直流電壓轉換成交流電壓的方法、電路和變換器的製作方法
2023-05-21 14:34:31 2
專利名稱：直流電壓轉換成交流電壓的方法、電路和變換器的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於電力電子領域，具體涉及一種直流電壓轉換成交流電壓的方法、 電路和具有該電路的變換器。
背景技術：
目前在直流電壓轉換成交流電壓的裝置中，為了能儘可能提高轉換效率在交流端均已採用無變壓器併網的方案，隨之而來需要關注的問題是直流電源(例如太陽能電池板)對地寄生電容的存在而帶來的共模漏電流的幹擾。高頻漏電流會降低系統效率，損害輸出電能質量，增大系統電磁幹擾，對人身造成威脅，形成安全隱患，且易導致漏電流保護裝置跳脫，影響整個系統可靠性。常規的全橋逆變電路如果採用雙極調製，可以得到穩定的共模電壓，共模漏電流較小，但是轉換效率差，電感電流脈動大，需採用較大的濾波電感；全橋逆變電路如果採用單極調製，則差模特性優良，如輸入直流電壓利用率高、濾波電感電流脈動小及效率高等受到關注，但同時產生開關頻率脈動的共模電壓，進而產生共模漏電流。增加漏電流吸收裝置雖然可以在一定程度上解決上述問題，但是又會帶來增加成本、降低能量轉換效率等問題。
發明內容
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種抑制共模漏電流、提高能量轉換效率的將直流電壓轉換成交流電壓的方法、電路和變換器。一種將直流電壓變換成交流電壓的電路，用於將直流電源輸出的直流電壓轉換成交流電壓提供給交流負載，其包括全橋電路，所述全橋電路包括帶有第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件和第四開關器件，所述第一開關器件和所述第二開關器件組成第一串聯支路，所述第三開關器件和所述第四開關器件組成第二串聯支路，所述第一串聯支路和所述第二串聯支路分別並聯連接在所述直流電源的正直流母線和負直流母線之間，所述第一開關器件和所述第二開關器件的連接點與交流負載的第一端相連，所述第三開關器件和所述第四開關器件的連接點與交流負載的第二端相連；該將直流電壓變換成交流電壓的電路還包括交流續流電路，所述交流續流電路並聯連接在交流負載的第一端和交流負載的第二端之間，包括第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、第五開關器件， 第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連，第七二極體的陽極與第九二極體的陽極相連，第九二極體的陰極與第八二極體的陽極相連，第八二極體的陰極與第六二極體的陰極相連，第六二極體與第七二極體的連接點與所述交流負載的第一端相連，第八二極體與第九二極體的連接點與所述交流負載的第二端相連，第六二極體與第八二極體的連接點與第五開關器件的第一端相連，第七二極體與第九二極體的連接點與第五開關器件的第二端相連。優選地，所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的功率開關管。
優選地，所述第五開關器件為IGBT。優選地，所述第五開關器件為MOSFET。優選地，所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的IGBT。優選地，所述第六二極體與所述第七二極體的連接點與交流負載的第一端之間設置有第一輸出電感，所述第八二極體與所述第九二極體的連接點與交流負載的第二端之間設置有第二輸出電感。第一輸出電感和第二輸出電感對稱設置在交流輸出支路中，進一步抑制漏電流， 降低變換器輸出交流電壓的諧波，改善了功率因數，提高了電能質量。本發明還提供了一種將直流電壓變換成交流電壓的變換器，用於將直流電源的電壓轉換成交流電壓提供給交流負載，包括將直流電壓變換成交流電壓的電路，該電路包括全橋電路和交流續流電路，全橋電路包括第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件和第四開關器件，所述第一開關器件和所述第二開關器件組成第一串聯支路，所述第三開關器件和所述第四開關器件組成第二串聯支路，所述第一串聯支路和所述第二串聯支路分別並聯連接在所述直流電源的正直流母線和負直流母線之間，所述第一開關器件和所述第二開關器件的連接點與交流負載的第一端相連，所述第三開關器件和所述第四開關器件的連接點與交流負載的第二端相連；交流續流電路並聯連接在交流負載的第一端和交流負