WO2013134904A1

WO2013134904A1 - 无共模干扰单相逆变器拓扑

Info

Publication number: WO2013134904A1
Application number: PCT/CN2012/001417
Authority: WO
Inventors: 张永
Original assignee: 丰郅(上海)新能源科技有限公司
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-10-23
Publication date: 2013-09-19

Abstract

一种无共模干扰单相逆变器拓扑，在直流输入端的正极和负极上各有一个斩波开关（S5，S6），这两个斩波开关后面各连接一个平波电感（L1，L2），在两个斩波开关与平波电感的连接之间有续流电路（D5，D6），两个平波电感的后面连接有一个H桥（S1，S2，S3，S4）。该逆变器拓扑降低了开关管的开关电压和额定电压并提高了转换效率。而且该逆变器拓扑结构简单，没有共模漏电流问题，提高了电磁兼容性，便于应用到无隔离变压器的逆变系统中。

Description

说明书无共模干扰单相逆变器拓扑技术领域

本发明涉及一种无共模千扰单相逆变器拓扑，是把直流电变换成交流电的一种拓扑结构，可以广泛应用于对转换效率或需要共模电流抑制要求高的逆变器中，比如非隔离光伏逆变器、风力发电逆变器等。属于电力变流技术领域。背景技术

随着工业的发展对逆变器转换效率的要求越来越高，尤其是在新能源发电、智能电网、柔性交直流输电等行业。提高逆变器的转换效率，可以节省更多的电能，同时也减少了逆变器自身的散热要求。逆变器效率的决定性因素是逆变器的拓扑结构，拓扑结构的优劣决定了逆变器的效率和成本。有许多应用场合的逆变器，例如光伏并网逆变器，常采用带变压器的隔离型输入侧和输出侧，这样两侧系统之间的电气隔离，从而提供人身保护并避免了两侧之间的漏电流。然而，由于变压器的损耗，所以降低了系统的效率，同时也增加了成本。为了克服上述有变压器的隔离型逆变器的不足，可以选择无变压器的非隔离型逆变器拓扑。无变压器逆变器拓扑的突出优点是效率高，整体成本低。但无变压器的逆变拓扑由于输入输出侧没有隔离，所以两侧之间容易出现高频共模漏电流。现存的拓扑结构能适用于无变压器逆变器的比较少，并且都有各自缺点。比如传统的 H桥式逆变拓扑有双极性调制方式和单极性调制方式；如果使用双极性调制方式，虽然没有高频共模漏电流问题，但其开关损耗高，转换效率低；如果使用单极性调制方式存在共模漏电流问题。所以，设计高效率、低成本，并且无共模漏电流的拓扑就非常重要。

另外，在一些需要把直流电能逆变成交流电能的应用中，输入直流电压范围波动很大，比如光伏并网逆变器，光伏电池板的输出电压随光照变化，其波动很大。这就要求其后级的逆变器支持宽范围的输入电压。针对这种情况，如果使用传统的桥式逆变拓扑，它要求逆变器的输入电压要高于期望输出的交流峰值电压，这样不仅限制了应用范围，而且由于输入电压波动很大所以要求桥式逆变器中选择的开关管额定电压很高，这样就增加了逆变器成本。如果输入的直流电压范围不能保持高于交流输出的电压峰值，现在通常使用的拓扑是两级结构，即先 boost升压，再桥式逆变。这种方案有结构复杂，成本高等缺点。发明内容

本发明的目的是为了提供一种无共模干扰单相逆变器拓扑；以实现了高效率、低成本、宽电压输入并且无共模漏电流的电能逆变。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现- 这种无共模干扰单相逆变器拓扑，是在直流电输入端正负极上各串联一个开关管（这里称这两个开关管为斩波开关，称与正极连接的斩波开关为 S5，称与负极连接的斩波开关为 S6); 斩波开关 S5和 S6后面各串一个电感（这里称这两个电感为平波电感，称与斩波开关 S5连接的平波电感为 Ll，称与斩波开关 S6连接的平波电感为 L2); 两个平波电感与斩波开关的连接一侧之间连接有续流电路，续流电路导通的方向为从斩波开关 S6与平波电感 L2之间的节点到斩波开关 S5与平波电感 L1之间的节点；两个平波电感 L1和 L2的另外一侧之间连接由四个开关管组成的 H型换向桥（简称这个 H型换向桥为 H桥）。

