CN110995035B

CN110995035B - 基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法

Info

Publication number: CN110995035B
Application number: CN201911360155.5A
Authority: CN
Inventors: 殷正刚; 史黎明
Original assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Current assignee: Institute of Electrical Engineering of CAS
Priority date: 2019-12-25
Filing date: 2019-12-25
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2039-12-25
Also published as: CN110995035A

Abstract

本发明属于高频逆变及整流技术领域，具体涉及了一种基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法，旨在解决现有技术在逆变模块不使用隔离变压器的情况下无法通过直流侧并联交流侧串联并使用开关频率较低的器件输出等效频率较高的电压的问题。本发明包括：N个非隔离逆变模块以及与非隔离逆变模块一一并联的N个旁路开关，直流侧接电源、交流侧接负载时逆变，交流侧接电源、直流侧接负载时整流；非隔离逆变模块不含隔离变压器，旁路开关为快速机械开关或双向开关。本发明逆变模块无需使用隔离变压器即可通过直流侧并联交流侧串联并使用开关频率较低的器件输出等效频率较高的电压，模块不含隔离变压器占用空间小、成本低。

Description

基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法

技术领域

本发明属于高频逆变及整流技术领域，具体涉及了一种基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法。

背景技术

提高电力电子变换器的频率，可以减小磁性元件的体积，减小谐波损耗，还能够提高无线电能传输系统效率等。可以通过提高开关器件的开关频率来实现，也可以通过采用多模块功率变换电路和相应的控制策略，提升系统等效开关频率来实现。

现有高频开关器件，其耐压通流能力相对较低。为了输出高压大电流高频交流电，直接采用高频开关器件难以实现，为此可以使用耐压通流能力较高的低频开关器件通过多模块拓扑产生等效的高压大电流高频交流电。级联H桥交直流变换拓扑，将N个H桥模块串联输出，其等效开关频率是单个模块内器件开关频率的N倍，但是该拓扑每个H桥模块的直流侧互相独立，各模块不能直流侧并联和使用公共直流母线。基于双有源全桥的多模块交直流变换拓扑等，多个逆变模块的直流侧并联交流侧串联，但是每个双向有源全桥模块包含隔离变压器，模块占用空间大、价格高。

总的来说，现有技术在不使用隔离变压器的情况下无法实现多逆变模块直流侧并联至公共母线、交流侧串联，从而无法实现通过开关频率较低的器件输出较高频率的电压。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即现有技术在不使用隔离变压器的情况下无法通过多逆变模块直流侧并联交流侧串联并使用开关频率较低的器件输出等效频率较高的电压的问题，本发明提供了一种基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该拓扑包括N个非隔离逆变模块、N个旁路开关；

所述非隔离逆变模块分别包括直流侧正极连接端、直流侧负极连接端、交流侧第一连接端、交流侧第二连接端；

所述N个非隔离逆变模块直流侧的N个正极连接端分别连接至直流母线正极；所述N个非隔离逆变模块直流侧的N个负极连接端分别连接至直流母线负极；

所述N个非隔离逆变模块中第一个非隔离逆变模块交流侧第一连接端作为所述拓扑交流侧第一连接端；所述多个非隔离逆变模块中最后一个非隔离逆变模块交流侧第二连接端作为所述拓扑交流侧第二连接端；

所述多个非隔离逆变模块中第N个非隔离逆变模块交流侧第一连接端连接至第N-1个非隔离逆变模块交流侧第二连接端；

所述N个旁路开关分别与所述N个非隔离逆变模块的交流侧一一并联，用于控制所述非隔离逆变模块接入或旁路。

在一些优选的实施例中，该拓扑在直流侧连接直流电源时，交流侧连接交流负载，用于直流电源侧到交流负载侧的逆变。

在一些优选的实施例中，该拓扑在交流侧连接交流电源时，直流侧连接直流负载，用于交流电源侧到直流负载侧的整流。

在一些优选的实施例中，所述非隔离逆变模块为不含隔离变压器的逆变模块。

在一些优选的实施例中，所述旁路开关为快速机械开关或电力电子器件构成的双向开关中的一种。

本发明的另一方面，提出了一种基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法，基于上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤S10，在第n个非隔离逆变模块对应的旁路开关断开、其余逆变模块对应的旁路开关都闭合且其余逆变模块内所有开关器件都断开的条件下，基于获取的第n个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n个非隔离逆变模块输出交流电压；