載的第二端之間，交流續流電路包括第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、第五開關器件，第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連，第七二極體的陽極與第九二極體的陽極相連，第九二極體的陰極與第八二極體的陽極相連，第八二極體的陰極與第六二極體的陰極相連，第六二極體與第七二極體的連接點與交流負載的第一端相連，第八二極體與第九二極體的連接點與交流負載的第二端相連，第六二極體與第八二極體的連接點與第五開關器件的第一端相連，第七二極體與第九二極體的連接點與第五開關器件的第二端相連。優選地，所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的功率開關管。優選地，所述第五開關器件為IGBT。優選地，所述第五開關器件為MOSFET。優選地，所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的IGBT。優選地，所述第六二極體與所述第七二極體的連接點與交流負載的第一端之間設置有第一輸出電感，所述第八二極體與所述第九二極體的連接點與交流負載的第二端之間設置有第二輸出電感。第一輸出電感和第二輸出電感對稱設置在交流輸出支路中，進一步抑制漏電流， 降低變換器輸出交流電壓的諧波，改善了功率因數，提高了電能質量。本發明還提供了一種用於上述將直流電壓變換成交流電壓的電路中將直流電壓變換成交流電壓的方法，該方法設置有第一開關條件和第二開關條件，在所述第一開關條件下，所述第二開關器件和所述第三開關器件關斷，所述第一開關器件和所述第四開關器件由同步的高頻脈衝信號觸發動作，所述第五開關器件以與所述第一開關器件和所述第四開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作；在所述第二開關條件下，所述第一開關器件和所述第四開關器件關斷，所述第二開關器件和所述第三開關器件由同步的高頻脈衝信號觸發動作，所述第五開關器件以與所述第二開關器件和所述第三開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作。優選地，所述高頻脈衝信號為KHz範圍內的脈衝信號。優選地，所述高頻脈衝信號為脈衝寬度調製信號。
優選地，在所述第一開關條件下，在所述第五開關器件以與所述第一開關器件和所述第四開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間；在所述第二開關條件下，在所述第五開關器件以與所述第二開關器件和所述第三開關器件高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間。本發明的有益效果為整個工作過程中共模電壓保持恆定不變，從而避免了開關頻率共模電壓的產生，進而抑制了漏電流；並且避免了漏電流吸收裝置的使用，降低了系統成本、提高了能量轉換效率。進一步地，通過設置死區時間，避免由於開關器件的關斷延遲效應造成橋臂直通， 進而造成開關器件損壞，使得開關器件工作可靠，提高了電路工作的可靠性。
圖1為本發明實施例公開的變換器的電路示意圖；圖2為圖1所示電路工作於第一開關條件下第一開關器件和第四開關器件導通、 第五開關器件關斷時的電流流向示意圖；圖3為圖1所示電路工作於第一開關條件下死區時間期間的電流流向示意圖；圖4為圖1所示電路工作於第一開關條件下第一開關器件和第四開關器件關斷、 第五開關器件導通時的電流流向示意圖；圖5為圖1所示電路工作於第二開關條件下第二開關器件和第三開關器件導通、 第五開關器件關斷時的電流流向示意圖；圖6為圖1所示電路工作於第二開關條件下死區時間期間的電流流向示意圖；圖7為圖1所示電路工作於第二開關條件下第二開關器件和第三開關器件關斷、 第五開關器件導通時的電流流向示意圖；圖8為圖1所示電路交流輸出電壓波形以及對應的第一開關器件至第五開關器件的驅動波形。
具體實施例方式為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明。本發明的目的在於提供一種抑制漏電流、提高能量轉換效率的將直流電壓轉換成交流電壓的方法、電路和變換器。參照圖1，為本發明實施例公開的變換器的電路示意圖。所述變換器用於將直流電源1輸出的直流電壓轉換成交流電壓提供給交流負載，包括儲能電容C、將直流電壓變換成交流電壓的電路，所述將直流電壓變換成交流電壓的電路包括全橋電路2和交流續流電路
