[发明专利]宽输入电压范围的逆变器拓扑

说明书

技术领域

本发明属于电力变流领域，是把直流电变换成交流电的一种拓扑结构，可以广泛应用于直流输入电压变化范围宽的逆变器中，例如光伏逆变器、风力发电逆变器等。

背景技术

在一些需要把直流电能逆变成交流电能的应用中，输入直流电压范围波动很大，比如光伏并网逆变器，光伏电池板的输出电压随光照变化，其波动很大。这就要求其后级的逆变器支持宽范围的输入电压。针对这种情况，如果使用传统的桥式逆变拓扑，它要求逆变器的输入电压要高于期望输出的交流峰值电压，这样不仅限制了应用范围，而且由于输入电压波动很大所以要求桥式逆变器中选择的开关管额定电压很高，这样就增加了逆变器成本。如果输入的直流电压范围不能保持高于交流输出的电压峰值，现在通常使用的拓扑是两级结构，即先boost升压，再桥式逆变。这种方案有结构复杂，成本高等缺点。

发明内容

本发明提出了一种逆变拓扑结构，创新的实现了结构简单、低成本的宽输入电压范围逆变。

本发明采用的拓扑结构(参考图1、图2、图3和图4)和工作原理是：

直流电输入端正负极之间串联斩波开关(图1中的S10，图2中的S20，图3和图4中的S5和S6)、平波储能电感(图1和图2中的L10，图3和图4中的L1和L2)和H型换向升压桥(图1中的S1、S2、D2、S3、S4、D4组成的电路，图2中的S1、D1、S2、D2、S3、S4组成的电路，图3中的S1、D1、S2、S3、D3、S4组成的电路，图4中的S1、S2、S3、D3、S4、D4组成的电路，下文简称H型换向升压桥为H桥)，有续流电路(图1和图2中的D10，，图3中D12，图4中的C5、C6、D5、D6组成的电路)跨过平波储能电感和H桥，当斩波开关管关断时平波储能电感的电流可以通过续流电路续流，H桥的两个桥臂的中点之间是逆变的交流输出，并且连接有平波储能电容(图1、图2、图3、图4中的C2)，H桥的四个半桥臂每个上面都有开关管(图1、图2、图3和图4中的S1、S2、S3、S4)，并且至少其中有两个相邻的半桥臂是单向的；单向半桥臂实现方式有多种，例如采用开关管串联二极管实现、采用晶闸管实现、采用耐反向电压的开关管实现等。

系统工作时，当逆变输出的交流波形电压值小于输入的直流电压时，系统处于降压模式。这时，斩波开关处于高频开关状态，H桥处于换向状态；通过调制斩波开关的占空比控制输出电压波形的波动；H桥上的两个对角开关管开通、两个对角开关管关断，通过切换这两对开关管的开关状态实现输出电压极性的变换。

系统工作时，当逆变输出的交流波形电压值大于输入的直流电压时，系统处于升压模式。这时，斩波开关处于开通状态，H桥处于换向并开关升压状态；H桥的一组对角开关管处于开通状态，另外一组对角两个开关管中的一个处于关断状态，一个处于高频开关状态(这里又称此时处于高频开关状态的管子为升压开关管)，作升压开关管的条件是与它同直流输入极的另外一个半桥臂必须是单向的，防止输出侧的平波储能电容在桥臂之间形成放电；升压开关管与前级的平波储能电感，输出侧的储能电容形成Boost升压电路，通过调整此高频开关管的开关占空比控制输出电压波形的波动。

在本原理的拓扑中，斩波开关和平波储能电感为不同的目的可以有三种放置方式(下文称为斩波放置方式)。第一种斩波放置方式(参考图1)是单斩波开关和平波储能电感单侧放置方式，即采用一个斩波开关和一个平波储能电感，它们串联放在直流输入的同一极上；第二种斩波放置方式(参考图2)是单斩波开关和平波储能电感对侧放置方式，采用一个斩波开关和一个平波储能电感，但它们不放在同一输入极上，一个放在正极侧，一个放在负极侧；第三种斩波放置方式(参考图3和图4)是双斩波开关和平波储能电感对称放置方式，采用两组斩波开关和平波储能电感，一组斩波开关和平波储能电感串联放在直流输入的正极侧，另外一组串联放在直流输入的负极侧。第一种和第二种斩波放置方式结构简单，但由于是不对称结构，所以有共模干扰的问题，第三种斩波放置方式的好处是系统运行时直流输入和交流输出之间没有共模干扰输出。

在本原理的拓扑中，平波储能电感的续流电路根据不同斩波放置方式有两种方式。第一种是直接续流方式(参考图1、图2、图3)，即跨过平波储能电感和H桥直接连接二极管(图1和图2中的D10，图3中的D12)；第二种是中点钳位续流方式(参考图4)，跨过平波储能电感和H桥通过两个二极管串联(图4中的D5和D6)，两个二极管的中点与电源输入端两个串联的电容(图4中的C5和C6)中点相连接。中点钳位续流方式通常用于双斩波开关和平波储能电感对称放置方式中。