專利名稱：一種逆變器的制作方法
技術領域：
本發明涉及電壓轉換技術領域，具體涉及一種逆變器。
背景技術：
目前在直流電壓轉換成交流電壓的裝置中，為了盡可能提高轉換效率，在交流端可采用無變壓器并網的方案，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干擾，即，開關器件的動作可能產生高頻時變電壓作用在寄生電容之上，進而導致漏電流產生并可能超出范圍。高頻漏電流會降低系統效率，損害輸出電能質量，增大系統電磁干擾，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，影響整個系統的可靠性。常規的全橋逆變電路如果采用雙極調制，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，需采用較大的濾波電感；全橋逆變電路如果采用單極調制，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
本發明實施例針對上述現有技術存在的問題，提供一種逆變器，以避免產生開關頻率脈動的共模電壓、抑制共模漏電流、提高能量轉換效率。為此，本發明實施例提供如下技術方案—種逆變器，用于將直流電源輸出的直流電轉換成交流電，包括六個開關器件和六個二極管，每個開關器件分別具有一第一端和一第二端；第一開關器件、第一二極管和第二開關器件依次串聯連接；第三開關器件、第二二極管和第四開關器件依次串聯連接；第一開關器件的第一端及第三開關器件的第一端分別連接所述直流電源的正端； 第二開關器件的第二端及第四開關器件的第二端分別連接所述直流電源的負端；第三二極管和第五開關器件串聯形成第一支路，第一支路的第一端連接第四開關器件的第一端及第二二極管的陰極，第一支路的第二端連接第一開關器件的第二端及第一二極管的陽極；第四二極管和第六開關器件串聯形成第二支路，第二支路的第一端連接第二開關器件的第一端及第一二極管的陰極，第二支路的第二端連接第三開關器件的第二端及第二二極管的陽極；第五開關器件與第五二極管反向并聯，第六開關器件與第六二極管反向并聯；所述第一支路的第二端和所述第二支路的第二端為所述逆變器的兩個輸出端。可選地，第三二極管的陽極為第一支路的第一端，第五開關器件的第二端為第一支路的第二端；第四二極管的陽極為第二支路的第一端，第六開關器件的第二端為第二支路的第二端。可選地，第五開關器件的第一端為第一支路的第一端，第三二極管的陰極為第一支路的第二端；第六開關器件的第一端為第二支路的第一端，第四二極管的陰極為第二支路的第二端。優選地，在一個工作周期內的前半周期，第四開關器件以高頻脈沖信號觸發動作， 第五開關器件導通，第二開關器件和第六開關器件關斷；在一個工作周期內的后半周期，第二開關器件以高頻脈沖信號觸發動作，第六開關器件導通，第四開關器件和第五開關器件關斷。可選地，第一開關器件以第四開關器件的觸發信號觸發，第三開關器件以第二開關器件的觸發信號觸發；或者，第一開關器件以第五開關器件的觸發信號觸發，第三開關器件以第六開關器件的觸發信號觸發。優選地，所述高頻脈沖信號為PWM脈沖信號。優選地，所述高頻脈沖信號為KHz范圍內的脈沖信號。
優選地，所述逆變器還包括儲能元件，連接在所述直流電源的兩端。優選地，所述儲能元件為電容。優選地，所述逆變器還包括第一電感和第二電感，第一電感的第一端連接第一支路的第二端，第二電感的第一端連接第二支路的第二端，第一電感的第二端和第二電感的第二端分別連接于所述交流負載的兩端。本發明實施例提供的逆變器，可以使續流回路與直流側完全斷開，有效抑制共模漏電流，提高能量轉換效率。
為了更清楚地說明本申請實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明中記載的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。