专利名称：H桥光伏并网逆变器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及电力电子变换器，更具体地，是一种用于光伏发电系统的H桥光伏并网逆变器。
背景技术：
光伏并网逆变器是光伏并网发电系统中最关键的设备，并网逆变器的性能将直接影响整个并网发电系统的性能。如图1所示，为通常的光伏并网逆变器的原理示意图。逆变器包括直流变换单元20和逆变器单元30，其接收来自PV阵列(光伏阵列)10的直流电压，并经直流变换单元20直流变换以及逆变器单元30转换后，输出正弦交流电压/电流， 以实现将光伏电池产生的电能并入电网40。在中小功率场合，通常采用高频直流变换器与工频H桥逆变电路级联构成的并网逆变器拓扑，高频直流变换器输出电压/电流按照正弦半波的形状变化，经工频H桥逆变电路后产生正弦交流电压/电流，进而将光伏电池发出的电能并入电网，整个系统中仅有一级高频功率变换环节，可以实现较高的系统效率，工频H桥逆变电路驱动控制简单，降低了整个系统的控制难度，降低了整个系统的成本。如图2所示为已有的光伏逆变器的电路示意图。如图所示，该光伏逆变器使用由开关器件46、48、50、52组成的H桥电路24，以将PV阵列12的变化的DC电压转化为电网 14的固定频率AC电压，并使用DC链路16来实现中间的能量存储级。具体地，逆变器首先将不稳定的PV DC电压18经由升压变换器变换为大于电网电压的稳定的DC电压20，随后将稳定的DC电压20经由H桥电路M变换为可被并网入电网14内的电流22。开关器件 46、48、50、52在高频下进行开关动作。公开号为CN 101615859A、发明名称为“高效率光伏逆变器”的中国发明专利申请公开了一种对上述的现有逆变器进行改进的高效率光伏逆变器电路。如图3所示，PV阵列 12输出的电压在直流变换级进行变换中，仅开关器件42具有损耗。而在经逆变级36变换时，逆变器可配置为通过对高频开关器件M、56进行开关并且将器件42保持为接通状态， 以在低输入电压下在升压模式下运行，由此消除器件42的开关损耗，因此高频开关器件 54,56是在升压模式期间对开关损耗做出贡献的仅有器件。然而，上述两种公开的H桥式逆变器结构，没有对逆变电路的稳定性和可靠性进行关注。事实上，在通常的开关器件选用上，H桥逆变电路(图2中24，以及图3中36)中组成两个桥臂的器件，多由晶闸管组成。在并网逆变器中，使用晶闸管作为H桥逆变电路的开关器件具有驱动简单、可靠性高等优点。然而，由于晶闸管只能在其电流减小到维持电流以下时才能可靠关断，如图2所示，若H桥逆变电路的四个开关器件全部采用晶闸管，由于电容16两端电压始终为正，不可能产生负电压，而且回路没有可强制关断器件，无法保证晶闸管中的电流减小到维持电流以下，因此难以保证晶闸管的可靠关断。为解决上述问题，公开号为US2009/0M4939A1的美国专利申请公开了一种新的逆变器结构。如图4所示，该种逆变器100包括对来自DC源的直流电流进行变换的DC-DC变换器，H桥逆变电路130、滤波器122、控制器120、异常电流检测器104以及AC电压采样器118。在H桥逆变电路130内，两个桥臂分别采用了串联的晶闸管和MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)等功率开关管(如图4所示，一个桥臂采用晶闸管108以及MOSFET 功率开关管112的串联结构；另一个桥臂采用晶闸管110及MOSFET功率开关管114的串联结构)。备选地，功率开关管112、114也可采用JFET(结型场效应管)晶体管、IGBT(绝缘栅双极型)晶体管等。该结构将晶闸管108、110与功率开关管112、114串联成逆变桥臂， 通过控制功率开关管112、114关断，从而可将晶闸管108、110的电流减小到其维持电流以下，实现晶闸管108、110的可靠关断。