一种高频链串联式逆变拓扑结构

摘要

本发明实施例公开了一种高频链串联式逆变拓扑结构，包括：N个光伏组件、N个高频链逆变电路以及工频换相电路，所述N个高频链逆变电路的输入端分别连接所述N个光伏组件，所述N个高频链逆变电路的输出端串联后连接所述工频换相电路的输入端，所述工频换相电路的输出端连接交流电网或交流负载，所述N个光伏组件输出的直流电压经所述N个高频链逆变电路高频正弦波脉冲宽度调制SPWM升压转化为N个正弦全波整流波交流输出，所述N个正弦全波整流波交流串联叠加并经所述工频换相电路转换为正弦波交流并入交流电网实现并网工作或输出至交流负载，其中，所述工频换相电路工作于工频。本发明实施例提供的技术方案能够有效提高逆变电路的工作效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体涉及一种高频链串联式逆变拓扑结构。

背景技术

传统直流-直流升压变换器也称作Boost变换器，如图1所示，其基本工作原理为：开关管S1导通时，电感L1存储能量，输出负载R1的能量由电容C2提供；开关管S1关断时，输入电源Vin及存储在L1的能量与通过二极管D2给C2充电，并提供给输出负载R1。输出电压为：其中D为占空比，因而可以实现升压功能，但输出电压增益线性范围较小，虽然可以通过设置更大的占空比来得到更高的输出电压，但占空比进一步增大时，甚至会出现输入电压反而下降的情况。因此，传统Boost变换器的占空比不宜过大，这样才能得到输出电压与占空比的正比例线性函数关系。目前，还没有更适合的功率变换拓扑，以适应高升压比的实际应用。

现有技术中的逆变拓扑结构一般采用两级式结构，前级为DC/DC升压、后级为DC/AC逆变，虽然已经实现了技术成熟、简单可靠，但是这两级功率变换电路都是高频工作，导致较大的开关损耗，降低了逆变拓扑的工作效率。

发明内容

本发明实施例提供了一种高频链串联式逆变拓扑结构，以期提升逆变拓扑的工作效率。

本发明实施例第一方面提供一种高频链串联式逆变拓扑结构，包括：

N个光伏组件、N个高频链逆变电路以及工频换相电路，所述N为大于或等于2的正整数，其中：

所述N个高频链逆变电路的输入端分别连接所述N个光伏组件，所述N个高频链逆变电路的输出端串联后连接所述工频换相电路的输入端，所述工频换相电路的输出端连接交流电网或交流负载；

所述N个光伏组件输出的直流电压经所述N个高频链逆变电路转化为N个正弦全波整流波交流输出，所述N个正弦全波整流波交流串联叠加并经所述工频换相电路转换为正弦波交流并入交流电网实现并网工作或输出至交流负载。

可选的，所述高频链逆变电路包括反激变换器电路和升压变换器电路。

可选的，所述反激变换器电路包括：变压器T_i、第一开关管S_1i、第四二极管D4i、第二电容C_2i；

其中，所述变压器T_i的第一输入端连接所述光伏组件的输入端，所述变压器T_i的第二输入端连接第一开关管S_1i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述光伏组件的输出端，所述变压器T_i的第一输出端连接所述第四二极管D4i的输入端，所述变压器T_i的第二输出端连接所述第二电容C_2i的第二端，所述第四二极管D4i的输出端连接所述第二电容C_2i的第一端。

可选的，所述反激变换器电路还包括：第四开关管S_4i；

所述第四开关管S_4i的第一端连接所述第四二极管D_4i的输入端，所述第四开关管S_4i的第二端连接所述第四二极管D_4i的输出端。

可选的，所述升压变换器电路包括：变压器T_i、第一开关管S_1i、第二二极管D_2i、第九二极管D_9i、第三二极管D_3i及第三电容C_3i；

其中，所述变压器T_i的第一输入端连接所述光伏组件的输入端，所述变压器T_i的第二输入端连接第一开关管S_1i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述光伏组件的输出端，所述变压器T_i的第二输入端连接所述第二二极管D_2i的输出端，所述第二二极管D_2i的输入端连接所述第三二极管D_3i的输入端，所述第三二极管D_3i的输出端连接所述第三电容C_3i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述第三电容C_3i的第二端，所述第九二极管D_9i的输出端连接所述第三电容C_3i的第一端，所述第九二极管D_9i的输入端连接所述第三电容C_3i的第二端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第九开关管S_9i；

所述第九开关管S_9i的第一端连接所述第九二极管D_4i的输出端，所述第九开关管S_9i的第二端连接所述第九二极管D_9i的输入端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第二开关管S_2i；

