CN202550916U - 自驱动工频同步换相全桥电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种自驱动工频同步换相全桥电路，它简单、成本低、工作可靠、适用于并网逆变器。它包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关形成的桥式电路，第一功率开关与第一驱动单元连接，第二功率开关与第二驱动单元连接，第三功率开关与第三驱动单元，第四功率开关与第四驱动单元连接；桥式电路设有对称的连接点A和连接点B作为交流输入端，以及对称的连接点C和连接点D作为直流脉动端；第一电容跨接在连接点C和连接点D之间；第一驱动单元、第二驱动单元还与连接点A连接，第三驱动单元和第四驱动单元还与连接点B连接。

Description

自驱动工频同步换相全桥电路

技术领域

本实用新型属于光伏并网发电技术领域，尤其涉及一种用于光伏并网逆变器的自驱动工频同步换相全桥电路。

背景技术

并网逆变器是光伏并网发电系统中不可缺少的设备。在中小功率单相光伏并网逆变器中，常采用与工频交流电网电压同步的工频换相全桥，将具有按半周期正弦规律变化的直流单向脉动电流转化为正弦波交流电流注入电网。

常规全桥电路的驱动电路通常由多路隔离驱动电源、光电隔离驱动器等部分构成，而且还需要有专门电路提供与电网电压严格同步的驱动脉冲，结构复杂，成本高。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为解决上述问题，提供一种自驱动工频同步换相全桥电路，它简单、成本低、工作可靠、适用于并网逆变器。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种自驱动工频同步换相全桥电路，它包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关形成的桥式电路，第一功率开关与第一驱动单元连接，第二功率开关与第二驱动单元连接，第三功率开关与第三驱动单元，第四功率开关与第四驱动单元连接；

桥式电路设有对称的连接点A和连接点B作为交流输入端，以及对称的连接点C和连接点D作为直流脉动端；

第一电容跨接在连接点C和连接点D之间；

第一驱动单元、第二驱动单元还与连接点A连接，第三驱动单元和第四驱动单元还与连接点B连接。

所述连接点A和B分别接单相交流电网的相线L与中线N，而在连接点C和连接点D之间注入直流脉动电流；当交流电网电压处于正半周时，需要驱动第一功率开关和第四功率开关导通、第二功率开关和第三功率开关截止，由连接点C注入的电流经过第一功率开关后由连接点A注入交流电网，由连接点B返回，再经过第四功率开关返回连接点D；当交流电网电压处于负半周时，需要驱动第二功率开关和第三功率开关导通、第一功率开关和第四功率开关截止，由连接点C注入的电流经过第三功率开关后由连接点B注入交流电网，由连接点A返回，再经过第二功率开关返回连接点D。

所述第一驱动单元与第三驱动单元具有相同的内部结构，均包括第一电阻器R1、第一二极管D1、第二电阻器R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一齐纳管Z1、第二二极管D2、第二电容器C2和第五电阻器R5，其中：

各驱动单元的①端与相应的第一电阻器R1的第一端连接；

第一电阻器R1的第二端与第一二极管D1的阳极、第二电阻器R2的第一端以及第一晶体管Q1的基极相互连接；

第一二极管D1的阴极与第二电阻器R2的第二端、第一晶体管Q1的发射极、第三电阻器R3的第二端以及第二晶体管Q2的基极相互连接；

第二晶体管Q2的集电极与第四电阻器R4的第二端、第一齐纳管Z1的阴极以及相应驱动单元的③端相互连接；

第三电阻器R3的第一端与第四电阻器R4的第一端、第二二极管D2的阴极以及第二电容器C2的第一端相互连接；

第二二极管R2的阳极与第五电阻器R5的第一端连接；

第五电阻器R5的第二端与相应驱动单元的②端连接；

第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的发射极、第一齐纳管Z1的阳极、第二电容器C2的第二端以及相应驱动单元的④端相互连接。

