專利名稱:一種電壓變換器及其運(yùn)行方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明屬于電力電子領(lǐng)域,具體涉及將直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓的電壓變換器及其運(yùn)行方法。
背景技術(shù):
隨著能源的日益枯竭,可再生能源發(fā)電技術(shù),如光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等,得到廣泛關(guān)注,其中將可再生能源發(fā)出的不穩(wěn)定的電能轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的交流電能提供給交流負(fù)載或交流電網(wǎng)的裝置尤為重要,必須適應(yīng)輸入電壓在較大范圍內(nèi)變化的各種工況,同時(shí)實(shí)現(xiàn)能量的高效變換。就光伏逆變器而言,可分為隔離型和非隔離型。其中,效率高、低成本的非隔離型逆變器受到的關(guān)注度最高。常用的非隔離型逆變器,采用前級(jí)DC/DC升壓電路來實(shí)現(xiàn)直流電壓的調(diào)整,采用后級(jí)全橋電路實(shí)現(xiàn)逆變,前后兩級(jí)電路都工作在高頻狀態(tài),開關(guān)損耗較聞,轉(zhuǎn)換效率低;并且,如后兩級(jí)電路的開關(guān)器件需選用聞速開關(guān)管,成本聞。
發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此,本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),轉(zhuǎn)換效率高、成本低的電壓變換器及其運(yùn)行方法。本發(fā)明實(shí)施例提供的一種電壓變換器,用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,包括升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路和旁路單元;所述升壓電路的輸入端并聯(lián)連接在直流電源的兩端,所述第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路和逆變電路順序并聯(lián)連接在所述升壓電路的輸出端和交流負(fù)載之間,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;所述升壓電路用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;所述第一儲(chǔ)能濾波單元用于濾除所述升壓電路輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓輸出;所述降壓電路將所述第一中間電壓轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路將所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路。根據(jù)上述電壓變換器,在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路才工作,直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。優(yōu)選地,上述電壓變換器中的旁路單元為第一二極管,所述第一二極管的陽極接直流電源的正極,所述第一二極管的陰極接升壓電路的輸出端。進(jìn)一步地,上述升壓電路包括第一電感、第二二極管、第一開關(guān)器件,所述第一電感的第一端與直流電源的正極相連,第一電感的第二端與第二二極管的陽極和第一開關(guān)器件的第一端相連,第一開關(guān)器件的第二端接直流電源的負(fù)極,第二二極管的陰極接所述旁路單元的第二端;上述逆變電路包括第四開關(guān)器件、第五開關(guān)器件、第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第一支路,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在降壓電路的輸出端,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第一端,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第二端。進(jìn)一步地,上述第一儲(chǔ)能濾波單元包括第一電容,第一電容的第一端接第二二極管的陰極,第一電容的第二端接直流電源的負(fù)極;上述降壓電路包括第一 buck電路,第一buck電路包括第二開關(guān)器件、第三二極管、第二電感,第二開關(guān)器件的第一端與第一電容的第一端相連,第二開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陰極和第二電感的第一端相連,第三二極管的陽極接第一電容的第二端,第二電感的第二端和逆變電路相連。進(jìn)一步地,上述降壓電路還包括第二 buck電路,第二 buck電路包括第三開關(guān)器件、第三電感,第三開關(guān)器件的第一端接第一電容的第二端,第三開關(guān)器件的第二端接與第三二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第三電感的第二端和逆變電路相連。優(yōu)選地,上述第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第二電感和第三電感分別為同一型號(hào)的電子兀器件。進(jìn)一步地,上述第一儲(chǔ)能濾波單元還包括與第一電容串聯(lián)連接的第二電容,第一電容的第二端和第二電容的第一端相連且連接點(diǎn)用來產(chǎn)生所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位,第二電容的第二端接直流電源的負(fù)極;所述第二 buck電路還包括第四二極管,第三開關(guān)器件的第一端接第二電容的第二端,第三開關(guān)器件的第二端接與第四二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第四二極管的陰極與第三二極管的陽極相連且連接點(diǎn)接所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位。優(yōu)選地,上述第一電容和第二電容、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第三二極管和第四二極管、第二電感和第三電感分別為同一型號(hào)的電子元器件。進(jìn)一步地,上述電壓變換器還包括連接在降壓電路和逆變電路之間的第二儲(chǔ)能濾波單元,用于濾除所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓輸出給逆變電路。根據(jù)上述電壓變換器,在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提聞。本發(fā)明實(shí)施例還提供了 一種電壓變換器的運(yùn)行方法,所述電壓變換器用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,包括升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路和旁路單元;所述升壓電路的輸入端并聯(lián)連接在直流電源的兩端,所述第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路和逆變電路順序并聯(lián)連接在所述升壓電路的輸出端和交流負(fù)載之間,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;所述升壓電路用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;所述第一儲(chǔ)能濾波單元用于濾除所述升壓電路輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓輸出;所述降壓電路將所述第一中間電壓轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路將所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路;升壓電路包括第一電感、第二二極管、第一開關(guān)器件,所述第一電感的第一端與直流電源的正極相連,第一電感的第二端與第二二極管的陽極和第一開關(guān)器件的第一端相連,第一開關(guān)器件的第二端接直流電源的負(fù)極,第二二極管的陰極接所述旁路單元的第二端;逆變電路包括第四開關(guān)器件、第五開關(guān)器件、第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第一支路,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在降壓電路的輸出端,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第一端,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第二端;第一儲(chǔ)能濾波單元包括第一電容,第一電容的第一端接第二二極管的陰極,第一電容的第二端接直流電源的負(fù)極;上述降壓電路包括第一 buck電路,第一 buck電路包括第二開關(guān)器件、第三二極管、第二電感,第二開關(guān)器件的第一端與第一電容的第一端相連,第二開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陰極和第二電感的第一端相連,第三二極管的陽極接第一電容的第二端,第二電感的第二端和逆變電路相連;所述電壓變換器的運(yùn)行方法的要點(diǎn)在于,在所述直流電壓小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,判斷直流電壓與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值之間的大小,若直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作;若直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作,第二開關(guān)器件導(dǎo)通;在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。