CN208797848U - 单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路 - Google Patents

单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，包括输入电源Uin、直流升压电感L1、均压电容C1、均压电容C2、防反二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、滤波电感L2、滤波电容Co和负载电阻Ro，开关管S2、开关管S3、滤波电感L2的一端共同连接至节点a，开关管S2的另一端分别连接有防反二极管D1、钳位二极管D2、开关管S1的一端，防反二极管D1的另一端连接有直流升压电感L1的一端，直流升压电感L1的另一端连接有输入电源Uin的一端，输入电源Uin的另一端分别连接有开关管S3的另一端、开关管S4的一端以及钳位二极管D3的一端。

Description

单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路
技术领域
本实用新型涉及电力电子变换器技术领域的逆变器，尤其涉及一种单相三电平半桥升压逆变器的拓扑电路。
背景技术
相比于全桥并网逆变器，半桥并网逆变器可以解决由无隔离变压器带来的进网漏电流和输出直流分量问题。然而，其电压利用率较低，导致功率管承受较高的电压应力。采用三电平技术，可以使半桥逆变器的功率管电压应力降低一半，等效开关频率提升一倍，具有输出谐波含量少，滤波元件体积小等优点。因此，三电平半桥逆变器在分布式光伏并网发电场合中得到了广泛的应用。
然而，传统的单相三电平半桥逆变器仍未解决电压利用率低的问题。为了得到220V/50Hz的标准正弦波，其直流侧电压至少要达到800V。在光伏并网发电***中，为了确保所有温度和光照条件下均得到如此高的直流电压，往往增加光伏电池组件串联数量，这经常导致直流汇流箱因过压放电而起火。另一种解决思路是在逆变器前级增加升压光伏接口变换器，然而两级式结构降低了***变换效率。
实用新型内容
实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，通过增加升压电感和防反二极管，使得三电平半桥逆变器具有了升压能力，从而降低了光伏母线和功率管的电压应力，提高了可靠性；同时，该拓扑还保留了三电平结构所具有的等效开关频率增加一倍，输出谐波含量少，滤波元件体积小等优点，具有一定的实用性。
技术方案：本实用新型所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，包括输入电源Uin、直流升压电感L1、均压电容C1、均压电容C2、防反二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、滤波电感L2、滤波电容Co和负载电阻Ro，所述开关管S2、开关管S3、滤波电感L2的一端共同连接至节点a，所述开关管S2的另一端分别连接有防反二极管D1、钳位二极管D2、开关管S1的一端，所述防反二极管D1的另一端连接有直流升压电感L1的一端，所述直流升压电感L1的另一端连接有输入电源Uin的一端，所述输入电源Uin的另一端分别连接有开关管S3的另一端、开关管S4的一端以及钳位二极管D3的一端，所述开关管S4的另一端连接有均压电容C2的一端，所述均压电容C2的另一端分别连接有均压电容C1的一端、钳位二极管D2的另一端、钳位二极管D3的另一端以及滤波电容Co和负载电阻Ro的一端，所述均压电容C1的另一端连接有开关管S1的另一端，所述滤波电感L2的另一端分别连接有滤波电容Co和负载电阻Ro的另一端。
进一步的，所述防反二极管D1的一端为阴极，所述防反二极管D1的另一端为阳极。
进一步的，所述钳位二极管D2的一端为阴极，所述钳位二极管D2的另一端为阳极。
进一步的，所述钳位二极管D3的一端为阳极，所述钳位二极管D3的另一端为阴极。
进一步的，所述输入电源Uin的一端为正极，所述输入电源Uin的另一端为负极。
进一步的，所述均压电容C1的一端为负极，所述均压电容C1的另一端为正极；所述均压电容C2的一端为负极，所述均压电容C2的另一端为正极。
有益效果：本实用新型的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，通过增加升压电感和防反二极管，使得三电平半桥逆变器具有了升压能力，从而降低了光伏母线和功率管的电压应力，提高了可靠性；同时，该拓扑还保留了三电平结构所具有的等效开关频率增加一倍，输出谐波含量少，滤波元件体积小等优点，具有一定的实用性。
附图说明
图1为本实用新型的拓扑结构示意图；
图2为实用新型所采用的SPWM驱动信号产生电路；
图3为本实用新型所采用的SPWM调制的载波、调制波和驱动波形图；
图4为本实用新型在S1、S2开通，S3、S4关断模态下的等效电路图；
