[发明专利]高效率三电平单相逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及电逆变器。更具体而言，涉及一种三电平（three-level）单相逆变器。所述逆变器可应用于连网（grid-connected）系统。

背景技术

逆变器是将直流（DC）转化为交流（AC）的设备。一类逆变器可以通过将DC源连接到变压器的主绕组的中间抽头而构造。连接到DC源的开关在两个节点（每个节点连接到主绕组的相对端）之间快速的切换以使得电流通过两个交替通路（通过主绕组的一端然后通过另一端）流回到DC源。变压器的主绕组中的电流方向的交替在次级绕组中产生了交流（AC）电，这种设计或其他设计的逆变器可以从例如太阳能板、发电机、风力涡轮机、电池和其他源接收DC电力，将DC电力转化为AC电力，并将AC电力输出到本地负载或电力网。

这样的逆变器和其他包括变压器的逆变器在DC输入和AC输出之间设置有电流绝缘。然而，这些变压器具有严重的缺点，例如重量大、高成本、低效率、非一致功率因数（特别是在低负载情况下）。带有变压器的高频率逆变器可以减少重量并且具有一致功率因数，但是没有改善电力转化的效率。

无变压器的逆变器不需要利用沿着DC-AC转化通路的变压器而将DC电力转化为AC电力。无变压器的逆变器不包括变压器，而是包括电力开关元件，例如MOSFET和/或IGBT晶体管，所述电力开关元件被特别布置和控制为将接收到的DC电力转化为AC电力以减少DC输入和AC输出之间的干扰。无论是何种设计，在DC电力转化为AC电力期间，逆变器中能量都有损失。转换中的能量损失越少，逆变器就越有效。无变压器的逆变器尽管通常更复杂，但是比带有变压器的逆变器更有效率。

发明内容

尽管通常比基于变压器的逆变器效率更高，发明人已知悉对于某些应用，无变压器的逆变器的效率并不如期望的那么高。本发明的实施例包括一种具有改善的效率的无变压器的逆变器。在一个特殊实例中，本发明提供了一种可连网（grid-connectable）的逆变器，其具有第一DC输入节点和第二DC输入节点；第一AC输出节点和第二AC输出节点。该逆变器还包括第一开关，第二开关，第三开关和第四开关,第一二极管和第二二极管。该逆变器还包括四个通路：用于正半周期的正电流通路，用于正半周期的第一空转（free-wheel）电流通路，用于负半周期的负电流通路，以及用于负半周期的第二空转电流通路。所述第一空转电流通路包括所述第一AC输出节点、所述第一开关、所述第一二极管、所述第四开关和所述第二AC输出节点。在所述第一空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第一开关和第四开关之间的所述第一二极管串联。所述第二空转电流通路包括所述第二AC输出节点、所述第二开关、所述第二二极管、所述第三开关和所述第一AC输出节点。在所述第二空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第二开关和第三开关之间的所述第二二极管串联。

本发明的实施例还提供了一种利用可连网的逆变器将DC电力转化为AC电力的方法。所述逆变器包括第一和第二DC输入节点，第一和第二AC输出节点，四个开关（第一、第二、第三和第四开关），第一二极管，以及第二二极管。所述方法包括在所述第一和第二DC输入节点接收DC输入。至少所述第一、第二、第三和第四开关被控制以产生用于正半周期的正电流通路。在正半周期期间，所述第一开关和第四开关被闭合以产生第一空转电流通路。所述第一空转电流通路包括所述第一AC输出节点、所述第一开关、所述第一二极管、所述第四开关和所述第二AC输出节点。在所述第一空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第一开关和第四开关之间的所述第一二极管串联。所述方法还包括控制所述第一、第二、第三和第四开关以产生用于负半周期的负电流通路。在负半周期期间，所述第二开关和所述第三开关被闭合以产生用于负半周期的第二空转电流通路。所述第二空转电流通路包括所述第二AC输出节点、所述第二开关、所述第二二极管、所述第三开关和所述第一AC输出节点。在所述第二空转电流通路中，没有额外的二极管与所述第二开关和第三开关之间的所述第二二极管串联。

通过考虑如下说明书和附图，本发明的其他方面将变得更加明显。

附图说明

图1示出了一电力转化系统。

图2示出了现有技术的三电平无变压器的逆变器。

图3A-3D分别示出了针对现有技术的三电平无变压器的逆变器的四个开关状态。

图4示出了根据本发明的实施例的三电平无变压器的逆变器。

图5A-5D分别示出了针对根据本发明的实施例的三电平无变压器的逆变器的四个开关状态。