進(jìn)一步地,在交流電壓的正半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件導(dǎo)通,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件關(guān)斷,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件導(dǎo)通。進(jìn)一步地,上述電壓變換器還包括連接在降壓電路和逆變電路之間的第二儲(chǔ)能濾波單元,用于濾除所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓輸出給逆變電路。根據(jù)上述電壓變換器的運(yùn)行方法,在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。并且,交流電壓的每個(gè)工作周期中,同時(shí)只有一個(gè)開關(guān)器件處于高頻工作狀態(tài),系統(tǒng)開關(guān)損耗降低;此外,第四開關(guān)器件至第七開關(guān)器件處于工頻工作狀態(tài),因此可以選用導(dǎo)通壓降較低的慢速開關(guān)管,從而進(jìn)一步提高電壓變換器的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)降低成本。 本發(fā)明實(shí)施例還提供了 一種電壓變換器的運(yùn)行方法,所述電壓變換器用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,包括升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路和旁路單元;所述升壓電路的輸入端并聯(lián)連接在直流電源的兩端,所述第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路和逆變電路順序并聯(lián)連接在所述升壓電路的輸出端和交流負(fù)載之間,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;所述升壓電路用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;所述第一儲(chǔ)能濾波單元用于濾除所述升壓電路輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓輸出;所述降壓電路將所述第一中間電壓轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路將所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路;升壓電路包括第一電感、第二二極管、第一開關(guān)器件,所述第一電感的第一端與直流電源的正極相連,第一電感的第二端與第二二極管的陽極和第一開關(guān)器件的第一端相連,第一開關(guān)器件的第二端接直流電源的負(fù)極,第二二極管的陰極接所述旁路單元的第二端;逆變電路包括第四開關(guān)器件、第五開關(guān)器件、第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第一支路,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在降壓電路的輸出端,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第一端,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第二端;第一儲(chǔ)能濾波單元包括第一電容,第一電容的第一端接第二二極管的陰極,第一電容的第二端接直流電源的負(fù)極;所述降壓電路包括第一 buck電路和第二 buck電路,第一 buck電路包括第二開關(guān)器件、第三二極管、第二電感,第二 buck電路包括第三開關(guān)器件、第三電感,第二開關(guān)器件的第一端與第一電容的第一端相連,第二開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陰極和第二電感的第一端相連,第二電感的第二端與第四開關(guān)器件的第一端和第六開關(guān)器件的第一端相連,第三開關(guān)器件的第一端與第一電容的第二端相連,第三開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第三電感的第二端與第五開關(guān)器件的第二端和第七開關(guān)器件的第二端相連;優(yōu)選地,上述電壓變換器中的第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第二電感和第三電感分別選用為同一型號(hào)的電子元器件。所述電壓變換器的運(yùn)行方法的要點(diǎn)在于,在所述直流電壓小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,判斷直流電壓與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值之間的大小,若直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作;若直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件導(dǎo)通;在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。進(jìn)一步地,在交流電壓的正半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件導(dǎo)通,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件關(guān)斷,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件導(dǎo)通。進(jìn)一步地,上述電壓變換器還包括連接在降壓電路和逆變電路之間的第二儲(chǔ)能濾波單元,用于濾除所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓輸出給所述逆變電路。根據(jù)上述電壓變換器的運(yùn)行方法,在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。并且,降壓電路采用對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu),抑制了通過直流電源對(duì)地寄生電容流過的漏電流,提高了電壓變換器的工作可靠性,提高了電壓變換器抗電磁干擾的性能。
此外,降壓電路的對(duì)稱部分選用電氣性能和參數(shù)完全相同的電子元器件,從而進(jìn)一步抑制了通過直流電源對(duì)地寄生電容流過的漏電流、提高了電壓變換器的工作可靠性、提高了電壓變換器抗電磁干擾的性能。此外,交流電壓的每個(gè)工作周期中,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)相同,可以分別承受一半的電壓,因此第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件可以選用管壓降較低的開關(guān)管,提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本;同時(shí),第四開關(guān)器件至第七開關(guān)器件處于工頻工作狀態(tài),因此可以選用導(dǎo)通壓降較低的慢速開關(guān)管,從而進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本。