CN102969925B - 无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器及调制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器及调制方法，包括直流侧蓄电池，直流侧分压电容，交流侧滤波电感，由两个有反并联二极管的全控主开关构成的单相桥臂，在分压电容和单相桥臂直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关，主开关和辅助开关两端并联电容，辅助开关两端跨接由谐振电感与箝位电容串联的谐振支路。本发明带负载独立运行或者并网运行。主开关采用正弦波脉宽调制方法，辅助开关调制信号与主开关同步。每一开关周期中辅助开关只动作一次就能实现所有主开关零电压开通，主开关反并联二极管反向恢复电流得到抑制，开关电压应力等于逆变器直流侧电压，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

Description

无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器及调制方法

技术领域

本发明涉及半桥逆变器，具体地，涉及无附加电压应力零电压开关电池储能半桥式逆变器的电路拓扑和调制方法。

背景技术

同时具有并网发电运行和带负载独立运行功能的电池储能单相半桥逆变器，其电路如图1所示，它包括由两个有反并联二极管的全控主开关S₁～S₂构成的单相桥臂，接在桥臂中点与负载或交流电网之间的输出滤波电感L。这种逆变器能够实现独立逆变功能，也可以实现并网发电运行，但电路工作在硬开关状态，存在着二极管的反向恢复问题，器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，降低了电路效率并且存在较大的电磁干扰。

经检索，公开号为101667793A的中国专利申请，该发明提供了一种并网逆变器,包括直流电源、与直流电源连接的存储模块、与存储模块连接的逆变模块,以及分别与逆变模块和电网连接的输出模块,以及分别与逆变模块和输出模块连接的续流回路。在该发明中,在传统单相全桥并网逆变器的基础上,通过引入续流回路同时配合相应的调制方式,从而有效解决了传统单相全桥并网逆变器在采用双极性调制和采用单极性调制时所存在的问题,从而提高了逆变器的转换效率和电磁兼容性能。

公开号为102163934A的中国专利申请，该发明涉及一种并网逆变器,其包括:四个逆变晶体管、两个续流晶体管、两个二极管和两个滤波电感;工作时,微控制器使第一续流晶体管导通半个工频周期,同时使第一第四逆变晶体管和第二续流晶体管截止,并使第二、第三逆变晶体管在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一第二滤波电感的外侧端输出交流电源之正半周;然后所述微控制器使第二续流晶体管导通半个工频周期,同时使第二、第三逆变晶体管和第一续流晶体管截止,第一、第四逆变晶体管在所述高频触发信号的同步触发下作高频同步切换,以使第一、第二滤波电感的外侧端输出交流电源之负半周,如此反复。

与公开号为101667793A的中国专利申请相比，首先：本发明提出的拓扑是一种零电压开关半桥逆变器；其次，101667793A中提出的控制策略主要目的在于减小单极性调制下单相并网逆变器的电磁兼容问题，而本发明是通过增加一个辅助管，实现所有开关的零电压开通，有效抑制二极管反向恢复，既可以提高逆变器效率，也可以提高电磁兼容性。最后，本发明提出的半桥式逆变器不仅能工作在并网状态，也能工作在带交流负载独立逆变状态。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种可以抑制二极管的反向恢复电流，减小开关损耗，提高电路效率，减少电磁干扰并实现开关管零电压开通的无附加电压应力零电压开关电池储能半桥式逆变器及调制方法。

根据本发明的一个方面，提供一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器，包括逆变器直流侧蓄电池，直流侧分压电容C₁、C₂，由两个有反并联二极管的全控主开关构成的单相桥臂，接在桥臂中点与输出负载或交流电网之间的输出滤波电感L，其中：单相桥臂的两个主开关S₁、S₂分别并联一电容即第一电容C_r1、第二电容C_r2，在逆变器直流分压电容C₁、C₂和单相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关S₃，辅助开关S₃的两端并联第三电容C_r3，并在辅助开关S₃两端跨接由谐振电感L_r与箝位电容C_c相串联的谐振支路。

