CN105305860B - 一种逆变器 - Google Patents

Abstract

一种逆变器，包括，一调压电路、多电平桥臂电路以及输出处理电路，所述调压电路接收直流输入电压，并将所述直流输入电压经过调压变换为直流输出电压，输出给所述多电平桥臂，所述多电平桥臂电路将其斩波，并通过输出处理电路交叠为交流输出，所述调压电路包括一分压电路、一调压桥臂，所述分压电路将所述直流输入电压分压为第一电压和第二电压，所述调压桥臂在交流输出的正半周将第一电压输出至直流输出端，在交流输出的负半周将第二电压输出至直流输出端，所述直流输出端的电压即为直流输出电压，本发明的技术方案提供了一种简单高效的三电平交错并联拓扑结构，且可灵活的扩展成N相交错并联。

Description

一种逆变器

技术领域

本发明是有关于逆变器，特别涉及多电平逆变器。

背景技术

多电平逆变器的一般结构是由几个电平台阶合成阶梯波以逼近正弦输出电压。这种逆变器由于输出电压电平数的增加，使得输出波形的谐波含量减小，开关所承受的电压应力减小，无需均压电路，例如，利用开关来辅助中点箝位的三电平逆变电路、二极管箝位式逆变电路以及主要应用在高压大功率电机调速、无功补偿、有源滤波等领域的多电平逆变器。专利201310390675.7提供了一种多电平逆变器的拓扑结构，如图1所示，为该专利的一具体实施例，包括三路电容箝位型三电平桥臂，三电平桥臂A、三电平桥臂B和三电平桥臂C。每路三电平桥臂包括第一开关、第二开关、第三开关和第四开关，以及与第一开关并联的第一二极管、与第二开关并联的第二二极管、与第三开关并联的第三二极管以及与第四开关并联的第四二极管。每路三电平桥臂的交流节点分别连接到相应的耦合电感的绕组。在每个三电平桥臂中，第一开关Q1和第二开关Q2串联连接在直流母线的Bus_+与该三电平桥臂的交流节点之间；第三开关Q3和第四开关Q4串联连接在直流母线的Bus_-与该三电平桥臂的交流节点之间；第一二极管的负极连接到Bus_+，第二二极管的负极连接到第一二极的正极，第四二极管的正极连接到Bus_-，第三二极管的正极连接到第四二极管的负极；在第一二极管的正极与第四二极管的负极之间跨接用于箝位的电容(例如，飞跨电容)。

由此可见，为了实现如图1所示的多电平逆变器的拓扑结构，至少需要12个开关，电路结构复杂，这不但会增加电路的成本，更使得电路控制难度增加。

发明内容

本发明提供一种多电平逆变器，能够简化已知技术中多电平逆变器的拓扑结构。

本发明的技术方案，一种逆变器，包括，一调压电路、多电平桥臂电路和输出处理电路，所述调压电路接收直流输入电压，并将所述直流输入电压经过调压变换为直流输出电压，输出给所述多电平桥臂电路，所述多电平桥臂电路将其斩波，并通过所述输出处理电路交叠为交流输出，所述调压电路包括一分压电路、一调压桥臂和，所述分压电路将所述直流输入电压分压为第一电压和第二电压，所述调压桥臂在交流输出的正半周将第一电压输出至直流输出端，在交流输出的负半周将第二电压输出至直流输出端，所述直流输出端的电压即为直流输出电压。

本发明的一具体实施例中，所述分压电路由两个电容串联构成，串联后的第一端和第二端作为所述调压电路的直流输入端，中点端接地。

本发明的一具体实施例中，所述调压桥臂由四个开关同向串联构成，所述调压桥臂的第一端和第四端与所述直流输入端连接，中点端和与所述电容串联电路的中点端连接，第二端和第三端作为直流输出端，

本发明的一具体实施例中，直流输出端跨接一飞跨电容，所述飞跨电容的两端作为所述调压电路的直流输出端。

本发明的一具体实施例中，在所述逆变器初始化阶段，所述调压桥臂的所述开关的弱开通状态，所述逆变器为所述飞跨电容充电。

本发明的一具体实施例中，所述调压桥臂的开关的驱动脉冲的第一个脉冲电压缓慢升高，使所述调压桥臂的开关处于弱开通状态。

本发明的一具体实施例中，还包括一预充电电路，所述预充电电路为所述飞跨电容充电，所述预充电电路尽在为所述飞跨电容充电时工作。更具体的，所述预充电电路为一反激变换器。

