CN220291888U - 一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，包括可再生能源供电系统RES，其正极连接有功率二极管D1阳极和功率开关管S1，功率二极管D1阴极连接有开关电容C1、功率二极管D2和功率开关管S3，功率开关管S1连接有开关电容C1和功率开关管S2；功率开关管S3连接有功率开关管S4集电极和开关电容C2一端，功率二极管D2阴极和开关电容C2另一端均连接有功率开关管S5和功率开关管S6，功率开关管S6连接有功率二极管D3阳极，功率二极管D3阴极连接有开关电容C3与功率开关管S8，功率开关管S5和升压电容C3连接有功率开关管S7和交流滤波电感Lf，交流滤波电感Lf连接有交流配电网Vg。

Description

一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器

技术领域

本实用新型属于逆变器技术领域，具体涉及一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器。

背景技术

近年来光伏、风电发电系统等分布式能源发展态势、优化和提高可再生能源电力电子装置性能和可靠性指标成为研究热点，而逆变器作为可再生能源发电系统与电网的接口，在并网发电系统中起到至关重要的作用，非隔离型逆变器因具有体积小、质量轻、成本低和效率高等特点，受到广泛关注，具有广阔的应用前景；但由于缺少变压器隔离，逆变系统和大地之间存在电气回路，导致系统出现漏电流，漏电流会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，还会造成潜在的人身安全隐患，此外，通过增加输出电压等级的数量来提高电能质量已成为非隔离型逆变电路的另一项主要措施。

现有技术中的逆变器电路具有尺寸小、低成本、高效率和“即插即用”等特点，然而漏电流、降压特性、纹波值大、开关频率高都是这些逆变器的常见问题，对新研发的逆变器而言，要求电网电压暂降条件下具有低电压穿越能力、漏电流为零、低压条件下必须能够在单级功率转换中将功率馈送到电网中，另外，在DC-AC转换之前，需要DC-DC升压转换器来增强输入电压电平，然而现有技术中采用的两级功率转换降低了效率并且增加了系统的成本、尺寸和重量。

实用新型内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，能够解决现有技术中漏电流、降压特性、纹波值大、开关频率高的问题。

本实用新型是通过以下技术方案来实现：

一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，包括可再生能源供电系统RES，可再生能源供电系统RES正极连接有功率二极管D1阳极和功率开关管S1集电极，功率二极管D1阴极连接有开关电容C1一端、功率二极管D2阳极和功率开关管S3集电极，功率开关管S1发射极连接有开关电容C1另一端和功率开关管S2集电极；功率开关管S3发射极连接有功率开关管S4集电极和开关电容C2一端，功率二极管D2阴极和开关电容C2另一端均连接有功率开关管S5集电极和功率开关管S6集电极，功率开关管S6发射极连接有功率二极管D3阳极，功率二极管D3阴极连接有开关电容C3一端与功率开关管S8漏极，功率开关管S5发射极和升压电容C3另一端连接有功率开关管S7集电极和交流滤波电感Lf一端，交流滤波电感Lf另一端连接有交流配电网Vg一端；交流配电网Vg另一端、功率开关管S7集电极、功率开关管S4发射极、功率开关管S2发射极、可再生能源供电系统RES负极、功率开关管S8源极均接地，形成公共接地结构。

进一步的，所述功率开关管S7包括两个IGBT反串联连接，两个IGBT的发射极连接，形成背靠背结构。

进一步的，所述功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7均采用型号为SKM75GB12T4的IGBT开关管。

进一步的，所述功率开关管S8采用型号为BUP314的MOSFET开关管。

进一步的，所述功率二极管D1、功率二极管D2和功率二极管D3均采用型号为30D100BCT的功率二极管。

进一步的，所述开关电容C1、开关电容C2和升压电容C3型号为335MWR400K，电容容量为680uF，耐压值为450V。

进一步的，所述可再生能源供电系统RES电压值为65V。

进一步的，所述交流滤波电感Lf采用的磁芯型号为1140-182K-RC，其电感值为6.5mH。

进一步的，所述交流配电网Vg为220V标准电网。

进一步的，还包括电压电流传感器、驱动电路、DSP芯片和PWM控制器；

电压电流传感器的测量端连接网侧端，输出端依次连接DSP芯片、驱动电路和PWM控制器，PWM控制器上设置八个输出端，分别连接八个功率开关管的栅极，其开关频率为10kHz，占空比不大于0.7。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：

