CN111181432B - 一种逆变器电路 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种逆变器电路，以解决现有低通滤波器体积较大的问题。逆变器电路包括一级电路与二级电路，一级电路中的第一开关、第二开关与电源串联；第一电感器一端连接第一开关以及第二开关，另一端连接第一电容器以及第二电容器；第一电容器一端连接电源；第二电容器一端连接电源。二级电路包括多个子电路；子电路包括全桥式开关组、子模块、输出电容器；子模块中的第三开关、第四开关与全桥式开关组串联；第三电容器一端连接第三开关，另一端连接第四开关；第二电感器一端连接第三开关与第四开关，另一端连接第一输出电容器；输出电容器一端连接第二电感器，另一端连接全桥式开关组。

Description

一种逆变器电路
技术领域
本申请涉及电子电路领域，尤其涉及一种逆变器电路。
背景技术
逆变器是一种将直流电转换为交流电的电力电子设备，其应用范围非常广泛。例如，光伏应用，电动机驱动应用，等等。
目前，逆变器在电流转换的过程中，通常采用正弦脉冲宽度调制方法，从恒定的直流电压源获得电力，并产生幅度低于直流电压源幅度的交流电压。通常，逆变器需要与低通滤波器组合使用，由低通滤波器对逆变器产生的交流电压进行处理，以将方波调整为正弦波。
但是，由于传统非多电平桥式逆变电路在逆变侧只能产生峰值固定、脉宽变化的方波，如图1所示。因此，为了将方波调整为正弦波，需要的低通滤波器的体积较大，且总谐波失真率也较大。
发明内容
本申请实施例提供一种逆变器电路，用以解决现有低通滤波器体积较大、总谐波失真率较大的问题。
本申请实施例提供的一种逆变器电路，包括一级电路与二级电路：
所述一级电路包括直流电源、第一开关(Q17)、第二开关(Q18)、第一电感器(L1)、第一电容器(C1)以及第二电容器(C5)；
所述第一开关、第二开关与所述电源串联；所述第一电感器一端分别连接所述第一开关以及第二开关，另一端分别连接所述第一电容器以及第二电容器；所述第一电容器的一端连接所述直流电源；所述第二电容器的一端连接所述直流电源；
所述二级电路包括多个子电路；每个子电路均包括全桥式开关组、子模块、输出电容器(C4)；
所述子模块包括第三开关(Q5)、第四开关(Q6)、第三电容器(C2)以及第二电感器(L2)，所述第三开关、第四开关串联后，连接所述全桥式开关组的第一端；所述第三电容器一端连接所述第三开关，另一端连接所述第四开关；所述第二电感器一端分别连接所述第三开关与第四开关，另一端连接所述输出电容器；所述输出电容器一端连接所述全桥式开关组的第二端。
本申请实施例提供一种逆变器电路，通过一级电路的设计，使一级电路与二级电路之间能够形成稳定的直流电压，且一级电路的输出电压可根据需要调整。通过对二级电路中子模块的控制，使二级电路能够输出具有不同幅度的输出电压，并且产生与正弦波形近似的阶梯电压波形。并且，通过一级电路与二级电路的配合，使二级电路的输出端能够在大幅精简低通滤波器的前提下输出较为平滑的正弦电波。这种实现方式，简化了逆变器电路对输出波形的处理，减小了逆变器的体积，降低了总谐波失真率，还能够根据需要对电路的部分结构进行灵活的设置。
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为现有的桥式逆变器输出的交流电压方波示意图；
图2为本申请实施例提供的逆变器电路示意图；
图3为本申请实施例提供的逆变器电路的一级电路示意图；
图4为本申请实施例提供的逆变器电路的二级电路示意图；
图5(a)为本申请实施例提供的一级电路输出与输入电压比值的波形示意图；
图5(b)为本申请实施例提供的二级电路输出与输入电压比值的波形示意图；
图5(c)为本申请实施例提供的逆变器电路输出电压波形示意图；
图6为本申请实施例提供的二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图；
图7为本申请实施例提供的二级电路在另一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图；
图8为本申请实施例提供的二级电路在另一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图；
图9为本申请实施例提供的二级电路在另一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图；
图10为本申请实施例提供的二级电路在另一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图；
图11为本申请实施例提供的二级电路在另一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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。
图2为本申请实施例提供的逆变器电路示意图，图3为本申请实施例提供的逆变器电路的一级电路示意图，图4为本申请实施例提供的逆变器电路的二级电路示意图。
如图2～图4所示，逆变器电路包括一级电路与二级电路。
