一种多级电能变换装置的制作方法

本发明是有关于电能变换装置，特别涉及多级电能变换装置。

背景技术：

现有技术中太阳能电池板的输出电压值一般为48V左右，在微型逆变器系统中，往往采用两级式逆变器，先将太阳能电池板的输出电压升压，并输出至中间母线，再利用逆变器对中间母线上的电能进行逆变变换，如图1所示，就为这样一种逆变器，由前级升压电路和后级逆变电路组成，前级升压电路包括电感Lb、开关Sb、二极管Db，构成BOOST升压电路，接收输入电路的输入，所述输入电路包括光伏电池板，所述光伏电池板的输出经过一输入滤波电容Cin滤波后提供给前级升压电路。前级升压电路将输出提供给中间母线电路，所述中间母线电路包括一电容Cm，所述电容Cm具备储能和滤波的作用，为后级逆变电路提供稳定的电压输入，后级逆变电路包括开关管T1/T2/T3/T4和输出滤波电路，开关管T1/T2/T3/T4构成一全桥逆变电路，输出滤波电路是由电感Lout1、Lout2和Cout构成的LC滤波电路，所述全桥逆变电路的输出经过输出滤波电路输出交流电。

这样的电路中所有的电能均要先经过前级升压变换电路，再经过后级逆变电路，这将会增加电路的损耗。

技术实现要素：

本发明提供一种多级电能变换装置，能够降低多级电能变换装置的损耗，提高变换效率，并降低电路设计成本。

本发明的技术方案，一种多级电能变换装置，包括，一输入电路、一前级变换电路、一中间母线电路和一后级变换电路，所述输入电路直接为中间母线电路提供第一母线电压，所述输入电路为前级变换电路提供输入，所述前级变换电路的输出为中间母线电路提供第二母线电压，所述中间母线电路根据所述后级变换电路的输出要求为其提供第一母线电压或第二母线电压或第一母线电压与第二母线电压的和。

本发明一具体实施例中，所述中间母线电路包括第一母线电容和第二母线电容，第一母线电容和第二母线电容串联，所述输入电路与第一母线电容并联，为其提供第一母线电压，所述前级变换电路的输出端与所述第二母线电容并联，为其提供第二母线电压。

本发明一具体实施例中，所述中间母线电路还包括一切换电路，所述切换电路包括第一开关和第二开关，所述第一开关和所述第二开关的第一端子并联，并联后与所述后级变换电路的输入端的第一端子连接，所述第一开关和所述第二开关的第二端子分别与所述第一母线电容和所述第二母线电容的第二端子连接，所述第一母线电容的第一端子与所述后级变换电路的第二端子连接。所述第一开关导通时，中间母线电路为所述后级变换电路提供第一母线电压，所述第一开关关断，所述第二开关导通时，所述中间母线电路为所述后级变换电路提供所述第一母线电压和所述第二母线电压的和。

本发明一具体实施例中，所述中间母线电路还包括第三母线电容，所述第三母线电容与第一和第二母线电容串联，所述输入电路与第一母线电容并联，为其提供第一母线电压，所述前级变换电路的第一输出端与所述第二母线电容并联，为其提供第二母线电压，所述前级变换电路的第二输出端与所述第三母线电容并联，为其提供第三母线电压。

本发明一具体实施例中，所述切换电路还包括第三开关和第四开关，所述第三开关和所述第四开关的第一端子并联，并联后与所述后级变换电路的输入端的第二端子连接，所述第三开关和所述第四开关的第二端子分别与所述第一电容和所述第三电容的第一端子连接。所述第一开关和第三开关导通，中间母线电路为所述后级变换电路提供第一母线电压；所述第一开关开通、第三开关关断，所述第四开关导通时，所述中间母线电路为所述后级变换电路提供所述第一母线电压和所述第三母线电压的和；所述第一开关关断、所述第三开关关断、所述第二开关开通、所述第四开关导通时，所述中间母线电路为所述后级变换电路提供所述第一母线电压、第二母线电压和所述第三母线电压的和。