图5为本实用新型在S1、S4关断，S2、S3开通模态下的等效电路图；
图6为本实用新型在S1、S2关断，S3、S4开通模态下的等效电路图；
图7为本实用新型在S1、S2开通，S3、S4关断模态下的等效电路图；
图8为本实用新型在S1、S2关断，S3、S4开通模态下的等效电路图；
图9为本实用新型在一个开关周期内的iL1连续主要波形图；
图10为本实用新型在一个开关周期内的iL1断续主要波形图；
图11为本实用新型的仿真波形图；
图12为本实用新型的输出电压仿真波形的频谱图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。
如图1所示的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，包括输入电源Uin、直流升压电感L1、均压电容C1、均压电容C2、防反二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、滤波电感L2、滤波电容Co和负载电阻Ro，所述开关管S2、开关管S3、滤波电感L2的一端共同连接至节点a，所述开关管S2的另一端分别连接有防反二极管D1的阴极、钳位二极管D2的阴极、开关管S1的一端，所述防反二极管D1的阳极连接有直流升压电感L1的一端，所述直流升压电感L1的另一端连接有输入电源Uin的正极，所述输入电源Uin的负极分别连接有开关管S3的另一端、开关管S4的一端以及钳位二极管D3的阳极，所述开关管S4的另一端连接有均压电容C2的负极，所述均压电容C2的正极分别连接有均压电容C1的负极、钳位二极管D2的阳极、钳位二极管D3的阴极以及滤波电容Co和负载电阻Ro的一端，所述均压电容C1的正极连接有开关管S1的另一端，所述滤波电感L2的另一端分别连接有滤波电容Co和负载电阻Ro的另一端。
该逆变器的SPWM驱动波形产生电路如图2所示。比较器1的同相输入端和反相输入端分别接正弦调制波ur和三角载波uc1。比较器1的输出信号作为开关管S1的驱动信号，再对其取反，作为开关管S3的驱动信号。比较器2的同相输入端和反相输入端分别接正弦调制波ur和三角载波uc2，其中uc2与uc1反相。比较器2的输出作为开关管S4的驱动信号，再对其取反，作为开关管S2的驱动信号。上述SPWM调制电路的相关波形如图3所示。
下面详细分析该单相半桥三电平升压逆变器的工作原理和运行特性。为了简化分析过程，先作如下基本假设：①所有功率管和滤波元件均为理想器件；②均压电容C1、C2足够大且完全相同，其纹波忽略不计，故有Uc1＝Uc2；③O点的电位为0。基于上述假设，稳态时该逆变器在正弦调制波的正、负半周具有不同的工作模态，故下面分别予以分析。
一、正弦调制波的正半周
当升压电感L1的电流断续时，该逆变器在每个开关周期内有以下3个模态：
(1)模态1：[t0-ta](ta为iL1下降为0的时刻点)(等效电路如图4所示)
t0时刻之前，开关管S2、S3开通，开关管S1、S4关断，电感电流iL1线性上升。在t0时刻，开关管S1、S2开通，S3、S4关断。电感承受反向压降Udc-Uin，电感电流线性下降。到ta时刻，模态1结束。t0-ta段内，a点电位Ua＝UC1。
(2)模态2：[ta-t1](ta为iL1下降为0的时刻点)(等效电路如图7所示)
ta时刻，电感电流iL1下降为0，二极管D1截止，模态1结束，模态2开始。此时，均压电容C1通过开关管S1、S2为负载侧供电。
(3)模态3：[t1-t2](等效电路如图5所示)
t1时刻，开通S2、S3，关断S1、S4，模态2开始。此时，升压电感L1承受正向电压Uin，电感电流iL1线性上升。到t2时刻，模态2结束。t1-t2段内，a点电位Ua＝0。
当升压电感L1的电流连续时，该逆变器在每个开关周期内有以下2个模态。每个模态的等效电路如图4所示，主要波形如图5所示。
(1)模态1：[t0-t1](等效电路如图4所示)
t0时刻之前，开关管S2、S3导通，开关管S1、S4关断，电感电流iL1线性上升。在t0时刻，开通S1、S2，关断S3、S4，模态1开始。此时，电感承受反向压降Udc-Uin，电感电流线性下降。到t1时刻，模态1结束。t0-t1时间段内，a点电位Ua＝UC1。
(2)模态2：[t1-t2](等效电路如图5所示)
t1时刻，S2、S3开通，开关管S1、S4关断，模态1结束，模态2开始。该模态工作过程与升压电感电流断续时的模态3相同，此处不再赘述。在调制波正半周期，且电感电流连续时，逆变器工作状态在模态1和模态2之间不断切换。
二、正弦调制波的负半周
当升压电感L1的电流断续时，该逆变器在每个开关周期内有以下3个模态：
(1)模态1：[t3-tb](tb为iL1下降为0的时刻点)(等效电路如图7所示)
