CN104362877A - 一种多电平高效逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多电平高效逆变器，属于逆变器技术领域。所述多电平高效逆变器，包括直流电源Vdc、交流电源Vac、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2，第一母线电容C1、第二母线电容C2、工频滤波电容C0、微控制器MCU。本发明为用于提升逆变器效率并改善直流电磁干扰的高效逆变器。
Description
技术领域
本发明涉及一种逆变电源，尤其涉及一种多电平高效逆变器。
背景技术
逆变器为一种电能转换装置，主要以实现由直流电能到交流电的能量转换。并网逆变器包括光伏并网逆变器、风能并网逆变器、燃料电池并网逆变器等。并网逆变器能将可再生能源产生的能量高效能的转换为可并接至市电的与市电同频率、同相位的交流电。
按其电路形式来划分：半桥逆变电源及全桥逆变电源。其中全桥逆变电源的控制方式有两种：单极性SPWM调制，双极性SPWM调制。双极性SPWM调制同一桥臂的两个开关管互补驱动，由于开关管导通、截止特性的不一致性以及死区时间的控制电路参数的不一致，可能导致同一桥臂的两个开关管同时导通，进而导致开关管损坏。单极性SPWM控制有：在市电负半周都只有一个开关管作高频切换，导致输出电感的利用率下降，进而降低了逆变器电源的效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种简单的，适用于提升逆变器效率并改善直流电磁干扰的高效逆变器。为实现上述目的，本发明提供一种高效逆变器，其特征包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2，第一母线电容C1、第二母线电容C2、工频滤波电容C0。
第一开关管S1的电流输入端同时与直流电源Vdc的正极、第一母线电容C1的正极以及第一二极管D1的阴极相连；第一开关管S1的电流输出端同时与第二开关管S2的输入、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第五开关管S5的输入端、第六开关管S6的输入端、第五二极管D5的阴极以及第六二极管D6的阴极相连；第二开关管S2的输出端同时与第三开关管S3的输入端、第二二极管D2的阳极、第三二极管D3的阴极、第一母线电容C1的负极以及第二母线电容C2的正极相连；第三开关管S3的输出端同时与第三二极管D3的阳极、第四开关管S4的输入端、第四二极管D4的阴极、第七开关管S7的输出端、第八开关管S8的输出端、第七二极管D7的阳极以及第八二极管D8的阳极相连；第五开关管S5的输出端同时与第五二极管D5的阳极、第七开关管S7的输入端、第七二极管D7的阴极以及第一滤波电感L1相连；第六开关管S6的输出端同时与第六二极管D6的阳极、第八开关管S8的输入端、第八二极管D8的阳极以及第二滤波电感L2相连；第四开关管S4的输出端同时与第四二极管D4的阴极、第二母线电容C2的负端、直流电源Vdc的负极相连。
上面所述直流电源Vdc的正、负极两端设有第一滤波电容C1、第二滤波电容C2，用于降低逆变器环节的输入纹波和母线分压。直流电源Vdc为直流能量产生装置，如：太阳能电池板，风能，燃料电池等。
所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的控制端分别经一调制电路与微控制器MCU的第一、第二、第三、第四高频脉冲信号输出端相连接，；所述的第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8分别与微控制器MCU的四个工频脉冲信号输出端相连；第一滤波电感L1和第二滤波电感L2的外侧端接交流电源Vac；
所述调制电路用于将微控制器MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动所述的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的高频触发信号；所述正弦信号与所述交流电源Vac上的交流电源同频率且同相位；
工作时，并使第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4在高频开关工作，在输出为正半周时，微控制器MCU使第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，同时使第六开关管S6和第七开关管S7截止，使第一滤波电感L1、第二滤波电感L2外侧输出交流电源为正半周；当输出为负半周时，微控制器MCU使第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，同时使第五开关管S5和第八开关管S8截止，，使第一滤波电感L1、第二滤波电感L2外侧输出交流电源为负半周；并如此周而复始。
在所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac为正半周期间，第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，第六开关管S6、第七开关管S7在整个正半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一、第四开关管S1、S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、第四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管管D2（第二开关管S2），第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4开关管高频触发信号都为低时，第二二极管S2（第二开关管S2）、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三开关管S3依次构成电流回路。
在所述第一滤波电感、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac之负半周期间，第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，第五开关管S5、第八开关管S8在整个负半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一、第四开关管S1、S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、第四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管管D2（第二开关管S2），第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4开关管高频触发信号都为低时，第二二极管S2（第二开关管S2）、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三开关管S3依次构成电流回路。