本發(fā)明實(shí)施例還提供了 一種電壓變換器的運(yùn)行方法,所述電壓變換器用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,包括升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路和旁路單元;所述升壓電路的輸入端并聯(lián)連接在直流電源的兩端,所述第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路和逆變電路順序并聯(lián)連接在所述升壓電路的輸出端和交流負(fù)載之間,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;所述升壓電路用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;所述第一儲(chǔ)能濾波單元用于濾除所述升壓電路輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓輸出;所述降壓電路將所述第一中間電壓轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路將所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路;升壓電路包括第一電感、第二二極管、第一開關(guān)器件,所述第一電感的第一端與直流電源的正極相連,第一電感的第二端與第二二極管的陽極和第一開關(guān)器件的第一端相連,第一開關(guān)器件的第二端接直流電源的負(fù)極,第二二極管的陰極接所述旁路單元的第二端;逆變電路包括第四開關(guān)器件、第五開關(guān)器件、第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第一支路,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件串聯(lián)連接形成第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在降壓電路的輸出端,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第一端,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第二端;第一儲(chǔ)能濾波單元包括相互串聯(lián)連接的第一電容和第二電容,第一電容的第一端接第二二極管的陰極,第一電容的第二端和第二電容的第一端相連且連接點(diǎn)用于產(chǎn)生所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位,第二電容的第二端接直流電源的負(fù)極;所述降壓電路包括相互串聯(lián)連接的第一 buck電路和第二 buck電路,第一 buck電路包括第二開關(guān)器件、第三二極管、第二電感,第二 buck電路包括第三開關(guān)器件、第四二極管、第三電感,第二開關(guān)器件的第一端與第一電容的第一端相連,第二開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陰極和第二電感的第一端相連,第三二極管的陽極與第四二極管的陰極相連且連接點(diǎn)接所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位,第三開關(guān)器件的第一端接第二電容的第二端,第三開關(guān)器件的第二端接與第四二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第二電感的第二端與第四開關(guān)器件的第一端和第六開關(guān)器件的第一端相連,第三電感的第二端與第五開關(guān)器件的第二端和第七開關(guān)器件的第二端相連;優(yōu)選地,上述電壓變換器中的第一電容和第二電容、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第三二極管和第四二極管、第二電感和第三電感分別選用為同一型號(hào)的電子元器件。所述電壓變換器的運(yùn)行方法的要點(diǎn)在于,在所述直流電壓小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,判斷直流電壓與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值之間的大小,若直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作;若直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件導(dǎo)通;在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。進(jìn)一步地,在交流電壓的正半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件導(dǎo)通,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件關(guān)斷,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件導(dǎo)通。進(jìn)一步地,上述電壓變換器還包括連接在降壓電路和逆變電路之間的第二儲(chǔ)能濾波單元,用于濾除所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓輸出給所述逆變電路。根據(jù)上述電壓變換器的運(yùn)行方法,在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。并且,第一儲(chǔ)能濾波單元和降壓電路采用對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu),抑制了通過直流電源對(duì)地寄生電容流過的漏電流,提高了電壓變換器的工作可靠性,提高了電壓變換器抗電磁干擾的性能。此外,第一儲(chǔ)能濾波單元和降壓電路各自的對(duì)稱部分選用電氣性能和參數(shù)完全相同的電子元器件,從而進(jìn)一步抑制了通過直流電源對(duì)地寄生電容流過的漏電流、提高了電壓變換器的工作可靠性、提高了電壓變換器抗電磁干擾的性能。此外,交流電壓的每個(gè)工作周期中,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件的觸發(fā)信號(hào)相同,且第三二極管和第四二極管串聯(lián)連接在電壓變換器的正直流母線和負(fù)直流母線之間,因此第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件可以選用管壓降較低的開關(guān)管,第三二極管和第四二極管可以選用管壓降較低的二極管,提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本;同時(shí),第四開關(guān)器件至第七開關(guān)器件處于工頻工作狀態(tài),因此可以選用導(dǎo)通壓降較低的慢速開關(guān)管,從而進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本。
為了更清楚地說明本申請(qǐng)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案,下面將對(duì)實(shí)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(fā)明中記載的一些實(shí)施例,對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講,還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發(fā)明實(shí)施例的原理框圖;圖2為本發(fā)明實(shí)施例一的電路圖;圖3為圖2所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uae(t)1、交流電壓正半周、第二開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖4為圖2所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uae(t)1、交流電壓正半周、第二開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向不意圖5為圖2所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uac;(t)1、交流電壓負(fù)半周、第二開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖6為圖2所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uae(t)1、交流電壓負(fù)半周、第二開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向不意圖;圖7為圖2所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uae(t)1、交流電壓正半周、第一開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖8為圖2所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uae(t)1、交流電壓正半周、第一開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向意圖;圖9為圖2所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uae(t)1、交流電壓負(fù)半周、第一開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向意圖;圖10為圖2所示電路在低壓階段各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和第一、第二中間電壓波形圖;圖11為圖2所示電路在高壓階段各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和第一、第二中間電壓波形圖;圖12為本發(fā)明實(shí)施例二的電路圖;圖13為圖12所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uac;(t)|、交流電壓正半周、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖14為圖12所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uac;(t)|、交流電壓正半周、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向示意圖;圖15為圖12所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uac;(t)|、交流電壓負(fù)半周、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖16為圖12所示電路在低壓階段、Ud。