本发明中 H桥有两种类型，一种是基本型 H桥，一种是升压型 H桥，基本型 H桥只能实现降压逆变，升压型 H桥在实现降压逆变的同时也可以实现升压逆变，即输入直流电电压值低于输出交流电电压峰值；基本型 H桥是有四个开关管构成（例如图 1中的 Sl、 S2、 S3 和 S4), H桥中与平波电感 L1连接的两个开关管为 SI和 S3，称 H桥中与平波电感 L2连接的两个开关管为 S2和 S4， SI与 S2组成一个桥臂， S3与 S4组成一个桥臂；升压型 H桥的特征是 H桥的四个半桥臂中至少有两个相邻的半桥臂是单向的（称只能单向导通的半桥臂为单向半桥臂），单向半桥臂实现方式有多种，例如采用开关管串联二极管实现、采用晶闸管实现、采用耐反向电压的开关管实现等；在 H桥输出点（即两个桥臂中点）之间连接平波电容（这里称这个电容为 C3 ); H桥的两个桥臂中点是逆变交流的输出，当然实际应用中其后级还要增加 EMC滤波电路， EMC滤波电路在附图中没有画出来，因为这不是本发明的范畴；在 H 桥的两个输入端或 H桥的输出端与直流输入侧之间可以增加电容（这里称这两个电容为动态均压电容，图 1和图 2中的 C4和 C5)，它们的作用是对斩波开关 S5和 S6进行动态均压，防止在系统运行中这两个开关管的电压应力分配偏移，并且它们也有抑制直流输入侧和交流输出侧之间的共模漏干扰的作用；从理论上，如果所有的器件都是理想的，动态均压电容 C4 和 C5是不需要的，但由于现实中用到的器件并不是绝对理想的，所以增加动态均压电容更好; 当然动态均压电容 C4和 C5只需要一个也能达到效果，甚至在某些特殊应用中，由于逆变器输入和输出侧之间的寄生电容已经足够大，这时逆变器内的共模抑制电容可以不要，因为逆变器直流输入侧和交流输出侧之间的寄生电容起到了对斩波幵关 S5和 S6的动态均压作用，所以这种情况从电路原理上来讲，动态均压电容还是存在的。

平波电感 L1和 L2的续流电路从采用器件的类型分有两种，一种是二极管续流电路，另一种是同步开关续流电路；续流电路从结构上分也有两种形式，单管续流电路和双管续流电路。所以综合起来有四种续流电路：单二极管续流电路（图 1中的 Dl )，双二极管续流电路 (图 2中的 C10、 Cll、 D5和 D6组成的电路），单同步开关续流电路（图 7中的 S7)，双同步开关续流电路（图 8中的 C10、 Cll、 S8和 S9组成的电路）。单二极管续流电路是直接在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个续流二极管（例如：图 1中的 Dl )，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。双二极管续流电路是：在直流电源输入端串联两个电容（例如：图 2中的 C10和 Cll )，在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接串联两个二极管（例如，图 2中的 D5和 D6)，两个电容之间的中点与两个二极管之间的中点相连，两个串联二极管的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。单同步开关管续流电路是直接在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个续流开关管（例如，图 7中的 S7)，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。双同步开关管续流方式是：在直流电源输入端串联两个电容（例如，图 8中的 C10、 C11 ), 在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接串联两个续流开关管（例如，图 8中的 S8 和 S9组成的电路），两个电容之间的中点与两个续流开关之间的中点相连，两个串联同步续流开关的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。双管续流电路的好处是对斩波开关有电压钳位保护功能，而且可以不需要动态均压电容对斩波开关 S5和 S6进行均压，这时动态均压电容主要是降低系统的共模干扰输出。不同的续流电路可以同时存在，提供最大的性能。