圖1是本發明實施例逆變器的一種電路圖；圖2是本發明實施例逆變器的另一種電路圖；圖3是本發明實施例逆變器工作過程中各開關器件的一種驅動信號示意圖；圖4是本發明實施例逆變器工作過程中各開關器件的另一種驅動信號示意5是圖1所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓正半周期PWM脈沖觸發導通時的電流回路示意圖；圖6是圖1所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓正半周期PWM脈沖關斷時的電流回路示意圖；圖7是圖1所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓負半周期PWM脈沖觸發導通時的電流回路示意圖；圖8是圖1所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓負半周期PWM脈沖關斷時的電流回路示意圖；圖9是圖2所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓正半周期PWM脈沖觸發導通時的電流回路示意圖；圖10是圖2所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓正半周期PWM脈沖關斷時的電流回路示意圖；圖11是圖2所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓負半周期PWM脈沖觸發導通時的電流回路示意圖；圖12是圖2所示逆變器在圖3所示驅動信號下在負載電壓負半周期PWM脈沖關斷時的電流回路示意圖。
具體實施例方式為了使本技術領域的人員更好地理解本發明實施例的方案，下面結合附圖和實施方式對本發明實施例作進一步的詳細說明。本發明實施例的逆變器，包括六個開關器件和六個二極管，每個開關器件分別具有一第一端和一第二端。其中，第一開關器件、第一二極管和第二開關器件依次串聯連接； 第三開關器件、第二二極管和第四開關器件依次串聯連接；第三二極管和第五開關器件串聯形成第一支路；第四二極管和第六開關器件串聯形成第二支路；第五開關器件與第五二極管反向并聯，第六開關器件與第六二極管反向并聯；所述第一支路的第二端和所述第二支路的第二端為所述逆變器的兩個輸出端。該逆變器在全橋電路的基礎上串聯了二極管， 通過第一二極管和第二二極管起到了續流作用，并配合開關器件的控制時序，能夠避免產生共模漏電流，提高能量轉換效率。如圖1所示，是本發明實施例逆變器的一種電路圖。該逆變器21將直流電源1輸出的直流電壓轉換成交流電，提供給交流負載3。逆變器21包括六個開關器件Sl至S6，二極管Dl至D4、VD5、VD6。其中第一開關器件Si、第一二極管Dl和第二開關器件S2依次串聯連接；第三開關器件S3、第二二極管D2和第四開關器件S4依次串聯連接；第一開關器件Sl的第一端及第三開關器件S3的第一端分別連接直流電源1的正端；第二開關器件S2的第二端及第四開關器件S4的第二端分別連接直流電源1的負端；第三二極管D3和第五開關器件S5串聯形成第一支路，第一支路的第一端連接第四開關器件S4的第一端及第二二極管D2的陰極，第一支路的第二端連接第一開關器件Sl 的第二端及第一二極管Dl的陽極；第四二極管D4和第六開關器件S6串聯形成第二支路，第二支路的第一端連接第二開關器件S2的第一端及第一二極管Dl的陰極，第二支路的第二端連接第三開關器件S3 的第二端及第二二極管D2的陽極；第五開關器件S5與第五二極管VD5反向并聯，第六開關器件S6與第六二極管VD6 反向并聯；所述第一支路的第二端和所述第二支路的第二端為所述逆變器的兩個輸出端。在該實施例中，第三二極管D3和第五開關器件S5的串聯方式為第三二極管D3 的陰極與第五開關器件S5的第一端相連，第三二極管的陽極作為第一支路的第一端，第五開關器件的第二端為第一支路的第二端；第四二極管D4和第六開關器件S6的串聯方式為 第四二極管D4的陰極與第六開關器件S6的第一端相連，第四二極管D4的陽極作為第一支路的第一端，第六開關器件S6的第二端為第一支路的第二端。也就是說，第五開關器件S5 的第二端和第六開關器件S6的第二端作為逆變器21的兩個輸出端。該逆變器21還可進一步包括連接在直流電源1兩端的儲能器件，該儲能器件可以是電容，如圖1中所示的電容C。如圖1所示，該逆變器21還可進一步包括兩個電感Li、L2，其中第一電感Ll的第一端連接第一支路的第二端(即第五開關器件S5的第二端)，第二電感L2的第一端連接第二支路的第二端(即第六開關器件S6的第二端)，第一電感Ll 的第二端和第二電感L2的第二端分別連接于交流負載3的兩端。上述第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3及第四開關器件S4為對稱的開關管，比如M0SFET，相應地，上述開關器件的第一端是指MOSFET的D極，第二端是指MOSFET的S極。上述第一開關器件Si、第二開關器件S2、第三開關器件S3及第四開關器件S4還可以為不帶體內二極管的IGBT，相應地，Sl至S4的第一端是指集電極，第二端是指發射極。