但是，由于功率开关管112、114为双向导通器件，若由于干扰、误触发或控制错误等因素。使得逆变桥臂中的功率开关管控制信号错误，进而将出现电网直接短路的情况。而一旦电网出现电路故障，可在瞬间破坏整个并网逆变器，因此，该技术方案采用了复杂的异常电流检测器104、控制器120、AC电压采样器118等过流检测电路和保护电路。这导致了整个系统控制复杂度的增加以及逆变效率的降低，并大大增加了系统成本。因此，需要一种新的H桥逆变器结构，其能够在不影响逆变效率、不增加电路复杂度的前提下，提供一种稳定可靠的电压/电流逆变方案。
实用新型内容本实用新型的一个目的，是提供一种新的H桥光伏并网逆变器结构，其能够稳定可靠地实现电压/电流逆变。本实用新型的另一个目的，是提供一种新的H桥光伏并网逆变器结构，其相比于现有的逆变器系统，能够尽可能地降低电路复杂度及成本，并尽可能高地提高电能转换效率。本实用新型的H桥光伏并网逆变器，包括直流变换器、H桥逆变电路以及滤波电路，所述H桥逆变电路包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂，其中所述第一桥臂包括串联连接的第一晶间管、第一二极管以及第一功率开关管，所述第二桥臂包括串联连接的第二晶闸管、第二二极管以及第二功率开关管。优选地，所述直流变换器配置有滤波输出电容，所述滤波输出电容包括第一电容和第二电容，其中所述第一电容连接在所述H桥逆变电路的输入侧，所述第二电容连接在所述H桥逆变电路的输出侧。优选地，所述第二电容的电容值为所述第一电容的电容值的5到20倍。优选地， 第二电容的电容值为第一电容电容值的10倍。优选地，所述滤波电路包括顺次串联的第一电感、第三电容和第二电感。优选地，所述第一桥臂中的第一晶闸管、第一二极管以及第一功率开关管顺次串联连接，所述第二桥臂中的第二晶间管、第二二极管以及第二功率开关管顺次串联连接。优选地，所述第一桥臂中的第一二极管、第一功率开关管以及第一晶闸管顺次串联连接，所述第二桥臂中的第二二极管、第二功率开关管以及第二晶间管顺次串联连接。优选地，所述直流变换器为非隔离式直流变换器或隔离式直流变换器。优选地，所述直流变换器为反激式直流变换器。本实用新型的H桥光伏并网逆变器，可实现逆变电路中开关器件的有效关断，并且能够防止因干扰、误触发或控制错误等而产生的电网短路故障，确保了逆变器工作的安全稳定，同时也不需要复杂的逆变桥开关管过流检测以及保护电路。
图1为光伏逆变器的原理框图；图2为现有技术中的一种H桥光伏逆变器的电路结构图；图3为现有技术中的另一种H桥光伏逆变器的电路结构图；图4为现有技术中的再一种H桥光伏逆变器的电路结构图；图5是本实用新型一个实施方式中的H桥光伏并网逆变器的电路结构图；图6是本实用新型的另一个实施方式中的H桥光伏并网逆变器的电路结构图；图7为图5中的H桥光伏并网逆变器的工作原理波形图；图8为图5中的H桥光伏并网逆变器在电网电压的正半周期的等效电路图；图9为图5中的H桥光伏并网逆变器在电网电压的负半周期的等效电路图；图10为图5的一个更具体的实施方式的电路结构图；图11为图10中电路结构的试验波形图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式
