單相正弦波逆變器及其控制方法與流程
2023-04-24 02:23:16 2
本發明涉及電力電子技術領域，具體而言，涉及一種單相正弦波逆變器及其控制方法。
背景技術：
單相正弦波逆變器是把直流變成單相正弦波交流的逆變器，輸出交流是正弦波。傳統單相正弦波逆變器電路原理如圖1所示，其中，l1、s5、d5、c組成boost升壓電路，以滿足輸出ac的電壓；s1、d1、s2、d2、s3、d3、s4、d4組成逆變電路，以將直流電逆變成滿足要求的交流電輸出。
上述電路中，s1、d1、s2、d2、s3、d3、s4、d4組成的逆變電路工作時，有單極性調製和雙極性調製之分。單極性調製時，兩個電晶體高頻開關，另外兩個電晶體工頻開關，並且需要功率濾波電感(圖1中的l2、l3)把逆變電流濾波成正弦波輸出；雙極性調製時，四個電晶體全高頻開關，並且同樣需要功率濾波電感(圖1中的l2、l3)把逆變電流濾波成正弦波輸出。
傳統單相正弦波逆變器中的逆變電路部分，不管是單極性調製和雙極性調製，逆變部分至少有兩個電晶體工作在高頻開關，並且需要功率濾波電感濾波電流。因為電晶體工作在高頻開關時，會降低效率。功率濾波電感濾波逆變電流也會降低效率，並且還會增加成本和帶來發熱問題。
針對相關技術中單相正弦波逆變器效率低的問題，目前尚未提出有效地解決方案。
技術實現要素：
本發明提供了一種單相正弦波逆變器及其控制方法，以至少解決現有技術中單相正弦波逆變器效率低的問題。
為解決上述技術問題，根據本公開實施例的一個方面，本發明提供了一種單相正弦波逆變器，包括：升壓控制電路，與輸入直流電壓連接，用於將輸入直流電壓升壓為滿足所需輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的電壓，其中，半正弦饅頭波形為將正弦波形後半周期進行180度相位翻轉後對應的波形；
換向控制電路，與升壓控制電路連接，用於將升壓控制電路輸出的半正弦饅頭波形進行換向，以輸出正弦波形的單相正弦波交流電。
進一步地，升壓控制電路包括：第一電感l1、第二電感l2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電晶體s5、第六電晶體s6、第一二極體d1以及第二二極體d2，其中，
第一電感l1的第一端分別與輸入直流電壓vdc的正極、第三電容c3的第一端連接，第一電感l1的第二端分別與第一二極體d1的正極、第五電晶體s5的第一端連接；
第三電容c3的第二端與第四電容c4的第一端，並連接至第一節點，第五電晶體s5的第二端、第六電晶體s6的第一端連接至第一節點；
第一電容c1的第一端與第一二極體d1的負極連接，第一電容c1的第二端與第二電容c2的第一端連接，並連接至第一節點，第二電容c2的第二端與第二二極體d2的正極連接；
第二電感l2的第一端分別與輸入直流電壓vdc的負極、第四電容c4的第二端連接，第二電感l2的第二端分別與第六電晶體s6的第二端、第二二極體d2的負極連接。
進一步地，換向控制電路包括：第一電晶體s1、第二電晶體s2、第三電晶體s3以及第四電晶體s4，其中，
第一電晶體s1的第一端分別與第一二極體d1的負極、第一電容c1的第一端連接，第一電晶體s1的第二端與第三電晶體的第一端連接，並連接至換向控制電路的第一輸出端，第三電晶體的第二端分別與第二電容c2的第二端、第二二極體d2的正極連接，並連接至第四電晶體s4的第二端；
第二電晶體s2的第一端與第一電晶體s1的第一端連接，第二電晶體s2的第二端與第四電晶體s4的第一端連接，並連接至換向控制電路的第二輸出端。
進一步地，第一二極體d1和/或第二二極體d2為快恢復二極體。
進一步地，第一電晶體s1和/或第二電晶體s2為晶閘管。
進一步地，第五電晶體s5和/或第六電晶體s6為場效應電晶體。
進一步地，第三電晶體s3和/或第四電晶體s4為場效應電晶體。
根據本公開實施例的另一方面，提供了一種單相正弦波逆變器的控制方法，該方法包括：控制升壓控制電路中第五電晶體s5、第六電晶體s6高頻交錯工作；控制換向控制電路中第一電晶體s1和第四電晶體s4同時序開通與關斷，控制換向控制電路中第二電晶體s2和第三電晶體s3同時序開通與關斷。
進一步地，控制換向控制電路中第一電晶體s1和第四電晶體s4同時序開通與關斷，控制換向控制電路中第二電晶體s2和第三電晶體s3同時序開通與關斷，包括：在升壓控制電路輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的第n個半正弦饅頭波形時，控制第一電晶體s1和第四電晶體s4開通，第二電晶體s2和第三電晶體s3關斷；在升壓控制電路輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的第n+1個半正弦饅頭波形時，控制第一電晶體s1和第四電晶體s4關斷，第二電晶體s2和第三電晶體s3開通，其中，n為自然數。