步骤S20，关断第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件；

步骤S30，闭合所述第n个非隔离逆变模块的旁路开关，并关断第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关；

步骤S40，基于获取的第n+1个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述控制第n+1个非隔离逆变模块输出交流电压。

本发明的第三方面，提出了一种基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法，基于上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤T10，在第n个非隔离逆变模块对应的旁路开关断开、其余逆变模块对应的旁路开关都闭合且其余逆变模块内所有开关器件都断开条件下，基于获取的第n个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n个非隔离逆变模块输入交流电压；

步骤T20，关断第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关；

步骤T30，关断第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件；

步骤T40，闭合第n个非隔离逆变模块的旁路开关，并基于获取的第n+1个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n+1个非隔离逆变模块输入交流电压。

本发明的第四方面，提出了一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。

本发明的第五方面，提出了一种处理装置，包括处理器、存储装置；所述处理器，适于执行各条程序；所述存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。

本发明的有益效果：

(1)本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，解决了现有技术高频开关器件的电压电流相对较低，没有高电压电流的高频开关器件，从而无法输出大电流高电压的高频电源的问题，本发明采用大电流高电压的低频开关器件组合的拓扑，实现了大电流高电压的高频电源的输出。

(2)本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，采用多个非隔离逆变模块组合的拓扑替代了多个隔离模块组合的拓扑，拓扑中不含隔离变压器，可减少空间占用、降低成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑的结构示意图；

图2是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的逆变电路示意图；

图3是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的整流电路示意图；

图4是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的三种非隔离逆变模块结构示意图；

图5是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的三种双向开关结构示意图；

图6是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的逆变结构示意图；

图7是本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的整流结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

本发明的一种基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该拓扑包括N个非隔离逆变模块、N个旁路开关；

为了更清晰地对本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各模块展开详述。

本发明一种实施例的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，包括N个非隔离逆变模块、N个旁路开关，各模块详细描述如下：

每个非隔离逆变模块分别包括直流侧和交流侧。

直流侧有两个连接端，正极和负极。所有非隔离逆变模块的直流侧正极都连接在一起并连接到直流母线正极上，所有非隔离逆变模块的直流侧负极都连接在一起并连接到直流母线负极上。

交流侧有两个连接端。第一个和最后一个逆变模块的一个交流侧连接端分别作为本发明高频逆变或整流拓扑交流侧连接端，另一个交流侧连接端连接到相邻的逆变模块的一个交流侧连接端。中间逆变模块的交流侧连接端分别连接到上一个逆变模块和下一个逆变模块的一个交流侧连接端。

每个非隔离逆变模块的交流侧两个连接端之间，又各自并联了一个旁路开关。

本发明的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，可以用于逆变电路。如图2所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的逆变电路示意图，直流侧母线连接直流电源，交流侧连接交流负载，实现多个非隔离逆变模块直流电源侧到交流负载侧的逆变。

本发明的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，还可以用于整流电路。如图3所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的整流电路示意图，交流侧连接交流电源，直流侧母线连接直流负载，实现多个非隔离逆变模块交流电源侧到直流负载侧的整流。

本发明中的非隔离逆变模块，泛指不含隔离变压器的逆变模块，包括但不限于：H桥逆变模块、半桥逆变模块、三电平中点箝位逆变模块、多电平中点箝位逆变模块、主动中点钳位逆变模块、多电平电容悬浮逆变模块。

如图4所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的三种非隔离逆变模块结构示意图，图4左图为H桥逆变模块结构图，含有两个桥臂，可输出双级性两电平电压，图4中图为半桥逆变模块结构图，含有一个桥臂，可输出单极性两电平电压，图4右图为三电平中点箝位逆变模块结构图，直流侧电压经串联电容分压并结合二极管箝位，可输出双级性五电平电压。