其中的第二驱动单元与第四驱动单元具有相同的内部结构，均包括第六电阻器R6、第七电阻器R7、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第八电阻器R8、第九电阻器R9、第二齐纳管Z2、第三二极管D3、第三电容器C3和第十电阻器R10，其中：

所述各驱动单元的①端与相应的第六电阻器R6的第一端连接；

第六电阻器R6的第二端与第七电阻器R7的第一端以及第三晶体管Q3的基极相互连接；

第三晶体管Q3的集电极与第八电阻器R8的第二端以及第四晶体管Q4的基极相互连接；

第四晶体管Q4的集电极与第九电阻器R9的第二端、第二齐纳管Z2的阴极以及相应驱动单元的③端相互连接；

第八电阻器R8的第一端与第九电阻器R9的第一端、第三二极管D3的阴极以及第三电容器C3的第一端相互连接；

第三二极管D3的阳极与第十电阻器R10的第一端连接；

第十电阻器R10的第二端与相应驱动单元的②端连接；

第七电阻器R7的第二端与第三晶体管Q3的发射极、第四晶体管Q4的发射极、第二齐纳管Z2的阳极、第三电容器C3的第二端以及相应驱动单元的④端相互连接。

所述第一晶体管Q1是PNP型晶体管，第二晶体管Q2是NPN型晶体管。

所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4是NPN型晶体管。

所述四个功率开关是半导体功率开关器件MOSFET或者IGBT。

本实用新型的工作原理为：

在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，由于四个半导体功率开关器件中所包含的反并联二极管的单向导电性，各功率开关两端均存在直流脉动电压。该脉动电压经相应驱动单元的②端和④端进入各相应驱动单元，经第五电阻器R5和第二二极管D2对第二电容器C2充电（第一驱动单元和第三驱动单元），或者经第十电阻器R10和第三二极管Q2对第三电容器C3充电（第二驱动单元和第四驱动单元），在第二电容器C2和第三电容器C3上建立直流电压。该直流电压经第四电阻器R4与第一齐纳管Z1构成的钳位电路或者第九电阻器R9与第二齐纳管Z2构成的钳位电路钳位后，可获得适当的有效驱动电压，由相应驱动单元的③端输出，驱动对应的功率开关。各驱动电压还要受到相应驱动单元①端电位的控制。对于第一驱动单元和第三驱动单元而言，如果①端电位充分低于④端电位，则其中的第一晶体管Q1导通，第二晶体管Q2截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或高于④端电位，则其中的第一晶体管Q1截止，第二晶体管Q2导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第二晶体管Q2的饱和压降），对应的功率开关截至。对于第二驱动单元和第四驱动单元而言，如果①端电位充分高于④端电位，则其中的第三晶体管Q3导通，第四晶体管Q4截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或低于④端电位，则其中的第三晶体管Q3截止，第四晶体管Q4导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第四晶体管Q4的饱和压降），对应的功率开关截至。按此控制规律，根据所采用技术方案的连接关系容易分析，当连接点A和连接点B之间的交流电压处于正半周时，会控制第一驱动单元和第四驱动单元输出有效驱动电压，驱动第一功率开关和第四功率开关导通，而第二驱动单元和第三驱动单元输出的驱动电压接近零，第二功率开关和第三功率开关截止；当连接点A和连接点B之间的交流电压处于负半周时，会控制第二驱动单元和第三驱动单元输出有效驱动电压，驱动第二功率开关和第三功率开关导通，而第一驱动单元和第四驱动单元输出的驱动电压接近零，第一功率开关和第四功率开关截止。因此，在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，四个驱动单元可自动实现所需的同步驱动，并且各功率开关之间存在可靠的互锁关系，不会发生直通问题，同时在交流电压过零点附近，四个驱动单元均不会驱动功率开关，自动生成所需的切换死区。第一电容器C1的作用是防止换相过程的死区时间中连接点C和连接点D之间产生暂态高电压。

