CN106849722A - 一种改进型heric单相逆变器 - Google Patents

一种改进型heric单相逆变器 Download PDF

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万江湖
徐菁涛
杨建�
王辉
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Abstract

本发明提供一种改进型HERIC单相逆变器，包括：直流电源、H桥臂、滤波电路和续流回路；H桥臂的两端分别连接至直流电源的正负极，滤波电路的两端分别连接至H桥臂的桥臂中点，续流回路与滤波电路并联；其中，续流回路包括两个反向串联的开关管和至少一个电感，电感与开关管串联。本发明提供的逆变器，通过在逆变器的续流回路上增加至少一个电感，并将电感与开关管串联，使逆变器在调制时无需***额外的死区，以及使开关管在开通或关断时，通过开关管和二极管的电流几乎为零，从而明显降低了逆变器在工作中的开关管的开关损耗和二极管的反向恢复损耗。

Description

一种改进型HERIC单相逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器领域，更具体地，涉及一种改进型HERIC单相逆变器。
背景技术
逆变器是把直流电能转变成交流电能的装置，广泛应用于工业与家电领域，其中较为常见的是HERIC单相逆变器。
目前，逆变器中通常使用的是高频的开关元器件，其开关损耗占了***运行时的绝大部分。图1为HERIC单相逆变器拓扑结构图，该拓扑结构在逆变器的滤波电路上并联有两个反向串联的开关管进行续流，以达到续流阶段交流输出端与直流电源隔离的目的，但是，该逆变器进行调制时，需要***死区时间，以防止直流电源被短路，从而需要额外增加了一个时序程序；同时在调制过程中，开关管在开通或关断时，开关管和二极管都有较大电流通过，造成了逆变器在工作中存在明显的开关管的开关损耗和二极管的反向恢复损耗。
发明内容
为了克服上述问题或者至少部分地解决上述问题，本发明提供一种改进型HERIC单相逆变器。
本发明提供一种改进型HERIC单相逆变器，包括：直流电源、H桥臂、滤波电路和续流回路；H桥臂的两端分别连接至直流电源的正负极，滤波电路的两端分别连接至H桥臂的桥臂中点，续流回路与滤波电路并联；其中，续流回路包括两个反向串联的开关管和至少一个电感，电感与开关管串联。
其中，H桥臂包括：IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3、IGBT管T4和四个二极管；其中，IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3和IGBT管T4分别反向并联一个二极管，IGBT管T1和IGBT管T3的集电极连接至直流电源的正极，IGBT管T2和IGBT管T4的发射极连接至直流电源的负极，IGBT管T1的发射极连接至IGBT管T2的集电极，连接点构成H桥臂的第一桥臂中点，IGBT管T3的发射极连接至IGBT管T4的集电极，连接点构成H桥臂的第二桥臂中点。
其中，滤波电路包括：滤波电感L1和滤波电感L2；其中，滤波电感L1一端连接至交流输出端，另一端连接至H桥臂的第一桥臂中点，滤波电感L2一端连接至交流输出端，另一端连接至H桥臂的第二桥臂中点。
其中，续流回路具体包括：IGBT管T5、IGBT管T6、电感L3、电感L4和两个二极管；其中，IGBT管T5和IGBT管T6分别反向并联一个二极管，IGBT管T5的发射极连接至IGBT管T6的发射极，连接点构成续流回路的中点，IGBT管T5的集电极连接至电感L3的一端，IGBT管T6的集电极连接至电感L4的一端，电感L3和电感L4的另一端分别连接至滤波回路。