本发明一具体实施例中，所述第二开关关断时，所述前级变换电路停止工作，以降低电路的损耗；所述第四开关关断时，所述第四开关关断时，所述前级变换电路停止工作，以降低电路的损耗

本发明一具体实施例中，所述前级变换电路为一升压变换器，例如BOOST变换电路。

本发明一具体实施例中，所述输入电路的输入电压大于所述后级变换电路的输出电压时，所述第一开关导通，所述第二开关关断，所述中间母线电路为所述后级变换电路提供第一母线电压。所述输入电路的输入电压小于所述后级变换电路的输出电压时，所述第一开关关断，所述第二开关导通，所述中间母线电路为所述后级变换电路提供第一母线电压和所述第二母线电压的和。

本发明一具体实施例中，所述第一开关为一第一二极管，所述二极管的阳极为所述第一开关的第二端子，所述第二开关为一可控开关，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管的阳极为所述第二开关的第一端子。

本发明一具体实施例中，所述第一开关还包括一可控开关，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管与所述第一二极管反向串联。

本发明一具体实施例中，所述第三开关为一第二二极管，所述二极管的阳极为所述第三开关的第二端子，所述第四开关为一可控开关，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管的阳极为所述第四开关的第一端子。

本发明一具体实施例中，所述第三开关还包括一可控开关，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管与所述第二二极管反向串联。

本发明一具体实施例中，所述后级变换电路为一多电平逆变器，包括第一调节开关、第二调节开关和多电平桥臂电路，所述第一调节开关在输出电压正半周开通，为多电平桥臂电路提供正半周输入电压，所述第二调节开关在输出电压负半周开通，为多电平桥臂电路提供负半周输入电压，所述多电平桥臂电路分别将正半周输入电压和负半周输入电压逆变为正弦电压输出。

本发明一具体实施例中，所述中间母线电路包括第一中间母线电路和第二中间母线电路，所述第一中间母线电路为所述多电平逆变器提供正半周输入电压，所述第二母线电路为所述多电平逆变器提供负半周输入电压，所述第一前级变换电路和所述第二前级变换电路分别为升压变换器，电路结构为BOOST拓扑，所述第一中间母线电路和所述第二中间母线电路的BOOST拓扑中的储能电感相互耦合实现均流。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。

附图说明

图1为已知技术中的一电路结构图。

图2为本发明电路结构示意图。

图3为本发明第一实施例结构图。

图4为本发明第二实施例结构图。

图5为本发明切换电路的一具体实施例。

图6为本发明切换电路的另一具体实施例。

图7为本发明前级变换电路的具体实施例。

图8为本发明一具体实施例的电路图。

图9为图8所示具体实施例中的驱动信号和关键点的波形图。

图10为图8所示具体实施例中的驱动信号和关键点的波形图。

具体实施方式

本发明实施例提供一种多级电能变换装置，优化了中间母线电压的供电方式，在输入电压和输出电压的电压值匹配时，直接使用输入电压为中间母线供电，并使前级变换电路停止工作，以此降低电路的工作损耗，提供电路的整体效率。为了使本揭露之内容可以被更容易明了，以下特举实施例做为本发明确实能够据以实施的范例。另外，凡可能之处，在图式及实施方式中使用相同标号的组件/构件/步骤，系代表相同或类似部件。

图2所示为本发明一种多级电能变换装置的框图，包括，一输入电路21、一前级变换电路22、一中间母线电路23和一后级变换电路24，所述输入电路21直接为中间母线电路23提供第一母线电压231，所述输入电路21为前级变换电路22提供输入，所述前级变换电路22的输出为中间母线电路23提供第二母线电压232，所述中间母线电路23根据所述后级变换电路24的输出要求为其提供第一母线电压231或第二母线电压232或第一母线电压231与第二母线电压232的和。当后级变换电路24仅需第一母线电压231时，所述前级变换电路22停止工作，所述停止工作是指工作在空载状态或者关断状态。