本实用新型的有益实施效果为：

1．能在电网交流电压作用下，自动实现工频同步换相全桥所需的同步驱动，工作稳定可靠；

2．自动实现各功率开关之间的互锁，并在交流电压过零点附近自动生成适当的功率开关切换死区，保证功率开关不会发生直通现象；

3．结构简单，容易实施；

4．省略了常规全桥驱动电路所需的多路隔离驱动电源、光电隔离驱动器、同步驱动脉冲产生电路等装置，成本显著降低。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例结构示意图；

图2是本实用新型第二实施例结构示意图；

图3是所述第一驱动单元和第三驱动单元电路图；

图4是所述第二驱动单元和第四驱动单元电路图。

其中：1第一驱动单元、2第一功率开关、3第二驱动单元、4第二功率开关、5第三驱动单元、6第三功率开关、7第四驱动单元、8第四功率开关、9第一电容器。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

如图1所示，一种自驱动工频同步换相全桥电路，它包括第一驱动单元1、第一功率开关2、第二驱动单元3、第二功率开关4、第三驱动单元5、第三功率开关6、第四驱动单7元、第四功率开关8和第一电容器9，其中：

第一功率开关2、第二功率开关4、第三功率开关6和第四功率开关8构成桥式电路，第一功率开关2的第二端与第二功率开关4的第一端连接构成连接点A，第三功率开关6的第二端与第四功率开关8的第一端连接构成连接点B，第一功率开关2的第一端与第三功率开关6的第一端连接构成连接点C，第二功率开关4的第二端与第四功率开关6的第二端连接构成连接点D；

第一电容器9跨接在连接点C和连接点D之间；

第一驱动单元1的②端和④端分别接第一功率开关2的第一端和第二端，第一驱动单元1的③端接第一功率开关2的控制端；

第二驱动单元3的②端和④端分别接第二功率开关4的第一端和第二端，第二驱动单元3的③端接第二功率开关4的控制端；

第三驱动单元5的②端和④端分别接第三功率开关6的第一端和第二端，第三驱动单元5的③端接第三功率开关6的控制端；

第四驱动单元7的②端和④端分别接第四功率开关8的第一端和第二端，第四驱动单元7的③端接第四功率开关8的控制端；

第一驱动单元1的①端和第二驱动单元3的①端均与连接点B连接；

第三驱动单元5的①端和第四驱动单元7的①端均与连接点A连接。

所述自驱动工频同步换相全桥电路，其中的第一功率开关2、第二功率开关4、第三功率开关6和第四功率开关8是半导体功率开关器件MOSFET，如图1所示；所述各功率开关的第一端对应MOSFET的漏极的集电极，所述各功率开关的第二端对应MOSFET的源极，所述各功率开关的控制端对应MOSFET栅极。

第一驱动单元1与第三驱动单元5具有相同的内部结构，如图3所示，它包括第一电阻器R1、第一二极管D1、第二电阻器R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一齐纳管Z1、第二二极管D2、第二电容器C2和第五电阻器R5，其中：

所述相应驱动单元的①端与第一电阻器R1的第一端连接；

第一电阻器R1的第二端与第一二极管D1的阳极、第二电阻器R2的第一端以及第一晶体管Q1的基极相互连接；

第一二极管D1的阴极与第二电阻器R2的第二端、第一晶体管Q1的发射极、第三电阻器R3的第二端以及第二晶体管Q2的基极相互连接；

第二晶体管Q2的集电极与第四电阻器R4的第二端、第一齐纳管Z1的阴极以及相应驱动单元的③端相互连接；

第三电阻器R3的第一端与第四电阻器R4的第一端、第二二极管D2的阴极以及第二电容器C2的第一端相互连接；

第二二极管D2的阳极与第五电阻器R5的第一端连接；

第五电阻器R5的第二端与相应驱动单元的②端连接；

第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的发射极、第一齐纳管Z1的阳极、第二电容器C2的第二端以及相应驱动单元的④端相互连接。