根据本发明的另一个方面，提供一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其中：主开关采用双极性正弦脉宽调制方法，辅助开关调制信号与主开关调制信号同步。辅助开关在主开关从二极管换流到全控开关之前关断，为主开关创造零电压开通条件。当逆变器直流母线电流由交流侧流向直流侧时，在辅助开关关断的短暂时间内，主开关桥臂上下两开关直通给谐振电感提供续流通路，使谐振电感存储能量足以实现逆变器软开关。当逆变器并网时，逆变器零电压开关在交流侧电流全功率因数角范围内均可以实现。当逆变器带负载独立运行时，逆变器零电压开关在负载电流全功率因数角范围内均可以实现，满足电池储能逆变器能量双向流动要求。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的无附加电压应力零电压开关电池储能半桥式逆变器结构简单，逆变器中全控开关的反并联二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现零电压开通，从而减小开关损耗，提高电路效率，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。该逆变器的电路在并网状态下能够实现对输出电压幅值、相位和谐波的控制，可用于各种蓄电池储能中并网逆变或独立逆变装置。此外，该逆变器的电路还可用于各种电源中独立逆变装置。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是现有的单相逆变器；

图2是本发明的一种具体电路图；

图3是本发明的第二种具体电路图；

图4是本发明的第三种具体电路图；

图5是本发明的第四种具体电路图；

图6是本发明一实施例工作在单位功率因数逆变时的输出电压、电流波形图；

图7是本发明一实施例在直流母线能量由直流侧蓄电池流向交流侧时的脉冲控制时序图；

图8～图15是本发明一实施例在直流母线能量由直流侧蓄电池流向交流侧时一个开关周期的工作等效电路；

图16是本发明一实施例在直流母线能量由直流侧蓄电池流向交流侧时一个开关周期的主要电压和电流波形；

图17是本发明一实施例在直流母线能量由交流侧流向直流侧蓄电池时的脉冲控制时序图；

图18～图26是本发明一实施例在直流母线能量由交流侧流向直流侧蓄电池时一个开关周期的工作等效电路；

图27是本发明一实施例在直流母线能量由交流侧流向直流侧蓄电池时一个开关周期的主要电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

参照图2，本发明的无附加电压应力零电压开关电池储能半桥式逆变器，包括直流侧蓄电池，直流侧分压电容C₁～C₂，由两个有反并联二极管的全控主开关S₁～S₂构成的单相桥臂，接在桥臂中点与交流电网或负载之间的输出滤波电感L，其中：单相桥臂的两个主开关S₁～S₂分别并联一电容即第一电容C_r1、第二电容C_r2，在直流侧分压电容C₁～C₂和单相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关S₃，辅助开关S₃的两端并联第三电容C_r3，并在辅助开关S₃两端跨接由谐振电感L_r与箝位电容C_c相串联的谐振支路。

图2所示具体实施例中，辅助开关S₃集电极与逆变器直流侧蓄电池正端相连，发射极与单相桥臂正母线相连，谐振电感L_r与单相桥臂正母线相连，箝位电容C_c与逆变器直流侧蓄电池正端相连。

图3所示另一实施例中，辅助开关S₃集电极与逆变器直流侧蓄电池正端相连，发射极与单相桥臂正母线相连，箝位电容C_c与单相桥臂正母线相连，谐振电感L_r与逆变器直流侧蓄电池正端相连

图4所示另一实施例中，辅助开关S₃发射极与逆变器直流侧蓄电池负端相连，集电极与单相桥臂负母线相连，箝位电容C_c与单相桥臂负母线相连，谐振电感L_r与逆变器直流侧蓄电池负端相连。

图5所示另一实施例中，辅助开关S₃发射极与逆变器直流侧蓄电池负端相连，集电极与单相桥臂负母线相连，谐振电感L_r与单相桥臂负母线相连，箝位电容C_c与逆变器直流侧蓄电池负端相连。

