CN111262463B - 一种微逆***逆变拓扑结构 - Google Patents

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Abstract

一种微逆***逆变拓扑结构，包括开关桥臂电路和电感电路，所述电感电路包括耦合电感和共模电感，产生耦合电感的电路结构和产生共模电感的电路结构连接，产生耦合电感的电路结构的一组异名端连接开关桥臂电路中点，产生共模电感的电路结构一组引出端与电容滤波器两端连接，并接入电网。本发明针对现有技术中提供了一种耦合电感逆变拓扑结构，提高共模干扰抑制能力，从而减小耦合电感之间的环流。

Description

一种微逆***逆变拓扑结构
技术领域
本发明涉及电力电子领域，具体的涉及微逆***的耦合电感逆变电路拓扑领域。
背景技术
随着分布式发电的发展，微型逆变器***由于在发电效率、安全和可靠性方面的优势，越来越受到市场的重视，但微逆***的成本和工作效率是制约其发展的重要因素。实际中往往采用2路或4路输入代替单路输入方案来降低成本，输出也往往采用双路输出代替单路输出。
传统的逆变电路方案采用全桥双电感电路，存在双极性和单极性两种控制方式，电路结构框图如图1，其中S1、S2、S3、S4构成高频的开关桥臂，L1、L2为两个独立的PFC电感，L1与L2的一端与高频的开关桥臂中点相连，另一端与电容滤波器相连接，然后接入电网。这种滤波电感虽然结构简单，便于控制，但是体积和损耗较大，电感成本较高。
发明内容
本发明针对现有技术中的缺点，提供了一种耦合电感逆变拓扑结构，解决了传统耦合电感在多路并联输出时内部共模环流问题。
为了解决上述技术问题，本发明通过下述技术方案得以解决：
一种微逆***逆变拓扑结构，包括开关桥臂电路和电感电路，所述开关桥臂电路与所述电感电路串联连接，用于进行逆变，所述电感电路包括耦合电感和共模电感，产生耦合电感的电路结构和产生共模电感的电路结构串联连接，产生耦合电感的电路结构的一组异名端连接开关桥臂电路中点，产生共模电感的电路结构一组引出端与电容滤波器两端连接，并接入电网。
可选的，所述电感电路包括新型耦合电感元件，新型耦合电感元件包括第一磁芯、第二磁芯，和分别绕制在磁芯上的原边绕组和副边绕组，线圈绕磁芯1圈为1匝，原边绕组和副边绕组匝数分别为整数匝加0.5匝；
接入电流后，原边绕组和副边绕组上的整数匝线圈产生耦合电感，原边绕组和副边绕组上的0.5匝线圈产生共模电感。
可选的，所述电感电路包括耦合电感元件和与耦合电感元件连接的共模电感元件，所述耦合电感元件的一组异名端分别连接桥臂电路中点，另一组异名端连接共模电感元件的一组同名端，共模电感元件的另一组引出端连接电容滤波器，并接入电网。
可选的，开关桥臂电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂串联，第三桥臂和第四桥臂串联，新型耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点。
可选的，包括并联的两组开关桥臂电路，每组开关桥臂串联包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂电路；
还包括两组新型耦合电感元件，每组新型耦合电感元件分别连接一组开关桥臂电路，新型耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点。
可选的，开关桥臂电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂串联，第三桥臂和第四桥臂串联；
还包括耦合电感元件和共模电感元件，所述耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点，所述共模电感元件的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网。
可选的，包括并联的两组开关桥臂电路，每组开关桥臂串联包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂电路；
还包括两组耦合电感元件和两组共模电感元件，每组耦合电感元件分别连接一组开关桥臂电路，每组耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点，每组共模电感元件的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网。
可选的，耦合电感元件和共模电感元件的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
可选的，新型耦合电感元件的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