其中，该改进型HERIC单相逆变器还包括：均压电阻R1、均压电阻R2、均压电容C1、均压电容C2、IGBT管T7和一个二极管；其中，均压电阻R1与均压电阻R2串联后连接至直流电源的正负极，均压电容C1与均压电容C2串联后连接至直流电源的正负极，均压电阻R1与均压电阻R2的连接点和均压电容C1与均压电容C2的连接点相连接，构成逆变器的中点，IGBT管T7反向并联一个二极管，IGBT管T7的集电极连接至逆变器的中点，发射极连接至续流回路的中点。
本发明提供的一种改进型HERIC单相逆变器，通过在逆变器的续流回路上增加至少一个电感，并将电感与开关管串联，使逆变器在调制时无需***额外的死区，以及使开关管在开通或关断时，通过开关管和二极管的电流几乎为零，从而明显降低了逆变器在工作中的开关管的开关损耗和二极管的反向恢复损耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中HERIC单相逆变器拓扑结构图；
图2为根据本发明实施例的改进型HERIC单相逆变器拓扑结构图；
图3为根据本发明实施例的一个开关周期的IGBT管T1、T4、T5和T6的驱动信号时序图以及流经H桥臂与续流回路的电流变化图；
图4为根据本发明实施例的开关周期的第I个阶段的等效电路图；
图5为根据本发明实施例的开关周期的第II个阶段的等效电路图；
图6为根据本发明实施例的开关周期的第III个阶段的等效电路图；
图7为根据本发明实施例的开关周期的第IV个阶段的等效电路图；
图8为根据本发明又一实施例的改进型HERIC单相逆变器拓扑结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的一个实施例中，参考图2，提供一种改进型HERIC单相逆变器，包括：直流电源、H桥臂、滤波电路和续流回路；H桥臂的两端分别连接至直流电源的正负极，滤波电路的两端分别连接至H桥臂的桥臂中点，续流回路与滤波电路并联；其中，续流回路包括两个反向串联的开关管和至少一个电感，电感与开关管串联。
具体的，H桥臂包括：IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3、IGBT管T4和四个二极管；其中，IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3和IGBT管T4分别反向并联一个二极管，IGBT管T1和IGBT管T3的集电极连接至直流电源的正极，IGBT管T2和IGBT管T4的发射极连接至直流电源的负极，IGBT管T1的发射极连接至IGBT管T2的集电极，连接点构成H桥臂的第一桥臂中点，IGBT管T3的发射极连接至IGBT管T4的集电极，连接点构成H桥臂的第二桥臂中点。
滤波电路包括：滤波电感L1和滤波电感L2；其中，滤波电感L1一端连接至交流输出端，另一端连接至H桥臂的第一桥臂中点，滤波电感L2一端连接至交流输出端，另一端连接至H桥臂的第二桥臂中点。
续流回路具体包括：IGBT管T5、IGBT管T6、两个二极管和至少一个电感；其中，IGBT管T5和IGBT管T6分别反向并联一个二极管，IGBT管T5的发射极连接至IGBT管T6的发射极，电感与IGBT管T5和IGBT管T6串联连接，续流回路与滤波电路并联连接。
优选的，续流回路中选择使用两个电感L3和L4，IGBT管T5的集电极连接至电感L3的一端，IGBT管T6的集电极连接至电感L4的一端，电感L3和电感L4的另一端分别连接至滤波回路，使续流回路能形成上下对称的电路结构，从而IGBT管T5的发射极与IGBT管T6的发射极的连接点构成续流回路的中点。
逆变器中通常通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称为PWM)来控制开关管的开通与关断，达到将直流电转换为交流电的目的。本实施例采用SPWM(SinusoidalPWM)法来控制逆变器中IGBT管T1、T2、T3、T4、T5和T6的开通与关断。由于本实施例中的逆变器采用单极性调制，其正负半周对称工作，同时调制的交流电压频率远小于SPWM的开关频率，可近似的认为滤波电路中的电流恒定不变，因此以下仅以正半周调制时其中一个开关周期的调制流程为例来说明逆变器的工作原理。