不小于|Uac;(t)|、交流電壓負(fù)半周、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向示意圖;圖17為圖12所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uac;(t)|、交流電壓正半周、第一開關(guān)器件開通時(shí)的電流流向示意圖;圖18為圖12所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uac;(t)|、交流電壓正半周、第一開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向不意圖;圖19為圖12所示電路在低壓階段、Ud。小于|Uac;(t)|、交流電壓負(fù)半周、第一開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)的電流流向不意圖;圖20為圖12所示電路在低壓階段各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和第一、第二中間電壓波形圖;圖21為圖12所示電路在高壓階段各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形和第一、第二中間電壓波形圖;圖22為本發(fā)明實(shí)施例三的電路圖。
具體實(shí)施例方式為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好地理解本發(fā)明實(shí)施例的方案,下面結(jié)合附圖和實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。本發(fā)明實(shí)施例的目的在于提供相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),轉(zhuǎn)換效率高、成本低的電壓變換器及其運(yùn)行方法。參照?qǐng)D1,為本發(fā)明實(shí)施例公開的電壓變換器的原理框圖。所述電壓變換器用于將直流電源I輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載8,該電壓變換器包括順序連接在直流電源I和交流負(fù)載8之間的升壓電路2、第一儲(chǔ)能濾波單元3、降壓電路4、逆變電路6,以及與升壓電路2相連的旁路單元7,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;升壓電路2用于將直流電源I輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;第一儲(chǔ)能濾波單元3用于濾除所述升壓電路2輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓Udl輸出;所述降壓電路4將所述第一中間電壓Udl轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路6將所述降壓電路4輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載8 ;對(duì)應(yīng)于一個(gè)完整的工作周期,上述正弦交流電壓由正弦波的一個(gè)正半波和一個(gè)負(fù)半波組成;正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓由兩個(gè)正半波組成。旁路單元7用于在直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將升壓電路2芳路。進(jìn)一步地,旁路單元7為第一二極管D1,第一二極管Dl的陽極接直流電源I的正極,第一二極管Dl的陰極接第二二極管D2的陰極。利用二極管自身的阻斷特性實(shí)現(xiàn)旁路單元的旁路功能,電路簡單。進(jìn)一步地,該電壓變換器還包括第二儲(chǔ)能濾波單元5,連接在降壓電路4和逆變電路6之間,用于濾除所述降壓電路4輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓Ud2輸出給逆變電路6。需要說明的是,本發(fā)明實(shí)施例中直流電源I可以是太陽能電池板或由多個(gè)太陽能電池板串聯(lián)或并聯(lián)連接組成的光伏串、帶有整流電路的風(fēng)輪機(jī)、蓄電池或燃料電池等直流源,直流電源I具有對(duì)地寄生電容;交流負(fù)載8既可以是工作頻率為50Hz或60Hz的交流耗能負(fù)載,也可以是額定頻率為50Hz或60Hz的交流電網(wǎng)。即,本發(fā)明實(shí)施例中的電壓變換器既可以工作于并網(wǎng)運(yùn)行模式,也可以工作于獨(dú)立運(yùn)行模式。當(dāng)工作于并網(wǎng)運(yùn)行模式時(shí),電壓變換器與交流電網(wǎng)之間可連接設(shè)置于用戶的負(fù)載(未在圖中畫出),電壓變換器控制電壓變換器與交流電網(wǎng)對(duì)負(fù)載提供交流電的協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述電壓變換器,在直流電源I輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路2不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路2才工作,直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源I輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路2不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。如圖2所示,是本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電路圖。在該實(shí)施例中,升壓電路2包括第一電感L1、第二二極管D2、第一開關(guān)器件SI,第一電感LI的第一端與直流電源I的正極相連,第一電感LI的第二端與第二二極管D2的陽極和第一開關(guān)器件SI的第一端相連,第一開關(guān)器件SI的第二端接直流電源I的負(fù)極;旁路單元7的第一端與直流電源I的正極相連,旁路單元7的第二端接第二二極管D2的陰極;逆變電路6包括第四開關(guān)器件S4、第五開關(guān)器件S5、第六開關(guān)器件S6和第七開關(guān)器件S7,第四開關(guān)器件S4和第五開關(guān)器件S5串聯(lián)連接形成第一支路,第六開關(guān)器件S6和第七開關(guān)器件S7串聯(lián)連接形成第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在降壓電路4的兩端,第四開關(guān)器件S4和第五開關(guān)器件S5的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載8的第一端,第六開關(guān)器件S6和第七開關(guān)器件S7的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載8的第二端。進(jìn)一步地,第一儲(chǔ)能濾波單元3為第一電容Cl,第一電容Cl的第一端接第二二極管D2的陰極,第一電容Cl的第二端接直流電源I的負(fù)極。第一電容Cl升壓電路2輸出端的直流電壓進(jìn)行濾波輸出第一中間電壓Udl ;第一電容Cl可以選取容值較小的電容,一般不超過數(shù)十uF,例如選用薄膜電容,其壽命長,增加了逆變器的可靠性和壽命。降壓電路4為第一 buck電路,第一 buck電路包括第二開關(guān)器件S2、第三二極管D3、第二電感L2,第二開關(guān)器件S2的第一端與第一電容Cl的第一端相連,第二開關(guān)器件S2的第二端與第三二極管D3的陰極和第二電感L2的第一端相連,第三二極管D3的陽極接第一電容Cl的第二端,第二電感L2的第二端與第四開關(guān)器件的第一端和第六開關(guān)器件的第一端相連。進(jìn)一步地,旁路單元7為第一二極管D1,第一二極管Dl的陽極接直流電源I的正極,第一二極管Dl的陰極接第二二極管D2的陰極。利用二極管自身的阻斷特性實(shí)現(xiàn)旁路單元的旁路功能,電路簡單。進(jìn)一步地,該電壓變換器還包括第二儲(chǔ)能濾波單元5,連接在降壓電路4和逆變電路6之間,在本實(shí)施例中,第二儲(chǔ)能濾波單元5為第三電容C3,用于濾除逆變電路6的輸入端電壓中的高頻分量,輸出第二中間電壓Ud2 ;第三電容C3的第一端與第四開關(guān)器件的第一端和第六開關(guān)器件的第一端相連,第三電容C3的第二端與第五開關(guān)器件的第二端和第七開關(guān)器件的第二端相連。第三電容C3可以選取容值較小的電容,一般不超過數(shù)十uF,例如薄膜電容,其壽命長,增加了逆變器的可靠性和壽命。