一种无变压器型逆变器制造技术

本实用新型专利技术公开的无变压器型逆变器，包括一个输入电容，六个功率开关管，六个反并二极管，两个滤波电感。本实用新型专利技术利用六个功率开关管及其反并二极管协调进行开关动作，使得逆变器输出电压为零电平时，逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态，从而确保了逆变器输出电压在实现三电平调制的同时，其共模电压维持为一个常量，进而完全消除了共模电流；功率开关管上的开关电压变为直流输入电压的一半，减小了功率开关管的开关损耗；倍频式脉冲宽度调制使逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能质量，减小了滤波电感的体积，从而降低了滤波电感上产生的铜损和磁损。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及电力电子技术直流-交流变换器领域的一种逆变器，尤其是涉及 一种无变压器型逆变器。
技术介绍
逆变器是指通过半导体功率开关器件的开通和关断作用，把直流电能转换为交流 电能的一种电力电子变换器，其作用是，把从蓄电池、太阳能电池、燃料电池等得到的电能 质量较差的直流原始电能，变换为电能质量较高、能满足用户负载对电压和频率要求的交 流电能。随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境已经成为二十一世纪 人类所面临的最重大问题之一，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广 泛关注。大量的可再生能源发出的都是直流电，必须使用逆变器把它变换成工频交流电才 能大量应用。因此，逆变技术在可再生能源的开发和利用领域有着至关重要的作用。一般而言，根据逆变器应用场合和控制方式不同，可以将逆变器系统分为独立型 逆变器和并网型逆变器；根据逆变器中变压器配置不同，可以将逆变器系统分为带工频变 压器型，带高频变压器型和无变压器型逆变器。工频变压器和高频变压器均可以实现升压 和隔离的功能，然而，工频变压器体积庞大，重量增加，价格较贵，系统安装不便；高频变压 器虽然体积和重量大大减小，但这类逆变器系统往往由多级组成，导致系统结构复杂，系统 效率降低。而无变压器型逆变器由于系统结构简单，效率高，体积小，成本低等优点，在世界 范围内得到了快速的发展。例如，在欧洲的太阳能光伏(Photovoltaic，PV)发电领域，无变 压器型并网逆变器已经成为中小功率光伏并网发电系统(一般指小于等于IOkW的系统) 的主流。但是，由于没有了隔离变压器对直流输入源和交流负载之间进行电气隔离，无变 压器型逆变器中将存在共模电流干扰的技术难题。特别是在无变压器型逆变器应用于光伏 并网发电系统中时，一方面，系统中的无变压器型光伏并网逆变器对光伏电池组件和市电 电网不进行电气隔离，另一方面，光伏电池组件具有一个随着外部环境变化而变化范围很 大的对地寄生电容，一般认为多晶硅电池组件的寄生电容为50-150 nF/kWp，薄膜电池组件 可达1 μ F/kffp,因此由众多光伏组件串并联构成的光伏阵列的对地寄生电容将变得更大， 并且随外部环境变化而变化的范围也更大。所以，光伏电池阵列的这个对地寄生电容和无 变压器型逆变器电路中各种滤波器的组件电感、电容通过地回路构成了一条电通路，从而 形成了一个谐振电路，从而可能产生相当大的对地共模电流。较大的对地共模电流一方面 会影响逆变器电路的工作模式，从而降低系统的电能质量和发电效率；另一方面会给人身 安全带来严重威胁。因此，有效抑制甚至完全消除共模电流是无变压器型逆变器需要解决 的关键问题。当前，一般采用带双极性调制的全桥逆变器和半桥逆变器来解决共模电流问题， 然而这类逆变器结构只能实现输出电压的两电平调制方式，导致输出电流纹波较大，输出 滤波电感体积相应增加，从而使得逆变器发电的质量和效率都无法提高。半桥中点箝位的逆变器结构可以在消除对地漏电流的同时实现输出电压的三电平调制，但是该结构要求其 直流侧输入电压的大小是全桥逆变器的两倍，相应增加了前级直流输入源串联的数量或者 提高了前级DC/DC升压电路的升压比例以及设计难度。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种结构简单，能够在消除共模电流的同时，实现输出 电压三电平调制方式的无变压器型逆变器。本技术的无变压器型逆变器，其特征是包括一个输入电容，六个功率开关管， 六个反并二极管，两个滤波电感，第一功率开关管、第一反并二极管、第二功率开关管、第二 反并二极管、第三功率开关管、第三反并二极管和第四功率开关管、第四反并二极管共同构 成全桥结构电路，第五功率开关管的漏极、输入电容的正端与输入直流端的正极相连，第五 功率开关管的源极、第一功率开关管的漏极与第三功率开关管的漏极相连，第一功率开关 管的源极、第二功率开关管的漏极与第一滤波电感的一端相连，第三功率开关管的源极、第 四功率开关管的漏极与第二滤波电感的一端相连，第二功率开关管的源极、第四功率开关 管的源极与第六功率开关管的漏极相连，第六功率开关管的源极、输入电容的负端与输入 直流端的负极相连，第一、第二、第三、第四、第五和第六功率开关管分别与第一、第二、第 三、第四、第五和第六反并二极管以反并的形式相连，即功率开关管的漏极与其对应的反并 二极管的阴极相连，功率开关管的源极与其对应的反并二极管的阳极相连，第一、第二、第 三、第四、第五和第六功率开关管的栅极分别由各自相应的驱动电路驱动，从而控制功率开 关管的开关动作。