CN101753054B

CN101753054B - 逆变器电路

Info

Publication number: CN101753054B
Application number: CN 200810186470
Authority: CN
Inventors: 谭惊涛; 易德刚; 吕飞; 李雷鸣; 应建平; 蔡文荫
Original assignee: DELTA ENERGY TECHNOLOGY (SHANGHAI) Co Ltd; Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Energy Technology (Shanghai) Co., Ltd.; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2012-07-11
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101753054A

Abstract

本发明公开了一种逆变器电路，其包括第一桥臂、第一电感和第二电感，该第一桥臂包括第一子桥臂和第二子桥臂，该第一子桥臂包括第一开关和第一中点，其中该第一开关耦合于该第一中点，以及该第二子桥臂包括第二开关和第二中点，其中该第二开关耦合于该第二中点，该第一电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第一中点，以及该第二电感具有第一端与第二端，其中该第一端耦合于该第二中点，且该第二端耦合于该第一电感的该第二端，用于输出交流电压。

Description

逆变器电路

技术领域

本发明公开了一种具有相对较高效率的逆变器电路(inverter circuit)，尤其是一种运用于新能源(如风能、太阳能等)发电系统的具有相对较高效率的逆变器电路。

背景技术

随着石油天然气等矿物燃料的大量消耗，燃料价格也在不断地提升，同时对环境的影响也越来越大。现在全球都在寻找经济又环保的可替代能源，其中利用新能源(如风能、太阳能等)发电是最重要的发展方向。目前利用太阳能电池发电，虽然经过多年发展仍然存在成本过高、效率过低的缺点。图1是传统无隔离式逆变器电路的电路示意图，该图中包括：稳压电路，其接收输入直流电源并提供直流电压Vin；电容Cp，其一端耦合于该直流电源的负极端，其另一端接地；第一至第四开关S1-S4，其形成单相全桥式逆变器；以及第一电感L1，该第一电感的第一端耦合于连接该开关S1与S2的第一中点，该第一电感的第二端电连接至交流电源，该交流电源连接至开关S3和S4的第二中点，该交流电源电压为V_G，电流为I_G。该图1也为太阳能电池发电的系统电路图。例如，太阳能电池板上的输出电压Vin当输出至该稳压电路的输入端时，经过该稳压电路升压以后，达到一个稳定的直流电压值，比如400V，再通过一个逆变器将该稳定的直流电压值转换为交流电压V_G输出到电网。图1中的稳压电路属于公知技术，有很多方法可以实现，故在此不再赘述。图1中的逆变器采用非隔离式，所以节省了一个变压器，第一至第四开关S1-S4都是功率开关，其可以是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)或绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。如果采用IGBT，由于其导通压降很大，一般超过2V，导致导通损耗很大，因此最终将使采用IGBT的逆变器效率降低，按现有技术，一般的效率低于97％。如果采用4个MOSFET，则相对于IGBT减小了导通损耗，但是增加了续流阶段的MOSFET内含的反并二极管的损耗。在输出交流电压V_G为正时的正半周期内，S3常通，S1用作脉宽调制(PWM)开关以调节输出电压，在S1导通时，电流流过S1-L1-S3，在S2关断时，续流电流流过S2的反并二极管L1-S3，由于S2的反并二极管的特性很差，所以会造成很大的损耗，不利于效率提高。在输出电压为负的负半周期内，S4常通，当S2用作PWM开关时，S1的反并二极管也存在续流阶段，也会造成很大的损耗。

发明内容

因此，本发明人鉴于公知技术的缺点来考虑改进发明，终于发明出本申请的“逆变器电路”。

本申请的主要目的在于提供一种具有相对较高效率的逆变器电路，当该逆变器电路的脉宽调制开关关断时，由独立二极管实现续流，而不是经过该开关内部的体二极管来实现续流，因而提高了该逆变器电路的效率，且通过采用具有相对较小电感值的三个电感，既减小了该逆变器电路的总体积又降低了总成本。

本案的又一主要目的在于提供一种逆变器电路，其包括第一桥臂、第一电感和第二电感，该第一桥臂包括第一子桥臂和第二子桥臂，该第一子桥臂包括第一开关、第一二极管和第一中点，其中该第一开关和该第一二极管耦合于该第一中点，以及该第二子桥臂包括第二开关、第二二极管和第二中点，其中该第二开关和该第二二极管耦合于该第二中点，该第一电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第一中点，以及该第二电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第二中点，且该第二端耦合于该第一电感的该第二端，用于输出交流电压。