所述第二开关管S_2i的第一端连接所述第二二极管D_2i的输出端，所述第二开关管S_2i的第二端连接所述第二二极管D_2i的输入端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第三开关管S_3i；

所述第三开关管S_3i的第一端连接所述第三二极管D_3i的输出端，所述第三开关管S_3i的第二端连接所述第三二极管D_3i的输入端。

可选的，所述工频换相电路包括：第五开关管S_5i、第六开关管S_6i、第七开关管S_7i、第八开关管S_8i、第五二极管D_5i、第六二极管D_6i、第七二极管D_7i、第八二极管D_8i；

其中，所述第五开关管S_5i的第一端、所述第五二极管D_5i的输出端、所述第七开关管S_7i的第一端、所述第七二极管D_7i的输出端与所述第二电容C_2i的第一端连接，所述第六开关管S_6i的第二端、所述第六二极管D_6i的输出端、所述第八开关管S_8i的第二端、所述第八二极管D_8i的输出端与所述光伏组件的输出端连接，所述第五开关管S_5i的第二端、所述第五二极管D_5i的输入端、所述第六开关管S_6i的第一端与所述第六二极管D_6i的输出端连接，所述第七开关管S_7i的第二端、所述第七二极管D_7i的输入端、所述第八开关管S_8i的第一端与所述第八二极管D_8i的输出端连接；

所述第五开关管S_5i的第二端连接所述交流电网或交流负载的第一端，所述第八开关管S_8i的第一端连接所述交流电网或交流负载的第二端。

可选的，所述高频链串联式逆变拓扑结构还包括：第一电容C_1i；

所述第一电容C_1i的输入端连接所述光伏组件的输入端，所述第一电容C_1i的输出端连接所述光伏组件的输出端。

可以看出，本发明实施例技术方案的高频链串联式逆变拓扑结构，包括N个光伏组件、N个高频链逆变电路以及工频换相电路，所述N为大于或等于2的正整数，所述N个高频链逆变电路的输入端分别连接所述N个光伏组件，所述N个高频链逆变电路的输出端串联后连接所述工频换相电路的输入端，所述工频换相电路的输出端连接交流电网或交流负载，所述N个光伏组件输出的直流电压经所述N个高频链逆变电路高频正弦波脉冲宽度调制SPWM升压转化为N个正弦全波整流波交流输出，所述N个正弦全波整流波交流串联叠加并经所述工频换相电路转换为正弦波交流并入交流电网实现并网工作或输出至交流负载，其中所述工频换相电路工作于工频。直流输入电压高于交流输出电压瞬时值时，高频链串联式逆变拓扑结构工作于反激模式，反之工作于反激与升压叠加模式，通过实施本发明实施例中的高频链串联式逆变拓扑结构，可以有效提高逆变电路的工作效率、减少了功率器件数量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有技术传统中直流-直流升压变换器的接线示意图；

图2是本发明实施例提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构的模块划分示意图；

图2-1是正弦全波整流波形示意图；

图2-2是交流正弦波形示意图；

图3是本发明实施例提供的反激变换器电路的接线示意图；

图4是本发明实施例提供的升压变换器电路的接线示意图；

图5是本发明实施例提供的工频换相电路的接线示意图；

图6是本发明实施例提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构的接线示意图；

图7是本发明实施例提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构的工作原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。

在本文中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本文所描述的实施例可以与其它实施例相结合。

请参阅图2，图2是本发明实施例提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构的模块划分示意图，如图2所示，本发明实施例中的高频链串联式逆变拓扑结构包括：包括N个光伏组件、N个高频链逆变电路以及工频换相电路，所述N为大于或等于2的正整数，其中：

所述N个高频链逆变电路的输入端分别连接所述N个光伏组件，所述N个高频链逆变电路的输出端串联后连接所述工频换相电路的输入端，所述工频换相电路的输出端连接交流电网或交流负载；

所述N个光伏组件输出的直流电压经所述N个高频链逆变电路高频正弦波脉冲宽度调制SPWM升压转化为N个正弦全波整流波交流输出，所述N个正弦全波整流波交流串联叠加并经所述工频换相电路转换为正弦波交流并入交流电网实现并网工作或输出至交流负载，其中所述工频换相电路工作于工频。

其中，所述高频链逆变电路包括反激变换器电路和升压变换器电路。

这里，高频链逆变拓扑结构由多个高频链逆变电路及一个工频换相电路构成，每个高链频逆变电路的直流输入连接光伏组件、而交流输出的正弦全波整流波形(馒头波，如图2-1所示)依次分别串联，使每个高频正弦全波整流波形(馒头波，如图2-2所示)产生电路的交流输出实现叠加。后级为工频换相电路，把前级叠加后的馒头波换相为交流正弦波输出。