，对本实用新型的H桥光伏并网逆变器的具体结构和工作原理进行说明。为清晰说明本实用新型，公知的部分仅作简要描述。附图中，相同的标号代表相同的元件或部分。如图5所示，是本实用新型的H桥光伏并网逆变器的一个实施方式示意图。该实施方式中的H桥光伏并网逆变器包括直流变换器100、H桥逆变电路200以及滤波电路300。 其中直流变换器100的正负输入端110、120分别与PV阵列10的正负输出端11、13相连接， 直流变换器100的两个输出端130、140分别与H桥逆变电路200的两个输入端210、220相连接，H桥逆变电路200的两个输出端230、240分别与滤波电路300的两个输入端310、320 相连接，滤波电路300的两个输出端分别330、340与电网40的两个输入端42、44相连接。 直流变换器100从PV阵列10接收DC电能，并将DC电压转化为H桥逆变电路200所需的 DC电压，H桥逆变电路200将该DC电压转化为AC电压后，将电能输送到电网40。H桥逆变电路200包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂，其中第一桥臂包括串联连接的第一晶闸管T1、第一二极管D1以及第一功率开关管S1,相应地，第二桥臂包括串联连接的第二晶闸管T2、第二二极管A以及第二功率开关管S2。在图5所示的实施方式中，第一晶闸管1\、第一二极管D1以及第一功率开关管S1顺次地串联连接，第二晶闸管1~2、第二二极管A以及第二功率开关管&顺次地串联连接。具体地，在第一桥臂中，第一晶闸管T1的阴极与第一二极管D1的阳极相连接，第一二极管D1的阴极与第一开关管S1的漏极相连接； 在第二桥臂中，第二晶闸管T2的阴极与第二二极管A的阳极相连接，第二二极管A的阴极与第二开关管&的漏极相连接；第一桥臂和第二桥臂的并联连接，是通过第一晶闸管T1和第二晶闸管T2各阳极的连接、以及第一开关管S1和第二开关管&各源极的连接来实现的。 该实施方式中，H桥逆变电路200的两个输入端210、220分别为第一晶闸管T1、第二晶闸管 T2的阳极端以及第一功率开关管S1、第二功率开关管&的源极端，输出端230、240分别为第一晶闸管T1的阴极端以及第二晶闸管T2的阴极端。可选地，如图6所示，在本实用新型的另一个实施方式中，H桥逆变电路200’的第一桥臂组成，为第一二极管D1、第一功率开关管S1以及第一晶闸管T1顺次串联连接；第二桥臂组成，为第二二极管D2、第二功率开关管&以及第二晶闸管T2顺次串联连接。具体地， 在该实施方式的第一桥臂中，第一二极管D1的阴极与第一功率开关管S1的漏极相连接，第一功率开关管S1的源极与第一晶闸管T1的阳极相连接；在第二桥臂中，第二二极管&的阴极与第二功率开关管&的漏极相连接，第二功率开关管S1的源极与第二晶闸管T2的阳极相连接。该实施方式中两个桥臂的并联连接，是通过第一二极管Dl和第二二极管D2阳极端的连接、以及第一晶闸管Tl和第二晶闸管T2阴极端的连接来实现的。在该实施方式中， H桥逆变电路的两个输入端分别为第一二极管D1、第二二极管D2的阳极端以及第一晶闸管 Tl、第二晶闸管T2的阴极端，两个输出端分别为第一功率开关管Sl的漏极端以及第二功率开关管S2的漏极端。如图5、6所示，直流变换器100配置有滤波输出电容，该滤波输出电容包括第一电容C1和第二电容C2,其中第一电容C1连接在H桥逆变电路200、200’的输入侧，第二电容C2 连接在H桥逆变电路200、200’的输出侧。具体地，在图1所示的实施方式中，第一电容。 的两端分别与第一晶闸管Tl的阳极和第一功率开关管S1的源极相连接，第二电容C2的两端分别与第一晶闸管T1的阴极和第二晶闸管T2的阴极相连接；在图2所示的实施方式中， 第一电容(^的两端分别与第一二极管D1的阳极和第一晶闸管T1的阴极相连接，第二电容 C2的两端分别与第一功率开关管S1的源极以及第二功率开关管&的源极相连接。在上述两个实施方式中，第二电容C2的电容值(约为几百微法)远大于第一电容的电容值，即第一电容C1的电容值(约为几十微法)足够小，由此，即使第一电容(^的电压为最高时，逆变桥直接将其短路，第一电容C1中存储的能量也不会造成逆变桥中的开关器件S” &损坏。优选地，第二电容C2的电容值为第一电容C1电容值的5倍到20倍。更优选地，第二电容C2的电容值为第一电容C1电容值的10倍。