本发明的一具体实施例中，所述多电平桥臂由两个开关串联组成，串联后的第一端和第二端与所述直流输出端连接，多电平桥臂的中点端作为多电平桥臂的输出端。

本发明的一具体实施例中，多个所述多电平桥臂之间交错并联。

本发明的一具体实施例中，所述输出处理电路包括多个电感，所述电感的第一端分别与每个多电平桥臂的输出端串联，所述电感的第二端并联后作为交流输出端。

本发明的一具体实施例中，所述电感之间相互耦合。

本发明的一具体实施例中，所述输出处理电路还包括一滤波电路，所述滤波电路包括一输出电感和一输出电容，所述输出电感和所述输出电容串联，所述输出电感的一端和所述耦合电感的交流输出端连接，所述输出电感的第二端和所述输出电容连接，所述输出电容的两端为逆变器的输出端。

本发明还提供一电流抑制电路，所述电流抑制电路并联在所述开关的两端，为其提供与开关关断时其中反向恢复电流方向相反的抑制电流，包括，辅助电源、辅助开关、辅助二极管以及钳位二极管，辅助电源与辅助开关、辅助二极管以及辅助电感串联，钳位二极管并联在辅助电源与辅助开关的串联支路上。

本发明一具体实施例中，在开关关断前，辅助开关开通，并在开关中反向恢复电流到达零之后关断。

发明电路，利用飞夸电容，构造一个小的高频桥臂，能扩展成N相交错并联，结合耦合电感，输出形成2N+1电平数，且构成N倍频效果。每增加一路交错并联，只增加2个开关，同时保留三电平的拓扑架构。是最简单，最经济，也是最高效率的三电平拓扑交错并联方式。另外，飞夸电容改变了已知技术中的三电平拓扑结构的环流回路。已知技术中的三电平拓扑结构的环流回路需要经过至少三个开关，因而会引入较大的环路电感，导致较高的开关损耗和电压尖峰。本发明提供的逆变器拓扑结构中，环流回路只有两个开关，寄生电感大大减小。可以降低电压尖峰，提高可靠性，降低开关损耗。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为已知技术中一多电平逆变器拓扑结构。

图2为本发明实施例框图。

图3为本发明逆变器的第一具体实施例电路图。

图4为本发明逆变器的第二具体实施例电路图。

图5为本发明逆变器的第三具体实施例电路图。

图6为图3实施例电路中的关键参数波形图。

图7为本发明提供的电流抑制电路的电路结构图。

图8为图7中电流抑制电路中开关的驱动波形。

图9为本发明逆变器的第四具体实施例电路图。

图10为本发明逆变器的第五具体实施例电路图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种逆变器，优化了已知技术中的三电平逆变器，使用一种特殊的调压电路，多电平桥臂只需两个开关即可实现，而且在本发明的环流回路中仅有两个开关，寄生电感减小，降低了电压尖峰，以此提高电路的可靠性。为了使本揭露之内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

图2为本发明实施例框图，所述逆变器包括调压电路21、多电平桥臂电路22以及输出处理电路23，所述调压电路更包括一直流电压输入端211和一直流电压输出端212，所述直流电压输入端211接收一直流输入电压，所述直流电压输出端212输出经过调压电路转换的直流输出电压，所述直流电压输出端212与所述多电平桥臂电路22并联，所述多电平桥臂电路22将所述直流输出电压进行斩波，并输出给输出处理电路23，输出处理电路23将多电平桥臂电路22中的多电平桥臂221-22n的输出进行交叠和滤波处理从输出端231输出交流电。当多电平桥臂的个数为n时，多电平桥臂电路的输出则表现为1+2n电平。