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下有点：1、本发明的高效逆变器相对与传统全桥电路，在功率回路中串联第一开关管S1、第二开关管S4，并在第一开关管S1的输出端以及第四开关管S4的输入端与第一母线电容和第二母线电容的中点增加了第二开关管S2、第三开关管S3和第二二极管D2、第三二极管D3，使得无论在正半周或负半周，两个电感同时工作，在提高电感利用率的同时，改善了DC的电磁干扰问题。相对于传统逆变电路结构，该电路提高了电感的利用率，降低了高频开关管的电压应力，提高整机效率；同时降低了机器的DC电磁干扰问题，使得逆变器的各个方面性能提升。2、由于续流装置的引入，使得储能装置不参与续流过程，图表1中的a、b两点的电位在续流过程中电位保持基本相等，且逆变状态与续流状态a、b两点电位变化量较小，这就降低了DC电磁干扰问题，3、本发明中的逆变装置采用的四个开关管皆作高频切换，这使得无论在正负半周，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的内侧接线端的电位都呈高频脉冲，其外侧接线端为市电，这提高了滤波电感的利用率。4、本发明引入的电路，可以实现五电平模式，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2可以减小，提高了整机效率。5、由于主开关管高频转换的电压为Vdc的一半，主开关管的开关损耗降低，进而提升了整机效率。
附图说明
下面结合附图，通过对本发明的具体实施方式详细描述，将使本发明的技术方案及其它有益效果显而易见。
附图中，
图1为实例中的高效逆变器结构示意图；
图2为实例中的高效逆变器工作时各部件上的波形图；
图3为实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路一示意图；
图4为实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路二示意图；
图5为实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的电流回路三示意图；
图6为实例中的高效逆变器输出正半周交流电时的续流回路示意图；
图7为实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路一示意图；
图8为实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路二示意图；
图9为实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的电流回路三示意图；
图10为实例中的高效逆变器输出负半周交流电时的续流回路示意图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下结合本发明的优选实施例及其附图进行详细描述。
如图表1所示，第一开关管S1的电流输入端同时与直流电源(Vdc)的正极、第一母线电容C1的正极以及第一二极管D1的阴极相连；第一开关管S1的电流输出端同时与第二开关管S2的输入、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第五开关管S5的输入端、第六开关管S6的输入端、第五二极管D5的阴极以及第六二极管D6的阴极相连；第二开关管S2的输出端同时与第三开关管S3的输入端、第二二极管D2的阳极、第三二极管D3的阴极、第一母线电容C1的负极以及第二母线电容C2的正极相连；第三开关管S3的输出端同时与第三二极管D3的阳极、第四开关管S4的输入端、第四二极管D4的阴极、第七开关管S7的输出端、第八开关管S8的输出端、第七二极管D7的阳极以及第八二极管D8的阳极相连；第五开关管S5的输出端同时与第五二极管D5的阳极、第七开关管S7的输入端、第七二极管D7的阴极以及第一滤波电感L1相连；第六开关管S6的输出端同时与第六二极管D6的阳极、第八开关管S8的输入端、第八二极管D8的阳极以及第二滤波电感L2相连；第四开关管S4的输出端同时与第四二极管D4的阴极、第二母线电容C2的负端、直流电源Vdc的负极相连；其工作过程如下：
工作时，在所述第一、第二滤波电感L1、L2的外侧端输出交流电源Vac之正半周期间，使第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4在高频开关工作，微控制器MCU使第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，同时使第六开关管S6和第七开关管S7截止；在所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac之正半周期间，微控制器MCU使第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，同时使第五开关管S5和第八开关管S8截止；并如此周而复始。
在所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac之正半周期间，第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，第六开关管S6、第七开关管S7在整个正半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表3；当第一开关管S1、第四开关管S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、、第二滤波电感L2、第八开关管S8第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表4；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管管D2（第二开关管S2），第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表5；当第一开关管S1、第四开关管S4高频触发信号都为低时，第二二极管S2（第二开关管S2）、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三开关管S3依次构成电流回路，见图表6。