进一步参考图5、6，滤波电路300包括顺次串联的第一电感L1、第三电容C3和第二电感L2,其中第一电感L1的一端与H桥逆变电路200的一个输出端230相连接，另一端与 C3的一端相连接；c3的另一端与第二电感L2的一端相连接，第二电感L2的另一端与H桥逆变电路的另一个输出端240相连接。C3的两端分别作为输出端330、340，连接入电网40的两个输入端42、44。滤波电路300用于对经逆变转换后的AC输出电压进行滤波处理。图5、6所示的实施方式中，直流变换器100可以是常规使用的Buck(降压式)、 Boost (升压式)、Buck-B00St (生降压式)等非隔离式直流变换器，也可以是常规使用的反激、正激、半桥、全桥、推挽等隔离式直流变换器。如图10所示，为图5中的H桥光伏并网逆变器的直流变换器100采用反激式直流变换器时的电路结构图。上述两个实施方式中，H桥逆变电路200、200’中的第一晶闸管Tl、第二晶闸管T2、 第一开关管Sl和第二开关管S2的开关频率相同，并且该开关频率与电网电压的频率相同。 第一开关管Sl和第二开关管S2可以是MOSFET，IGBT,晶体管三种类型。第一晶闸管Tl、第二晶闸管T2可以是常规使用的各种晶闸管类型。以下以附图5所示的H桥光伏并网逆变器为例，对本实用新型的工作原理进行说明。如图5所示，直流变换器100的输入端110、120与PV阵列10的输出端11、13相连，直流变换器100的输出电流按照正弦半波的形状变化，H桥逆变电路200中的开关器件Tl、 S1、T2、S2全部按照电网电压的频率导通与关断，混合H桥光伏并网逆变器在一个周期内的的工作原理波形如附图7所示，图7中，(a)为第一功率开关管Sl和第二晶闸管T2的驱动电压usl，uT2的波形图，(b)为第二功率开关管S2和第一晶闸管Tl的驱动电压uS2、uT1的波形图，(c)为流过第一功率开关管Sl和第二晶闸管T2的电流信号isl、iT2的波形图，(d)为流过第二功率开关管S2和第二晶闸管Tl的电流信号iS2、iT1的波形图，(e)为经过逆变转换后并入电网的电压ue及电流的波形图。在电网电压的正半周，第一晶闸管T1和第二功率开关管&导通，等效电路图8所示；在电网电压的负半周，第二晶闸管T2和第一开关管 S1导通，等效电路如图9所示。如上所述，第一电容C1和第二电容C2共同构成直流变换器100的输出滤波电容， 两个电容分别连接在逆变桥的输入端以及输出端，其中，第一电容C1的容量远小于第二电容C2的容值，由于第一电容C1的容量足够小，其储存的能量也足够小，因此，即使在电容电压最高的情况下直接被逆变桥短路，也不会对逆变桥中的开关器件造成毁坏，而一旦逆变桥出现短路故障，直流变换器100的输出电压变为零，直接通过对直流变换器输出电压或输出电流进行检测就能判断出逆变桥的短路故障，从而及时关断第一、第二功率开关管Si、 &，实现对并网逆变器的保护。因此，逆变桥中的开关器件无需外加过流检测及其保护电路，因此减少了电路的复杂度和功率损耗，从而相应地提高了逆变器的稳定性以及功率转换效率。另外，晶闸管Ι\、τ2，相串联的第一二极管D1和第一功率开关管S1形成的第一功率开关管组，以及相串联的第二二极管A和第二功率开关管&形成的第二功率开关管组，都为单向导通器件，无法构成可导通回路，即电网不会通过逆变桥形成短路，因此也不会有电网短路故障出现，第二电容C2容量一般较大，电容中储存了较多的能量，但第二电容C2也不会被逆变桥短路，因此，即使在逆变桥发生短路故障时，也不会对逆变桥中的开关器件产生影响。如图10所示，为图5中本实用新型的H桥光伏并网逆变器中的直流变换器采用反激式直流变换器的一个更为具体的实施示例。该具体示例中，太阳能电池PV阵列输出电压范围为20V 40V，电网电压为220V直流电压，电网电压频率为50Hz，并网逆变器的功率为200VA，第一滤波电容C1为33nF，第二滤波电容C2为3. 