本实用新型提供一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，包括可再生能源供电系统RES，可再生能源供电系统RES正极连接有功率二极管D1阳极和功率开关管S1集电极，功率二极管D1阴极连接有开关电容C1一端、功率二极管D2阳极和功率开关管S3集电极，功率开关管S1发射极连接有开关电容C1另一端和功率开关管S2集电极；功率开关管S3发射极连接有功率开关管S4集电极和开关电容C2一端，功率二极管D2阴极和开关电容C2另一端均连接有功率开关管S5集电极和功率开关管S6集电极，功率开关管S6发射极连接有功率二极管D3阳极，功率二极管D3阴极连接有开关电容C3一端与功率开关管S8漏极，功率开关管S5发射极和升压电容C3另一端连接有功率开关管S7集电极和交流滤波电感Lf一端，交流滤波电感Lf另一端连接有交流配电网Vg一端；交流配电网Vg另一端、功率开关管S7集电极、功率开关管S4发射极、功率开关管S2发射极、可再生能源供电系统RES负极、功率开关管S8源极均接地；本申请输入直流电压在单级中被升压可达三倍，而不需要任何额外的升压转换级，且本申请采用公共接地结构，漏电流大大减小，电磁干扰问题也得到了妥善解决；且本申请不需要类似H桥结构来促进输出负电压；通过采用单极性PWM策略，三个电容器，即两个开关电容电路单元和一个升压电容C3能够达到自平衡的，因此，当平衡电容器的电压用于反馈控制时，不需要任何控制技术或传感器；此外，本拓扑具有处理可再生能源系统与电网之间的无功功率的功能。

附图说明

图1为本实用新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器拓扑结构图；

图2为本实用新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器的工作模式1的示意图；

图3为本实用新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器的工作模式2的示意图；

图4为本实用新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器的工作模式3的示意图；

图5为本实用新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器的工作模式4的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”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，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明提供一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，如图1所示，包括可再生能源供电系统RES，可再生能源供电系统RES正极连接有功率二极管D1阳极和功率开关管S1集电极，功率二极管D1阴极连接有开关电容C1一端、功率二极管D2阳极和功率开关管S3集电极，功率开关管S1发射极连接有开关电容C1另一端和功率开关管S2集电极；功率开关管S3发射极连接有功率开关管S4集电极和开关电容C2一端，功率二极管D2阴极和开关电容C2另一端均连接有功率开关管S5集电极和功率开关管S6集电极，功率开关管S6发射极连接有功率二极管D3阳极，功率二极管D3阴极连接有开关电容C3一端与功率开关管S8漏极，功率开关管S5发射极和升压电容C3另一端连接有功率开关管S7集电极和交流滤波电感Lf一端，交流滤波电感Lf另一端连接有交流配电网Vg一端；交流配电网Vg另一端、功率开关管S7集电极、功率开关管S4发射极、功率开关管S2发射极、可再生能源供电系统RES负极、功率开关管S8源极均接地，形成公共接地结构。

优选的，所述功率开关管S7包括两个IGBT反串联连接，两个IGBT的发射极连接，形成背靠背结构，需要说明的是，所述IGBT为绝缘栅双极型晶体管，其由双极型三极管和绝缘栅型场效应管组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，用于能源变换与传输，具有金氧半场效晶体管的高输入阻抗和电力晶体管的低导通压降两方面的优点。

优选的，所述功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7均采用型号为SKM75GB12T4的IGBT开关管；进一步的，所述功率开关管S8采用型号为BUP314的MOSFET开关管；所述功率二极管D1、功率二极管D2和功率二极管D3均采用型号为30D100BCT的功率二极管；所述开关电容C1、开关电容C2和升压电容C3型号为335MWR400K，电容容量为680uF，耐压值为450V；所述可再生能源供电系统RES电压值为65V；所述交流滤波电感Lf采用的磁芯型号为1140-182K-RC，其电感值为6.5mH；所述交流配电网Vg为220V标准电网。

优选的，本申请还包括电压电流传感器、驱动电路、DSP芯片和PWM控制器；

电压电流传感器的测量端连接网侧端，输出端依次连接DSP芯片、驱动电路和PWM控制器，PWM控制器上设置八个输出端，分别连接八个功率开关管的栅极，其开关频率为10kHz，占空比不大于0.7；具体的，所述驱动电路采用SKYPER32PRO驱动电路，所述电压电流传感器采用OP8660平台，所述DSP芯片采用TMS320F28335系列。