同時(shí),由于第三電容C3的存在,第一電容Cl在升壓電路2不被旁路時(shí),與升壓電路2中的第一電感LI共同濾波,因此第一電容Cl的容值可以選取得更小。需要說明的是,本發(fā)明實(shí)施例中,旁路單元7選用二極管來實(shí)現(xiàn),實(shí)際中,還可選用其他具備阻斷功能的電子元器件來實(shí)現(xiàn)在直流電源I的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間將升壓電路2旁路的功能,比如繼電器、接觸器或開關(guān)管等。還需要說明的是,上述第四開關(guān)器件S4至第七開關(guān)器件S7選用同一型號(hào)的開關(guān)器件,優(yōu)選IGBT ;當(dāng)選用IGBT時(shí),開關(guān)器件的第一端指IGBT的集電極,開關(guān)器件的第二端指IGBT的發(fā)射極;第一開關(guān)器件SI和第二開關(guān)器件S2優(yōu)選MOSFET ;當(dāng)選用MOSFET時(shí),開關(guān)器件的第一端指MOSFET的漏極,開關(guān)器件的第二端指MOSFET的源極。根據(jù)上述電壓變換器,在直流電源I輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路2不工作;在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路2才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源I輸出的直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的情況下,升壓電路2不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。以下結(jié)合圖3至圖11詳細(xì)描述本發(fā)明實(shí)施例一所述的電壓變換器(具體電路如圖2所示)的運(yùn)行方法。圖3至圖9給出了本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器在一個(gè)工作周期內(nèi)的電流流向示意圖,本發(fā)明實(shí)施例中所指的一個(gè)工作周期由電壓變換器輸出的交流電壓的正半周和負(fù)半周組成。圖10、圖11分別給出了本發(fā)明實(shí)施例一在低壓階段、高壓階段電壓變換器中各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。為了描述方便,定義Ud。為直流電源I輸出的直流電壓,|uac(t)為電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,Uac(隱)為電網(wǎng)電壓峰值,定義Ud。不小于Uac;(max)的期間為高壓階段,定義Ud。小于Uac(fflax)的期間為低壓階段。下面結(jié)合圖3至圖10先闡述本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器在低壓階段的運(yùn)行方法,為了描述方便,分交流電壓的正半周和負(fù)半周展開論述。1、交流電壓的正半周逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7導(dǎo)通,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6關(guān)斷。(I)當(dāng) Udc 不小于 |Uac(t)| 時(shí)升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2由高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。a、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖3所示,直流電源I輸出的電流直接經(jīng)旁路單元的第一二極管Dl、降壓電路4中的第二開關(guān)器件
S2、第二電感L2和逆變電路6到交流負(fù)載8,電流路徑為直流電源I正極-D1-S2-L2-S4-交流負(fù)載8-S7-直流電源I負(fù)極。b、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖4所示,直流電源I輸出的電流通過降壓電路4中的第三二極管D3續(xù)流,電流路徑為L2-S4-交流負(fù)載8-S7-D3-L2,可以看出,交流續(xù)流回路與直流側(cè)完全斷開。(2)當(dāng) Udc 小于 |Uac(t)| 時(shí)在此期間,降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2開通;升壓電路2工作,第一開關(guān)器件Si由高頻信號(hào)觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖7所示,直流電源I輸出的直流電壓Udc經(jīng)升壓電路2進(jìn)行升壓。電流路徑為直流電源I正極-Ll-Sl-直流電源I負(fù)極。b、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖8所示,電流路徑為直流電源I正極-L1-D2-S2-L2-S4-交流負(fù)載8S7-直流電源I負(fù)極。2、交流電壓的負(fù)半周逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7關(guān)斷,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6導(dǎo)通。(I)當(dāng) Udc 不小于 |Uac(t)| 時(shí)
升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2由高頻信號(hào)觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖5所示,電流直接經(jīng)旁路單元的第一二極管Dl、降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2、第二電感L2和逆變電路6到交流負(fù)載8,電流路徑為直流電源I正極-D1-S2-L2-S6-交流負(fù)載8-S5-直流電源I負(fù)極。b、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖6所示,電流通過降壓電路4中的第三二極管D3和第二電感L2續(xù)流,電流路徑為L2-S6-交流負(fù)載8-S5-13-L2,可以看出,交流續(xù)流回路與直流側(cè)完全斷開。(2)當(dāng) Udc 小于 |Uac(t)| 時(shí)在此期間,降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2開通;升壓電路2工作,第一開關(guān)器件Si由高頻信號(hào)觸發(fā)。 a、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖7所示,直流電源I輸出的直流電壓Udc經(jīng)升壓電路2進(jìn)行升壓。電流路徑為直流電源I正極-Ll-Sl-直流電源I負(fù)極。b、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖9所示,電流路徑為直流電源I正極-L1-D2-S2-L2-S6-交流負(fù)載8-S5-直流電源I負(fù)極。需要說明的是,本發(fā)明實(shí)施例所述的高頻脈沖信號(hào)為KHz范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)或脈沖寬度調(diào)制信號(hào),工頻脈沖信號(hào)的頻率為50Hz或60Hz。以上對(duì)圖2所示的本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器在低壓階段的工作過程進(jìn)行了描述。從圖10中可以看出,第一中間電壓Udl是部分為凸?fàn)畹牟ㄐ?,其中凸?fàn)畈ㄐ尾糠謱?duì)應(yīng)的是Ud。小于|Uac;(t)|期間,即升壓電路2工作的期間;第二中間電壓Ud2是經(jīng)過濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓,該濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓經(jīng)逆變電路6工頻換向后生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波交流電壓提供給交流負(fù)載8。下面結(jié)合圖11對(duì)本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器在高壓階段的運(yùn)行方法進(jìn)行闡述,在高壓階段,升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI 一直關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2由高頻信號(hào)觸發(fā)。同樣,在交流電壓的正半周,逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7導(dǎo)通,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7關(guān)斷,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6導(dǎo)通。