根据上述构想，该电路进一步包括具有第三开关、第四开关和第三中点的第二桥臂，其中该第三和该第四开关耦合于该第三中点，且该第三中点也用于输出该交流电压。

根据上述构想，该第一至该第四开关中的每个都具有第一端、第二端和控制端，且该第一和该第二二极管中的每个都具有阳极和阴极，该第一开关的该第二端和该第一二极管的该阴极耦合于该第一中点，该第二开关的该第一端和该第二二极管的该阳极耦合于该第二中点，该第三开关的该第一端和该第四开关的该第二端耦合于该第三中点，该第一开关的该第一端与该第四开关的该第一端和该第二二极管的该阴极耦合于第一输入端，且该第二开关的该第二端与该第三开关的该第二端和该第一二极管的该阳极耦合于第二输入端。

根据上述构想，该第一和该第二输入端接收直流电压。

根据上述构想，该直流电压为太阳能电池的输出电压。

根据上述构想，该电路进一步包括稳压电路，其中该稳压电路接收第一直流电压并产生第二直流电压，且该第一和该第二输入端接收该第二直流电压。

根据上述构想，该第一直流电压为太阳能电池的输出电压。

根据上述构想，该第一至该第四开关的每个都为金属氧化物半导体场效应晶体管。

根据上述构想，该第一和该第二开关中的每个都为COOLMOS金属氧化物半导体场效应晶体管，而该第三和该第四开关的每个都为普通金属氧化物半导体场效应晶体管。

根据上述构想，该电路进一步包括具有第一端和第二端的第三电感，其中该第一端耦合于该第二电感的该第二端，该第三电感的该第二端用于输出该交流电压，该第三电感的电感值相对大于该第一电感的电感值和该第二电感的电感值，该第一和该第二开关进一步分别包括第一和第二体二极管，当该第一开关关断时，该第一电感的电感值能够防止该第二体二极管的导通为下限，且当该第二开关关断时，该第二电感的电感值能够防止该第一体二极管的导通为下限。

根据上述构想，当该交流电压处于正半周期时，该第一开关用作第一脉宽调制开关，如果该第一开关关断，则由该第一二极管提供第一续流，且该第三开关常通，而当该交流电压处于负半周期时，该第二开关用作第二脉宽调制开关，如果该第二开关关断，则由该第二二极管提供第二续流，且该第四开关常通。

本申请的下一主要目的在于提供一种逆变器电路，其包括第一桥臂、第一电感和第二电感，该第一桥臂包括第一子桥臂和第二子桥臂，该第一子桥臂包括第一开关和第一中点，其中该第一开关耦合于该第一中点，以及该第二子桥臂包括第二开关和第二中点，其中该第二开关耦合于该第二中点，该第一电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第一中点，以及该第二电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第二中点，且该第二端耦合于该第一电感的该第二端，用于输出交流电压。

根据上述构想，该电路进一步包括具有第三开关、第四开关和第三中点的第二桥臂，其中该第三和该第四开关耦合于该第三中点，该第三中点也用于输出该交流电压，该第一子桥臂进一步包括耦合于该第一中点的第一二极管，且该第二子桥臂进一步包括耦合于该第二中点的第二二极管。

根据上述构想，该第一至该第四开关中的每个都具有第一端、第二端和控制端，且该第一和该第二二极管中的每个都具有阳极和阴极，该第一开关的该第二端和该第一二极管的该阴极耦合于该第一中点，该第二开关的该第一端和该第二二极管的该阳极耦合于该第二中点，该第三开关的该第一端和该第四开关的该第二端耦合于该第三中点，该第一开关的该第一端与该第四开关的该第一端和该第二二极管的该阴极耦合于第一输入端，该第二开关的该第二端与该第三开关的该第二端和该第一二极管的该阳极耦合于第二输入端，且该第一和该第二输入端接收直流电压。

本申请的另一主要目的在于提供一种逆变器电路，其包括第一桥臂、第一电感、第二电感和第三电感，该第一桥臂包括第一子桥臂和第二子桥臂，该第一子桥臂包括第一开关和第一中点，其中该第一开关耦合于该第一中点，以及该第二子桥臂包括第二开关和第二中点，其中该第二开关耦合于该第二中点，该第一电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第一中点，该第二电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第二中点，且该第二端耦合于该第一电感的该第二端，以及第三电感具有第一端和第二端，其中该第一端耦合于该第二电感的该第二端，且第三电感的该第二端用于输出交流电压。

根据上述构想，该第三电感的电感值相对大于该第一电感的电感值和该第二电感的电感值，该第一和该第二开关进一步分别包括第一和第二体二极管，当该第一开关关断时，该第一电感的电感值能够防止该第二体二极管的导通为下限，且当该第二开关关断时，该第二电感的电感值能够防止该第一体二极管的导通为下限。

