CN207743895U - 一种两级式单相逆变器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种两级式单相逆变器，包括直流输入电源、可在SPWM高频开关状态与旁路工作状态之间切换的直流‑直流升压电路、可在工频换相状态与SPWM高频开关状态之间切换的单相多电平逆变电路和控制电路，直流‑直流升压电路的输入端接直流输入电源，输出端接单相多电平逆变电路的输入端。本实用新型的两级式单相逆变器前级直流升压和后级逆变电路复合构成正弦波输出，两级式架构的前后级工作于部分功率模式，并可使用较小直流母线电容、且开关功耗减小，同时多电平逆变电路漏电流较小、开关功耗进一步降低，因此这种逆变器成本低、转换效率高、安全性好，适用于各种并网型、离网型及储能型逆变电源中。
Description
技术领域
本实用新型涉及逆变技术，尤其涉及一种两级式单相逆变器。
背景技术
逆变器是电力电子领域的关键技术之一，传统单相逆变器如图1所示，包括功率开关管S1、S2、S3及S4，直流输入侧接有滤波电容Cin，根据功率开关器件的开关动作，输出一连串的交流方波电压，最大方波幅值限制为直流输入电压。该逆变器以对角线S1和S4、对角线S2和S3构成两组联动功率开关，两组功率开关交替开通，其结果是在交流侧输出正和负交递的方波电压，再经过L1、L2与Cout组成的交流滤波电路后输出正弦波电压。功率器件的具体开关顺序选择，根据控制目的的不同存在多种控制方式，如方波逆变控制、正弦波脉冲宽度调制(SPWM)等。逆变器的技术成熟可靠，广泛应用于新能源并网发电、不间断电源(UPS)、逆变电源、及电机驱动等场合。
在直流输入电压较低情况下，可在逆变器的直流侧增加DC/DC升压变换器构成两级式逆变架构，如图2所示。DC/DC升压变换器一般使用Boost变换器以提升直流输入电压，因此两级式单相逆变器的直流输入电压范围更宽，更加方便实际应用，尤其适宜于直流输入电压低的应用场合。新能源光伏并网发电中，光伏阵列的直流电压经常受到板面灰尘脏污及气候环境的影响而降低。同时，具有蓄电池直流输入的电力电子逆变设备，如UPS电源、新能源汽车电机驱动器等，直流输入电压也会经常变化。因此，光伏逆变器、UPS、电驱等大部分都采用两级式架构。
两级式单相逆变架构中，Boost变换器一般将直流输入电压升高到大于交流输出电压的峰值以上，因此前级Boost变换器和后级逆变器都工作于全功率状态。即在3kW的交流输出功率条件下，后级逆变器的输出定额为3kW，同时考虑到效率因素，前级Boost变换器的输出功率将会在3kW以上。这种工况下，所有功率开关器件都工作于全功率定额，因为功率器件价格昂贵、数量较多及结构复杂，同时控制策略实施难度大，提高了电路和器件成本、降低了***可靠性、增大了开关功耗。
发明内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种价格低、开关功耗小的两级式单相逆变器。
为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是，一种两级式单相逆变器，包括直流输入电源、可在SPWM高频开关状态与旁路工作状态之间切换的直流-直流升压电路、可在工频换相状态与SPWM高频开关状态之间切换的单相多电平逆变电路和控制电路，直流-直流升压电路的输入端接直流输入电源，输出端接单相多电平逆变电路的输入端。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，控制电路包括控制器、输入电压采样电路、输出电压采样电路、第一驱动电路和第二驱动电路，输入电压采样电路的采样信号输出端、输出电压采样电路的采样信号输出端、第一驱动电路的控制端和第二驱动电路的控制端分别接微控制器；第一驱动电路的驱动信号输出端接直流-直流升压电路，第二驱动电路的驱动信号输出端接单相多电平逆变电路。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，控制电路包括输入电流采样电路和输出电流采样电路，输入电流采样电路的采样信号输出端和输出电流采样电路的采样信号输出端分别接微控制器。