一種可以實現電容均壓的單相三電平半橋逆變器的制作方法

本發明涉及一種三電平逆變器，尤其涉及一種可以均衡直流側電容電壓的單相三電平半橋逆變器。

背景技術：

在能源需求日益增加的當今，開發新能源與提高能源利用率越發凸顯重要，在各種新能源的開發中光伏太陽能是一種潔凈環保的能源，因此對光伏太陽能的開發具有非常重要的意義。然而單相三電平半橋逆變器是光伏太陽能變換的核心，起到把太陽能直流電變換成我們負載需要的交流電，并實現功率最大跟蹤。

多電平逆變器早已成為中高壓大功率場合研究的熱點。三電平半橋逆變器是多電平逆變器中的一種，三電平半橋逆變器輸出特點是其橋臂有+vin/2，-vin/2、0三種輸出電平，所以在相同的輸出電壓諧波標準的條件下，其等效的開關頻率可以降低，從而減少了開關損耗，提高了效率和電磁兼容性。另一方面由于有直流分壓電容中點的存在，使得開關器件所承受的電壓應力只為兩電平時的一半，從而使得低耐壓開關器件在高壓場合的應用成為可能，大大減少了逆變器設計的經濟成本并提高了系統的可靠性。

然而，單相三電平半橋逆變器在帶載或并網的情況下，會使直流側母線中兩電容上電壓出現較大振蕩，導致輸出波形畸變。縮短電容的使用壽命，且不穩定的電壓會影響mppt的精度。因此針對單相三電平半橋逆變器直流側電容上電壓不均衡問題的解決對系統可靠性的增加，諧波的減少，電容及相關器件的壽命延長都具有較大的意義。

技術實現要素：

本發明的目的是解決半橋三電平直流側電容上電壓不均衡問題。

為解決上述問題，本發明采用反激式母線電壓平衡電路來實現半橋三電平直流側電容電壓均衡。

一種可以實現電容均壓的單相三電平半橋逆變器，包括反激變壓器t、開關管s1～s10、二極管d1～d10和d01以及d11～d15、電容c1～c3、電感l1和l2；其特征在于：

電感l1右端、開關管s1的上端、二極管d1的陰極和二極管d01的陽極相互連接，

開關管s1的下端、二極管d1的陽極、開關管s2的上端、二極管d2的陰極和反激變壓器t的原邊上端相互連接，

反激變壓器t的原邊下端、開關管s2的下端、二極管d2的陽極、二極管d11的陽極、電容c2的下端、開關管s6的下端和二極管d6的陽極相互連接，

反激變壓器t的負邊上端連接二極管d13的陽極，

二極管d13的陰極、開關管s7的左端、開關管s8的左端、二極管d7的陰極和二極管d8的陰極相互連接，

開關管s7的右端、二極管d7的陽極和二極管d12的陽極相互連接，

開關管s8的右端、二極管d8的陽極、電容c1的下端、電容器c2的上端、開關管s9的右端、二極管d9的陰極、二極管d14的陽極和二極管d15的陰極相互連接且接地，

反激變壓器t的負邊下端、開關管s9的左端、開關管s10的左端、二極管d9的陽極和二極管d10的陽極相互連接，

開關管s10的右端、二極管d10的陰極和二極管d11的陰極相互連接，

電容c1的上端、二極管d12的陰極、二極管d01的陰極、開關管s3的上端和二極管d3的陰極相互連接，

開關管s3的下端、二極管d3的陽極、二極管d14的陰極、開關管s4的上端和二極管d4的陰極相互連接，

開關管s4的下端、二極管d4的陽極、電感l2的左端、開關管s5的上端、二極管d5的陰極相互連接，

開關管s5的下端、二極管d5的陽極、二極管d15的陽極、開關管s6的上端和二極管d6的陰極相互連接，

電感l2的右端連接電容c3的上端，

電容c3的下端接地。

如上所述連接，開關管s3～s6、二極管d3～d6、二極管d14和d15、電感l2、電容c3共同組成半橋逆變電路；開關管s1和s2以及s7～s10、二極管d1和d2以及d7～d10、二極管d01和d11～d13、電感l1、反激變壓器t共同組成升壓電路，升壓電路中，開關管s2和s7～s10、二極管d2和d7～d10、二極管d01和d11～d13、反激變壓器t組成反激式母線電壓平衡電路。