图3所示为本发明中间母线电路的第一具体实施例，所述中间母线电路33包括第一母线电容Cm1和第二母线电容Cm2，第一母线电容Cm1和第二母线电容Cm2串联，所述输入电路31与第一母线电容Cm1并联，为其提供第一母线电压331，所述前级变换电路的输出端OUT与所述第二母线电容Cm2并联，为其提供第二母线电压332。本发明的实施方式中，输入电路31中不需特别设置输入滤波电容，所述输入滤波电容被所述第一母线电容替代了，这样就为电路节省了一个元器件，不仅可以降低电路成本，更重要的是可以减小电路的体积，提高电路的效率。

更具体的，所述中间母线电路33还包括一切换电路，所述切换电路包括第一开关S1和第二开关S2，所述第一开关S1和所述第二开关S2的第一端子并联，并联后与所述后级变换电路的输入端的第一端子341连接，所述第一开关和所述第二开关的第二端子分别与所述第一母线电容Cm1和第二母线电容Cm2第二端子连接，所述第一母线电容Cm1的第一端子与所述后级变换电路34的第二端子342连接。所述第一开关S1导通时，中间母线电路33为所述后级变换电路34提供第一母线电压331，所述第一开关S1关断，所述第二开关S2导通时，所述中间母线电路33为所述后级变换电路34提供所述第一母线电压331和所述第二母线电压332的和。

图4为本发明中间母线电路的第二具体实施例，所述中间母线电路43还包括第三母线电容Cm3，所述第三母线电容Cm3与第一和第二母线电容串联，所述输入电路41与第一母线电容Cm1并联，为其提供第一母线电压431，所述前级变换电路42的第一输出端OUT1与所述第二母线电容Cm2并联，为其提供第二母线电压432，所述前级变换电路42的第二输出端OUT2与所述第三母线电容Cm3并联，为其提供第三母线电压433。

如图4所示，所述切换电路还包括第三开关S3和第四开关S4，所述第三开关S3和所述第四开关S4的第一端子并联，并联后与所述后级变换电路44的输入端的第二端子442连接，所述第三开关S3和所述第四开关S4的第二端子分别与所述第三母线电容和所述第四母线电容的第一端子连接。所述第一开关S1和第三开关S3导通，中间母线电路43为所述后级变换电路44提供第一母线电压431；所述第一开关S1开通、第三开关S3关断，所述第四开关S4导通时，所述中间母线电路43为所述后级变换电路44提供所述第一母线电压431和所述第三母线电压433的和；所述第一开关S1关断、所述第三开关S3关断、所述第二开关S2开通、所述第四开关S4导通时，所述中间母线电路43为所述后级变换电路提供所述第一母线电压431、第二母线电压432和所述第三母线电压433的和。

本实施例中，所述第二开关S2关断时，所述前级变换电路停止工作，所述停止工作是指工作在空载状态或者关断状态，以降低电路的损耗；所述第四开关s4关断时，所述前级变换电路停止工作，所述停止工作是指工作在空载状态或者关断状态，以降低电路的损耗。

图5所示为本发明切换电路的第一具体实施例，本实施例中所述前级变换电路为一升压变换器，例如BOOST变换电路。本实施例中，所述输入电路51的输入电压Vin大于所述后级变换电路的输出电压Vout时，所述第一开关S1导通，所述第二开关S2关断，所述中间母线电路53为所述后级变换电路54提供第一母线电压。所述输入电路51的输入电压Vin小于所述后级变换电路54的输出电压Vout时，所述第一开关S1关断，所述第二开关S2导通，所述中间母线电路53为所述后级变换电路54提供第一母线电压和所述第二母线电压的和。

所述第一开关S1为二极管D1，所述二极管D1的阳极为所述第一开关S1的第二端子，所述第二开关S2为一可控开关，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管的阳极为所述第二开关的第一端子。

图6为本发明切换电路的第二具体实施例，与图5不同的是，本实施例中所述第一开关S1还包括一可控开关T1，所述可控开关是MOSFET，所述MOSFET的体二极管与所述二极管D1反向串联共同组成第一开关S1。