升压型 H桥中，四个半桥臂中至少要有两个相邻的半桥臂为单向的，这是为了系统工作在升压模式时，防止输出侧的平波储能电容正负极间短路。单向半桥臂的配置方式有三种：都在直流负极侧（参考图 13 ); 都在直流正极侧（参考图 15 ); 直流正极和负极各一个，即两个单向半桥臂位于同一个桥臂上（参考图 14和图 16)。

本发明提出的拓扑结构的工作原理是：

系统工作时，当逆变输出的交流波形电压值小于输入的直流电压时，两个斩波开关 S5 和 S6同时高频开关，它们同时开通或同时关断；当 S5和 S6开通时，对后级电路充电，当 S5和 S6断开时，平波电感 L1和 L2的电流通过续流电路续流；通过调制斩波开关 S5和 S6 的开关占空比，调整逆变器输出的电压幅值波动； H换向桥以逆变需要输出的频率进行换向，实现交流输出的极性变换；当期望输出交流正半波时关断 S1和 S4，开通 S2和 S3; 当期望输出交流的负半波时关断 S2和 S3，开通 S1和 S4。

系统工作时，当逆变输出的交流波形电压值大于输入的直流电压时，系统处于升压模式。只有采用升压型 H桥的逆变拓扑支持此模式。这时，斩波开关处于开通状态，升压型 H桥处于换向并开关升压状态； H桥的一组对角开关管处于开通状态，另外一组对角两个开关管中的一个处于关断状态，一个处于高频开关状态（这里又称此时处于高频开关状态的管子为升压开关管），作升压开关管的条件是与它同直流输入极的另外一个半桥臂必须是单向的，防止输出侧的平波储能电容在桥臂之间形成放电；升压开关管与前级的平波储能电感，输出侧的储能电容形成 Boost升压电路，通过调整此高频开关管的开关占空比控制输出电压波形的波动。

采用二极管的续流电路不需要控制，当斩波开关断开时，平波电感内的电流自然就会从续流二极管续流。采用同步开关管的续流电流，同步开关管需要控制电路使其以斩波开关相反的相位开关；当 S5和 S6开通时，同步续流开关 S7或 S8和 S9关断，输入电压 Vin对后级电路充电；当 S5和 S6断开时，同步续流开关 S7或 S8和 S9开通，平波电感 L1和 L2的电流通过同步续流开关 S7或 S8和 S9续流。

本发明的有益效果是：

有益效果一，虽然用的开关管数量比传统全桥逆变拓扑多了，但提高了系统效率，并且降低了成本，因为降低了开关管的开关电压和额定电压要求。斩波开关 S5和 S6的开关电压和阻断电压都是 Vin/2; H桥中换向开关 Sl、 S2、 S3和 S4的开关电压为零，它们的阻断电压为 Vout。本发明拓扑中对各个开关管的电压要求比传统桥式的开关管电压要求小了很多，所以采用本发明设计逆变器时选择开关管的额定电压低，所以成本低。开关电压的降低，会降低了系统的开关损耗；开关管额定电压的要求降低，可以大大降低了开关管的成本。

有益效果二，本拓扑从原理上没有共模干扰输出，所以没有共模漏电流问题，提高了电磁兼容的同时，可以方便的应用于无隔离变压器的逆变系统中。

有益效果三，本拓扑把传统的 Boost电路与逆变电路集成在一起，把原来的两极结构变成了一级结构，用相当简单的拓扑实现了对宽直流输入电压的逆变。附图说明

本说明书有二十个附图：图 1，采用单二极管续流电路和基本型 H桥的逆变拓扑；

图 2，采用双二极管续流电路和基本型 H桥的逆变拓扑；

图 3，二极管续流的基本型 H桥逆变拓扑，当输出交流正半波时的开关状态一；图 4，二极管续流的基本型 H桥逆变拓扑，当输出交流正半波时的开关状态二；图 5，二极管续流的基本型 H桥逆变拓扑，当输出交流负半波时的开关状态一；图 6，二极管续流的基本型 H桥逆变拓扑，当输出交流负半波时的开关状态二；图 7，采用单同步开关续流电路和基本型 H桥的逆变拓扑；

