专利名称：大功率逆变器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及电源领域，具体而言，涉及一种大功率逆变器系统。
背景技术：
随着电子设备对电源系统功率等级的需求越来越高，为了实现大功率输出，目前普遍采用多个小功率单机并联或者多个小功率模块并联的模块化系统，直到满足负载的功率需求。图1是相关技术中多个功率单体(单机或模块)并联的逆变器系统框图。如图1 所示，该系统包括并联连接的η个功率单体。上述逆变器系统可以提高整个电源系统的功率等级，并且可以构成n+x冗余，提高了供电系统的稳定性。但是多个单体并联不仅增加了整个系统的体积，而且一个突出的问题就是如何减小各个单体间的环流，实现负载均分。由于各个单体参数的不一致性，并联的单体数量越多，均流和环流控制就越困难。为了解决上面提到的均流和环流问题，如图1所示，可以在逆变控制单元中增加环流控制单元，分别对流经每个功率单体的电流大小进行采样，并反馈至环流控制单元以进行均衡处理。虽然上述处理方式解决了环流问题，但是需要增加额外的硬件电路和软件控制逻辑，使系统变得复杂，成本增加，可靠性降低。针对这种情况，提高单体功率等级，减少功率单体并联数量尤为重要。
发明内容
针对相关技术中为了解决环流问题，需要增加额外的硬件电路和软件控制逻辑， 使系统变得复杂等问题，本发明提供了一种大功率逆变器系统，以解决上述问题至少之一。根据本发明，提供了一种大功率逆变器系统。根据本发明的大功率逆变器系统包括并联连接的多个支路，每个所述支路包括 串联连接的功率处理单元和输出滤波电感，其中，每个所述功率处理单元的输入端均与带中性点N的正负直流输入点相连接；电流互感器，其输入端与各个所述输出滤波电感的连接节点相连接；电流检测反馈单元，其输入端与所述电流互感器的输出端相连接；电压检测反馈单元，其输入端与所述大功率逆变器系统的输出端相连接；控制单元，其一个输入端连接至所述电流检测反馈单元的输出端，其另一个输入端连接至所述电压检测反馈单元的输出端；一个或多个驱动单元，连接在所述控制单元的输出端与所述功率处理单元的驱动端口之间，用于驱动各个所述功率处理单元。通过本发明，采用多个支路并联的方式增大电源装置的输出功率等级，其中，每个支路包括串联连接的功率处理单元和输出滤波电感，系统不需要采样各个支路的电流进行环流控制，而是采样并联后总的电压、电流信号对各个支路进行闭环控制，解决了相关技术中为了解决环流问题，需要增加额外的硬件电路和软件控制逻辑，使系统变得复杂等问题，进而可以使软硬件控制电路得以简化，降低成本并提高系统可靠性。
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中图1为相关技术中多个功率单体并联的逆变器系统框图；图2为根据本发明实施例的大功率逆变器系统的结构示意图；图3为根据本发明优选实施例的大功率逆变器系统的结构示意图；图4为根据本发明实例一的大功率逆变器系统的结构示意图；图5为根据本发明实例二的大功率逆变器系统的结构示意图。
具体实施例方式图2为根据本发明实施例的大功率逆变器系统的结构示意图。如图2所示，该大功率逆变器系统包括并联连接的多个支路(图中示出了 η个)，每个支路包括串联连接的功率处理单元(图中所示的功率处理单元1、功率处理单元2...功率处理单元η)和输出滤波电感(图中所示的L1、L2. . . Ln)，其中，每个所述功率处理单元的输入端均与带中性点N的正负直流输入点(+BUS，-BUS)相连接；电流互感器CT，其输入端与各个输出滤波电感的连接节点相连接；电流检测反馈单元，其输入端与电流互感器的输出端相连接；电压检测反馈单元，其输入端与大功率逆变器系统的输出端相连接；控制单元，其一个输入端连接至电流检测反馈单元的输出端，其另一个输入端连接至电压检测反馈单元的输出端；一个或多个驱动单元，连接在控制单元的输出端与功率处理单元的驱动端口之间，用于驱动各个功率处理单元。上述大功率逆变器系统中，通过多个支路并联的方式可以增大电源装置的输出功率等级。可以在每个单体内部采用n(n ^ 2)个相同的功率支路直接并联组成η支路并联系统。系统不需要采样各个支路的电流进行环流控制，而是采样并联后总的电压、电流信号对各个支路进行闭环控制，确保了每个支路控制参数的一致性。根据需要，上述单体可以实现单相或三相输出。在优选实施过程中，如图2所示，上述驱动单元可以与功率处理单元一一对应，即一个驱动单元驱动一个功率处理单元。但是，在具体实施过程中，还存在一个驱动单元驱动多个功率处理单元的情况。优选地，如图3所示，大功率逆变器系统，还可以包括输出滤波电容C，其一端连接至大功率逆变器系统的输出端L，其另一端连接至中性点N。优选地，上述各个功率处理单元，可以用于将来自于正负直流输入点的高压直流电转换为高频高压的正弦脉宽调制(Sinusoidal Pulse Width Modulation，简称为SPWM) 波；之后，经过该功率处理单元后级的输出滤波电感和上面提到的输出滤波电容C构成的 LC滤波电路得到标准的正弦电源。在具体实施过程中，上述输出滤波电感和输出滤波电容也可以通过一个或多个串并联的形式实现。