上述第五開關器件S5和第六開關器件S6可以為IGBT，相應地，第五開關器件S5、 第六開關器件S6的第一端是指集電極，第二端是指發射極。在第五開關器件S5和第六開關器件S6為帶體內二極管的IGBT的情況下，VD5、VD6分別為第五開關器件S5、第六開關器件S6自帶的體內二極管。上述直流電源1可以是一發電機，比如太陽能發電機。如圖2所示，是本發明實施例逆變器的另一種電路圖。同樣，在該實施例中，逆變器22包括六個開關器件Sl至S6，二極管Dl至D4、VD5、 VD6。但與圖1所示實施例不同的是，在該實施例中，第一支路和第二支路中器件的連接方式不同，具體如下第三二極管D3和第五開關器件S5的串聯方式為第三二極管D3的陽極與第五開關器件S5的第二端相連，第五開關器件的第一端為第一支路的第一端，第三二極管的陰極作為第一支路的第二端；第四二極管D4和第六開關器件S6的串聯方式為第四二極管D4 的陽極與第六開關器件S6的第二端相連，第六開關器件S6的第一端為第一支路的第一端， 第四二極管D4的陰極作為第一支路的第二端。也就是說，第三二極管D3的陰極和第四二極管D4的陰極作為逆變器21的兩個輸出端。上述圖1和圖2所示逆變器的一個工作周期由前半周期和后半周期組成，對應的逆變器在一個工作周期內的工作過程分為兩個階段，分別是負載電壓為正時的工作階段和負載電壓為負時的工作階段。一個工作周期中，逆變器各開關管的一種驅動信號波形如圖3所示，其中，Va。表示負載上的電壓信號。在第一階段0 T/2(T表示一個開關周期，即負載電壓信號周期)，對應于負載電壓為正時的工作階段，第一開關器件Sl和第四開關器件S4以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第五開關器件S5導通，第二開關器件S2、第三開關器件S3和第六開關器件S6關斷。
在第二階段T/2 T，對應于負載電壓為負時的工作階段，第二開關器件S2和第三開關器件S3以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第六開關器件S6導通，第一開關器件Si、第四開關器件S4和第五開關器件S5關斷。上述高頻脈沖信號為PWM脈沖信號，比如可以是KHz范圍內的脈沖信號。一個工作周期中，逆變器各開關管的另一種驅動信號波形如圖4所示，其中，Va。表示負載上的電壓信號。在第一階段0 T/2，對應于負載電壓為正時的工作階段，第四開關器件S4以高頻脈沖信號觸發動作，第一開關器件Sl和第五開關器件S5導通，第二開關器件S2、第三開關器件S3和第六開關器件S6關斷。在第二階段T/2 T，對應于負載電壓為負時的工作階段，第二開關器件S2以高頻脈沖信號觸發動作，第三開關器件S3和第六開關器件S6導通，第一開關器件Si、第四開關器件S4和第五開關器件S5關斷。上述高頻脈沖信號為PWM脈沖信號，比如可以是KHz范圍內的脈沖信號。下面以圖3所示的驅動方式為例，對圖1所示本發明實施例逆變器的工作原理進行詳細說明。為了描述方便，下面先定義以下參數Vpv為直流電源的輸出電壓，Vm為圖中A點與0點的電壓，Vm為圖中B點與0點的電壓，V。M為共模電壓，為共模漏電流，C。M為直流電源1對地寄生電容的容值，即共模電容容值。在第一階段0 T/2，對應于負載電壓為正時的工作階段，第一開關器件Sl和第四開關器件S4以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第五開關器件S5導通，第二開關器件S2、第三開關器件S3和第六開關器件S6關斷。當第一開關器件Si、第四開關器件S4導通時，開關器件S2、S3關斷，第一二極管Dl沒有電流流過，第六開關器件S6關斷，第五開關器件S5雖然有高電平驅動，但由于第五二極管VD5鉗位承受極低反壓不導通，其電流回路為PV+ — Sl — Ll —交流負載 —L2 — D2 — S4 — PV-，如圖 5 所示。此時，Vao = Vpv, Vbo = 0，逆變器的共模電壓為Vcm = (Vao+VBO)/2 = (VPV+0)/2 = VPV/2 (1)當第一開關器件Sl、第四開關器件S4關斷時，第五開關器件S5承受正向電壓而導通，此時開關器件S2、S3、S6關斷，其電流回路為L1 —交流負載一L2 — D2 — D3 — S5 — Ll， 如圖6所示。此時，Vaq = VPV/2, Vbo = VPV/2，逆變器的共模電壓為Vcm = (Vao+Vbo)/2 = (VPV/2+VPV/2)/2 = VPV/2 (2)可見，逆變器在上述第一階段，共模電壓保持不變，為VPV/2。