CN116054622B - 双向逆变电路和双向逆变器 - Google Patents

双向逆变电路和双向逆变器 Download PDF

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Abstract

本申请提供一种双向逆变电路和双向逆变器，涉及电力电子技术领域，其中，双向逆变电路包含直流电源、交流电源、直流滤波电路、交流滤波电路和双向开关网络；直流滤波电路并联在直流电源的两端，双向开关网络包括两个双向开关网络，每个双向开关网络的第一端和第二端并联在直流滤波电路两端，两个双向开关网络的第三端连接在交流滤波电路的两端；每个双向开关网络包括反相耦合变压器和多个并联的开关桥臂，每个开关桥臂的桥臂中点分别与反相耦合变压器的一个绕组连接；交流滤波电路的两端分别通过功率开关管连接所述直流电源的负极，交流电源并联在交流滤波电路的两端。本申请提供的技术方案能够减小双向逆变电路的开关功耗和体积。

Description

双向逆变电路和双向逆变器
技术领域
本申请涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种双向逆变电路和双向逆变器。
背景技术
双向逆变电路是一种具有逆变模式和整流模式的电路，具有电路结构简单，调制方法成熟等优点，目前已广泛应用于工业与民用双向逆变器中。
传统的双向逆变电路主要包括：直流(DC)电源、交流(AC)电源、直流滤波电路、交流滤波电路和DC/AC变换模块，其中，DC/AC变换模块通常采用高频功率开关管实现，交流滤波电路通常采用滤波电感实现。但是，这种传统的双向逆变电路，功率开关管的开关功耗和滤波电感的体积都比较大。
发明内容
有鉴于此，本申请提供一种双向逆变电路和双向逆变器，用于减小双向逆变电路的开关功耗和体积。
为了实现上述目的，第一方面，本申请实施例提供一种双向逆变电路，包括直流电源、交流电源、直流滤波电路、交流滤波电路和多个双向开关网络；
所述直流滤波电路并联在所述直流电源的两端；
所述多个双向开关网络包括：第一双向开关网络和第二双向开关网络；
所述第一双向开关网络的第一端和第二端、所述第二双向开关网络的第一端和第二端，均并联在所述直流滤波电路的两端；所述第一双向开关网络的第三端和所述第二双向开关网络的第三端分别连接在所述交流滤波电路的两端；
每个双向开关网络包括：反相耦合变压器、滤波电感和多个并联的开关桥臂，每个所述开关桥臂的两端均连接在所属双向开关网络的第一端和第二端之间，每个所述开关桥臂的桥臂中点分别与所述反相耦合变压器的一个绕组连接，所述反相耦合变压器的中点通过所述滤波器连接所属双向开关网络的第三端；
所述交流滤波电路的两端分别通过功率开关管连接所述直流电源的负极；所述交流电源并联在所述交流滤波电路的两端。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述多个并联的开关桥臂满足如下条件：
D>0.5且ф<(1-D)，或者，D<0.5且ф<D；
其中，D表示各所述开关桥臂的上桥臂的工作占空比，ф表示各所述开关桥臂之间的工作相位差。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述第一双向开关网络和所述第二双向开关网络均包括多个。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，每个所述开关桥臂均包括两个串联的功率开关管。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述直流滤波电路包括直流电容，所述直流电容并联在所述直流电源的两端。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述交流滤波电路包括交流电容，所述交流电源并联在所述交流电容的两端。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述交流滤波电路的两端连接的功率开关管均为工频开关管。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述滤波电感为所述反相耦合变压器的等效漏感。
第二方面，本申请实施例提供一种双向逆变器，包括如上述任一项所述的双向逆变电路和控制器，所述控制器用于分别对所述双向逆变电路中的直流电源和交流电源进行电压采样，得到第一电压采样信号和第二电压采样信号；对第一双向开关网络的第三端进行电流采样，得到电流采样信号；并根据所述第一电压采样信号、所述第二电压采样信号和所述电流采样信号控制所述双向逆变电路的工作模式。