因?yàn)槎x高壓階段為直流電壓仏。不小于電網(wǎng)電壓峰值Uac;(max)的情況,因此不存在Ud。小于|Uac;(t)|的情況,本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器在高壓階段的電流流向圖如圖3至圖6所示,詳細(xì)的工作過程和上文低壓階段Ud。不小于|Uac;(t)|的工作過程相同。從圖11可以看出,由于升壓電路2在高壓階段不工作,第一二極管Dl的管壓降很小,可以忽略不計(jì),因此第一中間電壓Udl的大小等于直流電源I的直流電壓ud。;第二中間電壓Ud2是濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓,該濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓經(jīng)逆變電路6工頻換向后生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波交流電壓提供給交流負(fù)載8。根據(jù)上述電壓變換器的運(yùn)行方法,在直流電源I輸出的直流電壓Ud。不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值|uac;(t)|的期間,升壓電路2不工作;在直流電壓Ud。小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值|uac;(t)|的期間,升壓電路2才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在直流電源I輸出的直流電壓Udc不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值|uac(t) I的情況下,升壓電路2不工作,因此轉(zhuǎn)換效率也得到提高。并且,交流電壓的每個(gè)工作周期中,同時(shí)只有一個(gè)開關(guān)器件(SI或S2)處于高頻工作狀態(tài),系統(tǒng)開關(guān)損耗降低,同時(shí),第四開關(guān)器件S4至第七開關(guān)器件S7處于工頻工作狀態(tài),因此可以選用導(dǎo)通壓降較低的慢速開關(guān)管,從而進(jìn)一步提高電壓變換器的轉(zhuǎn)換效率,同時(shí)降低成本。本發(fā)明實(shí)施例二的電路圖如圖12所示。從圖12可以看出,相對(duì)于本發(fā)明實(shí)施例一(具體電路見圖2),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的區(qū)別在于,第一儲(chǔ)能濾波單元3還包括與第一電容Cl串聯(lián)連接的第二電容C2,第一電容Cl經(jīng)第二電容C2接直流電源I的負(fù)極,第一電容Cl的第二端和第二電容C2的第一端相連且連接點(diǎn)用于產(chǎn)生第一中間電壓Udl的中點(diǎn)電位,第二電容C2的第二端接直流電源I的負(fù)極;所述降壓電路4還包括第二 buck電路,第二 buck電路包括第三開關(guān)器件
S3、第四二極管D4、第三電感L3,第二開關(guān)器件S2的第一端與第一電容Cl的第一端相連,第二開關(guān)器件S2的第二端與第三二極管D3的陰極和第二電感L2的第一端相連,第三二極管D3的陽極與第四二極管D4的陰極相連且連接點(diǎn)接所述第一中間電壓Udl的中點(diǎn)電位,第三開關(guān)器件S3的第一端接第二電容C2的第二端,第三開關(guān)器件S3的第二端接與第四二極管D4的陽極和第三電感L3的第一端相連,第二電感L2的第二端與第四開關(guān)器件的第一端和第六開關(guān)器件的第一端相連,第三電感L3的第二端與第五開關(guān)器件的第二端和第七開關(guān)器件的第二端相連。進(jìn)一步地,第一電容Cl和第二電容C2、第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3、第三二極管D3和第四二極管D4、第二電感L2和第三電感L3分別為同一型號(hào)的電子元器件。和本發(fā)明實(shí)施例一同理,由于第三電容C3的存在,第一電容Cl和第二電容C2可以選取容值較小的電容,一般不超過數(shù)十uF,例如薄膜電容。需要說明的是,實(shí)際應(yīng)用中由于第一電容Cl和第二電容C2共同參與濾波,第一電容Cl取值可比本發(fā)明實(shí)施例一中的取值小。第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3優(yōu)選MOSFET ;當(dāng)選用MOSFET時(shí),開關(guān)器件的第一端指MOSFET的漏極,開關(guān)器件的第二端指MOSFET的源極。本發(fā)明實(shí)施例二電壓變換器電路的其他部分和要求同實(shí)施例一,此處不再贅述。以下結(jié)合圖13至圖21詳細(xì)描述圖12所示電壓變換器的運(yùn)行方法。為描述方便,定義Um為圖中A點(diǎn)與O點(diǎn)的電壓,Um為圖中B點(diǎn)與O點(diǎn)的電壓,Ucm為共模電壓,Icm為共模漏電流,Ccm為直流電源I對(duì)地寄生電容的容值,即共模電容容值。圖13至圖19給出了其在各種工作狀態(tài)下的電流流向示意圖,圖20、圖21分別給出了本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器在低壓階段、高壓階段各開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)波形。下面先結(jié)合圖13至圖20闡述本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器在低壓階段的運(yùn)行方法,為了描述方便,分交流電壓的正半周和負(fù)半周展開論述。1、交流電壓的正半周逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7導(dǎo)通,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6關(guān)斷。
(I)當(dāng)仏。不小于|Uae(t)|時(shí)升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3由高頻信號(hào)同步觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖13所示,直流電源I輸出的電流直接經(jīng)旁路單元的第一二極管D1、降壓電路4和逆變電路6到交流負(fù)載8,電流路徑為直流電源I正極-D1-S2-L2-S4-交流負(fù)載8-S7-L3-S3-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Udc, Ubo = 0,逆變器的共模電壓為UCM(UA0+UB0)/2 = Udc/2(I)b、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖14所示,電流通過降壓電路4中的第三二極管D3、第四二極管D4、第二電 感L2、第三電感L 3續(xù)流,電流路徑為L2-S4-交流負(fù)載8-S7-L 3-D4-D3-L2,可以看出,交流續(xù)流回路與直流側(cè)完全斷開。此時(shí),Uao = Ubo = Udc/2,逆變器的共模電壓為UCM(UA0+UB0)/2 = Udc/2(2)(2)當(dāng)仏。小于 |Uac;(t)| 時(shí)在此期間,降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3開通;升壓電路2工作,第一開關(guān)器件Si由高頻信號(hào)觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖17所示,直流電源I輸出的直流電壓Udc經(jīng)升壓電路2進(jìn)行升壓。電流路徑為直流電源I正極-Ll-Sl-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Udl,Ubo = 0,逆變器的共|旲電壓為Ucm(UA0+UB0)/2 = Udl/2(3)b、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例一的電壓變換器的電流流向如圖18所示,電流路徑為直流電源I正極-L1-D2-S2-L2-S4-交流負(fù)載8-S7-L3-S3-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Ubo = Udl/2,逆變器的共模電壓為UCM(UA0+UB0)/2 = Udl/2(4)2、交流電壓的負(fù)半周逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7關(guān)斷,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6導(dǎo)通。(I)當(dāng) ud。不小于 |uac;(t)| 時(shí)升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3由高頻信號(hào)觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖15所示,電流直接經(jīng)旁路單元的第一二極管D1、降壓電路4和逆變電路6到交流負(fù)載8,電流路徑為直流電源I正極-D1-S2-L2-S6-交流負(fù)載8-S5-L3-S3-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Udc, Ubo = 0,逆變器的共模電壓為
