以及所述第十开关管在开启与关闭时产生的高次谐波。

12.如权利要求2-4、6、7、10、11任一项所述的逆变器，其特征在于，

所述第一开关管、所述第二开关管、所述第三开关管、所述第四开关管、所述第五开关管、所述第六开关管、所述第七开关管、所述第八开关管、第九开关管和/或所述第十开关管为宽带隙半导体开关器件。

13.如权利要求12所述的逆变器，其特征在于，

所述宽带隙半导体开关器件为N沟道增强型碳化硅开关器件。

14.如权利要求2或6所述的逆变器，其特征在于，

所述第二滤波电路包含第二电感和第四电容，其中：

所述第二电感的一端与所述第六开关管的集电极相连，另一端与所述第四电容的一端相连，所述第四电容的另一端与所述第五开关管的发射极相连，所述第二电感以及所述第四电容用于滤除所述电平变换电路输出的交流电中的高次谐波。