作为本申请实施例一种可选的实施方式，所述控制器包括：第一电压采样电路、第二电压采样电路、电流采样电路、第一比较单元、第二比较单元、选通单元和驱动单元；
所述第一电压采样电路与直流滤波电路的第一端连接，用于对所述直流滤波电路的第一端进行电压采样，生成所述第一电压采样信号；
所述第二电压采样电路与交流滤波电路的第一端连接，用于对所述交流滤波电路的第一端进行电压采样，生成所述第二电压采样信号；
所述电流采样电路与所述第一双向开关网络的第三端连接，用于对所述第一双向开关网络的第三端进行电流采样，生成所述电流采样信号；
所述第一比较单元分别与所述第一电压采样电路和所述电流采样电路连接，用于对所述第一电压采样信号和第一参考电压信号进行比较，并根据比较结果和所述电流采样信号生成第一反馈信号；
所述第二比较单元分别与所述第二电压采样电路和所述电流采样电路连接，用于对所述第二电压采样信号和第二参考电压信号进行比较，并根据比较结果和所述电流采样信号生成第二反馈信号；
所述选通单元分别与所述第一比较单元和所述第二比较单元连接，用于根据所述第一反馈信号和所述第二反馈信号生成控制信号；
所述驱动单元分别与所述选通单元、每个双向开关网络的开关桥臂的控制端和每个功率开关管的控制端连接，用于根据所述控制信号向各所述开关桥臂和各所述功率开关管输出驱动信号，以控制所述双向逆变电路的工作模式。
本申请实施例提供的技术方案，双向开关网络中反相耦合变压器中点可以实现多电平输出，从而可以降低功率开关管的开关功耗，减小滤波电感的电感量，进而可以减小滤波电感的体积，此外，还可以减小输出谐波，提高电能质量；并且，多个双向开关网络可以实现高功率输出，双向开关网络与交流电源侧的功率开关管相互协作也可以实现双降压效果，从而可以进一步降低开关功耗。
附图说明
图1为本申请实施例提供的逆变器的结构示意图；
图2为本申请实施例提供的双向开关网络的一种结构示意图；
图3为本申请实施例提供的双向开关网络的另一种结构示意图；
图4为本申请实施例提供的逆变器的一种电路结构示意图；
图5为本申请实施例提供的双向逆变电路的工作波形图；
图6为本申请实施例提供的双向逆变电路的一种电路结构示意图；
图7为本申请实施例提供的双向逆变电路的另一种电路结构示意图。
具体实施方式
下面结合本申请实施例中的附图对本申请实施例进行描述。本申请实施例的实施方式部分使用的术语仅用于对本申请的具体实施例进行解释，而非旨在限定本申请。
图1为本申请实施例提供的逆变器的结构示意图，如图1所示，逆变器可以包括双向逆变电路和控制器70，其中，双向逆变电路可以包括：直流电源10、交流电源20、直流滤波电路30、交流滤波电路40和多个双向开关网络50。
其中，直流滤波电路30并联在直流电源10的两端；多个双向开关网络50包括：第一双向开关网络501和第二双向开关网络502；第一双向开关网络501的第一端和第二端、第二双向开关网络502的第一端和第二端，均并联在直流滤波电路30的两端；第一双向开关网络501的第三端和第二双向开关网络502的第三端分别连接在交流滤波电路40的两端；交流滤波电路40的两端分别通过功率开关管60连接直流电源10的负极；交流电源20并联在交流滤波电路40的两端。
具体地，直流滤波电路30可以采用直流电容或其他滤波器件实现；交流滤波电路40可以采用交流电容和/或电感等滤波器件实现。
如图2所示，每个双向开关网络50可以包括：两个开关桥臂(开关桥臂1和开关桥臂2)、反相耦合变压器和滤波电感。
其中，开关桥臂1和开关桥臂2并联，开关桥臂1、开关桥臂2的两端均连接在第一双向开关网络501的第一端和第二端之间，开关桥臂1、开关桥臂2的桥臂中点分别与反相耦合变压器的一个绕组连接，反相耦合变压器的中点通过滤波电感连接双向开关网络50的第三端。
在一个实施例中，双向开关网络50中的滤波电感也可以是反相耦合变压器的等效漏感，对应的，如图3所示，双向开关网络50中可以包括：开关桥臂1、开关桥臂2和反相耦合变压器，这样可以减小逆变电路的体积。
其中，开关桥臂可以由功率开关管构成，该开关管可以是高频开关管；功率开关管60可以是工频开关管。功率开关管具体可以采用全控型功率半导体器件，如金属氧化物场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET)、绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)，也可使用第三代半导体宽禁带(WBG)功率器件，如碳化硅(SiC)、氮化镓(GaN)MOSFET等。
控制器70用于分别对双向逆变电路中的直流电源10和交流电源20进行电压采样，得到第一电压采样信号和第二电压采样信号；对第一双向开关网络501的第三端进行电流采样，得到电流采样信号；并根据第一电压采样信号、第二电压采样信号和电流采样信号控制双向逆变电路的工作模式。
