一种三相四桥臂逆变电路的制作方法

1.本公开实施例涉及逆变电路技术领域，更具体地，涉及一种三相四桥臂逆变电路。


背景技术：

2.随着电网技术的发展，储能逆变器慢慢走近家庭用户中，为了适应家用逆变器独立离网运行的需求，是通过逆变器输出三相三线制交流电压，再经过一个
△
/y变压器，将输出改变为三相四线的电压，从而实现多种负载的使用。
3.但是采用
△
/y变压器连接不平衡负载后，会带来变压器的偏磁问题，严重的甚至会损坏变压器，若为了提高变压器带不平衡负载的能力，就需要提高变压器的功率，造成成本增加，由此可知，现有的逆变器带不平衡负载的能力较低。


技术实现要素：

4.本公开实施例的一个目的是提供一种三相四桥臂逆变电路的新的技术方案。
5.根据本公开的第一方面，提供了一种三相四桥臂逆变电路，所述三相四桥臂逆变电路包括：正极输入端和负极输入端，所述正极输入端和负极输入端用于连接直流电源；逆变桥臂，所述逆变桥臂包括第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂以及第四桥臂，所述第一桥臂、所述第二桥臂、所述第三桥臂以及所述第四桥臂均并联在所述正极输入端和所述负极输入端之间；三相四线接口，所述三相四线接口用于连接离网负载，且所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、所述第三桥臂的中点和所述第四桥臂的中点分别与所述三相四线接口的每一线路接口对应连接；续流回路，所述续流回路包括三个续流支路，每一所述续流支路的第一端分别与所述第一桥臂的中点、所述第二桥臂的中点、所述第三桥臂的中点连接，每一所述续流支路的第二端均与所述第四桥臂的中点连接。
6.可选地，所述三相四桥臂逆变电路还包括用于连接至电网的三相三线接口，所述三相三线接口的每一线路接口分别与所述第一桥臂的中点、第二桥臂的中点和第三桥臂的中点对应连接。
7.可选地，所述三相四桥臂逆变电路还包括与每一桥臂一一对应的滤波电路，每一所述滤波电路连接在对应桥臂的中点和所述三相四线接口的对应线路接口之间。
8.可选地，所述滤波电路包括第一电容和电感，每一所述电感的第一端与对应桥臂的中点连接，每一所述电感的第二端与所述三相四线接口连接，每一所述第一电容的第一端与对应电感的第二端连接，所述第一电容的第二端均连接在一起。
9.可选地，每一所述桥臂包括串联连接的第一mos管和第二mos管，所述第一mos管的漏极与第二mos管的源极相连。
10.可选地，每一所述续流支路均包括串联连接的第一开关管和第二开关管，所述第一开关管和第二开关管的方向相反。
11.可选地，每一所述第一开关管为第三mos管，所述第二开关管为第四mos管，所述第三mos管的源极与所述第四mos管的源极相连。
12.可选地，所述三相四桥臂逆变电路还包括第二电容和第三电容，所述第二电容和所述第三电容串联连接在所述正极输入端和所述负极输入端之间。
13.可选地，所述第二电容和所述第三电容的中点与每一个所述续流支路的第二端连接。
14.可选地，所述三相四桥臂逆变电路还包括与所述三相四线接口的每一线路一一对应的开关。
15.本公开实施例的一个有益效果在于，取消了现有技术中的变压器，采用三相四桥臂电路结构，能够有效降低系统成本，提高带不平衡负载的能力，同时增加三相的续流回路能够抑制共模电流问题。
16.通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开实施例的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
17.被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开实施例的原理。
18.图1是现有技术中的三相逆变器电路拓扑结构图；
19.图2是根据本发明实施例提供的三相四桥臂逆变电路的拓扑结构图；
20.图3是根据本发明提供的离网状态连接负载时的一相开通回路；
21.图4是根据本发明提供的离网状态连接负载时的一相续流回路；
22.图5是根据本发明提供的并网状态时的一相开通回路；
23.图6是根据本发明提供的并网状态时的一相续流回路；
24.图7是根据本发明实施例提供的三相四桥臂逆变电路的另一拓扑结构图。
具体实施方式
25.现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。
26.以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。
27.对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