图7为本发明前级变换电路的一具体实施例，所述前级变换电路72为一升压变换器，具体的为一BOOST拓扑结构，包括开关Sb，储能电感Lb，续流二极管Db，所述开关Sb导通时输入端IN接收电能并为储能电感Lb储能，所述开关Sb关断时，储能电感Lb通过续流二极管Db续流，所述前级变换电路72的输出端OUT与第二母线电容Cm2并联，为其提供第二母线电压。

图8为本发明一具体实施例的电路图，本实施例中所述后级变换电路84为一多电平逆变器，包括第一调节开关St1、第二调节开关St2和多电平桥臂电路841和842，本实施例仅以两个桥臂单元为例，但是本发明并不限于此，所述第一调节开关St1在输出电压Vout正半周开通，为多电平桥臂电路提供正半周输入电压，所述第二调节开关St2在输出电压Vout负半周开通，为多电平桥臂电路841和842提供负半周输入电压，所述多电平桥臂电路分别将正半周输入电压和负半周输入电压逆变为正弦电压输出。本实施例中母线电容Cm1-1和Cm1-2为后级变换电路84提供正半周输入电压，母线电容Cm2-1和Cm2-2为后级变换电路84提供负半周输入电压，母线电容Cm1-1第一端和母线电容Cm2-1第二端并联后接地。所述多电平桥臂电路841和842的输出端分别串联电感L1和L2，电感L1和L2耦合实现均流。

本实施例中包含两个前级变换电路82-1和82-2，且分别为BOOST拓扑，其中储能电感Lb1和Lb2相互耦合实现均流。

图9和图10为图8实施例中开关驱动信号的波形图和关键点电压波形图，其中dr_a_1为开关S1-2的驱动信号，dr_a_2为开关Su1的驱动信号，dr_a_3为开关Sd1的驱动信号，dr_a_4为开关S2-2的驱动信号，dr_a_5为开关S1-1的驱动信号,dr_a_52为开关St2的驱动信号，dr_a_6为开关St1的驱动信号，dr_a_62为开关S2-1的驱动信号，dr_a_7为开关Su2的驱动信号，dr_a_8为开关Sd2的驱动信号，其中驱动信号dr_a_5和dr_a_52相同，dr_a_6和dr_a_62相同。图9和图10的不同点在于开关S1-2和开关St1以及开关S2-2和开关St2的调制方式不同，图9中开关S1-2和开关S2-2在工作状态高频导通或关断实现对第二母线电压的斩波调节，而开关St1和St2工作在工频导通或者关断。图10中开关St1和St2在工作状态高频导通或关断实现对第二母线电压的斩波调节，而开关S1-2和开关S2-2工作在工频导通或者关断。

【t0-t1]输出Vo<0.5Vin，这时，boost电路部分，不工作，PV功率直接经过逆变电路，传递到输出。整机系统损耗可以大幅降低。桥臂841形成一个通道，桥臂842形成另一个通道，这两个桥臂之间相差180度，形成interleave交错运行。半导体器件电压应力为0.5Vin。开关损耗低

【t1-t2]输出Vo>0.5Vin，这时，boost电路部分，将输入电压升高至第二母线电压，开关S1-2导通，电压应力为0.5(Vbus-Vout)，开关损耗非常低。桥臂841形成一个通道，桥臂842形成另一个通道，这两个桥臂之间相差180度，形成interleave交错运行。其他时间，根据Vo电压，可以得到类似的开关状态。多电平桥臂841和842，分别输出5电平。经过磁耦合以后，可以输出7电平。后级变换电路84，每个开关管的电压应力都很低，且输出构成多电平，输出滤波电路可以大幅缩小体积，成本，损耗。

综上所述，本发明实施例提出一种多级电能变换装置，在电路的输出电压小于输入电压时，使用输入电压直接为后级变换电路提供输入，且使前级变换电路工作在空载或者关断状态，从而降低电路的损耗。可应用于不间断供电系统(UPS)和光伏发电系统。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视后附的申请专利范围所界定者为准。