控制器70可以包括第一电压采样电路701、第二电压采样电路702、电流采样电路703、第一比较单元704、第二比较单元705、选通单元706以及驱动单元707。
第一电压采样电路701与直流滤波电路30的第一端连接，用于对直流滤波电路30的第一端进行电压采样，生成第一电压采样信号；第二电压采样电路702与交流滤波电路40的第一端连接，用于对交流滤波电路40的第一端进行电压采样，生成第二电压采样信号；电流采样电路703与第一双向开关网络501的第三端连接，用于对第一双向开关网络501的第三端进行电流采样，生成电流采样信号。
第一比较单元704分别与第一电压采样电路701和电流采样电路703连接，用于对第一电压采样信号和第一参考电压信号进行比较，并根据比较结果和电流采样信号生成第一反馈信号；第二比较单元705分别与第二电压采样电路702和电流采样电路703连接，用于对第二电压采样信号和第二参考电压信号进行比较，并根据比较结果和电流采样信号生成第二反馈信号。
选通单元706分别与第一比较单元704和第二比较单元705连接，用于根据第一反馈信号和第二反馈信号生成控制信号；驱动单元707分别与选通单元706、每个双向开关网络的开关桥臂的控制端和每个功率开关管的控制端连接，用于根据控制信号向各开关桥臂和各功率开关管输出驱动信号，以控制双向逆变电路的工作模式。
双向逆变电路包含逆变工作模式和整流工作模式。在逆变工作模式下，直流电源10经过直流滤波电路30滤波后，经过第一双向开关网络501内部的两个开关桥臂、第二双向开关网络502内部的两个开关桥臂和两个功率开关管60进行电能变换，输出两个高频方波；每个高频方波分别经过对应的双向开关网络内的反相耦合变压器的两个绕组后进入滤波电感，再经过交流滤波电路40后提供正弦波给交流电源20。其中，控制器70经过内部逻辑处理和控制后，输出适当的驱动信号给第一双向开关网络501和第二双向开关网络502中开关桥臂的高频开关管，使高频开关管以SPWM高频开关工作，同时驱动两个功率开关管60以正弦波工频开关工作，最终提供稳定的交流正弦波电压或电流给交流电源20。反过来，整流工作模式下，从交流电源20向直流电源10的功率流向路径及其工作原理与逆变工作模式相似，这里不再赘述。
本实施例中，为了进一步降低开关功耗，每个双向开关网络50中开关桥臂可以采用非交错并联技术实现软开关。
具体地，非交错并联工作状况下，控制器70可以采用移相交错相位ф≠360°/N的调制方法，其中，N为非交错并联的相数，也即每个双向开关网络50中开关桥臂的个数。其中，每个双向开关网络50中开关桥臂满足如下条件：
D>0.5且ф<(1-D)，或者，D<0.5且ф<D。
其中，D表示各开关桥臂的上桥臂的工作占空比，ф表示各开关桥臂之间的工作相位差。
控制器70可以采用上述调制方式确保功率开关管实现零电压软开关，降低开关功耗。虽然同等工作条件下，其电流纹波比传统移相交错调制方法稍大，但该调制方法仍然能够达到较好的均流和均热效果。
控制器70既可使用分立电子元器件搭建，也可采用专用集成电路实现，如模拟控制芯片、通过软件编程的单片机、数字信号处理器或可编程逻辑器件等；双向逆变电路既可采用分立器件方式或集成方式，也可统一集成进控制器中而构成大规模混合集成电路，这种高集成度控制器设计能够进一步减小双向逆变器体积。
下面结合具体的电路说明逆变器的工作原理。
图4为本申请实施例提供的逆变器的一种电路结构示意图，如图4所示，直流滤波电路30可以包括直流电容Cdc，交流滤波电路40可以包括交流电容Cf，直流电容Cdc并联在直流电源10的两端。
第一双向开关网络501中，开关桥臂1可以包括第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2，第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2串联；开关桥臂2可以包括第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，第三功率开关管Q3与第四功率开关管Q4串联。开关桥臂1的桥臂中点a与反相耦合变压器T1的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点b与反相耦合变压器T1的第二个绕组连接，反相耦合变压器T1通过滤波电感L1与交流电容Cf的第一端连接。