为了使本发明的上述目的、特征、和优点能更明显易懂，下文特举优选实施例并配合附图来进行详细的说明。

附图说明

图1：其为显示传统无隔离式逆变器电路的电路示意图；

图2：其为显示依据本发明构想的第一优选实施例的逆变器电路的电路图；

图3(a)：其为显示依据本发明构想的第一优选实施例的逆变器电路在其输出的交流电压的正半周期时的工作电路；

图3(b)：其为显示依据本发明构想的第一优选实施例的逆变器电路在其输出的交流电压的负半周期时的工作电路；以及

图4：其为显示依据本发明构想的第二优选实施例的逆变器电路的电路图。

具体实施方式

本发明的第一优选实施例请看图2，其为依据本发明构想的第一优选实施例的逆变器电路的电路图。图2和图1的不同处在于：增加了第一和第二二极管D1和D2以及第二电感L2。其中该开关S1和该二极管D1耦合于第一中点A，该开关S2和该二极管D2耦合于第二中点B，且该开关S3和S4耦合于第三中点，该电感L1和L2各自的第一端分别耦合于该第一和该第二中点，且该电感L1和L2各自的第二端共同耦合于输出端，以及该输出端和该第三中点均用于输出该交流电压V_G。当该逆变器电路输入的电压Vin为400V时，S1和S2可以是耐压650V的COOLMOS；D1和D2可以是耐压600V的二极管；S3和S4可以是耐压600V的普通金属氧化物半导体场效应晶体管。由于稳压电路对本发明的实现没有影响，所以图2中并未示出该稳压电路，但不影响该领域内一般技术人员对本发明的理解。

本发明工作过程请看图3(a)-(b)。其为显示分别依据本发明构想的第一优选实施例的逆变器电路在其输出的交流电压的正半周期时的工作电路和负半周期时的工作电路。图3(a)中实线部分显示了输出交流电压V_G为正时的正半周期的工作电路(S1、S3、D1和L1)，其中虚线部分表示正半周期未工作电路(S2、S4、D2和L2)。其中S3常通，S1作为脉宽调制开关，在S1关断时，流过电感L1的电流通过D1实现续流，而不是通过金属氧化物半导体场效应晶体管的体二极管，因为独立二级体的特性远好于体二极管，所以本发明效率要高于现有技术。同样在负半周期时，图3(b)中实线部分显示了输出交流电压V_G为负时的负半周期的工作电路(S2、S4、D2和L2)，其中虚线部分表示负半周期未工作电路(S1、S3、D1和L1)。此时S4常通，S2作为脉宽调制开关，在S2关断时，由D2提供续流。所以，采用本发明的电路能使逆变器效率提高至超过98％，甚至达到98.5％，远高于现有技术所能达到的效率。

由于电感等磁性元件不仅体积大而且成本高，为了进一步降低本发明的成本，本发明提出了第二优选实施例，如图4所示，其为显示依据本发明构想的第二优选实施例的逆变器电路的电路图。在图4所示的第二优选实施例中，图4与图2的不同处在于增加了第三电感Lo，该第三电感Lo的第一端连接于该第一和该第二电感L1和L2的相应的第二端；而该第三电感Lo的第二端连接于该输出端，用于输出该交流电压V_G。其中Lo＞＞L1＝L2，L1和L2的取值可以很小，但是应能够防止金属氧化物半导体场效应晶体管的体二极管的导通为下限。在本发明中，L1和L2的电感值为Lo的一半。这样L1和L2可以选用电感值很小的电感，既减小了体积又降低了成本。

综上所述，本发明公开了一种具有相对较高效率的逆变器电路，当该逆变器电路的脉宽调制开关关断时，由独立二极管实现续流，而不是经过该开关内部的体二极管来实现续流，因而提高了该逆变器电路的效率，且通过采用具有相对较小电感值的三个电感，既减小了该逆变器电路的总体积又降低了总成本，因而确实有其进步性和新颖性。

因此，虽然本申请已由上述实施例详细描述而可由本领域的技术人员实施并进行各种更改，但都不脱离如所附权利要求所保护的范围。

Claims

1.一种逆变器电路，其包括：

第一桥臂，其包括：

第一子桥臂，其包括：

第一开关；

第一二极管；以及

第一中点，其中所述第一开关和所述第一二极管耦合于所述第一中点；以及

第二子桥臂，其包括：

第二开关；

第二二极管；以及

第二中点，其中所述第二开关和所述第二二极管耦合于所述第二中点；

第一电感，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第一中点；

第二电感，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第二中点，且所述第二端耦合于所述第一电感的所述第二端，用于输出交流电压；以及