本发明中的旁路开关，可以是快速机械开关，也可以是由电力电子器件构成的双向开关。

本发明中的由电力电子器件构成的双向开关，其结构包括但不限于：整流桥型、反向并联型、反向串联型。

如图5所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的三种双向开关结构示意图，从左到右分别为：整流桥型，将一个可控开关器件连接两整流桥臂来实现对电流的双向通断控制；反向并联型，将两个可控开关器件反向并联来实现对电流的双向通断控制；反向串联型，将两个可控开关器件反向串联来实现对电流的双向通断控制。

本发明第二实施例的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法，基于上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤S10，在第n个非隔离逆变模块对应的旁路开关断开、其余逆变模块对应的旁路开关都闭合且其余逆变模块内所有开关器件都断开条件下，基于获取的第n个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n个非隔离逆变模块输出交流电压；

步骤S20，关断第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件；

步骤S40，基于获取的第n+1个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n+1个非隔离逆变模块输出交流电压。

本发明第三实施例的基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法，基于上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤T20，关断第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关；

步骤T30，关断第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件；

本发明的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑中交流电压输出模块或交流电压输入模块切换方法在于：选择多个非隔离逆变模块中的一个模块，将其对应的旁路开关断开，并通过控制非隔离逆变模块内开关器件的通断输出或输入交流电压，其余非隔离逆变模块内开关器件均处于关断状态且其对应旁路开关处于导通状态。基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑可轮流选择一个模块输出或输入交流电压，不允许两个或两个以上模块同时输出或输入交流电压。当N个非隔离逆变模块轮流逆变或整流时，系统逆变频率是单个模块逆变频率的N倍。

如图6所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的逆变结构示意图，包括非隔离逆变模块1、非隔离逆变模块2、旁路开关P1、旁路开关P2、直流电源、交流负载，其中，非隔离逆变模块1设置有开关器件S1、开关器件S2、开关器件S3、开关器件S4，非隔离逆变模块2设置有开关器件S5、开关器件S6、开关器件S7、开关器件S8，非隔离逆变模块1、非隔离逆变模块2均采用H桥逆变模块。

输出交流电压的模块从非隔离逆变模块1切换到非隔离逆变模块2的过程具体描述如下：

步骤K1，非隔离逆变模块1的P1保持断开，非隔离逆变模块2的P2保持闭合。非隔离逆变模块1采用H桥常用的控制方法控制S1、S2、S3、S4的通断，输出交流电压。非隔离逆变模块2的S5、S6、S7、S8保持断开。

H桥常用的控制方法有方波控制、PWM控制等，本发明对此不作限定。

步骤K2，可输出交流电压的模块将要从非隔离逆变模块1开始切换到非隔离逆变模块2时，首先对非隔离逆变模块1的S1、S2、S3、S4施加关断信号。

步骤K3，经设定时间的延时后，非隔离逆变模块1的S1、S2、S3、S4完全关断后，对非隔离逆变模块1的P1施加开通信号、非隔离逆变模块2的P2施加关断信号。

步骤K4，经设定时间的延时后，非隔离逆变模块2的P2完全关断后，再对非隔离逆变模块2的S5、S6、S7、S8采用H桥常用的控制方法进行通断控制以输出交流电压。

如图7所示，为本发明基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑一种实施例的整流结构示意图，包括非隔离逆变模块1、非隔离逆变模块2、旁路开关P1、旁路开关P2、交流电源、直流负载，其中，非隔离逆变模块1设置有开关器件S1、开关器件S2、开关器件S3、开关器件S4，非隔离逆变模块2设置有开关器件S5、开关器件S6、开关器件S7、开关器件S8，非隔离逆变模块1、非隔离逆变模块2均采用H桥逆变模块。