第二双向开关网络502中，开关桥臂1可以包括第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6，第五功率开关管Q5与第六功率开关管Q6串联；开关桥臂2可以包括第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8，第七功率开关管Q7与第八功率开关管Q8串联。开关桥臂1的桥臂中点c与反相耦合变压器T2的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点d与反相耦合变压器T2的第二个绕组连接，反相耦合变压器T2通过滤波电感L2与交流电容Cf的第二端连接。
第一双向开关网络501和第二双向开关网络502中的开关桥臂均并联在直流电容Cdc的两端；第一双向开关网络501的开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联，第二双向开关网络502的开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联。
功率开关管60可以包括工频开关管Q9和工频开关管Q10。交流电容Cf的第一端通过工频开关管Q9连接直流电源Vdc的负极，交流电容Cf的第二端通过工频开关管Q10连接直流电源Vdc的负极。交流电源Vac并联在交流电容Cf的两端。
第一电压采样电路701可以包括串联的第一电阻R1和第二电阻R2，第二电阻R2接地；第二电压采样电路702可以包括串联的第三电阻R3和第四电阻R4，第四电阻R4接地；电流采样电路703可以包括电流采样器件U0；第一比较单元704可以包括放大器U1、光电耦合器U2和放大器U3；第二比较单元705可以包括放大器U4、光电耦合器U5和放大器U6。
其中，第一比较单元704中，放大器U1的负输入端连接在第一电阻R1和第二电阻R2之间，放大器U1的正输入端连接电源Vr1的正极，电源Vr1的负极接地，电源Vr1用于向放大器U1提供第一电压参考信号。放大器U1的输出端连接至光电耦合器U2原边二极管的负端，光电耦合器U2原边二极管的正端连接至控制器70内部的电压源(未示出)，光电耦合器U2副边三极管的发射极接地，光电耦合器U2副边三极管的集电极连接至控制器70内部的电流源Is1和放大器U3的正输入端。
可选地，交流侧和直流侧可以共用同一个电流采样信号，如第一双向开关网络501的滤波电感L1的电流采样信号I1。
电流采样电路703中的电流采样器件U0可以使用电流传感器、电流互感器或电阻(具体的电流采样电路图未示出)，电流采样器件U0连接至放大器U3的负输入端，放大器U3的输出端连接至选通单元U7的第一输入端。
第二比较单元705中，放大器U4的负输入端连接在第三电阻R3和第四电阻R4之间，放大器U4的正输入端连接电源Vr2的一端，电源Vr2的另一端接地，电源Vr2用于向放大器U4提供第二电压参考信号Vr2。放大器U4的输出端连接至光电耦合器U5原边二极管的负端，光电耦合器U5原边二极管正端连接至控制器70内部电压源(未示出)，光电耦合器U5副边三极管的发射极接地，光电耦合器U5副边三极管的集电极连接至控制器70内部电流源Is2和放大器U6的正输入端。
电流采样器件U0连接至放大器U6的负输入端，放大器U6的输出端接至选通单元U7第二输入端，选通单元U7的输出端可以通过逻辑运算与发波单元U8连接驱动单元U9。
驱动单元U9的输出端连接各功率开关管Q1～Q10，用于产生PWM脉冲驱动信号驱动各功率开关管Q1～Q10开关。
下面以逆变工作模式为例，说明双向逆变器的工作原理：
直流电源Vdc经直流电容Cdc滤波后提供给功率开关管Q1～Q10，控制器70输出驱动信号并经栅级驱动放大电路(未示出)提供给各功率开关管Q1～Q10，产生的高频方波经过反相耦合变压器T1～T2、滤波电感L1～L2，并经交流电容Cf滤波后提供交流正弦波给交流电源Vac。控制器70可以通过放大器U4相关的电压外环比例积分(PI)补偿设计(未示出)，调整逆变输出电压并实现稳压；通过放大器U6相关的电流内环比例积分(PI)补偿设计(未示出)，采用平均电流模式或峰值电流模式控制，从而提高其动态响应性能。
需要说明的是，控制器70中放大器U1、U3、U4和U6，可以采用二阶或多阶PI补偿或其他智能控制方式；可选地，控制器70也可采用其他类型控制方式，如准谐振控制，单周期控制，电流连续导通模式(CCM)，电流断续模式(DCM)，电流临界导通模式(CRM)等，并不影响其电气性能和效果。