可选的，所述开关桥臂电路采用的开关元件包括三极管或MOS管或IGBT管。
本发明的有益效果：
由于常规耦合电感方案共模阻抗很低，导致抗共模干扰能力较弱，本发明技术方案增加共模阻抗，提高了共模干扰抑制能力，从而减小耦合电感之间的环流。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例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简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是传统的双电感拓扑结构图；
图2是实施例1的耦合电感拓扑结构第一种工作模态图；
图3是实施例1的耦合电感拓扑结构第二种工作模态图；
图4是实施例1的耦合电感拓扑结构第三种工作模态图；
图5是实施例1的耦合电感拓扑结构第四种工作模态图；
图6是传统并联输出耦合电感拓扑结构示意图；
图7是实施例2耦合电感拓扑结构图；
图8是实施例3耦合电感拓扑结构图；
图9是新型耦合电感和传统耦合电感绕制方法对比图；
图10是新型耦合电感等效电路图；
图11是2、3脚短接状态新型耦合电感剖面图；
图12是2、4脚短接状态新型耦合电感剖面图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。
实施例1：
一种微逆***逆变拓扑结构，包括开关桥臂电路和电感电路，所述开关桥臂电路与所述电感电路串联连接，用于进行逆变，电感电路包括耦合电感和共模电感，产生耦合电感的电路结构和产生共模电感的电路结构连接，产生耦合电感的电路结构的一组异名端连接开关桥臂电路中点，产生共模电感的电路结构一组引出端与电容滤波器两端连接，并接入电网。
电感电路包括新型耦合电感元件，新型耦合电感元件包括第一磁芯、第二磁芯，和分别绕制在磁芯上的原边绕组和副边绕组，线圈绕磁芯1圈为1匝，原边绕组和副边绕组匝数分别为整数匝加0.5匝；原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1，则原边绕组和副边绕组匝数分别为N+0.5匝。
接入电流i后，原边绕组和副边绕组上的整数匝线圈产生耦合电感，原边绕组和副边绕组上的0.5匝线圈产生共模电感。本方案将传统的双电感拓扑中的两个独立电感磁集成为单个耦合电感，使得电感数量由原来的两个变为一个，该新型耦合电感元件减少了电感数量，同时减小损耗，降低电感成本。
开关桥臂电路通过高频开关组成，包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂和第二桥臂串联，第三桥臂和第四桥臂串联，高频开关分别为S1、S2、S3、S4，通过控制开关时间实现对电感电流的控制；新型耦合电感元件有引出端1、2、3、4，其中一组异名端2、3与电容滤波器相连接，然后接入电网，另一组异名端1、4端分别连接开关桥臂的中点，即第一桥臂和第二桥臂的中点和第三桥臂和第四桥臂的中点。
当电网电压处于正半周时，逆变器电流方向为正，有以下工作模态。
图2-图5：C1为直流母线滤波电容，C2为电网侧滤波电容，L1为耦合的PFC电感(即新型耦合电感)。
工作模态1：如图2所示，高频开关S2、S3导通，电流方向见图中箭头方向。新型耦合电感的原副边绕组串联，图中新型耦合电感元件的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，由于新型耦合电感元件原副边绕组比例为1:1，则3、4两端电压与1、2两端电压相等，同为(Vbus-Vgrid)/2。
工作模态2：如图3所示，高频开关S1、S4导通，电流方向见图中箭头方向。新型耦合电感元件的原副边绕组串联，图中新型耦合电感元件的1、4两端电压为直流母线电压-Vbus，由于耦合电感原副边绕组比例为1:1，则3、4两端电压与1、2两端电压相等，同为(-Vbus-Vgrid)/2。
当电网电压处于负半周时，逆变器电流方向为负。
工作模态3：如图4所示，高频开关S1、S4导通，电流方向见图中箭头方向。新型耦合电感元件的原副边绕组串联，图中新型耦合电感元件的1、4两端电压为直流母线电压-Vbus，由于新型耦合电感元件原副边绕组比例为1:1则，3、4两端电压与1、2两端电压相等，同为(-Vbus-Vgrid)/2。
工作模态4：如图5所示，高频开关S2、S3导通，电流方向见图中箭头方向。新型耦合电感元件的原副边绕组串联，图中新型耦合电感元件的1、4两端电压为直流母线电压Vbus，由于新型耦合电感元件原副边绕组比例为1:1则3、4两端电压与1、2两端电压相等，同为(Vbus-Vgrid)/2。
实施例2：