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，直流-直流升压电路包括Boost 变换电路，Boost变换电路包括第三电感、第七开关管，二极管和直流母线电容，第三电感的第一端接直流输入电源的正极，第二端接第七开关管的高电位端和二极管的阳极；二极管的阴极接直流母线电容的正极，直流母线电容的负极和第七开关管的低电位端接直流输入电源的负极，第七开关管的控制端接第一驱动电路的驱动信号输出端。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，单相多电平逆变电路包括H6 多电平逆变电路和交流输出滤波电路，H6多电平逆变电路6个开关管，开关管包括体二极管；第一开关管的高电位端和第三开关管的高电位端接Boost变换电路输出端的正极；第二开关管的低电位端和第四开关管的低电位端接Boost 变换电路输出端的负极；第一开关管的低电位端接第六开关管的高电位端，第六开关管的低电位端接第二开关管的高电位端；第三开关管的低电位端接第四开关管的高电位端；第五开关管的高电位端接第三开关管的低电位端，第五开关管的低电位端接第二开关管的高电位端；交流输出滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电容，第一电感接在第一开关管的低电位端与多单相多电平逆变电路的第一交流输出端之间，第二电感接在第三开关管的低电位端与单相多电平逆变电路第二交流输出端之间；第三电容接在多单相多电平逆变电路的两个交流输出端之间，H6多电平逆变电路6个开关管的控制端分别接第二驱动电路对应的驱动信号输出端。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，单相多电平逆变电路包括 HERIC多电平逆变电路和交流输出滤波电路，HERIC多电平逆变电路包括6个开关管，开关管包括体二极管；第一开关管的高电位端和第三开关管的高电位端接Boost变换电路输出端的正极；第二开关管的低电位端和第四开关管的低电位端接Boost变换电路输出端的负极；第一开关管的低电位端接第二开关管的高电位端，第三开关管的低电位端接第四开关管的高电位端；第五开关管的高电位端接第一开关管的低电位端，第五开关管的低电位端接第六开关管的低电位端，第六开关管的高电位端接第四开关管的高电位端；交流输出滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电容，第一电感接在第一开关管的低电位端与多单相多电平逆变电路的第一交流输出端之间，第二电感接在第三开关管的低电位端与单相多电平逆变电路第二交流输出端之间；第三电容接在多单相多电平逆变电路的两个交流输出端之间，HERIC多电平逆变电路6个开关管的控制端分别接第二驱动电路对应的驱动信号输出端。
以上所述的两级式单相逆变器，其特征在于，直流-直流升压电路包括n个并联交错的Boost变换电路。
本实用新型的两级式单相逆变器前级直流升压和后级逆变电路复合构成正弦波输出，两级式架构的前后级工作于部分功率模式，并可使用较小直流母线电容、且开关功耗减小，同时多电平逆变电路漏电流较小、开关功耗进一步降低，因此这种逆变器成本低、转换效率高、安全性好，适用于各种并网型、离网型及储能型逆变电源中。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。
图1是现有技术单级式单相逆变器的原理图。
图2是现有技术两级式单相逆变器的原理图。
图3是本实用新型实施例两级式分时复用单相多电平逆变器的电路原理图。
图4是本实用新型实施例两级式分时复用单相多电平逆变器分时复用的工作原理图。
图5是本实用新型实施例1两级式分时复用单相多电平逆变器的电路图。
图6是本实用新型实施例1两级式分时复用单相多电平逆变器Boost模式下交流输出正弦波电压正半周的原理图。
图7是本实用新型实施例1两级式分时复用单相多电平逆变器Boost模式下交流输出正弦波电压负半周的原理图。
图8本实用新型实施例1两级式分时复用单相多电平逆变器Buck模式下的原理图。
图9是本实用新型实施例2两级式分时复用单相多电平逆变器的原理图.