所述功率开关管及其反并二极管由独立开关晶体管和独立二极管反并联后构成， 或由其内部自带反并二极管的开关晶体管构成。所述功率开关管为高压金属氧化物硅场效应晶体管或者绝缘双极晶体管。所述滤波电感构成的滤波器是L型滤波器结构、LC型滤波器结构或LCL型滤波器 结构。本技术的无变压器型逆变器具有两种调制方式单极性脉冲宽度调制(PWM) 和倍频式脉冲宽度调制。采用单极性脉冲宽度调制方式时，第一功率开关管和第二功率 开关管或者第三功率开关管和第四功率开关管组成的一个桥臂以工频周期进行开关动作 (例如50Hz)，相应的另一个桥臂以高频周期进行开关动作(例如20kHz)，第五功率开关管 和第六功率开关管则交替以工频周期和高频周期进行开关动作；采用倍频式脉冲宽度调制 方式时，第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管均以高频周 期进行开关动作，但第一功率开关管和第二功率开关管的调制波与第三功率开关管和第四 功率开关管的调制波相位相反，第五功率开关管和第六功率开关管也以高频周期进行开关 动作，但其调制波在第一功率开关管和第二功率开关管的调制波与第三功率开关管和第四 功率开关管的调制波之间交替变化。本技术的无变压器型逆变器工作时，由于第五功率开关管和第六功率开关管 与其他功率开关管构成的全桥电路协调进行开关动作，使得逆变器输出电压在零电平时， 逆变器输出交流侧和输入直流侧处于解耦状态，从而确保了在整个调制过程中，逆变器输 出电压实现三电平的同时，逆变器输出侧的共模电压保持为一个常量，进而完全消除了共模电流；同时逆变器中进行开关动作的功率开关管上的电压变为了输入直流电压的一半， 大大减小了功率开关管的开关损耗，从而提高了逆变器效率；倍频式脉冲宽度调制方式的 实现，使得逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能质量，同时可以减小 滤波电感的体积，从而降低在滤波电感上产生的铜损和磁损。本技术的无变压器型逆 变器可适用于独立型逆变器和并网型逆变器系统，并特别适合应用在光伏并网发电系统 中。本技术利用六个功率开关管及其反并二极管协调进行开关动作，完全消除了 共模电流；功率开关管上的开关电压变为直流输入电压的一半，减小了功率开关管的开关 损耗；倍频式脉冲宽度调制使逆变器输出电流纹波进一步减小，提高了逆变器的输出电能 质量，减小了滤波电感的体积，从而降低了滤波电感上产生的铜损和磁损。本技术结构 简单，能够在消除共模电流的同时，实现输出电压三电平调制方式。附图说明图1是本技术无变压器型逆变器的电路示意图。图2是本技术采用单极性脉宽调制方式的波形示意图。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无变压器型逆变器，包括一个输入电容（Ｃ↓［ｄｃ］），六个功率开关管（Ｓ↓［１］、Ｓ↓［２］、Ｓ↓［３］、Ｓ↓［４］、Ｓ↓［５］、Ｓ↓［６］），六个反并二极管（Ｄ↓［１］、Ｄ↓［２］、Ｄ↓［３］、Ｄ↓［４］、Ｄ↓［５］、Ｄ↓［６］），两个滤波电感（Ｌ↓［１］、Ｌ↓［２］），其特征在于：第一功率开关管（Ｓ↓［１］）、第一反并二极管（Ｄ↓［１］）、第二功率开关管（Ｓ↓［２］）、第二反并二极管（Ｄ↓［２］）、第三功率开关管（Ｓ↓［３］）、第三反并二极管（Ｄ↓［３］）和第四功率开关管（Ｓ↓［４］）、第四反并二极管（Ｄ↓［４］）共同构成全桥结构电路，第五功率开关管（Ｓ↓［５］）的漏极、输入电容（Ｃ↓［ｄｃ］）的正端与输入直流端的正极相连，第五功率开关管（Ｓ↓［５］）的源极、第一功率开关管（Ｓ↓［１］）的漏极与第三功率开关管（Ｓ↓［３］）的漏极相连，第一功率开关管（Ｓ↓［１］）的源极、第二功率开关管（Ｓ↓［２］）的漏极与第一滤波电感（Ｌ↓［１］）的一端相连，第三功率开关管（Ｓ↓［３］）的源极、第四功率开关管（Ｓ↓［４］）的漏极与第二滤波电感（Ｌ↓［２］）的一端相连，第二功率开关管（Ｓ↓［２］）的源极、第四功率开关管（Ｓ↓［４］）的源极与第六功率开关管（Ｓ↓［６］）的漏极相连，第六功率开关管（Ｓ↓［６］）的源极、输入电容（Ｃ↓［ｄｃ］）的负端与输入直流端的负极相连，第一功率开关管（Ｓ↓［１］）、第二功率开关管（Ｓ↓［２］）、第三功率开关管（Ｓ↓［３］）、第四功率开关管（Ｓ↓［４］）、第五功率开关管（Ｓ↓［５］）和第六功率开关管（Ｓ↓［６］）分别与第一反并二极管（Ｄ↓［１］）、第二反并二极管（Ｄ↓［２］）、第三反并二极管（Ｄ↓［３］）、第四反并二极管（Ｄ↓［４］）、第五反并二极管（Ｄ↓［５］）和第六反并二极管（Ｄ↓［６］）以反并联的形式相连，即功率开关管的漏极与其对应的反并二极管的阴极相连，功率开关管的源极与其对应的反并二极管的阳极相连，各功率开关管的栅极分别接各自的控制信号，控制功率开关管的开关动作。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何湘宁，杨波，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：实用新型
国别省市：86[中国|杭州]