随着微型逆变器的功率需求越来越大，往往输出的逆变电路采用两路H桥逆变电路并联组成。如图6，高频开关管S1，S2，S3，S4组成的H桥为H1，高频开关S5，S6，S7，S8组成的H桥为H2。Va为高频开关管S1，S2的中点，Vb为高频开关管S3，S4的中点，Vc为高频开关管S5，S7的中点电压，Vd为高频开关管S6，S8的中点电压。两路H桥以180°相位差并联工作。
然而采用传统耦合电感方案并联输出时，当逆变H桥中的高频斜对管开关动作不完全对称时，极易在两耦合电感之间一起共模环流。共模环流产生过程描述如下：
当H1中的S2，S3关断瞬间，由于S2，S3两高频开关管无法完全同步，当S2稍快于S3关断，或者当S3稍快于S2关断时，H1两桥臂中点电压平均值(Va+Vb)/2在开关瞬间不恒为Vbus/2，而此时另一组H桥H2不是处于开关瞬间，其两桥臂中点电压平均值(Vc+Vd)/2为Vbus/2，从而导致上下两桥臂H1，H2之间有共模电压差存在，然而此共模电压作用于两耦合电感L1，L2之间。由于耦合电感L1，L2当差模电感使用，其共模电感量极小，几乎为零，导致在共模电压作用下两耦合电感L1，L2之间产生了共模环流，如下图6箭头所示。同理，当S1与S4，S5与S8，S6与S7关断瞬间也同样会产生环流。
由此引出本实施例：耦合电感串联共模电感，增加H1，H2之间的共模阻抗，达到减小耦合电感之间的环流的作用。
如图7，一种微逆***逆变拓扑结构，包括开关桥臂电路和电感电路，开关桥臂电路包括并联的两组开关桥臂电路，每组开关桥臂串联包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂电路；分别为由高频开关管S1，S2，S3，S4；和高频开关S5，S6，S7，S8组成的H1和H2电路还包括两组耦合电感元件L1,L2和两组共模电感元件L3,L4，耦合电感元件L1的一组异名端分别连接H1的两开关桥臂中点，耦合电感元件L2的一组异名端分别连接H2的两开关桥臂中点，耦合电感元件L3的一组异名端分别连接H2的两开关桥臂中点，耦合电感元件L4的一组异名端分别连接H3的两开关桥臂中点。
共模电感元件L3的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网；共模电感元件L4的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网。
本实施例增加了两个共模电感元件，导致整机体积及整机成本有所增加，故引出实施例3。
实施例3：
与实施例2的区别在于，将耦合电感串联共模电感改为实施例1中的新型耦合电感，其他开关桥臂电路和电容滤波器电路和实施例2相同。如图8所示：新型耦合电感的等效电路L1和L2，分别有四个引出端1、2、3、4，其中一组异名端2、3与电容滤波器相连接，然后接入电网，另一组异名端1、4端分别连接开关桥臂的中点。
实施例4：
如图9是新型耦合电感和传统耦合电感绕制方法对比图，其中左边为传统耦合电感绕制方法示意图，包括磁芯a，原边绕组和副边绕组w1和w2。线圈绕磁芯1圈为1匝，w1和w2两组线圈为整数圈，匝数比为1:1。此为一个传统的耦合电感元件。
图9右边的结构图为一种新型耦合电感元件，包括第一磁芯、第二磁芯，和分别绕制在磁芯上的原边绕组和副边绕组W1和W2(与上面的传统耦合电感绕组通过大小写的标注来区分)，原边绕组和副边绕组匝数分别为整数匝加0.5匝；原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1，则原边绕组和副边绕组匝数分别为N+0.5匝。
接入电流i后，原边绕组和副边绕组上的整数匝线圈产生耦合电感，原边绕组和副边绕组上的0.5匝线圈产生共模电感。则新型耦合电感元件包括N×i电流流入磁芯端、N×i电流流出磁芯端，以及i电流流入磁芯端、i电流流出磁芯端。
图10是新型耦合电感的等效电路，有引脚1、2、3、4(与图9的①②③④一一对应)，有等效电感量L2_1和等效电感L2_2；
等效电感L2_1的计算过程：短接电感的2、3脚，假设电流i从1脚流入，从4脚流出产生的磁链为
Figure GDA0004068167880000061
磁通为/>
Figure GDA0004068167880000062
空气隙磁导率为μ0，磁芯中柱面积为Sgap，空气隙长度为lgap，两绕组各为N+0.5匝，耦合电感剖面如图11，耦合电感的等效电感量为L2_1：
Figure GDA0004068167880000063
Figure GDA0004068167880000064
Figure GDA0004068167880000071
由公式4,5,6可得电感：
Figure GDA0004068167880000072
等效电感L2_2的计算过程：短接电感的2，4脚，假设电流i从1脚流入从3脚流出，产生的磁链为
Figure GDA0004068167880000073
磁通为/>
Figure GDA0004068167880000074
