WO2014086083A1

WO2014086083A1 - 双向变流拓扑

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Publication number: WO2014086083A1
Application number: PCT/CN2013/000260
Authority: WO
Inventors: 张永
Original assignee: 丰郅(上海)新能源科技有限公司
Priority date: 2012-12-07
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-06-12
Also published as: CN103872940A

Abstract

一种双向变流拓扑用同一个电路实现无共模干扰的直流电与交流电互相转换，在直流侧正负极上各串联一个开关管（S5、S6），开关管后各连接一个电感（L1、L2）。两个电感与两个开关管的连接处之间连接有升续电路，两个电感的另外一侧连接H桥（S1、S2、S3、S4），H桥两桥臂的中点直接连接有电容（C3），并且为交流输入输出端。该双向变流拓扑结构实现直流电交流电直接的双向流动，并实现低成本和无变压器的双向变流器，可应用于储能、交直流混合系统、无功调节、电机驱动和制动。

Description

说明书双向变流拓扑技术领域本发明属于电力变流领域，实现直流电与交流电互相转换，可以广泛应用于需要交直流混合电源、无功补偿、储能、电机驱动和制动等系统中。背景技术随着生产力的发展对交直流混合供电系统的需要越来越多，比如新能源储能系统、智能微网系统、高压直流 UPS系统、新能源充电电站、新能源动力系统、电机变频驱动和制动等。这样的系统中往往需要蓄能、直流供电和交流供电，系统中最重要的一个设备就是双向变流器，在一些场合又称之为双向逆变器、逆变充电器、电池逆变器等。它的作用是连接交流系统和直流系统，实现两个系统之间的能源转换，即有时需要从直流变换成交流、有时需要从交流变换成直流。针对交流系统，又有单相和三相之分。当前大功率的双向变流器，这里的大功率主要指 50KW以上，主要是三相双向变流器：小功率的双向变流器，以单相电为主。

双向变流器工作时，无论是逆变工作状态还是整流工作状态，都要求交流侧的谐波含量很低， · -般要求在 3%之内。这个要求使双向变流器的逆变和整流都有较高的要求。当前单相的双向变流器，主要实现方法是采用整流和逆变两套电路并存，分别实现整流和逆变。这种方法，使双向变流器的结构非常发展，成本很高。

另外，当前的双向变流拓扑有高频共模干扰的问题，所以为了降低共模干扰，大部分采用变压器隔离。由于采用了变压器隔离，所以增加了产品成本，并且降低了系统效率。所以，如果有新的拓扑结构可以实现无变压器隔离的双向变流器，将能大大降低产品成本和提高系统效率。

双向变流器是相当新兴的需求，当前的产品有结构复杂、价格高、效率低等缺点，需要技术的不断进步满足产业需求。发明内容本发明提出了一种双向变流拓扑，创新的用同一套电路实现了低谐波含量的整流和逆变，并且无高频共模千扰可以实现无变压器隔离方式工作，实现了低成本、高效率、高性能。本发明的技术方案（对照附图）是：