在第二階段T/2 T，對應于負載電壓為負時的工作階段，第二開關器件S2和第三開關器件S3以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第六開關器件S6導通，第一開關器件Si、第四開關器件S4和第五開關器件S5關斷。當第二開關器件S2、第三開關器件S3開通時，第一開關器件Sl和第四開關器件 S4關斷，第二二極管D2沒有電流流過，第五開關器件S5關斷，第六開關器件S6雖然有高電平驅動，但由于第六二極管VD6鉗位承受極低反壓不導通，其電流回路為PV+ — S3 — L2 — 交流負載一Ll — Dl — S2 — PV-，如圖7所示。此時，Vaq= 0，Vbo = Vpv,共模電壓為Vcm = (VA0+VB0) /2 = (0+VPV) /2 = VPV/2 ； (3)當第二開關器件S2、第三開關器件S3關斷時，開關器件S6承受正向電壓而導通， 此時開關器件S1、S4、S5關斷，其電流回路為L2—交流負載一Ll — Dl — D4 —S6 —L2， 如圖8所示。此時，Vaq= VpV/2, Vbo = VPV/2，共模電壓為Vcm = (Vao+Vbo)/2 = (VPV/2+VPV/2)/2 = VPV/2 (4)可見，逆變器在上述第二階段，共模電壓保持不變，為VPV/2。由上述對逆變器工作過程的分析可以看出，共模電壓Vcm在整個工作過程中始終恒定不變，由共模電壓V。M與共模漏電流之間的關系(iM = CCMdVCM/dt)可知，共模漏電流始終為零，從而有效抑制了共模電流，提高了逆變器的工作效率。如果按照圖4所示的驅動方式，同樣可以得到上述結論，在此不再詳細說明。下面繼續以圖3所示的調制方式為例，對圖2所示本發明實施例逆變器的工作原理進行詳細說明。在第一階段0 T/2，對應于負載電壓為正時的工作階段，第一開關器件Sl和第四開關器件S4以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第五開關器件S5導通，第二開關器件S2、第三開關器件S3和第六開關器件S6關斷。當第一開關器件Si、第四開關器件S4導通時，開關器件S2、S3關斷，第一二極管Dl沒有電流流過，第六開關器件S6關斷，第五開關器件S5雖然有高電平驅動，但由于第五二極管VD5鉗位承受極低反壓不導通，其電流回路為PV+ — Sl — Ll —交流負載 —L2 — D2 — S4 — PV-，如圖 9 所示。此時，Vao = Vpv, Vbo = 0，逆變器的共模電壓為Vcm = (Vao+Vbo)/2 = (VPV+0)/2 = VPV/2 (5)當第一開關器件Sl、第四開關器件S4關斷時，第五開關器件S5承受正向電壓而導通，此時開關器件S2、S3、S6關斷，其電流回路為L1 —交流負載一L2 — D2 — S5 — D3 — Ll， 如圖10所示。此時，Vaq = VPV/2, Vbo = VPV/2，逆變器的共模電壓為Vcm = (Vao+VBO)/2 = (VPV/2+VPV/2)/2 = VPV/2 (6)可見，逆變器在上述第一階段，共模電壓保持不變，為VPV/2。在第二階段Τ/2 T，對應于負載電壓為負時的工作階段，第二開關器件S2和第三開關器件S3以同步的高頻脈沖信號觸發動作，第六開關器件S6導通，第一開關器件Si、第四開關器件S4和第五開關器件S5關斷。當第二開關器件S2、第三開關器件S3開通時，第一開關器件Sl和第四開關器件 S4關斷，第二二極管D2沒有電流流過，第五開關器件S5關斷，第六開關器件S6雖然有高電平驅動，但由于第六二極管VD6鉗位承受極低反壓不導通，其電流回路為PV+ —S3 —L2 — 交流負載一Ll — Dl — S2 — PV-，如圖11所示。此時，VAQ= 0，Vbq = Vpv，共模電壓為
Vcm = (VA0+VB0) /2 = (0+VPV) /2 = VPV/2 ； (7)當第二開關器件S2、第三開關器件S3關斷時，開關器件S6承受正向電壓而導通， 此時開關器件S1、S4、S5關斷，其電流回路為L2—交流負載一Ll — Dl — S6 —D4 —L2， 如圖12所示。此時，Vao= VPV/2, Vbo = VPV/2，共模電壓為Vcm = (Vao+Vbo)/2 = (VPV/2+VPV/2)/2 = VPV/2 (8)可見，逆變器在上述第二階段，共模電壓保持不變，為VPV/2。由上述對逆變器工作過程的分析可以看出，共模電壓Vcm在整個工作過程中始終恒定不變，由共模電壓V。M與共模漏電流之間的關系(iM = CCMdVCM/dt)可知，共模漏電流始終為零，從而有效抑制了共模電流，提高了逆變器的工作效率。以上對本發明實施例進行了詳細介紹，本文中應用了具體實施方式