UCM(UA0+UB0)/2 = Udc/2(5)b、當(dāng)?shù)诙_關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖16所示,電流通過降壓電路4中的第三二極管D3、第四二極管D4、第二電感L2、第三電感L3續(xù)流,電流路徑為L2-S6-交流負(fù)載8-S5-L3-D4-D3-L2,可以看出,交流續(xù)流回路與直流側(cè)完全斷開。此時(shí),Uao = Ubo = Udc;/2,逆變器的共模電壓為UCM(UA0+UB0)/2 = Udc/2(6)(2)當(dāng) Udc 小于 |Uac(t)| 時(shí)在此期間,降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3開通;升壓電路2工作,第一開關(guān)器件Si由高頻信號(hào)觸發(fā)。a、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI導(dǎo)通時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖17所示,直流電源I輸出的直流電壓Udc經(jīng)升壓電路2進(jìn)行升壓。電流路徑為直流電源I正極-Ll-Sl-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Udl,Ubo = 0,逆變器的共模電壓為Ucm(UA0+UB0)/2 = Udl/2(7)b、當(dāng)?shù)谝婚_關(guān)器件SI關(guān)斷時(shí),本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器的電流流向如圖19所示,電流路徑為直流電源I正極-L1-D2-S2-L2-S6-交流負(fù)載8_S5_L 3-S 3-直流電源I負(fù)極。此時(shí),Uao = Ubo = Udl/2,逆變器的共模電壓為Ucm(UA0+UB0)/2 = Udl/2(8)由上述對(duì)電壓變換器運(yùn)行方法的分析可以看出,由于Udl與Udc近似相等,因此,共模電壓Uqi在交流電壓的整個(gè)周期中幾乎恒定不變,由共模電壓Uqi與共模漏電流^之間的關(guān)系(ica = CcMcIVcm/dt)可知,共t旲漏電流ic;M近似為零。以上對(duì)圖12所示的本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器在低壓階段的運(yùn)行方法進(jìn)行了描述。從圖20可以看出,第一中間電壓Udl是部分為凸?fàn)畹牟ㄐ?,其中凸?fàn)畈糠謱?duì)應(yīng)的是ud。小于|uac;(t)|期間,即升壓電路工作的期間;第二中間電壓Ud2是濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓,該濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓經(jīng)逆變電路6工頻換向后生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波交流電壓提供給交流負(fù)載8。下面結(jié)合圖21對(duì)本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器在高壓階段的工作原理進(jìn)行闡述,在高壓階段,升壓電路2不工作,第一開關(guān)器件SI 一直關(guān)斷;降壓電路4中的第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3由高頻信號(hào)觸發(fā)。同樣,在交流電壓的正半周,逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7導(dǎo)通,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,逆變電路6中的第四開關(guān)器件S4和第七開關(guān)器件S7關(guān)斷,第五開關(guān)器件S5和第六開關(guān)器件S6導(dǎo)通。因?yàn)槎x高壓階段為直流電壓Udc不小于電網(wǎng)電壓峰值Uac;(max)的情況,因此不存在Ud。小于|Uac;(t)|的情況,本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器在高壓階段的電流流向圖如圖13至圖16所示。從圖21可以看出,第一中間電壓Udl的大小等于直流電壓Ud。,第二中間電壓Ud2是濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓,該濾波后的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓經(jīng)逆變電路6工頻換向后生成標(biāo)準(zhǔn)的正弦波交流電壓提供給交流負(fù)載8。需要說明的是,上述高頻脈沖信號(hào)為KHz范圍內(nèi)的脈沖信號(hào)或脈沖寬度調(diào)制信號(hào),工頻脈沖信號(hào)的頻率為50Hz或60Hz。從上述本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器及其運(yùn)行方法可以得知,在Ud。不小于|uac(t)的期間,升壓電路2不工作;在Ud。小于|Uac;(t)|的期間,升壓電路2才工作,電壓變換器電路簡單,且直流電壓工作范圍寬、電壓利用率高。并且在Ud。不小于|uae(t)|的期間,升壓電路2不工作,因此轉(zhuǎn)換效率得到提高。并且,從上述本發(fā)明實(shí)施例二的電壓變換器及其運(yùn)行方法,可以得知,升壓電路不工作時(shí),交流續(xù)流回路與直流側(cè)完全斷開,從而有效抑制了共模漏電流;而在升壓電路工作時(shí),盡管交流續(xù)流回路包括直流側(cè),但經(jīng)升壓電路2中的第一電感LI和第一儲(chǔ)能濾波單元3的共同作用下,能較好的濾除直流電壓中的高頻分量,從而抑制了高頻漏電流。并且,第一儲(chǔ)能濾波單元3和降壓電路4采用對(duì)稱的電路結(jié)構(gòu),抑制了通過直流電源I對(duì)地寄生電容流過的漏電流,提高了電壓變換器的工作可靠性,提高了電壓變換器抗電磁干擾的性能。此外,第一儲(chǔ)能濾波單元3、降壓電路4的對(duì)應(yīng)部分選用電氣性能和參數(shù)完全相同的電子元器件且同步動(dòng)作,從而進(jìn)一步抑制了通過直流電源I對(duì)地寄生電容流過的漏電流、提高了電壓變換器的工作可靠性和電壓變換器抗電磁干擾的性能。此外,交流電壓的每個(gè)工作周期中,第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3的觸發(fā)信號(hào)相同,且第三二極管D3和第四二極管D4串聯(lián)連接在電壓變換器的正直流母線和負(fù)直流母線之間,因此第二開關(guān)器件S2和第三開關(guān)器件S3可以選用管壓降較低的開關(guān)管,第三二極管D3和第四二極管D4可以選用管壓降較低的二極管,提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本;同時(shí),第四開關(guān)器件S4至第七開關(guān)器件S7處于工頻工作狀態(tài),因此可以選用導(dǎo)通壓降較低的慢速開關(guān)管,從而進(jìn)一步提高了轉(zhuǎn)換效率,降低了成本。本發(fā)明實(shí)施例三的電路圖如圖22所示。與本發(fā)明實(shí)施例二(具體電路如圖12所示)相比,實(shí)施例三的電路區(qū)別在于第一儲(chǔ)能濾波單元3為第一電容,不是采用對(duì)稱結(jié)構(gòu);降壓電路4中第一 buck電路和第二 buck電路共用一個(gè)二極管,即第三二極管D3;因此在實(shí)施例三中,第三二極管D3所需要承受的壓降比實(shí)施例二的要大一些。實(shí)施例三的電壓變換器的運(yùn)行方法和實(shí)施例二的運(yùn)行方法相同,此處不再贅述。綜上所述,相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明實(shí)施例提供的電壓變換器直流電壓工作范圍更寬、轉(zhuǎn)換效率更高、成本低、且能有效抑制漏電流。以上對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)介紹,本文中應(yīng)用了具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了闡述,以上實(shí)施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的設(shè)備和方法;同時(shí),對(duì)于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員,依據(jù)本發(fā)明的思想,在具體實(shí)施方式