在逆变工作模式下，第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3工作于高频正弦波脉宽调制(SPWM)方式，第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4为同步整流工作，第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4的栅极驱动信号分别与第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3相反，但第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4的栅极驱动信号之间留有一定死区时间，同时第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6为工频开关工作。
下面以逆变工作模式下第一双向开关网络501为例说明软开关工作原理：
假设第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3的工作占空比D>0.5。图5示出了几个主要的工作波形图，其中，M表示反相耦合变压器T1的中点，O表示直流电源10负极或地，VMO表示M到O点的电压，VaM表示图4中第一双向开关网络501的开关桥臂1的中点a到反相耦合变压器T1的中点M之间的电压，VbM表示图4中第一双向开关网络501的开关桥臂2的中点b到反相耦合变压器T1的中点M之间的电压，Vdc表示图4中的直流电源10的电压。
图5中从上至下分别为：第一功率开关管Q1～第四功率开关管Q4的栅极驱动信号Vgs、VMO、VaM、VbM以及流过反相耦合变压器T1原边、副边绕组的电流i1、i2的工作波形，电流正方向参考图4所示。
第一功率开关管Q1、第四功率开关管Q4共同导通时，VMO＝1/2·Vdc，VaM＝1/2·Vdc，VbM＝-1/2·Vdc，i1线性上升，i2线性下降；
第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3共同导通时，VMO＝Vdc，VaM＝0，VbM＝0，由于漏感影响，i1继续略为上升，i2反向略为上升；
第三功率开关管Q3、第二功率开关管Q2共同导通时，VMO＝1/2·Vdc，VaM＝-1/2·Vdc，VbM＝1/2·Vdc，i1线性下降，i2线性上升；
第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4共同导通时，VMO＝0，VaM＝0，VbM＝0，由于漏感影响，i1反向略为下降，i2继续略为下降；
第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3开通之前i1、i2均为负值，因此二者可以实现零电压(ZVS)开通；第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4开通之前i1、i2均为正值，因此二者也可实现零电压(ZVS)开通。同时第一功率开关管Q1～第四功率开关管Q4关断之后i1、i2的绝对值为线性下降，可以减小甚至消除其体二极管反向恢复功耗。另外，利用第一功率开关管Q1～第四功率开关管Q4漏源极之间的寄生电容，或者各自外并小电容，第一功率开关管Q1～第四功率开关管Q4可以近似实现零电压关断。
第二双向开关网络502的工作原理与其完全相同，这里不再赘述。第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3的工作占空比D<0.5时，工作原理与其基本相似，这里不再赘述。
反过来，整流工作模式下，第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4工作于高频脉冲宽度调制(PWM)方式，第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3为同步整流工作，第一功率开关管Q1、第三功率开关管Q3的栅极驱动信号分别与第二功率开关管Q2、第四功率开关管Q4相反，但第一功率开关管Q1和第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3和第四功率开关管Q4的栅极驱动信号之间留有一定死区时间，同时第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6为仍然工频开关。其工作原理与逆变工作模式相似，这里不再赘述。
本方案中，通过产生幅值适当的环流，实现功率开关管零电压软开关，并降低其体二极管反向恢复功耗，并不限定其控制方式。由于环流幅值较小，因此不会造成过大的环流功耗。
综上，双向逆变电路采用移相交错相位ф≠360°/N的调制方法时，高频功率开关管Q1～Q8均可实现零电压软开关，并降低其体二极管反向恢复功耗，从而减小甚至消除开关功耗，可以达到更高的转换效率。
另外，功率开关管60均工作于工频，其开关功耗极小可忽略不计。由于开关功耗较低，双向逆变电路可工作于更高开关频率下，从而减小电感、电容等无源器件体积，同时降低其成本。