在本实施例中需要说明的是，功率开关管S7为双向开关管，其包括开关管S7p和开关管S7n，功率开关管S6和功率二极管D3共同构成单向开关，升压电容C3利用公共接地结构提供高达三倍的升压输出电压，升压电容C3是在电网电压的负周期中产生负升压的关键元件；本申请中公共接地CG结构适合并网变压器无变压器应用；

需要进一步说明的是，在本申请中可再生能源供电系统RES、功率二极管D1、功率开关管S1、功率开关管S2和开关电容C1共同够成开关电容电路单元SC Cell1，功率开关管S4、功率开关管S4、功率二极管D2和开关电容C2共同构成开关电容电路单元SC Cell2，开关电容电路单元SC Cell1和开关电容电路单元SC Cell2均构成一个串联开关和一个并联开关，若为串联开关则其用于向另一个开关电容电路单元SC Cell或负载供电，并联开关则用于自己充电；开关电容电路单元SC Cell1和开关电容电路单元SC Cell2的串联开关，即功率开关管S1和功率开关管S3导通时，开关电容电路单元SC Cell 1和开关电容电路单元SCCell 2向电网输送电力或利用电力对升压电容C3充电，开关电容电路单元SC Cell1和开关电容电路单元SC Cell2一起工作时，它们被用于对自己单元内电容充电或将功率输送到负载，或升压对电容C3充电；开关电容电路单元SC Cell1单元能产生两个电平的电压+Vd和+2Vd，若为电压+Vd，则此时功率开关管S2导通，开关电容C1被充电，若为电压+2Vd，则此时功率开关管S1导通，开关电容C1被放电，其中电容的充电和放电时间由单极性PWM方案决定。

需要再进一步说明的是，通过导通功率开关管S2，开关电容C1被充电到+Vd的输入电压，因此，根据功率开关管S1和功率开关管S2的开关状态，开关电容电路单元SC Cell 1可以促进两个输出电平+Vd和+2Vd，它们的导通方式在整个周期中是互补的；同样，开关电容电路单元SC Cell 2中的功率开关管S4接通时，开关电容C2被充电到+Vd，调节开关电容电路单元SC Cell 1和开关电容电路单元SC Cell 2的输出电平将升压电容C3充电到+3Vd，这有助于负周期门极触发以提供-3Vd电压，升压电容C3的值必须很大程度上用于处理负半周中负载的平衡功率，本申请所提出的三电平逆变器可以在输出中将输入直流电压+Vd提升到+3Vd，从而产生输出电压的三个电平。

下面介绍本实用新型的工作过程：

并网逆变器一般以单位功率因数运行，由逆变器注入电网的电流Ig和电网电压Vg的相位相同，单极性调制在每个半周期中具有两种模式，有源模式或功率传输模式(功率从输入传输到输出)和续流模式，续流模式也称为零电压生成模式(逆变器通过其开关(体二极管)续流通过电网(负载)和滤波器)，功率不是从输入到输出的；在有源模式下，每个半周期有三个开关接通，逆变器在每半周期中通过一个开关和反并联体二极管续流，其中有三个开关，包括功率开关管S3、功率开关管S4和功率开关管S5，工作在开关频率，两个开关，其包括功率开关管S1和功率开关管S2，工作在基频。

工作模式1：如图2所示，(Vg>0；Ig>0)：逆变器在有功功率传输模式下运行，它将有功功率从RES输送到交流公用电网，功率开关管S1、功率开关管S3和功率开关管S5工作在导通状态，并且其余开关处于关断状态，在该模式下，电感电流在正方向上增加。由功率开关管S5实现的最大电流应取决于正半周期中的电网电流的峰值。在该操作模式中，开关电容C1和开关电容C2放电以促进输出电压中的+3Vd电平，升压电容C3在该操作模式下是不导通的。

工作模式2：如图3所示，(Vg>0；Ig>0)：逆变器在电网电压的正半周期间工作在续流状态或零电压状态。逆变器不产生任何有功功率，它只提供一个续流路径到滤波电感，并且该模式通过分别接通功率开关管S2和功率开关管S4将开关电容C1和开关电容C2充电到+Vd的输入电压，在这种模式下，电感电流通过功率开关管S7减小，由开关功率开关管S2和功率开关管S4实现的最大电流应取决于开关电容C1和开关电容C2所需的最大充电电流。