在正半周调制时，IGBT管T2和IGBT管T3保持关断状态，SPWM控制IGBT管T1、T4、T5和T6的开通与关断，图3为正半周调制时其中一个开关周期的IGBT管T1、T4、T5和T6的驱动信号时序图以及流经H桥臂与续流回路的电流变化图。
假定在t0时刻，IGBT管T1、T4开通，IGBT管T5、T6关断，为该开关周期的第I个阶段，该阶段的等效电路图如图4所示，流经H桥臂中IGBT管T1、T4的电流is与流经滤波电路中滤波电感L1和滤波电感L2的电流iL相等，流经续流回路IGBT管T5和T6的电流ir为0。
在t1时刻，IGBT管T1、T4从开通变为关断，IGBT管T5、T6从关断变为开通，此时进入该开关周期的第II个阶段，该阶段的等效电路图如图5所示，该电路中，is流经IGBT管T2和T3分别反向并联的二极管，ir流经IGBT管T6和IGBT管T5反向并联的二极管，由于续流回路上存在电感，电流ir会逐渐从0升高到为iL，电流ir上升的斜率由如下公式计算获得：
其中，L为续流回路的总电感值。
同时，由于电流ir与电流is之和为iL，电流is会逐渐从iL降低到0。
普通的HERIC单相逆变器由于续流回路中不存在电感，当IGBT管T1、T4从开通状态切换到关断状态时，续流通道不能立即开通，需要***一个死区，防止H桥臂上的IGBT管和续流回路上的IGBT管同时导通而导致直流电源被短路。所谓的死区就是强制逆变器中所有的IGBT管关断。而改进型HERIC单相逆变器在续流回路中加入电感，使续流回路的电流不能突变，从而直流电源就不存在被续流回路短路的情况，因此，当IGBT管T1、T4关断，同时开通IGBT管T5、T6时，无需***死区。
同时，普通的HERIC单相逆变器***死区时，所有IGBT关断，逆变器电路通过IGBT管T2、T3并联的二极管续流，当续流回路开通时，再强迫关断二极管，此时会有二极管反向恢复损耗。IGBT管开关损耗计算公式如下：
其中，fs是开关频率，Eon是单次开关动作的开通损耗，Eoff是单次开关动作的关断损耗，Uac是实际工作电压，Iac是实际工作电流，Uref是标准工作电压，Iref是标准工作电流。
在开通续流回路时，续流回路中的IGBT管会有较大电流流过，即IGBT管开关损耗计算公式中Iac值较大，因此会有较大的开关损耗；而改进型HERIC单相逆变器在续流回路中加入电感，IGBT管T6开通时，由于电感电流不能突变，理想状态下，流经续流回路的电流ir为0，即IGBT管开关损耗计算公式中Iac＝0，因此IGBT管开关损耗为零。同时，二极管的反向恢复损耗计算公式如下：
其中，Vr是反向电压，Irr是反向恢复电流，trr为反向恢复时间，f为关断频率。
流经IGBT管T2和IGBT管T3反向并联的二极管的电流逐渐降低至0，二极管自然关断，即二极管的反向恢复损耗计算公式中反向恢复电流Irr为0，因此其二极管反向恢复损耗为零。
在t2时刻，电流ir＝iL，电流is＝0，IGBT管T1、T4保持为关断，IGBT管T5、T6保持为开通，此时为该开关周期的第III个阶段，该阶段的等效电路图如图6所示。
在t3时刻，IGBT管T1、T4从关断变为开通，IGBT管T5、T6保持为开通，此时进入该开关周期的第IV个阶段，该阶段的等效电路图如图7所示，电流is会逐渐从0上升到iL，电流ir会逐渐从iL降低到为0，与第II阶段中的道理相同，开通IGBT管T1、T4时，由于电流is为0，因此没有电流流过IGBT管T1、T4，其开关损耗为0。
在t4时刻，电流ir＝0，电流is＝iL，IGBT管T1、T4保持为开通，IGBT管T5、T6从开通变为关断，由于电流ir为0，续流回路没有电流流过，因此IGBT管T6开关损耗为0，IGBT管T5反向并联的二极管反向恢复损耗为0，然后逆变器进入下一个开关周期。