通过观察VMO波形可以发现变压器T1中点为三电平输出，并且结合第二双向开关网络502，两者总的变压器中点为五电平输出。多电平工作可以减小滤波电感的电感量，并减小输出谐波，提高电能质量，可以进一步降低功率开关管开关功耗，减小电感体积并降低成本。高频功率开关管和变压器两个绕组并联工作，各自分担电流，热量分布比较均衡。
本申请实施例中，第一双向开关网络和第二双向开关网络均可以包括多个，图6示例性地示出了第一双向开关网络和第二双向开关网络均包括两个的情况。
如图6所示，其中一个第一双向开关网络中，开关桥臂1包含第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2，第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2串联；开关桥臂2包含第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，第三功率开关管Q3与第四功率开关管Q4串联。开关桥臂1的桥臂中点与反相耦合变压器T1的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点与反相耦合变压器T1的第二个绕组连接，反相耦合变压器T1与滤波电感L1的第一端连接。开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联。
其中一个第二双向开关网络中，开关桥臂1包含第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6，第五功率开关管Q5与第六功率开关管Q6串联；开关桥臂2包含第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8，第七功率开关管Q7与第八功率开关管Q8串联。开关桥臂1的桥臂中点与反相耦合变压器T2的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点与反相耦合变压器T2的第二个绕组连接，反相耦合变压器T2与滤波电感L2的第一端连接。开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联。
另一个第一双向开关网络中，开关桥臂1包含第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10，第九功率开关管Q9与第十功率开关管Q10串联；开关桥臂2包含第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12，第十一功率开关管Q11与第十二功率开关管Q12串联。开关桥臂1的桥臂中点与反相耦合变压器T3的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点f与反相耦合变压器T3的第二个绕组连接，反相耦合变压器T3与滤波电感L3的第一端连接。开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联。
另一个第二双向开关网络中，开关桥臂1包含第十三功率开关管Q13、第十四功率开关管Q14，第十三功率开关管Q13与第十四功率开关管Q14串联；开关桥臂2包含第十五功率开关管Q15、第十六功率开关管Q16，第十五功率开关管Q15与第十六功率开关管Q16串联。开关桥臂1的桥臂中点与反相耦合变压器T4的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点与反相耦合变压器T4的第二个绕组连接，反相耦合变压器T4与滤波电感L4的第一端连接。开关桥臂1和开关桥臂2构成两相非交错并联。
滤波电感L3的第二端与滤波电感L1的第二端连接，滤波电感L4的第二端与滤波电感L2的第二端连接；滤波电感L1的第二端与滤波电感L2的第二端分别连接交流电容Cf的两端；交流电源Vac并联在交流电容Cf的两端；交流电容Cf的两端连接工频开关管Q17和工频开关管Q18。
新增的第一双向开关网络和第二双向开关网络与图4中第一双向开关网络和第二双向开关网络的连接方式类似，此处不再赘述。另外，四双向开关网络的工作原理与实施例一的工作原理相类似，此处也不再赘述。四双向开关网络的电路结构能够达到更高功率等级。