及應(yīng)用范圍上均會(huì)有改變之處,綜上所述,本說明書內(nèi)容不應(yīng)理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種電壓變換器,用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,其特征在于,該電壓變換器包括升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路和旁路單元;所述升壓電路的輸入端并聯(lián)連接在直流電源的兩端,所述第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路和逆變電路順序并聯(lián)連接在所述升壓電路的輸出端和交流負(fù)載之間,所述旁路單元的第一端與直流電源的正極相連,其第二端接升壓電路的輸出端;所述升壓電路用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓并輸出;所述第一儲(chǔ)能濾波單元用于濾除所述升壓電路輸出的較高的直流電壓中的高頻分量并生成第一中間電壓輸出;所述降壓電路將所述第一中間電壓轉(zhuǎn)換為正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓;逆變電路將所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓進(jìn)行工頻換向生成正弦交流電壓提供給交流負(fù)載;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器,其特征在于,所述升壓電路包括第一電感、第二二極管、第一開關(guān)器件,所述第一電感的第一端與直流電源的正極相連,第一電感的第二端與第二二極管的陽極和第一開關(guān)器件的第一端相連,第一開關(guān)器件的第二端接直流電源的負(fù)極,第二二極管的陰極接所述旁路單元的第二端;所述逆變電路包括由第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件串聯(lián)連接形成的第一支路和由第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件串聯(lián)連接形成的第二支路,第一支路和第二支路分別并聯(lián)在所述降壓電路的輸出端,第四開關(guān)器件和第五開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第一端,第六開關(guān)器件和第七開關(guān)器件的連接點(diǎn)引出接交流負(fù)載的第二端。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電壓變換器,其特征在于,所述第一儲(chǔ)能濾波單元包括第一電容,第一電容的第一端接第二二極管的陰極,第一電容的第二端接直流電源的負(fù)極;所述降壓電路包括第一buck電路,第一buck電路包括第二開關(guān)器件、第三二極管、第二電感,第二開關(guān)器件的第一端與第一電容的第一端相連,第二開關(guān)器件的第二端與第三二極管的陰極和第二電感的第一端相連,第三二極管的陽極接第一電容的第二端,第二電感的第二端和所述逆變電路相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電壓變換器,其特征在于,所述降壓電路還包括第二buck電路,第二 buck電路包括第三開關(guān)器件、第三電感,第三開關(guān)器件的第一端接第一電容的第二端,第三開關(guān)器件的第二端接與第三二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第三電感的第二端和所述逆變電路相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓變換器,其特征在于,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第二電感和第三電感分別為同一型號(hào)的電子元器件。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電壓變換器,其特征在于,所述第一儲(chǔ)能濾波單元還包括與第一電容串聯(lián)連接的第二電容,第一電容的第二端和第二電容的第一端相連且連接點(diǎn)用來產(chǎn)生所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位,第二電容的第二端接直流電源的負(fù)極;所述第二 buck電路還包括第四二極管,第三開關(guān)器件的第一端接第二電容的第二端,第三開關(guān)器件的第二端接與第四二極管的陽極和第三電感的第一端相連,第四二極管的陰極與第三二極管的陽極相連且連接點(diǎn)接所述第一中間電壓的中點(diǎn)電位。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電壓變換器,其特征在于,所述第一電容和第二電容、第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件、第三二極管和第四二極管、第二電感和第三電感分別為同一型號(hào)的電子元器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電壓變換器,其特征在于,所述旁路單元為第一二極管,所述第一二極管的陽極接直流電源的正極,所述第一二極管的陰極接升壓電路的輸出端。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項(xiàng)所述的電壓變換器,其特征在于,該電壓變換器還包括連接在降壓電路和逆變電路之間的第二儲(chǔ)能濾波單元,用于濾除所述降壓電路輸出的正弦波交流電壓的絕對(duì)值電壓中的高頻分量并生成第二中間電壓輸出給所述逆變電路。
10.一種基于權(quán)利要求3所述的電壓變換器的運(yùn)行方法,其特征在于,在所述直流電壓小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,判斷直流電壓與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值之間的大小,若直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作;若直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作,第二開關(guān)器件導(dǎo)通;在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電壓變換器的運(yùn)行方法,其特征在于,在交流電壓的正半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件導(dǎo)通,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件關(guān)斷,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件導(dǎo)通。
12.一種基于權(quán)利要求5或7所述的電壓變換器的運(yùn)行方法,其特征在于,在所述直流電壓小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,判斷直流電壓與電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值之間的大小,若直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作;若直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值,第一開關(guān)器件被高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件導(dǎo)通;在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓峰值的情況下,第一開關(guān)器件關(guān)斷,第二開關(guān)器件和第三開關(guān)器件被同步的高頻信號(hào)觸發(fā)動(dòng)作。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的電壓變換器的運(yùn)行方法,其特征在于,在交流電壓的正半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件導(dǎo)通,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件關(guān)斷;在交流電壓的負(fù)半周,第四開關(guān)器件和第七開關(guān)器件關(guān)斷,第五開關(guān)器件和第六開關(guān)器件導(dǎo)通。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電壓變換器,用于將直流電源輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換成交流電壓提供給交流負(fù)載,包括旁路單元和順序并聯(lián)連接在直流電源和交流負(fù)載之間升壓電路、第一儲(chǔ)能濾波單元、降壓電路、逆變電路;所述旁路單元用于在所述直流電壓不小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,將所述升壓電路旁路;本發(fā)明還公開了該電壓變換器的運(yùn)行方法,在交流電壓的每個(gè)工作周期中,逆變電路工頻動(dòng)作;其中,只有在直流電壓小于電網(wǎng)電壓瞬時(shí)值的絕對(duì)值的期間,升壓電路工作。相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的電壓變換器直流電壓工作范圍寬、轉(zhuǎn)換效率更高且成本低。
文檔編號(hào)H02M7/42GK103001511SQ201110269870
公開日2013年3月27日 申請(qǐng)日期2011年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月13日
發(fā)明者耿后來, 倪華, 梅曉東, 胡兵, 趙為 申請(qǐng)人:陽光電源股份有限公司