无附加电压零电压开关半桥逆变器采用SPWM调制。

SPWM分为单极性和双极性。双极性调制时，在整个调制波周期内，S1、S2互补导通。本发明采用双极性调制。

设正弦调制电压为u_ref=msin(ωt)，当采用双极性调制时，开关S1占空比 $D=\frac{1}{2}[1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)],$ 开关S2占空比 $D=\frac{1}{2}[1-m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)].$

对于无附加电压零电压开关半桥逆变器，在逆变器直流侧母线电流方向不同时，逆变器控制是不同的，这里就以图2所示的无附加电压零电压开关半桥逆变器在直流母线电流由直流侧流向交流侧时和直流母线电流由交流侧流向直流侧时的一个开关周期为例分别分析。

在直流母线电流由直流侧流向交流侧时逆变器的开关脉冲控制时序如图7所示。在一个开关工作周期内，逆变器共有8个工作状态。图8是在直流母线能量由直流侧蓄电池流向交流侧时一个开关周期的工作等效电路。工作时的主要电压和电流波形如图9所示。

阶段1（t₀-t₁）：

如图8所示，主开关S₂和辅助开关S₃处于导通状态，主开关S₁关闭，负载电流经主开关S₂反并联二极管续流。

阶段2（t₁-t₂）：

如图9所示，t₁时刻关断辅助开关S₃。电感L_r和电容C_r3、C_r1谐振，电容C_r3两端电压增大，电容C_r1两端电压减小。

阶段3（t₂-t₃）：

如图10所示，t₂时刻，电容C_r1电压减小到零，主开关S₁反向二极管导通，谐振结束。

阶段4（t₃-t₄）：

如图11所示，t₃时刻，主开关S₁零电压开通。主开关S₁与S₂反并联二极管换流，由于L_r的存在S₂反并联二极管的反向恢复过程被抑制。

阶段5（t₄-t₅）：

如图12所示，t₄时刻，换流结束，主开关S₂反并联二极管电流减小到零。电感L_r和电容C_r3、C_r2谐振，电容C_r2两端电压增大，电容C_r3两端电压减小。

阶段6（t₅-t₆）：

如图13所示，t₅时刻，电容C_r3电压减小到零，辅助开关S₃反向二极管导通，谐振结束。辅助开关S₃零电压开通。

阶段7（t₆-t₇）：

如图14所示，t₆时刻，主开关S₁关断。负载电流给电容C_r2放电，给电容C_r1充电。

阶段8（t₇-t₈）：

如图15所示，t₇时刻，电容C_r1电压增大到V_dc；电容C_r2电压减小到零，负载电流经主开关S₂反并联二极管续流。主开关S₂零电压开通，t₈时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期。

在直流母线电流由交流侧流向直流侧时逆变器的开关脉冲控制时序如图17所示。在一个开关工作周期内，逆变器共有9个工作状态。图19～图26是在直流母线能量由交流侧流向直流侧蓄电池时一个开关周期的工作等效电路。工作时的主要电压和电流波形如图27所示。