上述全橋電路2包括第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3和第四開關器件S4,第一開關器件Sl、第二開關器件S2、第三開關器件S3和第四開關器件S4分別反並聯連接有第一二極體Dl、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4，所述第一開關器件Sl和所述第二開關器件S2組成第一串聯支路，所述第三開關器件S3和所述第四開關器件S4組成第二串聯支路，所述第一串聯支路和所述第二串聯支路分別連接在所述直流電源的正直流母線和負直流母線之間，所述第一開關器件Sl和所述第二開關器件S2的連接點A與交流負載的第一端相連，所述第三開關器件S3和所述第四開關器件S4的連接點 B與交流負載的第二端相連。需要說明的是，上述第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3和第四開關器件S4結構對稱、選用同一型號的開關器件，均為自帶反並聯二極體的功率開關管。 具體的，第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3和第四開關器件S4可以是自帶反並聯二極體的IGBT。上述交流續流電路3包括第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8、第九二極體D9、第五開關器件S5，第六二極體D6的陽極與第七二極體D7的陰極相連，第七二極體 D7的陽極與第九二極體D9的陽極相連，第九二極體D9的陰極與第八二極體D8的陽極相連，第八二極體D8的陰極與第六二極體D6的陰極相連，第六二極體D6與第七二極體D7的連接點A與交流負載的第一端相連，第八二極體D8與第九二極體D9的連接點B與交流負載的第二端相連，第六二極體D6與第八二極體D8的連接點與第五開關器件S5的第一端相連，第七二極體D7與第九二極體D9的連接點與第五開關器件S5的第二端相連。其中，上述第五開關器件S5可以為IGBT或MOSFET。上述第六二極體D6、第七二極體D7、第八二極體D8、第九二極體D9結構對稱、型號相同。優選地，在所述第一開關器件Sl和所述第二開關器件S2的連接點A與交流負載的第一端之間，設置有第一輸出電感Ll ；在所述第三開關器件S3和所述第四開關器件S4 的連接點B與交流負載的第二端之間，設置有第二輸出電感L2。第一輸出電感Ll和第二輸出電感L2對稱設置在交流輸出支路中，進一步抑制漏電流，降低變換器輸出交流電壓的諧波，改善了功率因數，提高了電能質量。需要說明的是，本發明實施例中交流負載既可以是交流耗能負載，也可以是交流電網。即，本發明實施例中的變換器既可以工作於併網運行模式，也可以工作於獨立運行模式。本發明實施例還提供了一種用於將直流電壓變換成交流電壓的電路中將直流電壓變換成交流電壓的方法，該方法設置有第一開關條件和第二開關條件，在第一開關條件下，第二開關器件S2和第三開關器件S3關斷，第一開關器件Sl和第四開關器件S4由同步的高頻脈衝信號觸發動作，第五開關器件S5以與第一開關器件Sl和第四開關器件S4互補的高頻脈衝信號觸發動作；在第二開關條件下，第一開關器件Sl和第四開關器件S4關斷， 第二開關器件S2和第三開關器件S3由同步的高頻脈衝信號觸發動作，第五開關器件S5以與第二開關器件S2和第三開關器件S3互補的高頻脈衝信號觸發動作。具體地，高頻脈衝信號為KHz範圍內的脈衝信號或脈衝寬度調製信號。
進一步地，在第一開關條件下，在第五開關器件S5以與第一開關器件Sl和第四開關器件S4互補的高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間；在第二開關條件下，在第五開關器件S5以與第二開關器件S2和第三開關器件S3互補的高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間。通過死區時間的設置，避免由於開關器件的關斷延遲效應造成橋臂直通，進而造成開關器件損壞，使得開關器件工作可靠，提高了電路工作的可靠性。為避免輸出波形的失真及降低輸 出效率，死區時間一般為μ s級。圖8為圖1所示電路交流輸出電壓波形以及對應的第一開關器件Sl至第五開關器件S5的驅動波形。請結合圖8，可以看出，上述第一開關條件對應於交流輸出電壓的正半周，第二開關條件對應於交流輸出電壓的負半周。下面請結合圖2至圖7，具體分析圖1所示電路的工作過程。圖2為圖1所示電路工作於第一開關條件下，第一開關器件Sl和第四開關器件S4 導通、第五開關器件S5關斷時的電流流向示意圖。