图10是本实用新型实施例3交错并联两级式分时复用单相多电平逆变器的原理图。
具体实施方式
本实用新型实施例1两级式分时复用单相多电平逆变器的电路原理如图3 至图8所示，在图3所示的两级式分时复用单相多电平逆变器及其控制策略示意图中，逆变器由前级直流-直流升压电路结合后级单相多电平逆变电路构成。
直流输入电源Vin经过直流滤波电容C1滤波后，以稳定的直流输入提供给直流-直流升压电路在直流母线电容C2上得到高电压，再通过单相多电平逆变电路后得到高频方波，最后由输出滤波电感L1、L2与电容C3交流高频滤波后得到正弦波输出。
这个逆变器的控制电路包括控制器，控制器包含分时复用逻辑运算与处理单元，分时复用逻辑运算与处理单元采用微控制器(MCU)，其内部具体功能由嵌入式软件实现，驱动电路既可以是控制器的一部分，也可以设置独立器件。输入信号为输入电压采样信号OP1、输出电压采样信号OP2、及输入与输出电流采样，再经过内部逻辑运算与处理后产生控制信号，并经由各自驱动电路后产生直流升压和逆变电路功率开关器件的驱动信号，从而得到稳定的正弦波输出。通过交流输出正弦波瞬时值Vacpk实时变化，控制器自动切换直流升压、逆变电路的工作状态，从而实现逆变器的分时复用功能，输出正弦波瞬时值也即交流电压峰值。
如图4所示，两级式分时复用的工作原理分为Boost模式和Buck模式，所谓Boost模式即直流-直流升压电路工作于高频正弦波脉宽调制(SPWM)状态、而多电平逆变电路工作于工频换相状态；Buck模式即单相多电平逆变电路工作于SPWM状态、而直流-直流升压电路工作于旁路工作状态，工作模式的切换由直流输入电压和交流输出电压瞬时值决定。直流输入电压Vin小于交流输出电压瞬时值Vacpk时，直流-直流升压电路工作于SPWM，因此可得到图示的C2两端电压波形，而单相多电平逆变电路工作于工频换相状态，只是简单地把C2两端电压传输至交流输出侧；否则直流-直流升压电路工作于旁路模式，也即直通方式，而单相多电平逆变电路工作于SPWM。前级直流升压和后级逆变电路复合构成如图4所示的交流输出正弦波电压，两级式架构的前后级工作于部分功率模式，功率器件无须全功率工作，并可使用较小直流母线电容、且开关功耗减小，同时多电平逆变电路漏电流较小、开关功耗进一步降低。
另外，这种逆变器用于新能源光伏与风力发电并网型应用时，可通过采样电路处理电网电压的相位、频率得到电流参考信号的相位、频率信息，并由另外增加的最大功率点跟踪(MPPT)控制策略得到电流参考信号的幅度信息，从而可精准控制并网电流的相位、频率、及幅度，同时增加电压前馈、重复控制等算法，可进一步改进控制性能。从而控制器实现逆变器的分时复用功能，同时也实现交、直流侧的电量检测、通讯、保护等。
两级式分时复用单相多电平逆变器的实施例1如图5所示，直流-直流升压电路、单相多电平逆变电路分别由Boost变换器、H6多电平逆变电路构成。电感L3、功率开关管S7、功率二极管D8及直流母线电容C2构成Boost变换器，其中D7为S7的体二极管；功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成逆变桥臂，其中D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6的体二极管，电感L1、L2及电容C3构成交流输出滤波器，逆变桥臂与交流输出滤波器共同构成单相多电平逆变电路，另外RL为输出负载，而AC为并网逆变时的交流电网。
直流输入电压Vin小于交流输出电压瞬时值Vacpk时，逆变器工作于Boost 模式，即Boost变换器工作于SPWM高频开关状态、H6多电平逆变电路工作于工频换相状态。图6所示为一种工频换相方式，这种情况对应交流输出正弦波电压正半周。此时，由L3、S7、D8及直流母线电容C2构成的Boost变换器工作于SPWM高频开关状态，从而在直流母线电容C2上得到正弦调制波形。同时S1 与S4为一直导通状态，Vin和L3的能量通过S1、S4并且经过L1、L2、及C3 给输出负载RL提供能量，并在并网逆变时将能量提供给交流电网AC。