工作模式3：如图4所示，(Vg<0；Ig<0)：逆变器工作在电网电压的负半周，逆变器通过注入负电网电流来向电网输送有功功率，因此，该操作模式将被称为有源模式，因为仅通过功率开关管S8将有功功率从升压电容C3输送到电网，电感电流再次开始增加，但是在负方向上，升压电容C3在该模式下放电，并且在负半周期间栅极电流的峰值等于功率开关管S8上出现最大电流。

工作模式4：如图5所示，(Vg<0；Ig<0)：逆变器在电网电压的负半周内工作在续流状态或零电压状态。在这种模式下，逆变器满足两个主要功能：(1)通过导通开关S7使电感电流续流；(2)通过接通功率开关管S1、功率开关管S3和功率开关管S6为升压电容C3提供充电路径；功率开关管S1、功率开关管S3和功率开关管S6的最大电流是升压电容C3在该模式下所需的最大充电电流，并且还取决于(Vd+VC1+VC2)和VC3之间的电压差、开关功率开关管S1、功率开关管S3和功率开关管S6的导通电阻(Ron1+Ron3+Ron6)和电容的等效串联电阻(ESR)。

本申请由于其固有的升压能力，它可以适用于并网低电压RES系统，然而，对于相同的电网电压，半桥、NPC逆变器和基于全桥的逆变器需要高得多的输入电压，而本申请所提出的逆变器不需要；此外，本申请所提出的逆变器在其开关和滤波电感上有着较小的电压应力，因此，滤波电感的开关损耗和磁芯损耗得到降低；本申请所提出的逆变器有着低输入电压的性能，所以器件的额定值较低，因此其成本较低；本申请所提出的公共接地结构实现了寄生电容中的漏电流可以忽略不计，单极性调制策略促使在这种新型拓扑结构中使用的所有电容可以实现电压平衡，因此，它实现了自充电功能，而无需任何反馈控制系统和复杂的电压平衡控制算法，因为其固有的CG功能，该逆变器不需要任何EMI滤波器来减少共模漏电流。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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实用新型实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，包括可再生能源供电系统RES，可再生能源供电系统RES正极连接有功率二极管D1阳极和功率开关管S1集电极，功率二极管D1阴极连接有开关电容C1一端、功率二极管D2阳极和功率开关管S3集电极，功率开关管S1发射极连接有开关电容C1另一端和功率开关管S2集电极；功率开关管S3发射极连接有功率开关管S4集电极和开关电容C2一端，功率二极管D2阴极和开关电容C2另一端均连接有功率开关管S5集电极和功率开关管S6集电极，功率开关管S6发射极连接有功率二极管D3阳极，功率二极管D3阴极连接有开关电容C3一端与功率开关管S8漏极，功率开关管S5发射极和升压电容C3另一端连接有功率开关管S7集电极和交流滤波电感Lf一端，交流滤波电感Lf另一端连接有交流配电网Vg一端；交流配电网Vg另一端、功率开关管S7集电极、功率开关管S4发射极、功率开关管S2发射极、可再生能源供电系统RES负极、功率开关管S8源极均接地，形成公共接地结构。

2.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述功率开关管S7包括两个IGBT反串联连接，两个IGBT的发射极连接，形成背靠背结构。

3.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述功率开关管S1、功率开关管S2、功率开关管S3、功率开关管S4、功率开关管S5、功率开关管S6和功率开关管S7均采用型号为SKM75GB12T4的IGBT开关管。

4.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述功率开关管S8采用型号为BUP314的MOSFET开关管。

5.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述功率二极管D1、功率二极管D2和功率二极管D3均采用型号为30D100BCT的功率二极管。

6.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述开关电容C1、开关电容C2和升压电容C3型号为335MWR400K，电容容量为680uF，耐压值为450V。

7.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述可再生能源供电系统RES电压值为65V。

8.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述交流滤波电感Lf采用的磁芯型号为1140-182K-RC，其电感值为6.5mH。

9.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，所述交流配电网Vg为220V标准电网。

10.根据权利要求1所述一种新型基于开关电容的共地单相三电平三倍升压逆变器，其特征在于，还包括电压电流传感器、驱动电路、DSP芯片和PWM控制器；

电压电流传感器的测量端连接网侧端，输出端依次连接DSP芯片、驱动电路和PWM控制器，PWM控制器上设置八个输出端，分别连接八个功率开关管的栅极，其开关频率为10kHz，占空比不大于0.7。