第二驱动单元3与第四驱动单元7具有相同的内部结构，如图4所示，它包括第六电阻器R6、第七电阻器R7、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第八电阻器R8、第九电阻器R9、第二齐纳管Z2、第三二极管D3、第三电容器C3和第十电阻器R10，其中：

所述相应驱动单元的①端与第六电阻器R6的第一端连接；

第六电阻器R6的第二端与第七电阻器R7的第一端以及第三晶体管Q3的基极相互连接；

第三晶体管Q3的集电极与第八电阻器R8的第二端以及第四晶体管Q4的基极相互连接；

第四晶体管Q4的集电极与第九电阻器R9的第二端、第二齐纳管Z2的阴极以及所述相应驱动单元的③端相互连接；

第八电阻器R8的第一端与第九电阻器R9的第一端、第三二极管D3的阴极以及第三电容器C3的第一端相互连接；

第三二极管D3的阳极与第十电阻器R10的第一端连接；

第十电阻器R10的第二端与所述相应驱动单元的②端连接；

第七电阻器R7的第二端与第三晶体管Q3的发射极、第四晶体管Q4的发射极、第二齐纳管Z2的阳极、第三电容器C3的第二端以及所述相应驱动单元的④端相互连接。

所述第一驱动单元1、第二驱动单元3、第三驱动单元5和第四驱动单元7，其中的第一晶体管Q1是PNP型晶体管，第二晶体管Q2、第三晶体管Q3和第四晶体管Q4是NPN型晶体管。

电路应用时，连接点A和B分别接单相交流电网的相线L与中线N，而在连接点C和连接点D之间注入直流脉动电流。

如图1所示，在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，由于2、4、6、8四个半导体功率开关器件中所包含的反并联二极管的单向导电性，各功率开关两端均存在直流脉动电压。该脉动电压经1、3、5、7各驱动单元的②端和④端进入各驱动单元，如图3和图4所示，经第五电阻器R5和第二二极管D2对第二电容器C2充电（第一驱动单元1和第三驱动单元5），或者经第十电阻器R10和第三二极管D3对第三电容器C3充电（第二驱动单元3和第四驱动单元7），在第二电容器C2和第三电容器C3上建立直流电压。该直流电压经第四电阻器R4与第一齐纳管Z1构成的钳位电路或者第九电阻器R9与第二齐纳管Z2构成的钳位电路钳位后，可获得适当的有效驱动电压，由各驱动单元的③端输出，驱动对应的功率开关。各驱动电压还要受到相应驱动单元①端电位的控制。对于第一驱动单元1和第三驱动单元5而言，如果①端电位充分低于④端电位，则其中的第一晶体管Q1导通，第二晶体管Q2截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或高于④端电位，则其中的第一晶体管Q1截止，第二晶体管Q2导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第二晶体管Q2的饱和压降），对应的功率开关截至。对于第二驱动单元3和第四驱动单元7而言，如果①端电位充分高于④端电位，则其中的第三晶体管Q3导通，第四晶体管Q4截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或低于④端电位，则其中的第三晶体管Q3截止，第四晶体管Q4导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第四晶体管Q4的饱和压降），对应的功率开关截至。按此控制规律，根据图1所示连接关系容易分析，当连接点A和连接点B之间的交流电压处于正半周时，会控制第一驱动单元1和第四驱动单元7输出有效驱动电压，驱动第一功率开关2和第四功率开关8导通，而第二驱动单元3和第三驱动单元5输出的驱动电压接近零，第二功率开关4和第三功率开关6截止；当连接点A和连接点B之间的交流电压处于负半周时，会控制第二驱动单元3和第三驱动单元5输出适当驱动电压，驱动第二功率开关4和第三功率开关6导通，而第一驱动单元1和第四驱动单元7输出的驱动电压接近零，第一功率开关2和第四功率开关8截止。因此，在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，四个驱动单元可自动实现所需的同步驱动，并且各功率开关之间存在可靠的互锁关系，不会发生直通问题，同时在交流电压过零点附近，四个驱动单元均不会驱动功率开关，自动生成所需的切换死区。第一电容器9的作用是防止换相过程的死区时间中连接点C和连接点D之间产生暂态高电压。