图7所示为另一种工频换相方式，这种情况对应交流输出正弦波电压负半周。此时，由L3、S7、D8及直流母线电容C2构成的Boost变换器仍然工作于 SPWM高频开关状态，从而在直流母线电容C2上得到正弦调制波形。同时S2、 S3与S6为一直导通状态，Vin和L3的能量通过S2、S3、S6并且经过L1、L2、及C3给输出负载RL提供能量，并在并网逆变时将能量提供给交流电网AC。
由于两组逆变桥臂功率开关管分别工作于正弦波正、负半周，同时交流输出AC为低频率的工频周期，因而称之为工频换相。需要注意的是，逆变器工作于Boost模式下，逆变桥臂的功率开关管S5并不开关工作。
如图8所示，直流输入电压Vin大于交流输出电压瞬时值Vacpk时，逆变器工作于Buck模式，即Boost变换器工作于旁路模式，而H6多电平逆变电路工作于SPWM高频开关状态。直流输入电源Vin经过Boost变换器中的L3、D8 给直流母线电容C2充电，从而在C2上得到与Vin相同的直流电压。由于这种模式下，D8一直导通，因此称之为旁路模式，或直通模式。此时，逆变桥臂工作于SPWM高频开关状态，并且两组逆变开关管分别工作于交流输出正弦波的正、负半周。正弦波正半周下，S1、S4为SPWM高频开关状态，S5、D6工作于续流状态，直流输入电源Vin的能量通过S1、S4并且经过L1、L2、及C3给输出负载RL提供能量，并在并网逆变时将能量提供给交流电网AC。正弦波负半周下， S2、S3与S6为SPWM高频开关状态，D5、S6工作于续流状态，直流输入电源Vin 的能量通过S2、S3、S6并且经过L1、L2、及C3给输出负载RL提供能量，并在并网逆变时将能量提供给交流电网AC。需要注意的是，逆变器工作于Buck模式下，Boost变换器的功率开关管S7并不开关工作。
如图9所示实施例二的另一种两级式分时复用单相多电平逆变器中，直流- 直流升压电路、单相多电平逆变电路分别由Boost变换器、HERIC多电平逆变器构成。电感L3、功率开关管S7、功率二极管D8及直流母线电容C2构成Boost 变换器，其中D7为S7的体二极管；功率开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6构成逆变桥臂，其中D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7分别为S1、S2、S3、S4、S5、S6 的体二极管，而S5、S6、D5、D6构成续流支路，电感L1、L2及电容C3构成交流输出滤波器，逆变桥臂与交流输出滤波器共同构成单相多电平逆变电路，另外RL为输出负载，而AC为并网逆变时的交流电网。这个逆变器的工作原理与图 5至图8所示的实施例1相似，这里不再重复说明。
如图10所示实施例三的交错并联两级式分时复用单相多电平逆变器示意图中，同样地，逆变器由前级Boost变换器结合后级HERIC多电平逆变器构成。与图9比较，由一个Boost变换器而改用n个相同结构的Boost变换器构成，每个Boost变换器之间为交错并联控制，控制信号之间错开的相位为360°/n。交错并联结构可减小输入、输出电流纹波，因而可减小输入、输出电容的大小和容量。另外，交错并联结构用于新能源光伏与风力发电并网型应用时，可由这n个Boost变换器方便实现多路MPPT功能。这个逆变器的基本工作原理与图5至图8所示的实施例1相似，这里不再重复说明。
这里需要说明的是，前级直流-直流升压电路除了使用上述Boost变换器以外，也可使用其他类型的隔离与非隔离DC/DC变换器；同时后级单相多电平逆变电路除了使用上述H6、HERIC逆变器以外，也可使用其他类型的单相多电平逆变器。由前述可知，直流输入电压小于交流输出电压峰值时，直流-直流升压电路工作于SPWM高频开关状态，而单相多电平逆变电路工作于工频换相状态；否则直流-直流升压电路工作于旁路模式，而单相多电平逆变电路工作于SPWM 高频开关。交流输出正弦波瞬时值实时变化，控制器可自动切换直流升压、逆变电路的工作状态，从而实现逆变器的分时复用功能。前级直流升压和后级逆变电路复合构成正弦波输出，两级式架构的前后级工作于部分功率模式，并可使用较小直流母线电容、且开关功耗减小，同时多电平逆变电路漏电流小、开关功耗进一步降低，因此这种逆变器成本低、转换效率高、安全性好，可以应用于变频电源、不间断电源(UPS)、电机驱动、及新能源光伏发电和风力发电等场合。
本实用新型以上实施例的优点和效果：
1、前级直流升压和后级逆变电路复合构成正弦波输出，两级式架构的前后级工作于部分功率模式，功率器件无须工作于全功率状态；