t3时刻之前，S2、S3导通，S1、S4关断，电感电流iL1线性上升。在t3时刻，关断S2，开通S4，模态1开始。此时，电感承受反向压降Udc-Uin，电感电流线性下降。到tb时刻，模态1结束。t3-tb段内，a点电位Ua＝-UC2。
(2)模态2：[tb-t4](t4为iL1下降为0的时刻点)(等效电路如图8所示)
tb时刻，电感电流iL1下降为0，二极管D1截止，模态1结束，模态2开始。此时，均压电容C2通过开关管S3、S4为负载侧供电。
(3)模态3：[t4-t5](等效电路如图5所示)
t4时刻，S2、S3开通，S1、S4关断，模态3开始。此时，升压电感L1承受正向电压Uin，电感电流iL1线性上升。到t5时刻，模态3结束。t1-t2段内，a点电位Ua＝0。
当升压电感L1的电流连续时，该逆变器在每个开关周期内有以下2个模态。每个模态的等效电路如图4到图8所示，主要波形如图9和图10所示。
(1)模态1：[t3-t4](等效电路如图8所示)
t3时刻之前，开关管S2、S3导通，开关管S1、S4关断，电感电流iL1线性上升。在t3时刻，开通S4，关断S2，模态1开始。此时，电感承受反向压降Udc-Uin，电感电流线性下降。到t4时刻，模态1结束。t3-t4段内，a点电位Ua＝-UC2。
(2)模态2：[t4-t5](等效电路如图5所示)
t4时刻，S2、S3开通，S1、S4关断，模态1结束，模态2开始。该模态工作过程与升压电感电流断续时的模态3相同，此处不再赘述。在调制波负半周期，且电感电流连续时，逆变器工作状态在模态1和模态2之间不断切换。
仿真验证
为了验证理论分析的正确性，使用saber仿真软件进行仿真验证，其设计指标如下：开关频率为fs＝20kHz，直流输入电压Uin＝250V，输出交流电压220V/50Hz，升压电感L1＝20mH，滤波电感L2＝7mH，分压电容C1＝C2＝2000μF，滤波电容Co＝1μF，S1、S2、S3、S4均采用IRFP460，D1采用IDW30G65C5。
图11为仿真波形图。图中，udc为直流母线电压；iL1为直流升压电感电流；uC1，uC2为均压电容C1、C2的端电压；uo为输出电压，Uin为输入电压。ua为该逆变器中点的输出电位。
从仿真波形图可以看出，输入电压Uin＝250V，输出电压uo的幅值约为310V，表明本发明的确具有升压逆变效果。ua可以在UC1、0、-UC2三种不同电平之间变化，表明本发明具有三电平输出效果。图12给出了输出电压仿真波形的频谱图。可以看出，THD约为1.2％，波形质量较好。
以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：包括输入电源Uin、直流升压电感L1、均压电容C1、均压电容C2、防反二极管D1、钳位二极管D2、钳位二极管D3、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、滤波电感L2、滤波电容Co和负载电阻Ro，所述开关管S2、开关管S3、滤波电感L2的一端共同连接至节点a，所述开关管S2的另一端分别连接有防反二极管D1、钳位二极管D2、开关管S1的一端，所述防反二极管D1的另一端连接有直流升压电感L1的一端，所述直流升压电感L1的另一端连接有输入电源Uin的一端，所述输入电源Uin的另一端分别连接有开关管S3的另一端、开关管S4的一端以及钳位二极管D3的一端，所述开关管S4的另一端连接有均压电容C2的一端，所述均压电容C2的另一端分别连接有均压电容C1的一端、钳位二极管D2的另一端、钳位二极管D3的另一端以及滤波电容Co和负载电阻Ro的一端，所述均压电容C1的另一端连接有开关管S1的另一端，所述滤波电感L2的另一端分别连接有滤波电容Co和负载电阻Ro的另一端。
2.根据权利要求1所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：所述防反二极管D1的一端为阴极，所述防反二极管D1的另一端为阳极。
3.根据权利要求1所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：所述钳位二极管D2的一端为阴极，所述钳位二极管D2的另一端为阳极。
4.根据权利要求1所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：所述钳位二极管D3的一端为阳极，所述钳位二极管D3的另一端为阴极。
5.根据权利要求1所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：所述输入电源Uin的一端为正极，所述输入电源Uin的另一端为负极。
6.根据权利要求1所述的一种单相三电平半桥升压逆变器拓扑电路，其特征在于：所述均压电容C1的一端为负极，所述均压电容C1的另一端为正极；所述均压电容C2的一端为负极，所述均压电容C2的另一端为正极。
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