一级电路包括直流电源、开关Q17、开关Q18、电感器L1、电容器C1以及电容器C5。开关Q17、开关Q18与直流电源串联；电感器L1一端分别连接开关Q17以及开关Q18，另一端分别连接电容器C1以及电容器C5；电容器C1一端连接电源；电容器C5一端连接电源。
在一级电路中，电容器C1、电容器C5与电感器L1组成低通滤波器，其在一级电路与二级电路之间形成了一个稳定的直流电压。并且，在实际应用中，电容器C1与电容器C5均可为电容器组，电容器组中可包括多个并联的电容器，以补偿电力系统感性负荷的无功功率，提高容量。
在一级电路的工作过程中，当开关Q17导通、开关Q18断开时，电路连通，电容器C1与电容器C5并联，电源向两个电容器充电，同时为二级电路供电。当开关Q17断开、开关Q18导通时，电路不连通，由电容器C1与电容器C5分别向二级电路中对应的部分供电。
二级电路包括多个子电路，每个子电路均包括全桥式开关组、子模块以及输出电容器。本申请实施例以二级电路包括两个子电路为例进行说明。
如图2、图4所示，第一子电路为图4中上半部分电路，第二子电路为图4中下半部分电路。
在第一子电路中，全桥式开关组可包括开关Q1、开关Q2、开关Q3以及开关Q4；开关Q1与开关Q2串联，开关Q3与开关Q4串联，并且，两组开关分别并联在电容器C1的两端。
第一子电路的子模块可包括多组。通过对子模块的数量的设置，可改变第一子电路的输出电压幅度，从而进一步改变整个二级电路输出的电压的幅度范围。
在一种可能的实现方式中，第一子电路可包括两个子模块。第一子模块可包括开关Q5、开关Q6、电容器C2以及电感器L2。开关Q5的一端分别连接开关Q3与开关Q4，另一端连接开关Q6；电容器C2的一端连接开关Q5，另一端连接开关Q6；电感器L2一端分别连接开关Q5与开关Q6，另一端连接第二子模块的开关Q7。第二子模块可包括开关Q7、开关Q8、电容器C3以及电感器L3。开关Q7的一端连接第一子模块的电感器L2，另一端连接开关Q8；电容器C3的一端连接开关Q7，另一端连接开关Q8；电感器L3一端分别连接开关Q7与开关Q8，另一端连接输出电容器C4。
输出电容器C4的一端分别连接开关Q1与开关Q2。
与之相类似的，在第二子电路中，全桥式开关组包括开关Q9、开关Q10、开关Q11以及开关Q12；开关Q9与开关Q10串联，开关Q11与开关Q12串联，并且，两组开关分别并联在电容器C5的两端。
在一种可能的实现方式中，第二子电路也可包括两个子模块。第一子模块可包括开关Q13、开关Q14、电容器C6以及电感器L4。开关Q13的一端分别连接开关Q11与开关Q12，另一端连接开关Q14；电容器C6的一端连接开关Q13，另一端连接开关Q14；电感器L4一端分别连接开关Q13与开关Q14，另一端连接第二子模块的开关Q15。第二子模块可包括开关Q15、开关Q16、电容器C7以及电感器L5。开关Q15的一端连接开关Q16；电容器C7的一端连接开关Q15，另一端连接开关Q16；电感器L5一端分别连接开关Q15与开关Q16，另一端连接输出电容器C8。
输出电容器C8的一端分别连接开关Q9与开关Q10。
在二级电路中，以开关Q5、开关Q6、电容器C2组成的子模块电路为例，当开关Q5导通、开关Q6断开时，电容器C2被旁路，当开关Q5断开、开关Q6导通时，电容器C2连通。因此，通过控制二级电路中的各开关的导通或断开，可控制相应的子模块中的电容器的连通或者被旁路，以此来进一步控制相应的子电路中的输出电容器两端的电压。
在本申请实施例中，子模块中的电容器与电感器可组成谐振电路，以通过软开关的方式实现开关的导通与断开。电流或者电压在短时间内的急剧变化，会由于电磁效应产生电磁场对外界的电路产生干扰，而软开关技术可避免电流在开关导通或者断开的瞬间产生剧烈的变化，从而有效减少开关对外界的电磁干扰，提高电磁兼容性能，并减少开关的功率损耗。
在本申请实施例中，本逆变器电路还可包括控制单元。控制单元与电路中的各开关连接，向各开关发送控制信号，控制各开关的导通或者断开，并以此来控制正弦交流电的产生。
具体的，在一级电路中，控制单元可通过控制信号的占空比，来控制开关Q17与开关Q18的脉冲宽度(即导通时间与断开时间)，以此来控制电容器C1与电容器C5的电压的高低变化。
图5(a)为本申请实施例提供的一级电路输出与输入电压比值的波形示意图。在图5(a)中，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示电容器C1或电容器C5的两端电压Vmid。图5(a)表示在控制单元的控制下，电容器C1或电容器C5两端的电压与输入电压的比值随时间的变化。
于是，在本申请实施例中，一级电路可根据从低压源获得的直流电压以及控制单元的控制信号，在电容器C1与电容器C5两端产生变化的电压。并且，通过对电容器的适当的设计，使一级电路与二级电路之间的电压可以平滑地改变，使一级电路具有良好的电压调节能力。
在二级电路中，控制单元可通过向各子模块的开关发送控制信号，以控制各子模块中电容器的连通或者被旁路，并在二级电路的输出端产生不同的电压。
具体实现方式如下：