第三电感，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第二电感的所述第二端，所述第三电感的所述第二端用于输出所述交流电压，所述第三电感的电感值大于所述第一电感的电感值和所述第二电感的电感值，所述第一开关和所述第二开关进一步分别包括第一体二极管和第二体二极管，当所述第一开关关断时，所述第一电感的电感值能够防止所述第二体二极管的导通为下限，且当所述第二开关关断时，所述第二电感的电感值能够防止所述第一体二极管的导通为下限。

2.如权利要求1所述的电路，进一步包括具有第三开关、第四开关和第三中点的第二桥臂，其中所述第三开关和所述第四开关耦合于所述第三中点，且所述第三中点也用于输出所述交流电压。

3.如权利要求2所述的电路，其中所述第一开关至所述第四开关中的每个都具有第一端、第二端和控制端，且所述第一二极管和所述第二二极管中的每个都具有阳极和阴极，所述第一开关的所述第二端和所述第一二极管的所述阴极耦合于所述第一中点，所述第二开关的所述第一端和所述第二二极管的所述阳极耦合于所述第二中点，所述第三开关的所述第一端和所述第四开关的所述第二端耦合于所述第三中点，所述第一开关的所述第一端与所述第四开关的所述第一端和所述第二二极管的所述阴极耦合于第一输入端，且所述第二开关的所述第二端与所述第三开关的所述第二端和所述第一二极管的所述阳极耦合于第二输入端。

4.如权利要求3所述的电路，其中所述第一输入端和所述第二输入端接收直流电压。

5.如权利要求4所述的电路，其中所述直流电压为太阳能电池的输出电压。

6.如权利要求3所述的电路，进一步包括稳压电路，其中所述稳压电路接收第一直流电压并产生第二直流电压，且所述第一输入端和所述第二输入端接收所述第二直流电压。

7.如权利要求6所述的电路，其中所述第一直流电压为太阳能电池的输出电压。

8.如权利要求2所述的电路，其中所述第一开关至所述第四开关中的每个都为金属氧化物半导体场效应晶体管。

9.如权利要求2所述的电路，其中所述第一开关和所述第二开关中的每个都为COOLMOS金属氧化物半导体场效应晶体管，而所述第三开关和所述第四开关中的每个都为普通金属氧化物半导体场效应晶体管。

10.如权利要求2所述的电路，其中当所述交流电压处于正半周期时，所述第一开关用作第一脉宽调制开关，如果所述第一开关关断，则由所述第一二极管提供第一续流，且所述第三开关常通；而当所述交流电压处于负半周期时，所述第二开关用作第二脉宽调制开关，如果所述第二开关关断，则由所述第二二极管提供第二续流，且所述第四开关常通。

11.一种逆变器电路，其包括：

第一桥臂，其包括：

第一子桥臂，其包括：

第一开关；以及

第一中点，其中所述第一开关耦合于所述第一中点；以及

第二子桥臂，其包括：

第二开关；以及

第二中点，其中所述第二开关耦合于所述第二中点；

第二电感，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第二中点，且所述第二端耦合于所述第一电感的所述第二端；以及

第三电感，其具有第一端和第二端，其中所述第一端耦合于所述第二电感的所述第二端，第三电感的所述第二端用于输出交流电压，所述第三电感的电感值相对大于所述第一电感的电感值和所述第二电感的电感值，所述第一开关和所述第二开关进一步分别包括第一体二极管和第二体二极管，当所述第一开关关断时，所述第一电感的电感值能够防止所述第二体二极管的导通为下限，且当所述第二开关关断时，所述第二电感的电感值能够防止所述第一体二极管的导通为下限。

12.如权利要求11所述的电路，进一步包括具有第三开关、第四开关和第三中点的第二桥臂，其中所述第三开关和所述第四开关耦合于所述第三中点，所述第三中点也用于输出所述交流电压，所述第一子桥臂进一步包括耦合于所述第一中点的第一二极管，且所述第二子桥臂进一步包括耦合于所述第二中点的第二二极管。

13.如权利要求12所述的电路，其中所述第一开关至所述第四开关中的每个都具有第一端、第二端和控制端，且所述第一二极管和所述第二二极管中的每个都具有阳极和阴极，所述第一开关的所述第二端和所述第一二极管的所述阴极耦合于所述第一中点，所述第二开关的所述第一端和所述第二二极管的所述阳极耦合于所述第二中点，所述第三开关的所述第一端和所述第四开关的所述第二端耦合于所述第三中点，所述第一开关的所述第一端与所述第四开关的所述第一端和所述第二二极管的所述阴极耦合于第一输入端，所述第二开关的所述第二端与所述第三开关的所述第二端和所述第一二极管的所述阳极耦合于第二输入端，且所述第一输入端和所述第二输入端接收直流电压。