直流输入输出端正负极上各串联一个开关管（称与正极连接的开关管为 S5，称与负极连接的开关管为 S6)，开关管 S5和 S6后面各连接个电感（称与开关 S5连接的电感为 L1，称与开关 S6连接的电感为 L2)，电感 L1和 L2与开关 S5和 S6的连接一侧之间连接有升续电路 (升续电路为升压和续流电路的简称），电感 1'1和 L2的另一侧连接 H型换向整流桥（简称这个 H型换向整流桥为 H桥）；开关管 S5的正方向是从直流端正极到电感 Ll，开关管 S6的正方向是从电感 L2到直流端负极，开关管 S5和 S6是双向的，或并联有反向二极管（图中的 D5和 D6)，或开关管内部集成了反向二极管；开关管 S5和 S6至少正方向上是可控的； H桥有四个开关管（图中的 Sl、 S2、 S3和 S4 ), H桥中与电感 L1连接的两个开关管为 SI和 S3， H桥中与电感 L2连接的两个开关管为 S2和 S4， S1与 S2组成一个桥臂， S3与 S4组成一个桥臂；称与电感 L1相连的接点为正接点，与电感 L2相连的接点为负接点， H桥从正接点到负接点的方向为正方向，开关管 Sl、 S2、 S3和 S4是双向的，或并联有反向二极管（图中的 Dl、 D2、 D3和 D4)，或开关管内部集成了反向二极管，它们至少在正方向 h是可控的；在 H桥两桥臂中点之间连接平波电容（这里称这个电容为 C3 ) ; H桥的两个桥臂中点连接交流输入输出端，当然实际应用中还要增加 EMC滤波电路， EMC滤波电路在附图中没有画出来；升续电路的正方向是指从 S5与 L1的接点到 S6与 L2的接点；升续电路有两种实现拓扑，一种是无箝位升续电路（如图 1中所示），一种是中点箝位升续电路（如图 2中所示）；无箝位升续电路是直接在电感 L1和 L2与开关 S5和 S6连接点之间连接一个开关管（称 S7 ) ; 开关管 S7是双向的，或并联有反向二极管（D7 )，或开关管内部集成了反向二极管，开关管 S7至少正方向是可控的；中点箝位升续电路是在直流输入输出端串联两个电容（称 C10和 C11 ) , 在电感 1.1和 L2与开关 S5和 S6连接点之间连接串联两个开关管（称 S8和 S9)，电容 C10和 C1 1之间的中点与开关管 S8和 S9之间的中点相连；开关管 S8和 S9是双向的，或并联有反向二极管（D8和 D9)，或开关管内部集成了反向二极管，开关管 S8和 S9至少正方向上是可控的；在本文中称开关管 S7、 S8和 S9为升续开关：在直流输入输出端和交流输入输出端都并联电容；在 H换向桥的直流侧并联电容 C2。在实际应用中还需要有控制电路和外围保护电路等，这些在附图中没有表示出来。控制电路说控制监测主要支路的电流电压等，并控制各个开关管的开关。

本发明有逆变和整流两种工作模式。当处于逆变工作模式时，控制电路控制开关管 S5和 S6同时正向高频斩波开关，控制 H桥的 S l、 S2、书 S3和 S4工频正向开关，当 S5和 S6开通时对电感 L1和 L2充电，当 S5和 S6关断时电感电流从升续电路续流，通过调整 S5和 S6的斩波开关占空比，在 H桥的正负接点之间形成连续的半周期正弦波（俗称馒头波）， H桥在半周期正弦波的零点换向，实现在交流输入输出接点输出全周期正弦波；当处于整流工作模式时，控制电路控制升续电路的开关管正向高频开关，当升续开关正向导通时，对电感 L1和进行充电，当升续开关正向关断时，电感 L1和 L2中的电流从开关管 S5和 S6或其并联的二极管 D5和 D6上反向流向直流端，实现高功率因数整流。本发明的有益效果是：

用同一套拓扑电路实现了功率的双向变换，可以把直流电逆变为交流电，也可以把交流电变换为直流电，比当前类似的方案成本低很多。本发明没有高频共模干扰问题，保证了 EMC 性能，还可以避免使用变压器隔离，降低了成本，提高了效率。本发明的拓扑对开关管的耐压要求低，降低了最终产品的成本。本发明的拓扑在实现有功功率变换的同时可以实现功率因数的调整，控制无功功率的流向。采用本发明可是实现变频的四象限运行，方便实现电机的变频驱动和制动。附图说明本说明书有四个附图：

图 1，采用无箝位升续电路的双向变流拓扑；

图 2，采用中点箝位的双向变流拓扑；

图 3，功率从直流侧流向交流侧的工作示意图；

图 4，功率从交流侧流向直流侧的工作示意图；具体实施方式图 3、图 4是使用本发明的双向变流拓扑的工作示意图。

图 3所示的是功率从直流侧流向交流侧的工作原理：这时开关 S5和 S6处于高频斩波开关状态， S5和 S6同时开通或关断；当 S5和 S6处于开通状态时，对电感 L 1和 L2充电，升续电路处于关断状态；当 S5和 S6处于关断状态吋，电感 L1和 L2的电流通过升续电路续流； H换向桥处于工频开关状态，对 L1和 L2的电流进行换向，实现交流输出的极性变换；升续说明书