如图3所示，图3是本发明实施例提供的反激变换器电路的接线示意图，所述反激变换器电路包括：变压器T_i、第一开关管S_1i、第四二极管D4i、第二电容C_2i，其具体的链接关系参照图3所示：

其中，所述变压器T_i的第一输入端连接所述光伏组件的输入端，所述变压器T_i的第二输入端连接第一开关管S_1i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述光伏组件的输出端，所述变压器T_i的第一输出端连接所述第四二极管D4i的输入端，所述变压器T_i的第二输出端连接所述第二电容C_2i的第二端，所述第四二极管D4i的输出端连接所述第二电容C_2i的第一端。

可选的，所述反激变换器电路还包括：第四开关管S_4i；

所述第四开关管S_4i的第一端连接所述第四二极管D_4i的输入端，所述第四开关管S_4i的第二端连接所述第四二极管D_4i的输出端。

如图4所示，图4是本发明实施例提供的升压变换器电路的接线示意图，所述升压变换器电路包括：变压器T_i、第一开关管S_1i、第二二极管D_2i、第九二极管D_9i、第三二极管D_3i及第三电容C_3i，其具体的链接关系参照图4所示：

其中，所述变压器T_i的第一输入端连接所述光伏组件的输入端，所述变压器T_i的第二输入端连接第一开关管S_1i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述光伏组件的输出端，所述变压器T_i的第二输入端连接所述第二二极管D_2i的输出端，所述第二二极管D_2i的输入端连接所述第三二极管D_3i的输入端，所述第三二极管D_3i的输出端连接所述第三电容C_3i的第一端，所述第一开关管S_1i的第二端连接所述第三电容C_3i的第二端，所述第九二极管D_9i的输出端连接所述第三电容C_3i的第一端，所述第九二极管D_9i的输入端连接所述第三电容C_3i的第二端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第九开关管S_9i；

所述第九开关管S_9i的第一端连接所述第九二极管D_4i的输出端，所述第九开关管S_9i的第二端连接所述第九二极管D_9i的输入端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第二开关管S_2i；

所述第二开关管S_2i的第一端连接所述第二二极管D_2i的输出端，所述第二开关管S_2i的第二端连接所述第二二极管D_2i的输入端。

可选的，所述升压变换器电路还包括：第三开关管S_3i；

所述第三开关管S_3i的第一端连接所述第三二极管D_3i的输出端，所述第三开关管S_3i的第二端连接所述第三二极管D_3i的输入端。

如图5所示，图5是本发明实施例提供的工频换相电路的接线示意图，所述工频换相电路包括：第五开关管S_5i、第六开关管S_6i、第七开关管S_7i、第八开关管S_8i、第五二极管D_5i、第六二极管D_6i、第七二极管D_7i、第八二极管D_8i，其具体的链接关系参照图5所示：

其中，所述第五开关管S_5i的第一端、所述第五二极管D_5i的输出端、所述第七开关管S_7i的第一端、所述第七二极管D_7i的输出端与所述第二电容C_2i的第一端连接，所述第六开关管S_6i的第二端、所述第六二极管D_6i的输出端、所述第八开关管S_8i的第二端、所述第八二极管D_8i的输出端与所述光伏组件的输出端连接，所述第五开关管S_5i的第二端、所述第五二极管D_5i的输入端、所述第六开关管S_6i的第一端与所述第六二极管D_6i的输出端连接，所述第七开关管S_7i的第二端、所述第七二极管D_7i的输入端、所述第八开关管S_8i的第一端与所述第八二极管D_8i的输出端连接；