实施例2：

在本实施例中，第一功率开关2、第二功率开关4、第三功率开关6和第四功率开关8是IGBT，如图2所示；所述功率开关的第一端对应IGBT的集电极，所述功率开关的第二端对应IGBT的发射极，所述功率开关的控制端对应IGBT的栅极。其余结构与实施例1相同。

在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，由于2、4、6、8四个半导体功率开关器件中所包含的反并联二极管的单向导电性，各功率开关两端均存在直流脉动电压。该脉动电压经1、3、5、7各驱动单元的②端和④端进入各驱动单元，如图3和图4所示，经第五电阻器R5和第二二极管D2对第二电容器C2充电（第一驱动单元1和第三驱动单元5），或者经第十电阻器R10和第三二极管D3对第三电容器C3充电（第二驱动单元3和第四驱动单元7），在第二电容器C2和第三电容器C3上建立直流电压。该直流电压经第四电阻器R4与第一齐纳管Z1构成的钳位电路或者第九电阻器R9与第二齐纳管Z2构成的钳位电路钳位后，可获得适当的有效驱动电压，由各驱动单元的③端输出，驱动对应的功率开关。各驱动电压还要受到相应驱动单元①端电位的控制。对于第一驱动单元1和第三驱动单元5而言，如果①端电位充分低于④端电位，则其中的第一晶体管Q1导通，第二晶体管Q2截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或高于④端电位，则其中的第一晶体管Q1截止，第二晶体管Q2导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第二晶体管Q2的饱和压降），对应的功率开关截至。对于第二驱动单元3和第四驱动单元7而言，如果①端电位充分高于④端电位，则其中的第三晶体管Q3导通，第四晶体管Q4截止，于是③端与④端间输出有效驱动电压，驱动对应的功率开关导通；如果①端点电位等于或低于④端电位，则其中的第三晶体管Q3截止，第四晶体管Q4导通，将③端与④端间电压钳位至接近于零（第四晶体管Q4的饱和压降），对应的功率开关截至。按此控制规律，根据图2所示连接关系容易分析，当连接点A和连接点B之间的交流电压处于正半周时，会控制第一驱动单元1和第四驱动单元7输出有效驱动电压，驱动第一功率开关2和第四功率开关8导通，而第二驱动单元3和第三驱动单元5输出的驱动电压接近零，第二功率开关4和第三功率开关6截止；当连接点A和连接点B之间的交流电压处于负半周时，会控制第二驱动单元3和第三驱动单元5输出适当驱动电压，驱动第二功率开关4和第三功率开关6导通，而第一驱动单元1和第四驱动单元7输出的驱动电压接近零，第一功率开关2和第四功率开关8截止。因此，在连接点A和连接点B之间的交流电压作用下，四个驱动单元可自动实现所需的同步驱动，并且各功率开关之间存在可靠的互锁关系，不会发生直通问题，同时在交流电压过零点附近，四个驱动单元均不会驱动功率开关，自动生成所需的切换死区。第一电容器9的作用是防止换相过程的死区时间中连接点C和连接点D之间产生暂态高电压。

Claims (7)

1.一种自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，它包括第一功率开关、第二功率开关、第三功率开关以及第四功率开关形成的桥式电路，第一功率开关与第一驱动单元连接，第二功率开关与第二驱动单元连接，第三功率开关与第三驱动单元，第四功率开关与第四驱动单元连接；