請結合圖2，電流流經全橋電路2的第一開關器件Si、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第四開關器件S4，直流電源1通過全橋電路2給交流負載供電。圖3為圖1所示電路工作於第一開關條件下，死區時間期間的電流流向示意圖。請結合圖3，電流流經全橋電路2的第二二極體D2、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第三二極體D3，其中第一輸出電感Li、第二輸出電感L2續流，一方面給交流負載供電，另一方面，給儲能電容C充電。圖4為圖1所示電路工作於第一開關條件下，第一開關器件Sl和第四開關器件S4 關斷、第五開關器件S5導通時的電流流向示意圖。請結合圖4，電流流經交流續流電路3的第七二極體D7、第八二極體D8、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第五開關器件S5，其中第一輸出電感Li、第二輸出電感L2續流， 給交流負載供電。圖5為圖1所示電路工作於第二開關條件下，第二開關器件S2和第三開關器件S3 導通、第五開關器件S5關斷時的電流流向示意圖。請結合圖5，電流流經全橋電路2的第三開關器件S3、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第二開關器件S2，直流電源1通過全橋電路2給交流負載供電。圖6為圖1所示電路工作於第二開關條件下，死區時間期間的電流流向示意圖。請結合圖6，電流流經全橋電路2的第一二極體D1、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第四二極體D4，其中第一輸出電感Li、第二輸出電感L2續流，一方面給交流負載供電，另一方面，給儲能電容C充電。圖7為圖1所示電路工作於第二開關條件下，第二開關器件S2和第三開關器件S3 關斷、第五開關器件S5導通時的電流流向示意圖。請結合圖7，電流流經交流續流電路3的第六二極體D6、第九二極體D9、第一輸出電感Li、第二輸出電感L2、第五開關器件S5，其中第一輸出電感Li、第二輸出電感L2續流， 給交流負載供電。再次需要說明的是，第一二極體D1、第二二極體D2、第三二極體D3、第四二極體D4既可以是第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3和第四開關器件S4自帶的反並聯二極體，也可以是獨立的二極體。 下面具體分析在上述工作過程中如何抑制共模漏電流，提高轉換效率。請再次結合圖1，定義Vdc為直流電源1的輸出電壓，為A點與0點的電壓，Vm 為B點與0點的電壓，Vcffl為共模電壓，Icffl為共模漏電流，Ccffl為直流電源對地寄生電容的容值，即共模電容容值。根據共模電壓的定義可知，Vcm = (VA0+VB0) /2。先結合第一開關條件下的工作過程具體分析(1)在第一開關器件Si、第四開關器件S4導通期間，請結合圖2，Vao = VDC, Vbo = 0，可以得知，共模電壓v。m = Vdc/2 ；(2)在死區時間期間，請結合圖4，Vao = 0，Vbo = VDC，可以得知，共模電壓Vem = VDC/2 ；(3)在第一開關器件Si、第四開關器件S4關斷，第五開關器件S5開通期間，請結合圖3，由於第一開關器件Si、第四開關器件S4結構對稱、型號相同，所以，Vao = Vdc/2, Vm =VDC/2，可以得知，共模電壓V。m = Vdc/2。由上述推導可知共模電壓V。m在第一開關條件下的工作過程中始終恆定不變，由共模電壓V。m與共模漏電流i。m之間的關係(i。m = C。mdV。m/dt)可知，共模漏電流i。m為零。同理，可以推導出第二開關條件下的工作過程分析。綜上所述，共模電壓V。m在第一開關條件和第二開關條件即整個工作過程中始終恆定不變，共模漏電流為零，從而，避免了漏電流吸收裝置的使用，降低了系統成本、提高了能量轉換效率。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
權利要求