所述第五开关管S_5i的第二端连接所述交流电网或交流负载的第一端，所述第八开关管S_8i的第一端连接所述交流电网或交流负载的第二端。

可选的，所述高频链串联式逆变拓扑结构还包括：第一电容C_1i；

所述第一电容C_1i的输入端连接所述光伏组件的输入端，所述第一电容C_1i的输出端连接所述光伏组件的输出端。

请参阅图6所示，图6是本发明实施例提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构的接线示意图。

具体地，光伏组件的直流电压为V_in，经过电容C_1i滤波后连接至反激变压器T1的原边绕组，变压器T_1i、开关管S_1i、第四开关管S_4i、及电容C_2i构成反激变换器(Flyback)；变压器T_1i、开关管S_1i、开关管S_2i、开关管S_3i及电容C_3i构成升压变换器(Boost)，Flyback、Boost构成第一个高频链逆变电路，其输出为正弦全波整流波形(馒头波)，另外与开关管并联的二极管均为其体二极管或外置二极管。Flyback、Boost共用T1i的原边绕组和开关管S_1i，同时电容C_3i构成S1i的无源无损尖峰电压吸收电路(Snubber)。本拓扑使用了多个相同结构的高频链逆变电路，每个高频链逆变电路的直流输入连接光伏组件、而交流输出馒头波依次分别串联，从而汇总得到更高电压幅度的馒头波。后级使用同一个工频换相电路，由开关管S_5i、S_6i、S_7i、及S_8i构成，从而得到正负半波对称的交流正弦波输出电压，其交流输出电压瞬时值为V_ac，最后并入交流电网实现并网工作。

前级高频链电路采用SPWM调制方式，在高频链母线电容C_2i、C_3i两端产生正弦全波整流信号，其工作区间分为两段：Vin>Vac及Vin<Vac，如图7所示：

Vin>Vac时，S_2i持续关断、S_3i与S_9i持续导通：S_1i导通时、S_4i与D_4i反向偏置而截止，T_1i的原边绕组存储能量，C_3i两端电压经过S_3i、D_2i、S_1i或直接通过S_9i放电，而DC/AC换相电路输入功率及输出功率由C_2i放电提供；S_1i关断时、S_4i与D_4i正向偏置而导通，T_1i的原边绕组能量释放给DC/AC换相电路及输出负载，同时给C_2i充电，这个工作区间称为反激模式。

Vin<Vac时，S_9i持续关断、S_2i持续导通、S3i工作于同步整状态：S_1i导通时、S_4i与D_4i反向偏置而截止，T_1i的原边绕组存储能量，同时S_3i关断，DC/AC换相电路输入功率及输出功率由C_2i、C_3i放电提供；S_1i关断时、S_4i与D_4i正向偏置而导通，T_1i的原边绕组能量一方面给C_2i充电，另一方面经过持续导通的S_2i、D_3i给C_3i充电、从而构成无源无损Snubber电路，D_3i导通后S_3i再导通即可实现同步整流功能，同时能量也释放给DC/AC换相电路及输出负载，这个工作区间称为反激与升压叠加模式。

控制器主要检测输入和输出的电流、电压信号，经过内部算法及逻辑处理后产生所有开关管的驱动信号，并且完成所有要求的交直流保护功能。通过控制器的处理，拓扑可以为CCM、DCM、BCM、或QR控制模式。

其他的高频链逆变电路的工作原理与之相同。

其中，在电容C3i两端反并联了开关管S_9i，其作用是在Vin>Vac工作区间时提供Flyback的工作电流通路，也可去掉开关管S_9i、而只保留二极管D_9i，同样可以提供电流通路。

其中，使用了同步整流开关管S_3i，其作用是在Vin<Vac工作区间时提供Boost的工作电流通路，也可去掉同步整流开关管S_3i、而只保留二极管D_3i，同样可以提供电流通路。

其中，Flyback变压器的副边使用了开关管S_4i，其作用是提供同步整流功能与无功补偿，也可去掉同步整流开关管S_4i、而只保留二极管_D4i，而不影响逆变拓扑的基本运行。

本发明实施例中的高频链串联式逆变拓扑结构，尤其适用于较低输入电压的逆变电路，可以应用于光伏逆变器、不间断电源(UPS)以及变频电源中。

可以看出，本发明实施例技术方案的高频链串联式逆变拓扑结构，包括N个光伏组件、N个高频链逆变电路以及工频换相电路，所述N为大于或等于2的正整数，所述N个高频链逆变电路的输入端分别连接所述N个光伏组件，所述N个高频链逆变电路的输出端串联后连接所述工频换相电路的输入端，所述工频换相电路的输出端连接交流电网或交流负载，所述N个光伏组件输出的直流电压经所述N个高频链逆变电路高频正弦波脉冲宽度调制SPWM升压转化为N个正弦全波整流波交流输出，所述N个正弦全波整流波交流串联叠加并经所述工频换相电路转换为正弦波交流并入交流电网实现并网工作或输出至交流负载，其中所述工频换相电路工作于工频。直流输入电压高于交流输出电压瞬时值时，高频链串联式逆变拓扑结构工作于反激模式，反之工作于反激与升压叠加模式，通过实施本发明实施例中的高频链串联式逆变拓扑结构，可以有效提高逆变电路的工作效率、减少了功率器件数量。

以上对本发明实施例所提供的一种高频链串联式逆变拓扑结构进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。