图 8，采用双同步开关续流电路和基本型 H桥的逆变拓扑；

图 9，采用同步开关管续流的基本型 H桥的逆变拓扑，当输出交流正半波时的开关状态图 10，采用同步开关管续流的基本型 H桥的逆变拓扑，当输出交流正半波时的开关状态图 11，采用同步开关管续流的基本型 H桥的逆变拓扑，当输出交流负半波时的开关状态图 12，采用同步开关管续流的基本型 H桥的逆变拓扑，当输出交流负半波时的开关状态图 13 , 采用升压型 H桥的逆变拓扑单向半桥臂下侧放置方式；

图 14，采用升压型 H桥的逆变拓扑单向半桥臂左桥臂放置方式；

图 15，采用升压型 H桥的逆变拓扑单向半桥臂上侧放置方式；

图 16，采用升压型 H桥的逆变拓扑单向半桥臂右桥臂放置方式；

图 17, 采用升压型 H桥的逆变拓扑交流输出正半波、输出电压比输入直流电压低时的工作模式；

图 18，采用升压型 H桥的逆变拓扑交流输出正半波、输出电压比输入直流电压高时的工作模式；

图 19，采用升压型 H桥的逆变拓扑交流输出负半波、输出电压比输入直流电压低时的工作模式；

图 20, 采用升压型 H桥的逆变拓扑交流输出负半波、输出电压比输入直流电压髙时的工作模式；具体实施方式下面结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的技术特点：

如图 3、图 4、图 5、图 6所示，是使用本发明的二极管续流、基本型 H桥的逆变拓扑实现的逆变器例子的工作时的开关状态。图 3和图 4是当逆变器输出交流正半波时的情况，图 5 和图 6是当逆变器输出交流负半波时的情况。当逆变器输出交流正半波时，换向开关 S2和 S3保持在开通状态；换向开关 S1和 S4保持在关断状态，它们的阻断电压是 Vout。当逆变器输出交流负半波时，换向开关 S1和 S4保持在开通状态；换向开关 S2和 S3保持在关断状态，它们的阻断电压是 Vout。斩波开关 S5和 S6同时高频开关，图 3和图 5是它们开通时的情况，图 4和图 6是它们关断时的情况。当 S5和 S6开通时，电能从主流输入 Vin向后级传送，这时续流二极管关断；当 S5和 S6关断时，平波电感 L1和 L2中的电流通过续流二极管续流，这时斩波开关 S5和 S6右侧的电压时 Vin/2， S 和 S6的电压应力是 Vin/2。通过调制 S5和 S6 的开关占空比，控制逆变输出的电压幅值变换；通过换向开关 Sl、 S2、 S3、 S4控制逆变输出的极性变换，从而实现逆变。由于 S5和 S6同时开通时直流输入侧和交流输出侧之间的共模电压，与 S5和 S6同时关断时直流侧和交流侧之间的共模电压没有改变，所以本拓扑没有共模千扰的问题，大大改善了系统的 EMC性能，并且可以方便的用于无变压器隔离的逆变系统中。

图 9、图 10、图 11、图 12是使用本发明的同步开关管续流、基本型 H桥逆变拓扑实现的逆变器例子的工作时的开关状态。 H桥工作方式与二极管续流的 H桥相同。图 9和图 10是当逆变器输出交流正半波时的情况，图 11和图 12是当逆变器输出交流负半波时的情况。斩波开关 S5和 S6同时开关，同步续流开关 S7采用与斩波开关 S5和 S6相反的相位同步开关。图 3和图 5是斩波开关开通和续流开关关断时的情况，图 4和图 6是斩波开关关断和续流开关开通时的情况。当斩波开关 S5和 S6开通时，电能从直流输入 Vin向后级传送，这时续流开关 S7关断；当斩波开关 S5和 S6关断时，平波电感 L1和 L2中的电流通过续流开关续流。