输入交流电压的模块从非隔离逆变模块1切换到非隔离逆变模块2的过程具体描述如下：

步骤M1，非隔离逆变模块1的P1保持断开，非隔离逆变模块2的P2保持闭合。非隔离逆变模块1采用H桥常用的控制方法控制S1、S2、S3、S4的通断进行输入交流电压的整流。非隔离逆变模块2的S5、S6、S7、S8保持断开。

步骤M2，可进行交流电压整流的模块将要从非隔离逆变模块1开始切换到非隔离逆变模块2时，首先对非隔离逆变模块2的P2施加关断信号。

步骤M3，经设定时间的延时后，非隔离逆变模块2的P2完全关断后，对非隔离逆变模块1的S1、S2、S3、S4施加关断信号。

步骤M4，经设定时间的延时后，非隔离逆变模块1的S1、S2、S3、S4完全关断后，再对非隔离逆变模块1的P1施加开通信号，并对非隔离逆变模块2的S5、S6、S7、S8采用H桥常用的控制方法进行通断控制以进行输入交流电压整流。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的方法的具体工作过程及有关说明，可以参考前述拓扑实施例中的对应过程，在此不再赘述。

需要说明的是，上述实施例提供的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑及切换方法，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。

本发明第三实施例的一种存储装置，其中存储有多条程序，所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。

本发明第四实施例的一种处理装置，包括处理器、存储装置；处理器，适于执行各条程序；存储装置，适于存储多条程序；所述程序适于由处理器加载并执行以实现上述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。

所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨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、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，其特征在于，该拓扑包括N个非隔离逆变模块、N个旁路开关；

所述N个非隔离逆变模块中第一个非隔离逆变模块交流侧第一连接端作为所述拓扑交流侧第一连接端；多个非隔离逆变模块中最后一个非隔离逆变模块交流侧第二连接端作为所述拓扑交流侧第二连接端；

所述N个旁路开关分别与所述N个非隔离逆变模块的交流侧一一并联，用于控制所述非隔离逆变模块接入或旁路；所述旁路开关为快速机械开关或电力电子器件构成的双向开关中的一种；

所述基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，在直流侧连接直流电源时，交流侧连接交流负载，用于直流电源侧到交流负载侧的逆变；在交流侧连接交流电源时，直流侧连接直流负载，用于交流电源侧到直流负载侧的整流；

其中，所述非隔离逆变模块为不含隔离变压器的逆变模块，包括H桥逆变模块、半桥逆变模块、三电平中点箝位逆变模块、多电平中点箝位逆变模块、主动中点钳位逆变模块、多电平电容悬浮逆变模块。

2.一种基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤S20，对第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件施加关断信号；

步骤S30，对第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件施加关断信号后，经设定时间延时，闭合所述第n个非隔离逆变模块的旁路开关，并对第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关施加关断信号；

步骤S40，对第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关施加关断信号后，经设定时间延时，基于获取的第n+1个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n+1个非隔离逆变模块输出交流电压。

3.一种基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法，其特征在于，基于权利要求1所述的基于非隔离逆变模块的高频逆变或整流拓扑，该方法包括：

步骤T20，对第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关施加关断信号；

步骤T30，对第n+1个非隔离逆变模块的旁路开关施加关断信号后，经设定时间延时，对第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件施加关断信号；

步骤T40，对第n个非隔离逆变模块内的所有开关器件施加关断信号后，经设定时间延时，对第n个非隔离逆变模块的旁路开关施加开通信号，并基于获取的第n+1个非隔离逆变模块开关控制信息，控制所述第n+1个非隔离逆变模块输入交流电压。

4.一种存储装置，其中存储有多条程序，其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现权利要求2所述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或权利要求3所述的基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。

5.一种处理装置，包括

处理器，适于执行各条程序；以及

存储装置，适于存储多条程序；

其特征在于，所述程序适于由处理器加载并执行以实现：

权利要求2所述的基于非隔离逆变模块的高频逆变拓扑中交流电压输出模块切换方法和/或权利要求3所述的基于非隔离逆变模块的高频整流拓扑中交流电压输入模块切换方法。