桥式电路设有对称的连接点A和连接点B作为交流输入端，以及对称的连接点C和连接点D作为直流脉动端；

第一电容跨接在连接点C和连接点D之间；

第一驱动单元、第二驱动单元还与连接点A连接，第三驱动单元和第四驱动单元还与连接点B连接。

2.如权利要求1所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，所述连接点A和B分别接单相交流电网的相线L与中线N，而在连接点C和连接点D之间注入直流脉动电流；当交流电网电压处于正半周时，需要驱动第一功率开关和第四功率开关导通、第二功率开关和第三功率开关截止，由连接点C注入的电流经过第一功率开关后由连接点A注入交流电网，由连接点B返回，再经过第四功率开关返回连接点D；当交流电网电压处于负半周时，需要驱动第二功率开关和第三功率开关导通、第一功率开关和第四功率开关截止，由连接点C注入的电流经过第三功率开关后由连接点B注入交流电网，由连接点A返回，再经过第二功率开关返回连接点D。

3.如权利要求1所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，所述第一驱动单元与第三驱动单元具有相同的内部结构，均包括第一电阻器R1、第一二极管D1、第二电阻器R2、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2、第三电阻器R3、第四电阻器R4、第一齐纳管Z1、第二二极管D2、第二电容器C2和第五电阻器R5，其中：

各驱动单元的①端与相应的第一电阻器R1的第一端连接；

第一电阻器R1的第二端与第一二极管D1的阳极、第二电阻器R2的第一端以及第一晶体管Q1的基极相互连接；

第一二极管D1的阴极与第二电阻器R2的第二端、第一晶体管Q1的发射极、第三电阻器R3的第二端以及第二晶体管Q2的基极相互连接；

第二晶体管Q2的集电极与第四电阻器R4的第二端、第一齐纳管Z1的阴极以及相应驱动单元的③端相互连接；

第三电阻器R3的第一端与第四电阻器R4的第一端、第二二极管D2的阴极以及第二电容器C2的第一端相互连接；

第二二极管R2的阳极与第五电阻器R5的第一端连接；

第五电阻器R5的第二端与相应驱动单元的②端连接；

第一晶体管Q1的集电极与第二晶体管Q2的发射极、第一齐纳管Z1的阳极、第二电容器C2的第二端以及相应驱动单元的④端相互连接。

4.如权利要求1所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，其中的第二驱动单元与第四驱动单元具有相同的内部结构，均包括第六电阻器R6、第七电阻器R7、第三晶体管Q3、第四晶体管Q4、第八电阻器R8、第九电阻器R9、第二齐纳管Z2、第三二极管D3、第三电容器C3和第十电阻器R10，其中：

所述各驱动单元的①端与相应的第六电阻器R6的第一端连接；

第六电阻器R6的第二端与第七电阻器R7的第一端以及第三晶体管Q3的基极相互连接；

第三晶体管Q3的集电极与第八电阻器R8的第二端以及第四晶体管Q4的基极相互连接；

第四晶体管Q4的集电极与第九电阻器R9的第二端、第二齐纳管Z2的阴极以及相应驱动单元的③端相互连接；

第八电阻器R8的第一端与第九电阻器R9的第一端、第三二极管D3的阴极以及第三电容器C3的第一端相互连接；

第三二极管D3的阳极与第十电阻器R10的第一端连接；

第十电阻器R10的第二端与相应驱动单元的②端连接；

第七电阻器R7的第二端与第三晶体管Q3的发射极、第四晶体管Q4的发射极、第二齐纳管Z2的阳极、第三电容器C3的第二端以及相应驱动单元的④端相互连接。

5.如权利要求3所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，所述第一晶体管Q1是PNP型晶体管，第二晶体管Q2是NPN型晶体管。

6.如权利要求4所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，所述第三晶体管Q3和第四晶体管Q4是NPN型晶体管。

7.如权利要求1所述的自驱动工频同步换相全桥电路，其特征是，所述四个功率开关是半导体功率开关器件MOSFET或者IGBT。

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