电路可以采用二极管续流方式，即续流电流从升续电路中的二极管流过，也可以采用问步续流方式，即续流电流从升续电路屮的丌关管；二极管续流的方式，续流不需要控制，所以控制策略简单，步续流的方式控制较为复杂， | j时需要开关管 S7为双向，但在合理的设计下可以实现更高的效率；通过控制 S5和 S6的高频斩波的占空比控制交流侧输出的电压幅值变化；通过控制 H桥，控制交流输出的极性。

图 4所示的是功率从交流侧流向直流侧的工作原理：这时升续电路中的开关管（图 4屮的 S7 )处于高频升压开关状态；当 S7开通时对电感 L1和 L2进行充电， S5、 D5和 S6、 1)5处于关断状态，当 S7关断时电感 U和 L2的电流通过 S5/D5和 S6/D5续流，向直流侧输电；电感 L1和 L2的电流续流也有两种方式，二极管续流方式和同步续流方式，二极管续流方式需要在 S5和上并联续流二极管，但控制比较简中.，同步续流方式控制较复杂， M时^要开关管 S5和 S6是双向的，但在设计合理的情况下 ^以实现更高的效率； H桥作为整理桥使用，也有两种方式， M步整流和二极管整流；通过控制升续电路的开关管的高频升压开关占空比控制直流侧的输出电压幅值和功率。

上述两种功率的流动方向控制通过控制时序实现动态的变化，从而实现功率的灵活控制，实现逆变、整流、变频、无功控制等，广泛用 ·储能、交直流混合系统、电机驱动和制动等。

Claims

权利要求书

1. 一种双向变流拓扑，用同一套电路实现直流电与交流电互相转换，并且没有高频共模干扰问题，其特征在于直流输入输出端正负极上各串联一个开关管 S5和 S6, 开关管 S5和 S6后面各连接一个电感（L1和 L2)，电感 L1和 L2与开关 S5和 S6的连接一侧之间连接有升续电路，电感 L1和 L2的另一侧连接 H型换向整流桥，开关管 S5和 S6是双向的，或者并联有反向二极管 D5和 D6，或内部内部集成了反向二极管，开关管 S5和 S6至少正向可控的。

2. 根据权利要求 1所述的一种双向变流拓扑，其特征在于其有逆变和整流两种工作模式，当处于逆变工作模式时，控制电路控制开关管 S5和 S6同时正向高频斩波开关，控制 H桥的 Sl、 S2、 S3和 S4工频正向开关，当 S5和 S6开通时对电感 L1和 L2充电，当 S5和 S6关断时电感电流从升续电路续流，通过调整 S5和 S6的斩波开关占空比，在 H桥的正负接点之间形成连续的半周期正弦波， H桥在半周期正弦波的零点换向，实现在交流输入输出接点输出全周期正弦波；当处于整流工作模式时，控制电路控制升续电路的开关管正向高频开关，当升续开关正向导通时，对电感 L1和 L2进行充电，当升续开关正向关断时，电感 U和 L2中的电流从开关管 S5和 S6或其并联的二极管 D5和 D6上反向流向直流端，实现高功率因数整流。

3. 根据权利要求 1所述的一种双向变流拓扑，其特征在于它的 H桥有四个开关管（Si、 S2、 S3和 S4)， H桥中与电感 L1连接的两个开关管为 SI和 S3, H桥中与电感 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，开关管 Sl、 S2、 S3和 S4是双向的，或并联有反向二极管，或开关管内部集成了反向二极管， H桥两个桥臂中点连接交流输入输出端。

4. 根据权利要求 i所述的一种双向变流拓扑，其特征在于它的升续电路采用无箝位升续电路，即直接在电感 L1和 1 2与开关 S5和 S6连接点之间连接一个开关管 S7，开关管 S7是双向的，或并联有反向二极管，或开关管内部集成了反向二极管，开关管 S7至少正向可控的。

5. 根据权利要求 1所述的一种双向变流拓扑，其特征在于它的升续电路采中点箝位升续电路，即在直流输入输出端串联两个电容 C10和 C11 , 在电感 L1和 L2与开关 S5和 S6连接点之间连接串联两个开关管 S8和 S9，电容 C10和 Cl】之间的中点与开关管 S8和 S9之间的中点相连，开关管 S8和 S9是双向的，或并联有反向二极管，或开关管内部集成了反向二极管，开关管 S8和 S9至少是正向可控的。