阶段1(t₀-t₁)：

如图18所示，主开关S₁和辅助开关S₃处于导通状态，主开关S₂关闭，负载电流经主开关S₁反并联二极管续流。

阶段2（t₁-t₂）：

如图19所示，t₁时刻关断主开关S₃。电感L_r和电容C_r3、C_r2谐振，电容C_r3两端电压增大，电容C_r2两端电压减小。

阶段3（t₂-t₃）：

如图20所示，t₂时刻，电容C_r2电压减小到零，主开关S₂反向二极管导通，谐振结束。

阶段4（t₃-t₄）：

如图21所示，t₃时刻，S₂零电压开通。主开关S₂与S₁反并联二极管换流，由于L_r的存在主开关S₁反并联二极管的反向恢复过程被抑制。

阶段5（t₄-t₅）：

如图22所示，t₄时刻，换流结束，主开关S₁反并联二极管电流减小到零。此时为实现软开关，零电压开通主开关S₁，桥臂直通，对L_r充磁。

阶段6（t₅-t₆）：

如图23所示，t₅时刻，关断主开关S₁。电感L_r和电容C_r3、C _r1谐振，电容C_r1两端电压增大，电容C_r3两端电压减小。

阶段7（t₆-t₇）：

如图24所示，t₆时刻，电容C_r3电压减小到零，主开关S₃反向二极管导通，谐振结束。主开关S₃零电压开通。

阶段8（t₇-t₈）：

如图25所示，t₇时刻，主开关S₂关断。负载电流给电容C_r1放电，给电容C_r2充电。

阶段9（t₈-t₉）：

如图26所示，t₈时刻，电容C_r2电压增大到V_dc；电容C_r1电压减小到零，负载电流经S₁反并联二极管续流。主开关S₁零电压开通，t₉时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期。

以上为本发明的一个优选实施例，对于图3-5所示的实施例，其具体实施与上述图2所示实施例类似，不再详述。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (4)

1.一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其特征在于：所述无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器包括逆变器直流侧蓄电池，直流侧分压电容(C₁、C₂)，由两个有反并联二极管的全控主开关构成的单相桥臂，接在桥臂中点与输出负载正端或者交流电网相线之间的输出滤波电感(L)；单相桥臂的两个主开关即第一主开关(S₁)、第二主开关(S₂)分别并联第一电容(C_r1)、第二电容(C_r2)，在逆变器直流分压电容(C₁、C₂)和单相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关(S₃)，辅助开关(S₃)的两端并联第三电容(C_r3)，并在辅助开关(S₃)两端跨接由谐振电感(L_r)与箝位电容(C_c)相串联的谐振支路；所述辅助开关(S₃)集电极与逆变器直流侧蓄电池正端相连，发射极与单相桥臂正母线相连，谐振电感(L_r)与单相桥臂正母线相连，箝位电容(C_c)与逆变器直流侧蓄电池正端相连；直流侧分压电容(C₁、C₂)的中点与交流电网零线或交流负载负端连接；

所述主开关采用双极性正弦脉宽调制方法，辅助开关调制信号与主开关调制信号同步；辅助开关在主开关从二极管换流到全控开关之前关断，为主开关创造零电压开通条件；当逆变器直流母线电流由交流侧流向直流侧时，在辅助开关关断的短暂时间内，主开关桥臂上下两开关直通给谐振电感提供续流通路，使谐振电感存储能量足以实现逆变器软开关；逆变器零电压开关在逆变器交流侧电流全功率因数角范围内均可以实现；

设正弦调制电压为u_ref＝msin(ωt)，当采用双极性调制时，第一主开关(S₁)占空比 $D=\frac{1}{2}[1+m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)],$ 第二主开关S₂占空比 $D=\frac{1}{2}[1-m\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)];$ 其中m为逆变器调制比，等于逆变器输出正弦波电压峰峰值与逆变器直流电压之比；

对于无附加电压零电压开关半桥逆变器，在所述逆变器直流侧母线电流方向不同时，逆变器控制是不同的：

在直流母线电流由直流侧流向交流侧时逆变器的开关脉冲控制时序，在一个开关工作周期内，所述逆变器共有8个工作状态：

阶段1(t₀-t₁)：

第二主开关(S₂)和辅助开关(S₃)处于导通状态，第一主开关(S₁)关闭，负载电流经第二主开关(S₂)反并联二极管续流；

阶段2(t₁-t₂)：

t₁时刻关断辅助开关(S₃)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第一电容(C_r1)谐振，第三电容(C_r3)两端电压增大，第一电容(C_r1)两端电压减小；

阶段3(t₂-t₃)：

t₂时刻，第一电容(C_r1)电压减小到零，第一主开关(S₁)反向二极管导通，谐振结束；

阶段4(t₃-t₄)：

t₃时刻，第一主开关(S₁)零电压开通，第一主开关(S₁)与第二主开关(S₂)反并联二极管换流，由于谐振电感(L_r)的存在第二主开关(S₂)反并联二极管的反向恢复过程被抑制；