在所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac之正半周期间，第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，第五开关管S5、第八开关管S8在整个负半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表7；当第一开关管S1、第四开关管S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、第四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表8；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管管D2（第二开关管S2）、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路，见图表9；当第一开关管S1、第四开关管S4高频触发信号都为低时，第二二极管D2（第二开关管S2）、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三二级管D3（第三开关管S3）依次构成电流回路，见图表10。
以上所述，对于本领域的普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案和技术构思作出其他各种相应的改变和变形，而所有这些改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。
Claims (6)
1.一种多电平高效逆变器，包括直流电源Vdc、交流电源Vac，其特征在于：该多电平高效逆变器还包括：第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第七开关管S7、第八开关管S8，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8，第一滤波电感L1、第二滤波电感L2，第一母线电容C1、第二母线电容C2、工频滤波电容C0、微控制器MCU。
2.第一开关管S1的电流输入端同时与直流电源Vdc的正极、第一母线电容C1的正极以及第一二极管D1的阴极相连；第一开关管S1的电流输出端同时与第二开关管S2的输入、第一二极管D1的阳极、第二二极管D2的阴极、第五开关管S5的输入端、第六开关管S6的输入端、第五二极管D5的阴极以及第六二极管D6的阴极相连；第二开关管S2的输出端同时与第三开关管S3的输入端、第二二极管D2的阳极、第三二极管D3的阴极、第一母线电容C1的负极以及第二母线电容C2的正极相连；第三开关管S3的输出端同时与第三二极管D3的阳极、第四开关管S4的输入端、第四二极管D4的阴极、第七开关管S7的输出端、第八开关管S8的输出端、第七二极管D7的阳极以及第八二极管D8的阳极相连；第五开关管S5的输出端同时与第五二极管D5的阳极、第七开关管S7的输入端、第七二极管D7的阴极以及第一滤波电感L1相连；第六开关管S6的输出端同时与第六二极管D6的阳极、第八开关管S8的输入端、第八二极管D8的阳极以及第二滤波电感L2相连；第四开关管S4的输出端同时与第四二极管D4的阴极、第二母线电容C2的负端、直流电源Vdc的负极相连。
3.根据权利要求1所述的一种多电平高效逆变器，其特征在于，所述调制电路用于将微控制器MCU输出的高频脉冲信号与正弦信号调制成用于驱动所述的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4的高频触发信号；所述正弦信号与所述交流电源Vac上的交流电源同频率且同相位。
4.根据权利要求1所述的一种多电平高效逆变器，其特征在于，所述第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4在高频开关工作，在输出为正半周时，微控制器MCU使第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，同时使第六开关管S6和第七开关管S7截止，使第一滤波电感L1、第二滤波电感L2外侧输出交流电源为正半周；当输出为负半周时，微控制器MCU使第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，同时使第五开关管S5和第八开关管S8截止，，使第一滤波电感L1、第二滤波电感L2外侧输出交流电源为负半周。
5.根据权利要求1所述的一种多电平高效逆变器，其特征在于，所述所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac为正半周期间，第五开关管S5、第八开关管S8在整个正半周开通，第六开关管S6、第七开关管S7在整个正半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管D2（第二开关管S2），第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4高频触发信号都为低时，第二二极管D2（第二开关管S2）、第五开关管S5、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第八开关管S8、第三开关管S3依次构成电流回路。
6.根据权利要求1所述的一种多电平高效逆变器，其特征在于，所述所述第一滤波电感L1、第二滤波电感L2的外侧端输出交流电源Vac之负半周期间，第六开关管S6、第七开关管S7在整个负半周开通，第五开关管S5、第八开关管S8在整个负半周关闭；当第一开关管S1的高频触发信号为高电平同时第四开关管S4的高频触发信号为低电平时，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三二极管D3（第三开关管S3）、第二电容C2和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4的高频触发信号为高电平，第一开关管S1、四开关管S4导通，直流电源Vdc的正极、第一开关管S1、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1的高频触发信号为低电平时同时第四开关管S4触发信号为高时，直流电源Vdc正极、第一电容C1、第二二极管D2（第二开关管S2），第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第四开关管S4和直流电源Vdc负极依次构成电流回路；当第一开关管S1、第四开关管S4开关管高频触发信号都为低时，第二二极管S2(第二开关管S2）、第六开关管S6、第一滤波电感L1、输出交流电源Vac、第二滤波电感L2、第七开关管S7、第三开关管S3依次构成电流回路。
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