图3为本发明一具体实施例，本实施例中所述调压电路31包括分压电路313、调压桥臂314，所述分压电路313将直流输入电压Vin分解为第一电压和第二电压，更具体的说所述分压电路313包括电容C1和电容C2，所述电容C1和电容C2串联连接，串联后第一端a和第二端c与直流输入端311并联，中间端b接地。所述第一电压为电容C1两端的电压VC1，所述第二电压为电容C2两端的电压VC2，相对于地端而言，所述VC1为一正电压，用于交流电的正半周输入，所述VC2为一负电压，用于交流电的负半周输入。所述调压桥臂314由开关Qt1/Qt2Qt3/Qt4串联组成，形成端子d/e/f/g/h，调压桥臂第一端d和第四端h与直流输入端311并联，调压桥臂的中间端f和分压电路的中间端b连接，调压桥臂的第二端e和第三端g作为直流输出端312。直流输出端312与多电平桥臂电路32并联。本实施例中的多电平桥臂电路32包含两个多电平桥臂：多电平桥臂321和多电平桥臂322，所述多电平桥臂321和多电平桥臂322并联连接构成桥臂电路32，多电平桥臂321和多电平桥臂322均由两个开关串联组成，所述两个开关串联后的中点作为多电平桥臂的输出端，各输出端与所述输出处理电路33连接。所述输出处理电路33包含电感L和一输出滤波电路331，所述电感L包括电感L1和L2，所述电感L1的第一端和所述多电平桥臂321的输出端连接，所述电感L2的第一端和所述多电平桥臂322的输出端连接，所述电感L1和L2的第二端并联后与输出滤波电路连接，所述输出滤波电路包含一输出滤波电感Lo，一输出滤波电容Co，所述输出滤波电容两端的电压为所述逆变器的交流输出端，输出交流电压，所述输出交流电压的地端与前述地端连接。所述输出滤波电感Lo也可集成在电感L中。

图3中各个开关的驱动电压的波形以及逆变器的输出电压和电流的波形如图6所示，其中Vdr_Qt1/Vdr_Qt2/Vdr_Qt3/Vdr_Qt4为所述调压桥臂中开关Qt1-Qt4的驱动电压，Vdr_Qu1/Vdr_Qu2/Vdr_Qd1/Vdr_Qd2为多电平电路中开关Qu1/Qu2/Qd1/Qd2的驱动电压，Vo和Io分别为输出滤波电容中的电压信号和电流信号。如图6所示，调压桥臂的开关工频开通或者关断，在输出交流电压正半周，所述开关Qt1和Qt3开通，将电容C1两端的正电压输出给直流电压输出端322，在输出交流电压负半周，所述开关Qt2和Qt4开通，将电容C2两端的负电压输出给直流电压输出端322。另外多电平桥臂电路33中的开关高频开通或者关断，所述多电平桥臂331和多电平桥臂332交错并联，所述交错并联是指其中多电平桥臂相位错开工作，所述错开的相位可以是均等的也可以是不均等的。本实施例中多电平桥臂331和多电平桥臂332的相位错开180°，例如开关Qu1和开关Qu2相位错开180°，开关Qd1和开关Qu1互补导通，开关Qd2和开关Qu2互补导通。每个开关状态中的环流回路仅有两个开关组成，例如开关Qu1和Qu2。

图9为本发明的另一具体实施例，与图3所示实施例不同的是，本实施例中，直流输出端312上并联了一飞夸电容Cr，Qt1和Qt3开通或者Qt2,Qt4开通，飞夸电容Cr电压都钳位在0.5Vin，稳态时，飞夸电容Cr被自然钳位，飞夸电容Cr只提供高频回路，飞夸电容Cr中基本无电流。另外高频开关回路被飞夸电容Cr解耦，因而多电平桥臂电路中的开关的高频开关损耗小。

另外在逆变器启动的阶段，飞跨电容需要进行预先充电，本发明提供了两种实施例，首先第一种，通过控制开关Qt1或者Qt4的第一个驱动脉冲的电压缓慢升高，利用弱开通状态，给飞夸电容充电。另一种，另外设置一预充电电路，如反激变换器flyback的多输出绕组隔离充电电路。反激变换器flyback只在为飞跨电容预充电时工作。

图10为本发明的另一具体实施例，与图3所示实施例不同的是，本实施例中所述输出处理电路103中的电感L为一包含一耦合电感，所述耦合电感L包含多个绕组：L1和L2，所述绕组L1的第一端和所述多电平桥臂1021的输出端连接，所述绕组L2的第一端和所述多电平桥臂1022的输出端连接，绕组L1和L2的第二端并联后与输出滤波电路连接，所述输出滤波电路包含一输出滤波电感Lo，一输出滤波电容Co，所述输出滤波电容两端的电压为所述逆变器的交流输出端，输出交流电压，所述输出交流电压的地端与前述地端连接。所述输出滤波电感Lo也可集成在电感L中。