進一步地，該方法還包括：控制換向控制電路輸出的單相正弦波交流電為低頻，第一電晶體s1、第二電晶體s2、第三電晶體s3以及第四電晶體s4與換向控制電路輸出的單相正弦波交流電同頻率工作。
在本發明中，對傳統的單相正弦波逆變器中boost升壓電路進行改進，提供一種升壓控制電路，輸入直流電壓vdc經過此升壓控制電路，得到能滿足單相正弦波交流輸出的半正弦饅頭波，然後經過換向控制電路進行換向，輸出正弦波的單相正弦波交流電。這種電路結構省去傳統單相正弦波逆變器功率濾波電感，改善了現有技術中單相正弦波逆變器效率低的問題，提高效率的同時，降低成本，減小體積。
附圖說明
圖1是現有技術中單相正弦波逆變器的一種可選的電路結構圖；
圖2是根據本發明實施例的單相正弦波逆變器的一種可選的結構框圖；
圖3是根據本發明實施例的單相正弦波逆變器的一種可選的電路結構圖；
圖4是根據本發明實施例的單相正弦波逆變器的一種可選的電路分析圖；以及
圖5是根據本發明實施例的單相正弦波逆變器的另一種可選的電路分析圖。
具體實施方式
這裡將詳細地對示例性實施例進行說明，其示例表示在附圖中。下面的描述涉及附圖時，除非另有表示，不同附圖中的相同數字表示相同或相似的要素。以下示例性實施例中所描述的實施方式並不代表與本發明相一致的所有實施方式。相反，它們僅是與如所附權利要求書中所詳述的、本發明的一些方面相一致的裝置和方法的例子。
實施例1
下面結合附圖對本發明提供的單相正弦波逆變器進行說明。
圖2示出本發明的單相正弦波逆變器的一種可選的電路結構圖，其中，單相正弦波逆變器包括升壓控制電路10，與輸入直流電壓vdc連接，用於將輸入直流電壓升壓為滿足所需輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的電壓，其中，半正弦饅頭波形為將正弦波形後半周期進行180度相位翻轉後對應的波形；換向控制電路20，與升壓控制電路10連接，用於將升壓控制電路輸出的半正弦饅頭波形進行換向，以輸出正弦波形的單相正弦波交流電。
在本發明中，對傳統的單相正弦波逆變器中boost升壓電路進行改進，提供一種升壓控制電路，輸入直流電壓vdc經過此升壓控制電路，得到能滿足單相交流輸出的半正弦饅頭波，然後經過換向控制電路進行換向，輸出正弦波的單相正弦波交流電壓。這種電路結構省去傳統單相正弦波逆變器功率濾波電感，改善了現有技術中單相正弦波逆變器效率低的問題，提高效率的同時，降低成本，減小體積。
在本申請的一個可選的實施方式中，還提供了一種上述升壓控制電路的具體實現方式，具體來說，如圖3所示，升壓控制電路包括：第一電感l1、第二電感l2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電晶體s5、第六電晶體s6、第一二極體d1以及第二二極體d2，其中，
第一電感l1的第一端分別與輸入直流電壓vdc的正極、第三電容c3的第一端連接，第一電感l1的第二端分別與第一二極體d1的正極、第五電晶體s5的第一端連接；
第三電容c3的第二端與第四電容c4的第一端，並連接至第一節點，第五電晶體s5的第二端、第六電晶體s6的第一端連接至第一節點；
第一電容c1的第一端與第一二極體d1的負極連接，第一電容c1的第二端與第二電容c2的第一端連接，並連接至第一節點，第二電容c2的第二端與第二二極體d2的正極連接；
第二電感l2的第一端分別與輸入直流電壓vdc的負極、第四電容c4的第二端連接，第二電感l2的第二端分別與第六電晶體s6的第二端、第二二極體d2的負極連接。
上述升壓控制電路，輸入直流電壓vdc經過此升壓控制電路，得到能滿足單相正弦波交流輸出的半正弦饅頭波，結構簡單，效果良好，同時，在進行控制時，使s5、s6高頻交錯工作，可減小母線電壓高頻紋波。
在本申請的又一個可選的實施方式中，還提供了一種上述換向控制電路的具體實現方式，具體來說，如圖3所示，換向控制電路包括：第一電晶體s1、第二電晶體s2、第三電晶體s3以及第四電晶體s4，其中，
第一電晶體s1的第一端分別與第一二極體d1的負極、第一電容c1的第一端連接，第一電晶體s1的第二端與第三電晶體的第一端連接，並連接至換向控制電路的第一輸出端，第三電晶體的第二端分別與第二電容c2的第二端、第二二極體d2的正極連接，並連接至第四電晶體s4的第二端；
第二電晶體s2的第一端與第一電晶體s1的第一端連接，第二電晶體s2的第二端與第四電晶體s4的第一端連接，並連接至換向控制電路的第二輸出端。
在上述換向控制電路中，由於全橋四個開關管只實現換向，四個開關管均工作在低頻，這樣逆變器效率提高。同時省去功率濾波電感，逆變器效率提高，成本降低，體積減小。