阶段5(t₄-t₅)：

t₄时刻，换流结束，第二主开关(S₂)反并联二极管电流减小到零，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第二电容(C_r2)谐振，第二电容(C_r2)两端电压增大，第三电容(C_r3)两端电压减小；

阶段6(t₅-t₆)：

t₅时刻，第三电容(C_r3)电压减小到零，辅助开关(S₃)反向二极管导通，谐振结束，辅助开关(S₃)零电压开通；

阶段7(t₆-t₇)：

t₆时刻，第一主开关(S₁)关断，负载电流给第二电容(C_r2)放电，给第一电容(C_r1)充电；

阶段8(t₇-t₈)：

t₇时刻，第一电容(C_r1)电压增大到V_dc；第二电容(C_r2)电压减小到零，负载电流经第二主开关(S₂)反并联二极管续流，第二主开关(S₂)零电压开通，t₈时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期；

在直流母线电流由交流侧流向直流侧时逆变器的开关脉冲控制时序，在一个开关工作周期内，逆变器共有9个工作状态：

阶段1(t₀-t₁)：

第一主开关(S₁)和辅助开关(S₃)处于导通状态，第二主开关(S₂)关闭，负载电流经第二主开关(S₁)反并联二极管续流；

阶段2(t₁-t₂)：

t₁时刻，关断辅助开关(S₃)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第二电容(C_r2)谐振，第三电容(C_r3)两端电压增大，第二电容(C_r2)两端电压减小；

阶段3(t₂-t₃)：

t₂时刻，第二电容(C_r2)电压减小到零，第二主开关(S₂)反向二极管导通，谐振结束；

阶段4(t₃-t₄)：

t₃时刻，第二主开关(S₂)零电压开通，第二主开关(S₂)与第一主开关(S₁)反并联二极管换流，由于谐振电感(L_r)的存在第一主开关(S₁)反并联二极管的反向恢复过程被抑制；

阶段5(t₄-t₅)：

t₄时刻，换流结束，第一主开关(S₁)反并联二极管电流减小到零，此时为实现软开关，零电压开通第一主开关(S₁)，桥臂直通，对谐振电感(L_r)充磁；

阶段6(t₅-t₆)：

t₅时刻，关断第一主开关(S₁)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第一电容(C_r1)谐振，第一电容(C_r1)两端电压增大，第三电容(C_r3)两端电压减小；

阶段7(t₆-t₇)：

t₆时刻，第三电容(C_r3)电压减小到零，辅助开关(S₃)反向二极管导通，谐振结束，辅助开关(S₃)零电压开通；

阶段8(t₇-t₈)：

t₇时刻，第二主开关(S₂)关断，负载电流给第一电容(C_r1)放电，给第二电容(C_r2)充电；

阶段9(t₈-t₉)：

t₈时刻，第二电容(C_r2)电压增大到V_dc；第一电容(C_r1)电压减小到零，负载电流经第一主开关(S₁)反并联二极管续流，第一主开关(S₁)零电压开通，t₉时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期。

2.根据权利要求1所述的无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其特征在于，所述辅助开关(S₃)集电极与逆变器直流侧蓄电池正端相连，发射极与单相桥臂正母线相连，箝位电容(C_c)与单相桥臂正母线相连，谐振电感(L_r)与逆变器直流侧蓄电池正端相连。

3.根据权利要求1所述的无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其特征在于，所述辅助开关(S₃)发射极与逆变器直流侧蓄电池负端相连，集电极与单相桥臂负母线相连，箝位电容(C_c)与单相桥臂负母线相连，谐振电感(L_r)与逆变器直流侧蓄电池负端相连。

4.根据权利要求1所述的无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其特征在于，所述辅助开关(S₃)发射极与逆变器直流侧蓄电池负端相连，集电极与单相桥臂负母线相连，谐振电感(L_r)与单相桥臂负母线相连，箝位电容(C_c)与逆变器直流侧蓄电池负端相连。