图4所示为本发明另一具体实施例，该实施例中直流输入电压为一光伏电池输出PV，其调压电路41和图3中的调压电路31相似，但是该实施例中的多电平桥臂电路42包含三个多电平桥臂421/422/423，所述三个多电平桥臂交错并联，相互可以间隔120°，也可以是其他不均等角度。三个多电平桥臂的输出端分别与耦合电感L中的三个绕组L1/L2/L3的第一端相连，这三个绕组的第二端并联后作为输出端与输出滤波电路连接。本实施例中的输出滤波电路仅包括一输出滤波电容Co，输出滤波电容Co的第一端与所述耦合电感L的输出端连接，第二端接地。所述耦合电感L中集成了输出滤波电感Lo。从而可以减少设计输出滤波电感Lo。

图5所示为本发明的另一具体实施例，该实施例中所述多电平桥臂电路52具有n个多电平桥臂，所述多电平桥臂交错并联，交错并联的角度可以是均等的360°/n，也可以是其他不均等的角度，多个多电平桥臂分别于耦合电感的多个绕组串联，经过耦合电感的交叠作用后输出交流输出电压，该交流输出电压具有2n+1电平数，且构成n倍频效果。本发明提供的技术方案中每增加一路交错并联，只增加2个开关，同时保留三电平的拓扑架构。是最简单，最经济，也是最高效率的三电平拓扑交错并联方式。

本发明中技术方案中所述开关可以用MOSFET或者其他GaN，SiC器件替代。也可以混合使用IGBT，MOSFET器件。

上述多电平桥臂中的开关Qun或者Qdn，替换为MOSFET后，环流回路在死区时间内会经过MOSFET的体二极管。如果MOSFET的体二极管反向恢复特性不好，就会引起反向恢复损耗。

本发明还提供一电流抑制电路，可以解决MOSFET反向恢复的问题，使得本发明电路特性进一步提升。

本发明提供的电流抑制电路7，如图7所示，所述电流抑制电路7并联在开关Q的两端，能够为开关Q提供一与其反向恢复电流的电流方向相反的电流，以抑制开关Q的反向恢复损耗。

电流抑制电路7具有辅助电源Vf、辅助开关Qf、辅助二极管Df以及钳位二极管Dq，辅助电源Vf与辅助开关Qf、辅助二极管Df以及辅助电感Lf串联，钳位二极管Dq并联在辅助电源Vf与辅助开关Qf的串联支路上，辅助电源Vf的电压值低于开关管Q的耐压值，为电流抑制电路7提供电能。例如在开关管Q为600V或者650V高压开关管时，辅助电源Vf可以选用15V。辅助开关Qf导通时，电流抑制电路7即可为开关管Q提供与其中反向恢复电流的电流方向相反的抑制电流If，辅助开关Qf可以是低压开关管。辅助二极管Df是为了保证抑制电流If仅能够从辅助电源Vf流出至开关管Q，且不会有电流流向辅助电源Vf损坏辅助电源Vf。辅助电感Lf是引线电感或者外加电感，用来调节抑制电流If上升和下降的速率。钳位二极管Dq具有钳位电压的作用，可以选用低压辅助肖特基二极管。辅助开关Qf的开关时序如下所述，并参照图8中的开关管Q的驱动电压Vdr_Q和辅助开关Qf的驱动电压Vdr_Qf的波形图。

在【t0]时刻，开关管Q处于开通状态，此时电流从开关管Q的S极流入D极。

在【t1】时刻，辅助开关Qf开通，使得辅助电源Vf产生抑制电流If，流过辅助二极管Df和开关管Q，这时，开关管Q中的电流的绝对值开始下降。

在【t2】时刻，开关管Q关闭，这时会有部分电流流过开关管Q的体二极管，由于抑制电流If的作用，这部分电流会快速到达0。因此，开关管Q的反向恢复特性可以大大改善。

在【t3】时刻，辅助开关Qf关闭。

将本发明的电流抑制电路应用在如图2-5所述的多电平桥臂的开关中时，辅助开关Qf应在桥臂中的另一个开关开通后关断，这样，辅助开关Qf可以实现零电流开关。因此，开关损耗很小。

为了完全避免电流流过开关管Q的体二极管，做这样的优化处理：(1)提早开通辅助开关Qf，延长【t1-t2】时间，使得在t2时刻以前，开关管Q的电流从S极流向D极变成从D极流向S极。(2)调整辅助电感Lf的大小，实现抑制电流If快速上升，快速使开关管Q中的电流转换反向。