在优选实施过程中，上述功率处理单元可以包括以下至少之一串联连接和/或并联连接的多个功率金属氧化物半导体型场效应管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，简称为MOSFET)；串联连接和/或并联连接的多个绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor,简禾尔为 IGBT)。优选地，控制单元，用于对电流检测反馈单元和电压检测反馈单元输入的信号进行模数转换和逆变控制处理，输出驱动信号。在优选实施过程中，上述控制单元可以包括但不限于以下至少之一数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称为 DSP)、现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array,简称为FPGA)、单片机。优选地，驱动单元包括接收子单元(图中未示出)，用于接收来自于控制单元的驱动信号；控制子单元(图中未示出)，用于对驱动信号经过隔离和放大后，控制驱动单元对应的功率处理单元的功率开关管的打开或关闭。在具体应用中，本发明涉及的大功率逆变器系统可以应用在单相或三相大功率逆变器系统中。以下结合图4和图5进一步描述上述优选实施方式。实例一图4为根据本发明实例一的大功率逆变器系统的结构示意图。如图4所示，上述大功率逆变器系统为采用IGBT作为主功率器件构成的两支路并联三相逆变器系统。该系统主要包括6个半桥桥臂、高压直流母线、输出滤波电感、输出滤波电容、驱动电路、DSP控制单元、三相电流检测反馈单元和三相电压检测反馈单元。其中，每个逆变并联支路(相当于上述功率处理单元)采用半桥拓扑结构，每个桥臂中点接各自的输出滤波电感，每两个支路在输出滤波电感后直接并联作为一相输出；6 个桥臂两两并联实现了三相输出。在每相的输出滤波电感之后滤波电容之前接有电流互感器，用于采样两个并联支路的总电感电流；在每相的输出滤波电容之后接有电压检测反馈单元。每相的电感电流和输出电压经采样单元送至DSP控制单元参与闭环控制。控制单元不需要采样每个支路的电感电流进行均流控制，由于每相两个支路的电压、电流采样点相同，故经DSP运算处理后生成的两个并联支路的控制参数相同，保证了并联支路环流最小化。在DSP控制单元的控制下，PWM驱动信号经驱动电路隔离和功率放大后驱动IGBT 工作。每两个并联支路桥臂对应位置的IGBT同时导通或关断，在桥臂中点得到幅值为+BUS 和-BUS的高频高压交变电源，经后级LC滤波电路进行高频滤波处理后就将前级母线上的高压直流电变换为标准的正弦波电源。实例二图5为根据本发明实例二的大功率逆变器系统的结构示意图。如图5所示，上述大功率逆变器系统为采用功率MOSFET和快恢复二极管构成的三支路并联单相大功率逆变器系统。该系统主要包括3个逆变并联支路和外围的高压直流输入单元、DSP控制单元、驱动单元、采样单元、LC滤波单元。其中，每个逆变并联支路(相当于上述功率处理单元)为一个二极管钳位三电平逆变电路，以支路1为例，包括依次串联在正负母线间的4个带体内反并联二极管的功率MOS管VT1、VT2、VT3、VT4 ；以及连接在MOS管和中性点之间的钳位二极管VD1、VD2。MOS管和钳位二极管可以是单管或多个并联的形式。逆变器采用电压电流双闭环控制，电流环使用霍尔电流互感器采样三个支路并联后总的电感电流；电压环采用高阻差分运算放大器电路对输出电压进行采样。DSP控制单元将接收到的采样信号经过运算处理后生成SPWM脉冲，通过驱动单元控制相关开关管的开通和关断，可以在桥臂中点得到三种电平。三个支路从各自桥臂中点输出的高频高压SPWM波经各自的高频滤波电感和并联后共用的输出滤波电容滤波后即可得到纯净的标准正弦波。其中逆变器用正电平和零电平合成输出正弦波的正半周，用负电平和零电平合成输出正弦波的负半周。从上面可以看出，此逆变器三个支路电压、电流采样为相同的采样点，故经DSP处理后各个支路的控制参数相同，其差异仅为硬件(主要是驱动电路和开关管)差异引起的微小差异，各支路间的高频环流较模块间并联小很多，不需要单独的环流控制，自然均流即可满足环流要求。