本申请实施例中，每个双向开关网络中的开关桥臂的数量也可以是三个或更多个，图7示例性地示出了开关桥臂包括三个的情况，如图7所示，第一双向开关网络中，开关桥臂1包含第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2，第一功率开关管Q1与第二功率开关管Q2串联；开关桥臂2包含第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4，第三功率开关管Q3与第四功率开关管Q4串联；开关桥臂3包含第五功率开关管Q5、第六功率开关管Q6，第五功率开关管Q5与第六功率开关管Q6串联。开关桥臂1的桥臂中点a与变压器T1的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点b与反相耦合变压器T1的第二个绕组连接，开关桥臂3的桥臂中点c与变压器T1的第三个绕组连接，变压器T1的中点与滤波电感L1的第一端连接。开关桥臂1、开关桥臂2和开关桥臂3构成三相非交错并联。
第二双向开关网络中，开关桥臂1包含第七功率开关管Q7、第八功率开关管Q8，第七功率开关管Q7与第八功率开关管Q8串联；开关桥臂2包含第九功率开关管Q9、第十功率开关管Q10，第九功率开关管Q9与第十功率开关管Q10串联；开关桥臂3包含第十一功率开关管Q11、第十二功率开关管Q12，第十一功率开关管Q11与第十二功率开关管Q12串联。开关桥臂1的桥臂中点d与变压器T2的第一个绕组连接，开关桥臂2的桥臂中点e与反相耦合变压器T2的第二个绕组连接，开关桥臂3的桥臂中点f与变压器T2的第三个绕组连接，变压器T2与滤波电感L2的第一端连接。开关桥臂1、开关桥臂2和开关桥臂3构成三相非交错并联；
滤波电感L1的第二端与滤波电感L2的第二端分别连接交流电容Cf的两端；交流电源Vac并联在交流电容Cf的两端；交流电容Cf的两端连接工频开关管Q13和工频开关管Q14。
三相非交错并联双向逆变电路的工作原理与实施例一的工作原理相类似，这里不在赘述，三相非交错并联的电路结构能够达到更高功率等级。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
在本申请的描述中，除非另有说明，“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系，例如，A/B可以表示A或B；本申请中的“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况，其中A，B可以是单数或者复数。
并且，在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”是指两个或多于两个。“以下至少一项”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项或复数项的任意组合。例如，a，b，或c中的至少一项，可以表示：a，b，c，a-b，a-c，b-c，或a-b-c，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。
另外，在本申请说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。
此外，在本申请中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“相连”等应做广义理解，例如可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定、对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种双向逆变电路，其特征在于，包括：直流电源、交流电源、直流滤波电路、交流滤波电路和多个双向开关网络；
所述直流滤波电路并联在所述直流电源的两端；
所述多个双向开关网络包括：第一双向开关网络和第二双向开关网络；
所述第一双向开关网络的第一端和第二端、所述第二双向开关网络的第一端和第二端，均并联在所述直流滤波电路的两端；所述第一双向开关网络的第三端和所述第二双向开关网络的第三端分别连接在所述交流滤波电路的两端；
每个双向开关网络包括：反相耦合变压器、滤波电感和多个并联的开关桥臂，每个所述开关桥臂的两端均连接在所属双向开关网络的第一端和第二端之间，每个所述开关桥臂的桥臂中点分别与所述反相耦合变压器的一个绕组连接，所述反相耦合变压器的中点通过所述滤波电感连接所述双向开关网络的第三端；
所述每个双向网络开关中的开关桥臂采用非交错并联；
所述交流滤波电路的两端分别通过功率开关管连接所述直流电源的负极；所述交流电源并联在所述交流滤波电路的两端；
所述多个并联的开关桥臂满足如下条件：
D>0.5且ф<(1-D)，或者，D<0.5且ф<D；
其中，D表示各所述开关桥臂的上桥臂的工作占空比，ф表示各所述开关桥臂之间的工作相位差；
所述工作相位差的表达式为：ф≠360°/N，其中N表示所述非交错并联的相数；