1.一種將直流電壓變換成交流電壓的電路，用於將直流電源輸出的直流電壓轉換成交流電壓提供給交流負載，其包括全橋電路，所述全橋電路包括帶有第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件和第四開關器件，所述第一開關器件和所述第二開關器件組成第一串聯支路，所述第三開關器件和所述第四開關器件組成第二串聯支路，所述第一串聯支路和所述第二串聯支路分別並聯連接在所述直流電源的正直流母線和負直流母線之間，所述第一開關器件和所述第二開關器件的連接點與交流負載的第一端相連，所述第三開關器件和所述第四開關器件的連接點與交流負載的第二端相連；其特徵在於該將直流電壓變換成交流電壓的電路還包括交流續流電路，所述交流續流電路並聯連接在所述交流負載的第一端和所述交流負載的第二端之間，包括第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、 第五開關器件，第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連，第七二極體的陽極與第九二極體的陽極相連，第九二極體的陰極與第八二極體的陽極相連，第八二極體的陰極與第六二極體的陰極相連，第六二極體與第七二極體的連接點與所述交流負載的第一端相連， 第八二極體與第九二極體的連接點與所述交流負載的第二端相連，第六二極體與第八二極體的連接點與第五開關器件的第一端相連，第七二極體與第九二極體的連接點與第五開關器件的第二端相連。
2.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的功率開關管。
3.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於所述第五開關器件為IGBT或MOSFET。
4.根據權利要求2所述的電路，其特徵在於所述第一開關器件、第二開關器件、第三開關器件、第四開關器件均為帶反並聯二極體的IGBT。
5.根據權利要求1所述的電路，其特徵在於所述第六二極體與所述第七二極體的連接點與交流負載的第一端之間設置有第一輸出電感，所述第八二極體與所述第九二極體的連接點與交流負載的第二端之間設置有第二輸出電感。
6.一種將直流電壓變換成交流電壓的變換器，其特徵在於包括權利要求1至5中任意一項所述的將直流電壓變換成交流電壓的電路。
7.一種用於權利要求1至5中任意一項所述電路的將直流電壓變換成交流電壓的方法，其特徵在於設置有第一開關條件和第二開關條件，在所述第一開關條件下，所述第二開關器件和所述第三開關器件關斷，所述第一開關器件和所述第四開關器件由同步的高頻脈衝信號觸發動作，所述第五開關器件以與所述第一開關器件和所述第四開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作；在所述第二開關條件下，所述第一開關器件和所述第四開關器件關斷，所述第二開關器件和所述第三開關器件由同步的高頻脈衝信號觸發動作，所述第五開關器件以與所述第二開關器件和所述第三開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於所述高頻脈衝信號為KHz範圍內的脈衝信號。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於所述高頻脈衝信號為脈衝寬度調製信號。
10.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於在所述第一開關條件下，在所述第五開關器件以與所述第一開關器件和所述第四開關器件互補的高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間；在所述第二開關條件下，在所述第五開關器件以與所述第二開關器件和所述第三開關器件高頻脈衝信號觸發動作的過程中，設置死區時間。
全文摘要
本發明公開了一種將直流電壓變換成交流電壓的電路，該電路包括全橋電路和交流續流電路，交流續流電路包括第六二極體、第七二極體、第八二極體、第九二極體、第五開關器件，第六二極體的陽極與第七二極體的陰極相連，其陰極與第八二極體的陰極相連，第九二極體的陽極與第七二極體的陽極相連，其陰極與第八二極體的陽極相連，第六二極體與第七二極體的連接點、第八二極體與第九二極體的連接點分別與交流負載的兩端相連，第五開關器件的兩端分別與第六二極體與第八二極體的連接點和第七二極體與第九二極體的連接點相連，本發明還公開了一種具有該電路的變換器以及用於該電路的電壓變換方法，有效抑制了漏電流、提高了能量轉換效率。
文檔編號H02M7/48GK102255540SQ20111018744
公開日2011年11月23日 申請日期2011年7月6日 優先權日2011年7月6日
發明者倪華, 曹仁賢, 梅曉東, 耿後來, 胡兵, 趙為 申請人:陽光電源股份有限公司