二极管钳位三电平逆变电路中各个功率器件只承受直流电压的一半，即一个BUS 电压的大小，可用耐压较低的器件实现高压输出。与传统两电平逆变器相比，通过电平数的增加，可以减少谐波分量和噪声，改善了输出电压波形质量。通过多个逆变支路并联进一步增大了系统的输出功率等级，在高压中大功率场合得到了广泛的应用。综上所述，借助本发明提供的上述实施例，可以通过增减并联支路的数量灵活地实现单体不同功率等级的输出，尤其是向大功率等级方向扩展变得更加容易；同时单体内无需均流调整控制，从而使得软硬件控制电路得以简化，有效降低了成本，提高了系统可靠性。
权利要求
1.一种大功率逆变器系统，其特征在于，包括并联连接的多个支路，每个所述支路包括串联连接的功率处理单元和输出滤波电感， 其中，每个所述功率处理单元的输入端均与带中性点N的正负直流输入点相连接； 电流互感器，其输入端与各个所述输出滤波电感的连接节点相连接； 电流检测反馈单元，其输入端与所述电流互感器的输出端相连接； 电压检测反馈单元，其输入端与所述大功率逆变器系统的输出端相连接； 控制单元，其一个输入端连接至所述电流检测反馈单元的输出端，其另一个输入端连接至所述电压检测反馈单元的输出端；一个或多个驱动单元，连接在所述控制单元的输出端与所述功率处理单元的驱动端口之间，用于驱动各个所述功率处理单元。
2.根据权利要求1所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述大功率逆变器系统，还包括输出滤波电容，其一端连接至所述大功率逆变器系统的输出端，其另一端连接至所述中性点。
3.根据权利要求1所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述功率处理单元，用于将来自于所述正负直流输入点的高压直流电转换为高频高压的正弦脉宽调制信号。
4.根据权利要求3所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述功率处理单元包括以下至少之一串联连接和/或并联连接的多个功率金属氧化物半导体型场效应管； 串联连接和/或并联连接的多个绝缘栅双极型晶体管。
5.根据权利要求1所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述控制单元，用于对所述电流检测反馈单元和所述电压检测反馈单元输入的信号进行模数转换和逆变控制处理，输出驱动信号。
6.根据权利要求5所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述控制单元包括以下至少之一数字信号处理器DSP、现场可编程门阵列FPGA、单片机。
7.根据权利要求1所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述驱动单元包括 接收子单元，用于接收来自于所述控制单元的所述驱动信号；控制子单元，用于对所述驱动信号经过隔离和放大后，控制所述驱动单元对应的所述功率处理单元的功率开关管的打开或关闭。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述驱动单元与所述功率处理单元一一对应。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的大功率逆变器系统，其特征在于，所述大功率逆变器系统应用于单相或三相大功率逆变器系统中。
全文摘要
本发明公开了一种大功率逆变器系统，上述系统包括并联连接的多个支路，每个支路包括串联连接的功率处理单元和输出滤波电感；电流互感器，其输入端与各个输出滤波电感的连接节点相连接；电流检测反馈单元，其输入端与电流互感器的输出端相连接；电压检测反馈单元，其输入端与大功率逆变器系统的输出端相连接；控制单元，其一个输入端连接至电流检测反馈单元的输出端，其另一个输入端连接至电压检测反馈单元的输出端；一个或多个驱动单元，连接在控制单元的输出端与功率处理单元的驱动端口之间，用于驱动各个功率处理单元。根据本发明提供的技术方案，可以使软硬件控制电路得以简化，降低成本并提高系统可靠性。
文档编号H02M7/539GK102480244SQ20101055780
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月24日 优先权日2010年11月24日
发明者王海林 申请人:中兴通讯股份有限公司