28.在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
29.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
30.图1为现有技术中的储能逆变器电路，其采用的方式是通过三相三线交流电压输出至电网，同时将该三相三线引出另一支路连接
△
/y变压器，将输出改变为三相四线制，从而实现带多种负载的能力，但是通过该方式形成的储能逆变器其带负载的能力取决于变压器的功率，且图1 中的储能电路若连接不平衡负载，会导致变压器偏磁，若要提高带不平衡
负载的能力，可以通过增加变压器功率来实现，但该方式会增加电路成本。因此，图1中的逆变器电路存在带不平衡负载能力弱，成本高等问题。
31.鉴于此，本实施例提供了一种三相四桥臂逆变电路，参考图2，该三相四桥臂逆变电路采用三相四桥臂的逆变方式，离网输出端口为三相加零线的拓扑结构，电路中不包含有变压器，可以实现独立离网时带不平衡负载，以及并网时零线桥臂不动作，既能够节省电路成本，又能够增加电路的带不平衡负载能力。
32.在一个可行的例子中，三相四桥臂逆变电路包括正极输入端、负极输入端、逆变桥臂、三相四线接口和续流回路，正极输入端和负极输入端用于连接直流电源，逆变桥臂包括并联连接在正极输入端和负极输入端之间的第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂，三相四线接口用于连接离网负载，续流回路包括三个续流支路，每一续流支路分别与第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂一一对应，续流回路用于抑制自感电压的升高，以及抑制共模漏电流对电路的影响。
33.其中，续流回路抑制自感电压的升高的作用在于：当通电的感性负载断电时，断电瞬间感性负载所储存的磁场能量要经从有至无的突变，因磁场能量从有至无的突变会在感性负载线圈内产生自感电压，这种自感电压的大小取决于磁通量变化的速率，自感电压过高危及电器元件的绝缘，产生破坏作用。续流回路的作用就是让自感电压形成闭合回路，以抑制自感电压的升高。例如，本实施例中续流回路设置的第一开关管和第二开关管，使断电瞬间产生的自感电压有闭合回路，闭合回路流过的电流同时亦抑制了磁通量变化的速率，抑制了自感电压的升高。
34.本实施例续流回路抑制共模漏电流对电路的影响的作用在于：直流侧和大地之间存在寄生电容，当寄生电容、直流侧、电网三者之间形成回路时，共模电压将在寄生电容上产生共模电流。在无变压器的光伏系统中，回路阻抗相对较小，共模电压将在直流侧和大地之间的寄生电容上形成较大的共模电流，即漏电流。漏电流如果接入电网，会引起并网电流畸变、电磁干扰等问题，对电网内的设备运行产生影响。而本实施例中的续流回路中，每个续流支路的第一端分别与第一桥臂的中点、第二桥臂的中点、第三桥臂的中点连接，也就是续流回路不经过直流侧，去掉直流侧的寄生电容的影响，从而能够抑制共模漏电流。
35.本实施例中，直流电源可以包括电池dc模块或光伏dc模块，电池dc模块或光伏dc模块的两端分别连接正极输入端和负极输入端，用于提供直流电压。第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂互相并联，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂均为2个开关管组成的半桥，可以通过pwm波来控制各个开关管的关断和导通，从而实现将直流电压转换成交流电压的效果。
36.上述三相四线接口用于接离网负载，与图1电路不同的是，本实施例的三相四线接口不存在变压器，能够提高带不平衡负载的能力。具体地，图1中的负载连接端设置有
△
/y变压器，变压器的三相是相差120
°
的相位角，正常情况下三相平衡时，磁场会相互抵消，但是如果变压器连接不平衡负载，会导致变压器磁芯偏磁，偏磁继续加大，最终导致变压器的磁芯饱和，磁芯饱和后变压器的特性将不存在，对于电源来说就是一根铜线直接接入短接两个火线，造成短路，甚至会导致变压器烧毁。而参考图2，本实施例中省去变压器，负载直接和逆变桥臂的输出端连接，因此不存在对变压器造成影响，节省电路成本；第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点与第四桥臂的中点相连，产生的电流经过第一桥臂、第二桥臂、第
三桥臂的中线流入负载，第四桥臂的存在使电路增加了一个自由度，第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂和第四桥臂形成一个全桥逆变器，使得三相输出电压解耦，从而有能力在不平衡负载下维持三相输出电压的对称，提高电路的带不平衡负载能力，使得离网负载可以是三相平衡负载，也可以是三相不平衡负载，另外，由于无需考虑单相负载对隔离变压器的影响，参考图3，该离网负载还可以是单相负载r1，单相负载的两端连接任三相电路的任一相和地线。