所述非交错并联的相数等于所述每个双向开关网络中所述开关桥臂的个数。
2.根据权利要求1所述的双向逆变电路，其特征在于，所述第一双向开关网络和所述第二双向开关网络均包括多个。
3.根据权利要求1所述的双向逆变电路，其特征在于，每个所述开关桥臂均包括两个串联的功率开关管。
4.根据权利要求1所述的双向逆变电路，其特征在于，所述直流滤波电路包括直流电容，所述直流电容并联在所述直流电源的两端。
5.根据权利要求1所述的双向逆变电路，其特征在于，所述交流滤波电路包括交流电容，所述交流电源并联在所述交流电容的两端。
6.根据权利要求1所述的双向逆变电路，其特征在于，所述交流滤波电路的两端连接的功率开关管均为工频开关管。
7.根据权利要求1-6任一项所述的双向逆变电路，其特征在于，所述滤波电感为所述反相耦合变压器的等效漏感。
8.一种双向逆变器，其特征在于，包括：如权利要求1-7任一项所述的双向逆变电路和控制器；所述控制器用于分别对所述双向逆变电路中的直流电源和交流电源进行电压采样，得到第一电压采样信号和第二电压采样信号；对第一双向开关网络的第三端进行电流采样，得到电流采样信号；并根据所述第一电压采样信号、所述第二电压采样信号和所述电流采样信号控制所述双向逆变电路的工作模式。
9.根据权利要求8所述的双向逆变器，其特征在于，所述控制器包括：第一电压采样电路、第二电压采样电路、电流采样电路、第一比较单元、第二比较单元、选通单元和驱动单元；
所述第一电压采样电路与直流滤波电路的第一端连接，用于对所述直流滤波电路的第一端进行电压采样，生成所述第一电压采样信号；
所述第二电压采样电路与交流滤波电路的第一端连接，用于对所述交流滤波电路的第一端进行电压采样，生成所述第二电压采样信号；
所述电流采样电路与所述第一双向开关网络的第三端连接，用于对所述第一双向开关网络的第三端进行电流采样，生成所述电流采样信号；
所述第一比较单元分别与所述第一电压采样电路和所述电流采样电路连接，用于对所述第一电压采样信号和第一参考电压信号进行比较，并根据比较结果和所述电流采样信号生成第一反馈信号；
所述第二比较单元分别与所述第二电压采样电路和所述电流采样电路连接，用于对所述第二电压采样信号和第二参考电压信号进行比较，并根据比较结果和所述电流采样信号生成第二反馈信号；
所述选通单元分别与所述第一比较单元和所述第二比较单元连接，用于根据所述第一反馈信号和所述第二反馈信号生成控制信号；
所述驱动单元分别与所述选通单元、每个双向开关网络的开关桥臂的控制端和每个功率开关管的控制端连接，用于根据所述控制信号向各所述开关桥臂和各所述功率开关管输出驱动信号，以控制所述双向逆变电路的工作模式。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101860231A (zh) * 2010-05-20 2010-10-13 新疆全新环保新技术科技有限公司 一种大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组
CN107800315A (zh) * 2017-06-21 2018-03-13 深圳茂硕电气有限公司 一种使用三端开关网络的多电平逆变器功率拓扑、控制方式及逆变器系统
JP2019161722A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 株式会社豊田中央研究所 電力変換装置
CN113258808A (zh) * 2021-05-07 2021-08-13 三峡大学 高功率密度车载交流电源

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101860231A (zh) * 2010-05-20 2010-10-13 新疆全新环保新技术科技有限公司 一种大功率风力发电机专用三电平全功率变流器组
CN107800315A (zh) * 2017-06-21 2018-03-13 深圳茂硕电气有限公司 一种使用三端开关网络的多电平逆变器功率拓扑、控制方式及逆变器系统
JP2019161722A (ja) * 2018-03-08 2019-09-19 株式会社豊田中央研究所 電力変換装置
CN113258808A (zh) * 2021-05-07 2021-08-13 三峡大学 高功率密度车载交流电源

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
洪峰 等.《中国电机工程学报》.2014,第 34卷(第21期), 全文. *

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