使用時，電感l1左端、反激變壓器t的原邊下端分別連接光伏板的正負極，電感l2右端、電容c3下端分別連接負載的正負極。

本發明采用的單相三電平半橋逆變器包括反激式母線電壓平衡電路和半橋逆變電路，其輸入側與光伏太陽能電池陣列連接，輸出側接負載。反激式母線電壓平衡電路中的四個開關管s7～s10由工頻電網電壓過零觸發切換，交替地將直流側電容電壓均衡在vin/2，延長了電容及開關管的壽命，提高了系統的可靠性。

本發明的有益效果：(1)反激式母線電壓平衡電路中的四個開關管工作于低頻環境中，因此其電磁干擾小，開關損耗小；(2)通過開關的交替工作，均衡了直流側電容電壓，大幅度地提高直流電壓利用率和電容及開關管的使用壽命；(3)穩定的母線電容上電壓有助于最大功率點跟蹤(mppt)的實現，使太陽能的發電效率最大；(4)電路結構簡單，易于實現。

附圖說明

圖1是本發明的單相三電平半橋逆變器的電路拓撲示意圖。

圖2是表示在電容c1電壓拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖。

圖3是表示在電容c1和電容c2電壓沒被拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖。

圖4是表示在電容c2電壓拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖。

在圖中，1為光伏板，2為升壓電路，3為半橋逆變電路，4為負載；其中，s1～s10為開關管，d01、d11～d15為二極管，l1、l2為電感，c1～c3為電容，d1～d10為二極管，rload為負載，t為反激變壓器。

具體實施方式

按圖1所示連接電路，該方案中的逆變器包括反激式母線電壓平衡電路和半橋逆變電路，反激式母線電壓平衡電路中，開關管s2兩端與反激變壓器t原邊兩端連接，開關管s8的一端與第一電容c1和第二電容c2組成的橋臂中點連接，開關管s9的一端與第一電容c1和第二電容c2組成的橋臂中點連接；反激變壓器t負邊上端與二極管d13陽極連接，二極管d13陰極與開關管s7和開關管s8連接，開關管s7與二極管d12陽極連接，二極管d12陰極與電容c1上端連接，反激變壓器t負邊下端與開關管s9和開關管s10連接。

工作原理分析：

(1)如圖2是表示在電容c1電壓拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖，即此時vc1＜e/2-δ，同時反激式母線電壓平衡電路中的開關管s1按照升壓原理正常工作，同時還兼作反激的原邊主開關管；開關管s2斷開，開關管s7和開關管s9導通，開關管s8和開關管s10斷開，給電容c1充電。

(2)如圖3是表示在電容c1和電容c2電壓沒被拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖，即vc1＞e/2-δ，此時反激式母線電壓平衡電路中的開關管s2導通，開關管s1僅按照升壓原理正常工作；開關管s7、s8、s9、s10均截止。

(3)如圖4是表示在電容c2電壓拉低時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖，即此時vc2＜e/2-δ，同時反激式母線電壓平衡電路中的開關管s2斷開，開關管s1按照升壓原理正常工作，同時還兼作反激的原邊主開關管；開關管s8和開關管s10導通，開關管s7和開關管s9斷開，給電容c2充電。

(4)如圖3是表示在電容c2兩端電壓大于e/2-δ時在反激式母線電壓平衡電路補償回路示意圖，即vc2＞e/2-δ，此時反激式母線電壓平衡電路中的開關管s2導通，開關管s7，s8，s9,s10均截止，開關管s1僅按照升壓原理正常工作。

(5)如圖1中的二極管d11和二極管d12起到防止短路的作用，首先二極管d11在開關管s7與開關管s9導通時給電容c1充電提升其電壓時，要避免電容c2的上端，開關管s9，二極管d10，電容c2下端構成的閉合回路而短路，所以要設計二極管d11避免構成回路短路；其次二極管d12的功能也是起到防止短路的作用，首先二極管d12在開關管s8與開關管s10導通時給電容c2充電提升其電壓時，要避免電容c1的下端，開關管s8，二極管d7，電容c1上端構成的閉合回路而短路，所以要設計二極管d11避免構成回路短路。