图6为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图6所示，电容器C2、电容器C3在电路中连通，电容器C6、电容器C7被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为3Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为0Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度+3Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图7为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图7所示，电容器C2、电容器C3、电容器C6在电路中连通，电容器C7被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为3Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为1Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度+2Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图8为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图8所示，电容器C2在电路中连通，电容器C3、电容器C6、电容器C7被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为1Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为0Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度+1Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图9为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图9所示，电容器C6在电路中连通，电容器C2、电容器C3、电容器C7被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为0Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为1Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度-1Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图10为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图10所示，电容器C2、电容器C6、电容器C7在电路中连通，电容器C3被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为1Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为3Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度-2Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图11为本申请实施例提供的一种二级电路在一种输入输出电压转换比的状态下的工作零件示意图。如图4、图11所示，电容器C6、电容器C7在电路中连通，电容器C2、电容器C3被旁路时，第一子电路的输出电容器C4两端产生的电压幅度为0Vmid，第二子电路的输出电容器C8两端产生的电压幅度为3Vmid。于是，二级电路在输出端(即电容器C4与电容器C8的两端)产生具有幅度-3Vmid的电压。其中，Vmid表示电容器C1或电容器C5两端的电压。
图5(b)为本申请实施例提供的二级电路输出与输入电压比值的波形示意图。在图5(b)中，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示输出电压Vout与一级电路电压Vmid的比值。如上文所述，在本申请实施例中，根据控制单元对二级电路中各开关的控制，可在二级电路的输出端分别产生具有幅度+3Vmid、+2Vmid、+1Vmid、-3Vmid、-2Vmid、-1Vmid的电压。
在本申请实施例中，对一级电路与二级电路进行组合后，通过控制单元分别对一级电路与二级电路中各开关的导通时间的控制，可使一级电路与二级电路产生的电压进行同步变化。于是，经过两级电路的组合，可使二级电路的输出端最终产生如图5(c)所示的正弦波。在图5(c)中，横坐标轴表示时间，纵坐标轴表示该逆变器电路的输出电压Vout。
此外，本逆变器电路中还可包括总输出电容器C9。总输出电容器C9的一端连接电感器L6，另一端连接电感器L7。电感器L6连接第一子电路的输出电容器C4，电感器L7连接第二子电路的输出电容器C8。
在本申请实施例中，在理想情况下，经过一级电路与二级电路输出的电压为正弦波。但在实际的电路运行过程中，考虑到控制单元造成的延时和信号传输中的误差等方面，从而使输出的电压的波形和理想的正弦波有略微区别。因此，为了解决这个问题，可由电感器L6、电感器L7、总输出电容器C9组成低通滤波器，对产生的电压进行处理，以得到更加理想的正弦波。