磁芯磁导率为μr，磁芯边柱面积为Sa，磁路长度为la，绕组W1绕组W2各为N+0.5匝，耦合电感剖面如图12，耦合电感的等效电感量为L2_2:
Figure GDA0004068167880000075
Figure GDA0004068167880000076
Figure GDA0004068167880000077
由公式7,8,9可得电感：
Figure GDA0004068167880000078
此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种微逆***逆变拓扑结构，包括开关桥臂电路和电感电路，所述开关桥臂电路与所述电感电路串联连接，用于进行逆变，开关桥臂电路包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂，第一桥臂、第二桥臂串联，第三桥臂和第四桥臂串联，其特征在于，所述电感电路包括耦合电感和共模电感，产生耦合电感的电路结构和产生共模电感的电路结构串联连接，产生耦合电感的电路结构的一组异名端连接分别连接第一桥臂和第二桥臂的中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点，产生共模电感的电路结构一组引出端与电容滤波器两端连接，并接入电网。
2.根据权利要求1所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，所述电感电路包括新型耦合电感元件，新型耦合电感元件包括第一磁芯、第二磁芯，和分别绕制在磁芯上的原边绕组和副边绕组，线圈绕磁芯1圈为1匝，原边绕组和副边绕组匝数分别为整数匝加0.5匝；
接入电流后，原边绕组和副边绕组上的整数匝线圈产生耦合电感，原边绕组和副边绕组上的0.5匝线圈产生共模电感。
3.根据权利要求1所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，所述电感电路包括耦合电感元件和与耦合电感元件连接的共模电感元件，所述耦合电感元件的一组异名端分别连接桥臂电路中点，另一组异名端连接共模电感元件的一组同名端，共模电感元件的另一组引出端连接电容滤波器，并接入电网。
4.根据权利要求2所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，所述新型耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点。
5.根据权利要求2所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，包括并联的两组开关桥臂电路，每组开关桥臂串联包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂电路；
还包括两组新型耦合电感元件，每组新型耦合电感元件分别连接一组开关桥臂电路，新型耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点。
6.根据权利要求3所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，所述耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点，所述共模电感元件的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网。
7.根据权利要求3所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，包括并联的两组开关桥臂电路，每组开关桥臂串联包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂电路；
还包括两组耦合电感元件和两组共模电感元件，每组耦合电感元件分别连接一组开关桥臂电路，每组耦合电感元件的一组异名端分别连接在第一桥臂和第二桥臂中点，以及第三桥臂和第四桥臂中点，每组共模电感元件的一组同名端连接电容滤波器，并接入电网。
8.根据权利要求3或7所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，耦合电感元件和共模电感元件的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
9.根据权利要求2所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，新型耦合电感元件的原边绕组和副边绕组的匝数比为1:1。
10.根据权利要求1所述的微逆***逆变拓扑结构，其特征在于，所述开关桥臂电路采用的开关元件包括三极管或MOS管或IGBT管。
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