對本發明進行了闡述，以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的設備；同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發明的思想，在具體實施方式
及應用范圍上均會有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發明的限制。
權利要求
1.一種逆變器，用于將直流電源輸出的直流電轉換成交流電，其特征在于，包括六個開關器件和六個二極管，每個開關器件分別具有一第一端和一第二端；第一開關器件、第一二極管和第二開關器件依次串聯連接； 第三開關器件、第二二極管和第四開關器件依次串聯連接；第一開關器件的第一端及第三開關器件的第一端分別連接所述直流電源的正端；第二開關器件的第二端及第四開關器件的第二端分別連接所述直流電源的負端；第三二極管和第五開關器件串聯形成第一支路，第一支路的第一端連接第四開關器件的第一端及第二二極管的陰極，第一支路的第二端連接第一開關器件的第二端及第一二極管的陽極；第四二極管和第六開關器件串聯形成第二支路，第二支路的第一端連接第二開關器件的第一端及第一二極管的陰極，第二支路的第二端連接第三開關器件的第二端及第二二極管的陽極；第五開關器件與第五二極管反向并聯，第六開關器件與第六二極管反向并聯； 所述第一支路的第二端和所述第二支路的第二端為所述逆變器的兩個輸出端。
2.根據權利要求1所述的逆變器，其特征在于第三二極管的陽極為第一支路的第一端，第五開關器件的第二端為第一支路的第二端；第四二極管的陽極為第二支路的第一端，第六開關器件的第二端為第二支路的第二端。
3.根據權利要求1所述的逆變器，其特征在于第五開關器件的第一端為第一支路的第一端，第三二極管的陰極為第一支路的第二端；第六開關器件的第一端為第二支路的第一端，第四二極管的陰極為第二支路的第二端。
4.根據權利要求1至3任一項所述的逆變器，其特征在于，在一個工作周期內的前半周期，第四開關器件以高頻脈沖信號觸發動作，第五開關器件導通，第二開關器件和第六開關器件關斷；在一個工作周期內的后半周期，第二開關器件以高頻脈沖信號觸發動作，第六開關器件導通，第四開關器件和第五開關器件關斷。
5.根據權利要求4所述的逆變器，其特征在于第一開關器件以第四開關器件的觸發信號觸發，第三開關器件以第二開關器件的觸發信號觸發；或者第一開關器件以第五開關器件的觸發信號觸發，第三開關器件以第六開關器件的觸發信號觸發。
6.根據權利要求4所述的逆變器，其特征在于，所述高頻脈沖信號為PWM脈沖信號。
7.根據權利要求4所述的逆變器，其特征在于，所述高頻脈沖信號為KHz范圍內的脈沖信號。
8.根據權利要求1至3任一項所述的逆變器，其特征在于，所述逆變器還包括 儲能元件，連接在所述直流電源的兩端。
9.根據權利要求8所述的逆變器，其特征在于，所述儲能元件為電容。
10.根據權利要求1至3任一項所述的逆變器，其特征在于，所述逆變器還包括第一電感和第二電感，第一電感的第一端連接第一支路的第二端，第二電感的第一端連接第二支路的第二端，第一電感的第二端和第二電感的第二端分別連接于所述交流負載的兩端。
全文摘要
本發明公開了一種逆變器，用于將直流電源輸出的直流電轉換成交流電，包括六個開關器件和六個二極管；第一開關器件、第一二極管和第二開關器件依次串聯連接；第三開關器件、第二二極管和第四開關器件依次串聯連接；第一開關器件的第一端及第三開關器件的第一端分別連接所述直流電源的正端；第二開關器件的第二端及第四開關器件的第二端分別連接所述直流電源的負端；第三二極管和第五開關器件串聯形成第一支路；第四二極管和第六開關器件串聯形成第二支路；所述第一支路的第二端和所述第二支路的第二端為所述逆變器的兩個輸出端。該逆變器能有效抑制共模漏電流、提高能量轉換效率。
文檔編號H02M7/537GK102291029SQ20111024013
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月19日 優先權日2011年8月19日
發明者倪華, 張海明, 梅曉東, 耿后來, 胡兵, 趙為 申請人:陽光電源股份有限公司