此电路可以扩展到其他同步整流的DC-DC变换器，PFC等拓扑。用以消除因为MOSFET的体二极管引起的反向恢复问题

综上所述，本发明实施例提出一种逆变器，使用由四个开关组成调压桥臂并结合分压电路和飞跨电容，多电平桥臂只需两个开关即可实现，优化了已知技术中的三电平逆变器，可提高电路的效率。可应用于不间断供电***(UPS)，此时直流输入电压为一直流输入电，交流输出电提供给一负载；也可应用于光伏发电***，此时直流输入电压可以为光伏电池的直流输出电压，交流输出电可以提供给负载也可以并入电网。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。

Claims (12)

1.一种逆变器，包括，一调压电路、多电平桥臂电路和输出处理电路，所述调压电路接收直流输入电压，并将所述直流输入电压经过调压变换为直流输出电压，输出给所述多电平桥臂电路，所述多电平桥臂电路将其斩波，并通过所述输出处理电路交叠为交流输出，其特征在于，所述调压电路包括一分压电路、一调压桥臂和一直流输出端，所述分压电路将所述直流输入电压分压为第一电压和第二电压，所述调压桥臂在交流输出的正半周将第一电压输出至所述直流输出端，在交流输出的负半周将第二电压输出至所述直流输出端，所述直流输出端的电压即为直流输出电压。

2.如权利要求1所述一种逆变器，其特征在于，所述分压电路由两个电容串联构成，串联后的第一端和第二端作为所述调压电路的直流输入端，中点端接地。

3.如权利要求2所述一种逆变器，其特征在于，所述调压桥臂由四个开关同向串联构成，分别为第一开关，第二开关，第三开关和第四开关，所述第一开关的一端为所述调压桥臂的第一端，所述第一开关与第二开关的串联点为所述调压桥臂的第二端，所述第二开关与第三开关的串联点为所述调压桥臂的中间端，所述第三开关和所述第四开关的串联点为所述调压桥臂的第三端，所述第四开关的另一端为所述调压桥臂的第四端，所述调压桥臂的第一端和第四端与所述直流输入端连接，中点端和与所述电容串联电路的中点端连接，第二端和第三端是直流输出端，所述直流输出端上跨接一飞跨电容，所述飞跨电容的两端作为所述调压电路的直流输出端。

4.如权利要求3所述一种逆变器，其特征在于，在所述逆变器初始化阶段，所述调压桥臂的所述开关为弱开通状态，所述逆变器为所述飞跨电容充电。

5.如权利要求4所述一种逆变器，其特征在于，所述调压桥臂的开关的驱动脉冲的第一个脉冲电压缓慢升高，使所述调压桥臂的开关为弱开通状态。

6.如权利要求3所述一种逆变器，其特征在于，还包括一预充电电路，所述预充电电路为所述飞跨电容充电，所述预充电电路仅在为所述飞跨电容充电时工作，更具体的，所述预充电电路为一反激变换器。

7.如权利要求1所述一种逆变器，其特征在于，所述多电平桥臂由两个开关串联组成，串联后的第一端和第二端与所述直流输出端连接，多电平桥臂的中点端作为多电平桥臂的输出端。

8.如权利要求7所述一种逆变器，其特征在于，多个所述多电平桥臂之间交错并联。

9.如权利要求1所述一种逆变器，其特征在于，所述输出处理电路包括一耦合电感，所述耦合电感包括多个绕组，所述绕组的第一端分别与所述电平桥臂的输出端连接，所述绕组的第二端与其他所述绕组的第二端并联后作为交流输出端。

10.如权利要求9所述一种逆变器，其特征在于，所述输出处理电路还包括一滤波电路，所述滤波电路包括一输出电感和一输出电容，所述输出电感和所述输出电容串联，所述输出电感的一端和所述耦合电感的交流输出端连接，所述输出电感的第二端和所述输出电容连接，所述输出电容的两端为逆变器的输出端，所述输出电感被集成在所述耦合电感中。

11.如权利要求7所述一种逆变器，其特征在于，还包括电流抑制电路，并联在所述多电平桥臂中开关的两端，为所述开关提供与开关关断时其中反向恢复电流方向相反的抑制电流，包括，辅助电源、辅助开关、辅助二极管以及钳位二极管，所述辅助电源与辅助开关、辅助二极管以及辅助电感串联，所述钳位二极管并联在辅助电源与辅助开关的串联支路上。

12.如权利要求11所述一种逆变器，其特征在于，在所述开关关断前，所述辅助开关开通，并在所述开关中反向恢复电流到达零之后关断。