图 17、图 18、图 19、图 20是使用本发明的升压型 H桥的逆变拓扑实现的宽输入电压范围逆变时的四种工作模式。图 17和图 18是当逆变器输出交流正半波时的情况，图 19和图 20是当逆变器输出交流负半波时的情况。当逆变器输出交流正半波并且输出电压值比直流输入电压低时（图 17), 斩波开关管处于高频开关状态，换向开关 S2和 S3保持在开通状态，换向开关 S1和 S4保持在关断状态。这时，系统通过控制斩波开关管的开关占空比来实现对输出电压 Vout的波动变化。当逆变器输出交流正半波并且输出电压值比直流输入电压高时（图 18), 斩波开关管保持在开通状态，换向开关 S2和 S3保持在开通状态，换向开关 S1保持在关断状态，换向开关 S4这时作为升压开关管使用，它处于高频开关状态。这时，系统通过控制升压开关管 S4的开关占空比实现对输出电压 Vout的波动变化。当逆变器输出交流负半波并且输出电压值较直流输入电压低时（图 19)，斩波开关管处于高频开关状态，换向开关 S1 和 S4保持在开通状态，换向开关 S2和 S3保持在关断状态。这时，系统通过控制斩波开关管的开关占空比实现对输出电压 Vout的波动变化。当逆变器输出交流负半波并且输出电压值较直流输入电压高时（图 20)，斩波开关管保持在开通状态，换向开关 S1和 S4保持在开通状态，换向开关 S2保持在关断状态，换向开关 S3这时作为升压开关管使用，它处于高频开关状态。这时，系统通过控制升压开关管 S3的开关占空比实现对输出电压 Vout的波动变化。通过上述这四种工作模式，本发明比传统两级式拓扑更简单、成本更低的方式实现了直流输入的宽范围逆变。

Claims

权利要求书

1. 无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：直流输入端的正极和负极上各有一个斩波开关，这两个斩波开关后面各连接一个平波电感，在两个斩波开关与平波电感的连接之间有续流电路，两个平波电感的后面连接一个 H桥。

2. 根据权利要求 1所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的续流电路采用单二极管续流电路、双二极管续流电路、单同步开关管续流电路和双同步开关管续流电路中的一种或几种续流电流同时存在。

3. 根据权利要求 2所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的单二极管续流电路是在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个二极管，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。

4. 根据权利要求 2所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的双二极管续流电路是在直流电源输入端串联两个电容，在两个平波电感与斩波开关的连接处之间连接串联两个二极管，两个电容之间的中点与两个二极管之间的中点相连，两个串联二极管的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。

5. 根据权利要求 2所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的单同步开关管续流电路是在两个平波电感与斩波开关连接处之间连接一个续流开关管，其导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。

6. 根据权利要求 2所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的双同步开关管续流电路是在直流电源输入端串联两个电容，在两个平波电感与斩波开关的连接处之间连接串联两个续流开关管，两个电容之间的中点与两个续流开关管之间的中点相连，两个串联续流开关管的导通方向是从位于直流输入负极的斩波开关和平波电感之间的连接处到位于直流输入正极的斩波开关和平波电感之间的连接处。

7. 根据权利要求 1所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述 H桥的两个桥臂中点连接有平波电容。

8. 根据权利要求 1所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的 H桥有两种类型：升压型 H桥和由四个开关管构成的基本型 H桥。

9. 根据权利要求 8所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：所述的升压型 H桥的四个半桥臂中至少有两个相邻的半桥臂是单向的，单向半桥臂实现方式有：开关管串联二极管、采用晶闸管或耐反向电压的开关管。

10. 根据权利要求 1或权利要求 8所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：当输入电压高于输出交流电压时，系统处于降压模式，这吋斩波开关处于高频开关状态， H桥处于换向状态， H桥的两个对角开关管开通、另外两个对角开关管关断。

11. 根据权利要求 8所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于：当采用升压性 H 桥时，当输入电压低于输出交流电压时，系统处于升压模式，这时斩波开关处于开通状态， H桥处于换向并升压状态， H桥的一组对角开关管处于开通状态， H桥另外一组对角两个开关管中的一个处于关断状态，一个处于高频开关状态，后者同直流输入极的相邻半桥臂是单向的。

12. 根根据权利要求 1所述的无共模干扰单相逆变器拓扑，其特征在于： H桥的两个输入端或 H桥的输出端与直流输入侧之间可以连接有动态均压电容，进行两个斩波开关的电压应力进行动态均压，和抑制直流输入侧和交流输出侧之间的共模漏干扰输出。