37.可选地，第一桥臂的中点、第二桥臂的中点、第三桥臂的中点和第四桥臂的中点与三相四线的每一线路接口对应连接，每一个续流支路的第一端与对应的桥臂的中点连接，每一个续流支路的第二端均与第四桥臂的中点连接。例如图2中，第一桥臂的中点a、第二桥臂的中点b、第三桥臂的中点c和第四桥臂的中点n分别与三相四线的四个线路接口对应连接，与第一桥臂对应的续流支路的第一端连接至a点，与第二桥臂对应的续流支路的第一端连接至b点，与第三桥臂对应的续流支路的第一端连接至c点，每一个续流支路的第二端与第四桥臂的中点n连接。本实施例中的续流回路只与交流侧相连，与直流侧形成隔离效果，能够避免直流侧的寄生电容的影响，从而抑制共模漏电流。
38.可选地，三相四桥臂逆变电路还包括用于连接至电网的三相三线接口，三相三线接口的每一线路接口分别与第一桥臂的中点、第二桥臂的中点和第三桥臂的中点对应连接。例如，图2中的第一桥臂的中点a、第二桥臂的中点b、第三桥臂的中点c连接至三相三线接口，用于连接电网，也就是该三相四桥臂逆变电路处于并网模式，可以利用电网实现储能，当该三相四桥臂逆变电路处于离网模式时，可以实现对负载的供电。
39.本实施例中，三相四桥臂逆变电路还包括与每一桥臂一一对应的滤波电路，每一滤波电路连接在对应桥臂的中点和三相四线接口之间。滤波电路可以是lc滤波电路，用于过滤电源线中的干扰频率，输出平滑的三相交流电压信号。
40.参考图2，滤波电路包括第一电容和电感，每一电感的第一端与对应桥臂的中点连接，每一电感的第二端与三相四线接口连接，每一第一电容的第一端与对应电感的第二端连接，所有第一电容的第二端均连接在一起。例如，滤波电路包括滤波电感l1、l2、l3和l4，滤波电容c1、 c2、c3和c4，滤波电感l1、l2、l3和l4的第一端分别与第一桥臂的中点a、第二桥臂的中点b、第三桥臂的中点c和第四桥臂的中点n连接，滤波电感l1、l2、l3和l4的第二端分别连接至三相四线接口对应的连接线。滤波电容c1、c2、c3和c4的第一端分别与滤波电感l1、 l2、l3和l4的第二端连接，滤波电容c1、c2、c3和c4的第二端连接在一起，具有相同的电位。
41.本实施例中，每一桥臂包括串联连接的第一mos管和第二mos管，第一mos管的漏极与第二mos管的源极相连，以实现在不同相位的情况下，不同mos管的分别导通。例如，第一桥臂包括第一mos管q1、第二mos管q2；第二桥臂包括第一mos管q3、第二mos管q4；第三桥臂包括第一mos管q5、第二mos管q6；第四桥臂包括第一mos 管q7、第二mos管q8。
42.本实施例中，每一续流支路均包括串联连接的第一开关管和第二开关管，第一开关管和第二开关管的方向相反，从而实现第一开关管和第二开关管保持一个导通一个截止的状态，在保证电路正常导通的情况下，又能避免电路一直导通或一直关断的情况。其中，第一开关管和第二开关管可以是igbt、mos等开关元件。本实施例以第一开关管为第三mos 管，所述第二开关管为第四mos管为例，参考图2，第三mos管的源极与第四mos管的源极相
连。例如，第一续流支路上，q10的源极和 q9的源极相连，q9的漏极连接至第四桥臂的中点n。本实施例中，第三mos管和第四mos管的体二极管串联在对应的续流支路上，从而控制续流支路的通断。
43.在一个可选的实施例中，也可以是第三mos管的漏极与第四mos 管的漏极相连，也就是说在续流回路工作的情况下，同样能满足第三 mos管和第四mos管一个导通一个截止，从而避免电路一直导通或一直关断的情况。
44.本实施例中，三相四桥臂逆变电路还包括第二电容和第三电容，第二电容和第三电容串联连接在正极输入端和负极输入端之间，参考图2，第二电容为c5，第三电容为c6。第二电容和第三电容用于滤除直流侧的交流频率，使直流侧输出稳定的直流电压实现稳压效果。
45.本实施例中，三相四桥臂逆变电路还包括与三相四线接口的每一线路一一对应的开关，用于实现电路的通断，参考图2，该开关包括k1、 k2、k3、k4、k5、k6和k7，开关分别设置在对应的并网和离网线路上，也可以在开关的串联电路上设置熔断器等安全器件，以提供电路安全保障。
46.上述实施例中，第二电容c5和第三电容c6与续流回路处于隔离状态，使续流回路与直流侧形成隔离效果，能够避免直流侧的寄生电容的影响，从而抑制共模漏电流。需要说明的是，参考图7，本实施例中第二电容和第三电容也可以直接和每一个续流回路的第二端连接，也能降低电路的成本，同时，在并网时，可以进一步降低损耗，实现并三相三桥臂的控制，提高并网时功率转换效率。