2、同等输出功率情况下，功率器件成本更低；
3、同等输出功率情况下，开关功耗更低、转换效率更高；
4、同等输出功率情况下，漏电流较小、安全性更好；
5、同等输出功率情况下，直流母线电容较小、逆变器寿命更长；
6、交错并联结构中多个直流升压电路可降低电流纹波，并且方便实现并网发电应用的多路MPPT功能。
Claims (6)
1.一种两级式单相逆变器，其特征在于，包括直流输入电源、可在SPWM高频开关状态与旁路工作状态之间切换的直流-直流升压电路、可在工频换相状态与SPWM高频开关状态之间切换的单相多电平逆变电路和控制电路，直流-直流升压电路的输入端接直流输入电源，输出端接单相多电平逆变电路的输入端；控制电路包括控制器、输入电压采样电路、输出电压采样电路、第一驱动电路和第二驱动电路，输入电压采样电路的采样信号输出端、输出电压采样电路的采样信号输出端、第一驱动电路的控制端和第二驱动电路的控制端分别接微控制器；第一驱动电路的驱动信号输出端接直流-直流升压电路，第二驱动电路的驱动信号输出端接单相多电平逆变电路。
2.根据权利要求1所述的两级式单相逆变器，其特征在于，控制电路包括输入电流采样电路和输出电流采样电路，输入电流采样电路的采样信号输出端和输出电流采样电路的采样信号输出端分别接微控制器。
3.根据权利要求1所述的两级式单相逆变器，其特征在于，直流-直流升压电路包括Boost变换电路，Boost变换电路包括第三电感、第七开关管，二极管和直流母线电容，第三电感的第一端接直流输入电源的正极，第二端接第七开关管的高电位端和二极管的阳极；二极管的阴极接直流母线电容的正极，直流母线电容的负极和第七开关管的低电位端接直流输入电源的负极，第七开关管的控制端接第一驱动电路的驱动信号输出端。
4.根据权利要求3所述的两级式单相逆变器，其特征在于，单相多电平逆变电路包括H6多电平逆变电路和交流输出滤波电路，H6多电平逆变电路6个开关管，开关管包括体二极管；第一开关管的高电位端和第三开关管的高电位端接Boost变换电路输出端的正极；第二开关管的低电位端和第四开关管的低电位端接Boost变换电路输出端的负极；第一开关管的低电位端接第六开关管的高电位端，第六开关管的低电位端接第二开关管的高电位端；第三开关管的低电位端接第四开关管的高电位端；第五开关管的高电位端接第三开关管的低电位端，第五开关管的低电位端接第二开关管的高电位端；交流输出滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电容，第一电感接在第一开关管的低电位端与多单相多电平逆变电路的第一交流输出端之间，第二电感接在第三开关管的低电位端与单相多电平逆变电路第二交流输出端之间；第三电容接在多单相多电平逆变电路的两个交流输出端之间，H6多电平逆变电路6个开关管的控制端分别接第二驱动电路对应的驱动信号输出端。
5.根据权利要求3所述的两级式单相逆变器，其特征在于，单相多电平逆变电路包括HERIC多电平逆变电路和交流输出滤波电路，HERIC多电平逆变电路包括6个开关管，开关管包括体二极管；第一开关管的高电位端和第三开关管的高电位端接Boost变换电路输出端的正极；第二开关管的低电位端和第四开关管的低电位端接Boost变换电路输出端的负极；第一开关管的低电位端接第二开关管的高电位端，第三开关管的低电位端接第四开关管的高电位端；第五开关管的高电位端接第一开关管的低电位端，第五开关管的低电位端接第六开关管的低电位端，第六开关管的高电位端接第四开关管的高电位端；交流输出滤波电路包括第一电感、第二电感和第三电容，第一电感接在第一开关管的低电位端与多单相多电平逆变电路的第一交流输出端之间，第二电感接在第三开关管的低电位端与单相多电平逆变电路第二交流输出端之间；第三电容接在多单相多电平逆变电路的两个交流输出端之间，HERIC多电平逆变电路6个开关管的控制端分别接第二驱动电路对应的驱动信号输出端。
6.根据权利要求3所述的两级式单相逆变器，其特征在于，直流-直流升压电路包括n个并联交错的Boost变换电路。
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20180817 Termination date: 20191108 |