3uF,反激变换器的开关频率为 IOOkHz 300kHz。如图11所示，(a)、(b)、(c)、(d)为在一个周期内第一晶闸管Tl、第二功率开关管S2、第二晶闸管T2以及第一功率开关管Sl分别对应的驱动电压UT1、US2、UT2、 USl的波形图；并入电网的电压波形和电流波形如图7中(e)所示。综上所述，本实用新型的H桥光伏并网逆变器，可实现逆变电路中开关器件的有效关断，并且能够防止因干扰、误触发或控制错误等而产生的电网短路故障，确保了逆变器工作的安全稳定，同时也不需要复杂的逆变桥开关管过流检测以及保护电路，从而大大降低了系统的复杂性和功率损耗，并减少了系统成本。
权利要求1.一种H桥光伏并网逆变器，包括直流变换器、H桥逆变电路以及滤波电路，其特征在于所述H桥逆变电路包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂，其中所述第一桥臂包括串联连接的第一晶间管、第一二极管以及第一功率开关管，所述第二桥臂包括串联连接的第二晶闸管、第二二极管以及第二功率开关管。
2.根据权利要求1所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述直流变换器配置有滤波输出电容，所述滤波输出电容包括第一电容和第二电容，其中所述第一电容连接在所述H 桥逆变电路的输入侧，所述第二电容连接在所述H桥逆变电路的输出侧。
3.根据权利要求2所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述第二电容的电容值为所述第一电容的电容值的5到20倍。
4.根据权利要求3所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述第二电容的电容值为所述第一电容的电容值的10倍。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述滤波电路包括顺次串联的第一电感、第三电容和第二电感。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一桥臂中的第一晶闸管、第一二极管以及第一功率开关管顺次串联连接，所述第二桥臂中的第二晶闸管、第二二极管以及第二功率开关管顺次串联连接。
7.根据权利要求1-4中任一项所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述第一桥臂中的第一二极管、第一功率开关管以及第一晶闸管顺次串联连接，所述第二桥臂中的第二二极管、第二功率开关管以及第二晶间管顺次串联连接。
8.根据权利要求1-4中任一项所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述直流变换器为非隔离式直流变换器或隔离式直流变换器。
9.根据权利要求1-4中任一项所述的H桥光伏并网逆变器，其特征在于，所述直流变换器为反激式直流变换器。
专利摘要本实用新型公开了一种H桥光伏并网逆变器，包括直流变换器、H桥逆变电路以及滤波电路，所述H桥逆变电路包括并联连接的第一桥臂以及第二桥臂，其中所述第一桥臂包括串联连接的第一晶闸管、第一二极管以及第一功率开关管，所述第二桥臂包括串联连接的第二晶闸管、第二二极管以及第二功率开关管。本实用新型的H桥光伏并网逆变器，可实现逆变电路中开关器件的有效关断，同时也不需要复杂的逆变桥开关管过流检测以及保护电路。
文档编号H02M7/521GK202076953SQ201120166608
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者古俊银, 顾桂磊 申请人:盈威力新能源科技(上海)有限公司