本实施例通过在逆变器的续流回路上增加至少一个电感，并将电感与开关管串联，使逆变器在调制时无需***额外的死区，以及使开关管在开通或关断时，通过开关管和二极管的电流几乎为零，从而明显降低了逆变器在工作中的开关管的开关损耗和二极管的反向恢复损耗。
在以上实施例的基础上，见图8，该改进型HERIC单相逆变器还包括：均压电阻R1、均压电阻R2、均压电容C1、均压电容C2、IGBT管T7和一个二极管；其中，均压电阻R1与均压电阻R2串联后连接至直流电源的正负极，均压电容C1与均压电容C2串联后连接至直流电源的正负极，均压电阻R1与均压电阻R2的连接点和均压电容C1与均压电容C2的连接点相连接，构成逆变器的中点，IGBT管T7反向并联一个二极管，IGBT管T7的集电极连接至逆变器的中点，发射极连接至续流回路的中点。
本实施例通过在续流回路的中点与逆变器的中点连接一开关管，将共模电压钳位到直流母线电压的一半，使得逆变器在整个调制过程中共模电压保持不变，从而抑制了漏电流。
最后说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种改进型HERIC单相逆变器，其特征在于，包括：直流电源、H桥臂、滤波电路和续流回路；所述H桥臂的两端分别连接至所述直流电源的正负极，所述滤波电路的两端分别连接至所述H桥臂的桥臂中点，所述续流回路与所述滤波电路并联；
其中，所述续流回路包括两个反向串联的开关管和至少一个电感，所述的电感与所述的开关管串联。
2.根据权利要求1所述的改进型HERIC单相逆变器，其特征在于，所述的H桥臂包括：IGBT管T1、IGBT管T2、IGBT管T3、IGBT管T4和四个二极管；
其中，所述IGBT管T1、所述IGBT管T2、所述IGBT管T3和所述IGBT管T4分别反向并联一个二极管，所述IGBT管T1和所述IGBT管T3的集电极连接至所述直流电源的正极，所述IGBT管T2和所述IGBT管T4的发射极连接至所述直流电源的负极，所述IGBT管T1的发射极连接至所述IGBT管T2的集电极，连接点构成所述H桥臂的第一桥臂中点，所述IGBT管T3的发射极连接至所述IGBT管T4的集电极，连接点构成所述H桥臂的第二桥臂中点。
3.根据权利要求2所述的改进型HERIC单相逆变器，其特征在于，所述的滤波电路包括：滤波电感L1和滤波电感L2；
其中，所述滤波电感L1一端连接至交流输出端，另一端连接至所述H桥臂的第一桥臂中点，所述滤波电感L2一端连接至所述交流输出端，另一端连接至所述H桥臂的第二桥臂中点。
4.根据权利要求1所述的改进型HERIC单相逆变器，其特征在于，所述的续流回路具体包括：IGBT管T5、IGBT管T6、电感L3、电感L4和两个二极管；
其中，所述IGBT管T5和所述IGBT管T6分别反向并联一个二极管，所述IGBT管T5的发射极连接至所述IGBT管T6的发射极，连接点构成所述续流回路的中点，所述IGBT管T5的集电极连接至所述电感L3的一端，所述IGBT管T6的集电极连接至所述电感L4的一端，所述电感L3和所述电感L4的另一端分别连接至所述的滤波回路。
5.根据权利要求4所述的改进型HERIC单相逆变器，其特征在于，所述的改进型HERIC单相逆变器还包括：均压电阻R1、均压电阻R2、均压电容C1、均压电容C2、IGBT管T7和一个二极管；
其中，所述均压电阻R1与所述均压电阻R2串联后连接至所述直流电源的正负极，所述均压电容C1与所述均压电容C2串联后连接至所述直流电源的正负极，所述均压电阻R1与所述均压电阻R2的连接点和所述均压电容C1与所述均压电容C2的连接点相连接，构成所述逆变器的中点，所述IGBT管T7反向并联一个二极管，所述IGBT管T7的集电极连接至所述逆变器的中点，发射极连接至所述续流回路的中点。
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