47.基于本实施例的电路结构，对本实施例运行时各器件的运行状态和电路导通状态进行分析，具体如下：
48.三相电压分别为u
an
、u
bn
、u
cn
，由三相电压的相位差可知，u
bn
的相位角滞后u
an
120
°
，u
cn
的相位角滞后u
an 240
°
，u
an
、u
bn
、u
cn
三相的工作方式相同，因此，本实施例以第一桥臂的电压u
an
为例。
49.当该逆变电路处于离网带负载的情况下，负载电阻为r1，三相电压u
an
为正弦波，q1和q8为逆变器mos管，其驱动信号与三相电压的控制信号同步，为高频控制。而q9为控制电路mos管，其驱动信号不需要较高频率，为工频控制，那么q1、q8和q9就有两种工作状态。参考图3，在u
an
正半周期内，第一种状态：q1、q8和q9都处于导通状态；第二种状态：q1和q8处于关断状态，q9处于导通状态。
50.在第一种状态的情况下，q1、q8和q9都处于导通状态，如图3，电压经过q1、l1、k4、r1、k7、l4、q8形成回路，为负载r1供电。其中，由于a点的电位高于q9的源极电位，所以q10处于截止状态，因此q9所在的续流回路不导通。
51.在第二种状态的情况下，q1和q8处于关断状态，q9处于导通状态，如图4，由于在第一种状态的情况下，电感l1和l4已经进行过储能，而电感中的电流不能突变，因此电感中的电流经l1、k4、r1、k7、 l4、q9和q10的体二极管构成续流回路，此种续流回路不同于传统的经过直流侧电容进行续流回路，可以抛开直流侧对地寄生电容的影响，因此可以有效的降低共模漏电流。
52.同理，在u
an
负半周期内，q7、q2和q10也存在两种状态，第一种状态：q7、q2和q10都处于导通状态；第二种状态：q7和q2为关断状态，q10为导通状态。在第一种状态的情况下，
q7、q2和q10都处于导通状态，电压经过q7、l4、k7、r1、k4、l1、q2形成回路，为负载r1供电。其中，a点电位低于q9的源极电位，因此q9处于截止状态，因此q10所在的续流回路不导通。
53.第二种状态，q7和q2为关断状态，q10为导通，由于在第一种状态的情况下，电感l1和l4已经进行过储能，而电感中的电流不能突变，因此电感中的电流经l4、k7、r1、k4、l1、q9和q10的体二极管构成回路，同样的此续流回路与直流侧脱离，能够降低漏电流。
54.当该逆变电路处于并网的情况下，零线中没有电流，电路按照三相三桥臂的控制方式进行工作，能够提高直流电压利用率，提高并网效率。
55.此时，电压的三相电压的每一相工作原理相同，区别在于相位角相差120
°
，因此，本实施例仅对ab相进行说明，u
ab
电压正半周期，q1 和q4同步高频控制，q9和q12工频控制，同样会有两种工作状态。第一种工作状态：q1、q4、q9和q12都处于导通状态；第二种工作状态： q1和q4处于关断状态，q9和q12处于导通状态。
56.在第一种状态的情况下，q1、q4、q9和q12都处于导通状态，如图5，电压经过q1、l1、k1、电网、k2、l2、q4形成回路，因q10和 q11是属于关断状态，并且a点的电位高于b点的电位，q10和q11的体二极管状态属于截止状态，因此q9和q12不构成电流回路。
57.在第二种状态的情况下，参考图6，q1和q4处于关断，q9和q12 处于导通，电感续流回路经l1、k1、电网、k2、l2、q12、q1体二极管、q9和q10的体二极管构成续流回路，同样此续流回路与直流脱离，能够降低漏电流。
58.在u
ab
电压负半周期，q2和q3同步高频控制，q10和q11工频控制，同样会有两种工作状态。第一种工作状态：q2、q3、q10和q11 都处于导通状态；第二种工作状态：q2和q3处于关断状态，q10和q11 处于导通状态。
59.在第一种状态的情况下，q2、q3、q10和q11都处于导通状态，直流电压经过q3、l2、k3、电网、k1、l1、q2形成回路，此时b点的电位高于a点的电位，q9和q12的体二极管状态属于截止状态，因此q10和q11所在的续流回路不导通，不构成电流回路。
60.在第二种状态的情况下，q2和q3处于关断，q10和q11处于导通状态，电感续流回路经l2、k2、电网、k1、l1、q10、q9体二极管、 q11和q12的体二极管构成续流回路，同样此续流回路与直流脱离，能够降低漏电流。
61.另外，基于本实施例的电路结构，可以通过调整控制算法，实现 dc/ac或者ac/dc的转换，达到能量双向流动的功能。
62.本实施例取消了现有技术中的变压器，采用三相四桥臂电路结构，能够有效降低系统成本，提高带不平衡负载的能力，同时增加三相的续流回路能够抑制共模电流问题。
63.以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。