在本申请实施例中，通过逆变器电路中的一级电路的设计，可以在一级电路与二级电路之间形成稳定的直流电压，并且，通过控制开关Q17以及开关Q18的导通时间，可以自行调整一级电路的输出电压，设计简单，且方便操作与控制。
通过逆变器电路中的二级电路的设计，由控制单元对各子模块中的开关进行控制，从而控制相应电容器的连通与被旁路，而进一步控制二级电路产生的不同的电压幅度，以此产生正弦波形。
如图5(b)所示，二级电路输出的电压波形与正弦波形较为相似，与图1中所示的方波相比，对二级电路输出的电压波形进行低通滤波的平滑处理更为简单，所需的低通滤波器的体积也可大大减小，从而有利于简化电路设计。并且，由于二级电路输出的电压波形与正弦波形较为相似，其电压畸变与电流畸变也更小，有利于谐波的改善，减小了总谐波失真率。
最终，通过一级电路、二级电路以及低通滤波的平滑处理，本逆变器电路可输出平滑的正弦电压。并且，通过调整子电路或者子模块的数量，可对二级电路的输出电压的幅度进行调整，以满足不同的需要。
需要说明的是，上述各实施例中提到的电容器均可为电容器组，电容器组中可包括多个并联的电容器。上述各实施例中提到的电感器均可为电感器组，电感器组中可包括多个串联的电感器。在一个可能的实现方式中，电感器组中的电感器可以是电路承载结构产生的寄生电感。
此外，上述各实施例中提到的开关均可为MOSFET。各MOSFET中的栅极接收控制单元产生的控制信号，漏极与源极分别与相应的元器件连接。在一个可能的实现方式中，各MOSFET可为N沟道MOSFET。
此外，本逆变器电路可构造在电路支承结构上，例如印刷电路板等。
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 (9)

1.一种逆变器电路，其特征在于，包括一级电路与二级电路：
所述一级电路包括直流电源、第一开关(Q17)、第二开关(Q18)、第一电感器(L1)、第一电容器(C1)以及第二电容器(C5)；
所述第一开关、第二开关与所述直流电源串联；所述第一电感器一端分别连接所述第一开关以及第二开关，另一端分别连接所述第一电容器以及第二电容器；所述第一电容器的一端连接所述直流电源；所述第二电容器的一端连接所述直流电源；
所述二级电路包括多个子电路；每个子电路均包括全桥式开关组、子模块、输出电容器(C4)；
所述子模块包括第三开关(Q5)、第四开关(Q6)、第三电容器(C2)以及第二电感器(L2)，所述第三开关、第四开关串联后，连接所述全桥式开关组的第一端；所述第三电容器一端连接所述第三开关，另一端连接所述第四开关；所述第二电感器一端分别连接所述第三开关与第四开关，另一端连接所述输出电容器；所述输出电容器一端连接所述全桥式开关组的第二端。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述全桥式开关组包括第五开关(Q1)、第六开关(Q2)、第七开关(Q3)以及第八开关(Q4)；所述第五开关与第六开关串联后，与串联的第七开关与第八开关并联。
3.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，针对各子电路，该子电路包括第一子模块与第二子模块，所述第一子模块与第二子模块串联；所述第一子模块连接所述全桥式开关组的第一端，所述第二子模块连接所述输出电容器。
4.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述二级电路包括第一子电路与第二子电路；所述第一子电路并联在所述第一电容器(C1)两端，所述第二子电路并联在所述第二电容器(C5)两端。
5.根据权利要求4所述的电路，其特征在于，
所述逆变器电路还包括总输出电容器(C9)、第三电感器(L6)、第四电感器(L7)；所述第三电感器的一端连接第一子电路的输出电容器(C4)，另一端连接总输出电容器；所述第四电感器的一端连接第二子电路的输出电容器(C8)，另一端连接总输出电容器。
6.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述逆变器电路还包括控制单元；所述控制单元与所述逆变器电路中的各开关连接；
所述控制单元用于向所述第一开关与第二开关发送控制信号，以控制所述第一电容器与第二电容器两端的电压。
7.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述控制单元还用于向各子模块中的开关分别发送控制信号，使各子模块中的电容器连通或者被旁路，以控制相应的子电路中输出电容器两端的电压。
8.根据权利要求6所述的电路，其特征在于，所述逆变器电路中的各开关均为MOSFET，所述控制单元与各开关的栅极连接。
9.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，
所述第三电容器(C2)为电容器组，包括多个并联的电容器；
所述第二电感器(L2)为电感器组，包括多个串联的电感器。
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