下面結合圖4和圖5對上述方案進行進一步的說明，以便更好的理解本申請：
圖4將圖3中的單相正弦波逆變器電路結構進行了劃分，其中，a部分電路為升壓控制電路，包括：第一電感l1、第二電感l2、第一電容c1、第二電容c2、第三電容c3、第四電容c4、第五電晶體s5、第六電晶體s6、第一二極體d1以及第二二極體d2；其中，電晶體s5、s6高頻交錯工作，可減小母線電壓高頻紋波。b部分電路為換向控制電路，包括：第一電晶體s1、第二電晶體s2、第三電晶體s3以及第四電晶體s4。
其中，本發明為輸入為直流電vdc，輸出為正弦波交流電ac。本發明整體工作原理為：輸入vdc經過a電路，得到能滿足ac輸出的半正弦饅頭波。然後經過b電路，輸出正弦波ac。
具體工作過程分析參見圖5：
圖5中示出電晶體s5和s6驅動波形，其中，電晶體s5、s6採用高頻交錯工作，在經過a電路之後，輸出的波形圖為半正弦饅頭波，半正弦饅頭波形為將正弦波形後半周期進行180度相位翻轉後對應的波形(參見圖5中經過a後的波形圖)；然後，通過控制換向控制電路b中的電晶體，完成最終所需輸出的正弦波形的單相正弦波交流電(參見圖5中經過b後的波形圖)。圖5中下半部分示出s1、s4，s2、s3的驅動波形，其均採用低頻工作。
在進行控制時，s1、s4同時序開通與關斷，s2、s3同時序開通與關斷。在b電路前，母線電壓已是半正弦饅頭波。在第一個半正弦饅頭波時，s1、s4開通，s2、s3關斷，s1、s4與與半正弦饅頭波同相位和同頻率，輸出正弦波ac正半周。在第二個半正弦饅頭波時，s2、s3開通，s1、s4關斷，s2、s3與與半正弦饅頭波同相位和同頻率，輸出正弦波ac負半周。這樣得到正弦波ac。
這樣省去了濾波電感，提高效率。同時大多數單相正弦波逆變器輸出ac頻率是低頻，如電網50hz等。由於s1、s2、s3、s4與輸出正弦波ac同頻率工作，這樣s1、s2、s3、s4均為低頻開關工作，這樣也很大提高了效率。
在上述實施方式中，對boost改進設計成新的升壓電路，輸入直流vdc經過此電路，得到能滿足ac輸出的半正弦饅頭波，然後經過全橋四個開關管換向，輸出正弦波ac電壓。由於全橋四個開關管只實現換向，四個開關管均工作在低頻，這樣逆變器效率提高。同時省去功率濾波電感(圖1中電感l2、l3)，逆變器效率提高，成本降低，體積減小。
實施例2
基於上述實施例1中提供的單相正弦波逆變器，本發明可選的實施例2還提供了一種單相正弦波逆變器的控制方法，該方法包括：控制升壓控制電路中第五電晶體s5、第六電晶體s6高頻交錯工作；控制換向控制電路中第一電晶體s1和第四電晶體s4同時序開通與關斷，控制換向控制電路中第二電晶體s2和第三電晶體s3同時序開通與關斷。
進一步地，控制換向控制電路中第一電晶體s1和第四電晶體s4同時序開通與關斷，控制換向控制電路中第二電晶體s2和第三電晶體s3同時序開通與關斷，包括：在升壓控制電路輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的第n個半正弦饅頭波形(圖5中0～t/2周期段的饅頭波)時，控制第一電晶體s1和第四電晶體s4開通，第二電晶體s2和第三電晶體s3關斷；在升壓控制電路輸出電壓伏值的半正弦饅頭波形的第n+1個半正弦饅頭波形(圖5中t/2～t周期段的饅頭波)時，控制第一電晶體s1和第四電晶體s4關斷，第二電晶體s2和第三電晶體s3開通，其中，n為自然數。
進一步地，該方法還包括：控制換向控制電路輸出的單相正弦波交流電為低頻，第一電晶體s1、第二電晶體s2、第三電晶體s3以及第四電晶體s4與換向控制電路輸出的單相正弦波交流電同頻率工作。
在上述實施方式中，對傳統的單相正弦波逆變器中boost升壓電路進行改進，提供一種升壓控制電路，輸入直流電壓vdc經過此升壓控制電路，得到能滿足單相正弦波交流輸出的半正弦饅頭波，然後經過換向控制電路進行換向，輸出正弦波的單相正弦波交流電壓。這種電路結構省去傳統單相正弦波逆變器功率濾波電感，改善了現有技術中單相正弦波逆變器效率低的問題，提高效率的同時，降低成本，減小體積。
本領域技術人員在考慮說明書及實踐這裡公開的發明後，將容易想到本發明的其它實施方案。本申請旨在涵蓋本發明的任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本發明的一般性原理並包括本發明未發明的本技術領域中的公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本發明的真正範圍和精神由下面的權利要求指出。
應當理解的是，本發明並不局限於上面已經描述並在附圖中示出的精確結構，並且可以在不脫離其範圍進行各種修改和改變。本發明的範圍僅由所附的權利要求來限制。