专利名称：无变压器并网逆变电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种无变压器的并网逆变电路。
背景技术：
光伏并网系统中，由于光伏面板和地之间存在寄生电容，在光伏并网发电的过程中会有共模电流产生，增加了电磁辐射和安全隐患，为了设法抑制这种共模电流产生，主要有两种解决途径一、采用工频或者高频变压器的隔离型光伏并网逆变器，这样能使市电和太阳能电池板系统有电气隔离，能避免电池板对大地之间产生的漏电流。二、采用能有效抑制共模电流大小的非隔离并网拓扑。但是，采用变压器隔离的逆变电路存在以下缺点若采用工频变压器，体积大、重量重且价格贵。若采用高频变压器，功率变换电路将被分成几级。控制比较复杂，效率比较低。而一般的非隔离逆变拓扑存在几个方面的缺陷一、传统的单相全桥逆变器，如果采用双极性调制，虽然电磁干扰小，但是逆变器的转换效率低，二、传统的单相全桥逆变器，如果采用单极性调制，则电磁干扰严重，共模电流较大。
发明内容针对上述光伏并网发电过程中抑制共模电流产生所采用的技术方案存在的不足， 本实用新型提供一种无变压器的并网逆变电路，该电路不仅极大地降低了共模电流，并且有效提高了工作效率。实现本实用新型的技术方案是一种无变压器的并网逆变电路，所述电路包括与直流输入电源连接的高频调制模块、与市电连接的输出模块、分别与高频调制模块和输出模块连接的低频续流模块以及与高频调制模块和低频续流模块连接的钳位功能模块，其中所述的高频调制模块具有四个高频开关管，所述的低频续流模块具有两个低频开关管和两个快速恢复二极管，所述的钳位功能模块具有两个电容值相同的电容和两个钳位二极管，所述的输出模块具有两个电感值相同的电感，并且该两个电感分别连接在市电的零线端和火线端。当所述的四个高频开关管和两个低频开关管分别采用绝缘栅双极晶体管(IGBT) 时，其中第一高频开关管的集电极和第四高频开关管的集电极连接并且同时与直流输入电源的正极连接，第二高频开关管的发射极和第三高频开关管的发射极连接并且同时与直流输入电源的负极连接，第四高频开关管的发射极与第三高频开关管的集电极连接；第一低频开关管的集电极与第一高频开关管的发射极连接，第二低频开关管的发射极与第二高频开关管的集电极连接，第一低频开关管的发射极与第二低频开关管的集电极连接，第一快速恢复二极管的阴极与第一高频开关管的发射极与第一低频开关管的集电极连接端连接，第二快速恢复二极管的阳极与第二低频开关管的发射极与第二高频开关管的集电极连接端连接，第一快速恢复二极管的阳极与第二快速恢复二极管的阴极连接；第一电容和第二电容串联连接同时连接在直流输入电源的正极和负极之间，第一电容两端电压与第二电容两端电压相等，分别为直流输入电压的一半；第一钳位二极管的阴极与第一高频开关管的发射极与第一低频开关管的集电极以及第一快速恢复二极管的阴极连接端连接，第二钳位二极管的阳极与第二低频开关管的发射极与第二高频开关管的集电极以及第二快速恢复二极管的阳极连接端连接，第一钳位二极管的阳极与第二钳位二极管的阴极连接同时与第一电容与第二电容连接端连接；分别连接在市电的零线端和火线端的两个电感中的一个电感未与市电连接端与第一低频开关管的发射极与第二低频开关管的集电极连接端连接，另一个电感未与电网连接端与第一快速恢复二极管的阳极与第二快速恢复二极管的阴极连接端连接。当所述的四个高频开关管和两个低频开关管分别采用功率场效应晶体管 (MOSFET)时，其中第一高频开关管的漏极和第四高频开关管的漏极连接并且同时与直流输入电源的正极连接，第二高频开关管的源极和第三高频开关管的源极连接并且同时与直流输入电源的负极连接，第四高频开关管的源极与第三高频开关管的漏极连接；第一低频开关管的漏极与第一高频开关管的源极连接，第二低频开关管的源极与第二高频开关管的漏极连接，第一低频开关管的源极与第二低频开关管的漏极连接，第一快速恢复二极管的阴极与第一高频开关管的源极与第一低频开关管的漏极连接端连接，第二快速恢复二极管的阳极与第二低频开关管的源极与第二高频开关管的漏极连接端连接， 第一快速恢复二极管的阳极与第二快速恢复二极管的阴极连接；第一电容和第二电容串联连接同时连接在直流输入电源的正极和负极之间，第一电容两端电压与第二电容两端电压相等，分别为直流输入电压的一半；第一钳位二极管的阴极与第一高频开关管的源极与第一低频开关管的漏极以及第一快速恢复二极管的阴极连接端连接，第二钳位二极管的阳极与第二低频开关管的源极与第二高频开关管的漏极以及第二快速恢复二极管的阳极连接端连接，第一钳位二极管的阳极与第二钳位二极管的阴极连接同时与第一电容与第二电容连接端连接；分别连接在市电的零线端和火线端的两个电感中的一个电感未与市电连接端与第一低频开关管的源极与第二低频开关管的漏极连接端连接，另一个电感未与电网连接端与第一快速恢复二极管的阳极与第二快速恢复二极管的阴极连接端连接。上述本实用新型电路中的高频调制部分主要完成SPWM调制，低频续流模块主要完成市电正负半周切换，电流换向的任务。而所述的低频续流模块必须包含连接在高频调制模块之间，也就是说连接从直流电源输入的能量的能量的流动过程为高频调制模块一低频续流模块一输出模块一高频调制模块，或者为高频调制模块一输出模块一低频续流模块一高频调制模块。本实用新型针对一般的非隔离逆变拓扑存在的问题，提出了一种逆变拓扑，使得直流输入电源正端和负端电压对地电压呈现低频波动，极大的减少共模电流，并且提高工作效率。同时通过二极管钳位能降低部分高频开关管的电压应力等级，提高效率。针对普通无变压器的并网逆变电路的缺点，本实用新型则通过改进普通全桥和其相应的调制方式来实现改善电磁干扰、提高工作效率的目的。在电流流通过程中，电流依次流过高频开关管， 低频开关管，电感，市电和电感(必须有两个电感)最后经过高频开关管流入直流输入电源的负端。根据等效原理，正常导通时候，根据等效叠加原理，直流输入电源输出负端对地 (GND)的电压为一半直流电源输入电压加一半低频市电电压，考虑到直流电压不变，所以直流输入电源的负端对地的波动电压为一半低频市电电压。在高频调制模块关闭的时候，电流在低频续流模块和输出模块、市电之间流通，而低频开关管电位此时被钳位至一半直流输入电压，所以直流输入电压负端对地的电压也只有一半直流电源输入电压加一半低频市电电压。这样有效地减少了共模电压的波动幅值，从而也减少了共模电流的大小，相对全桥双极性调制来讲，电感具有较少的电流纹波，因而减少了开关损耗，提高了效率。同时二极管钳位到直流电压的中点，可以降低特定的第一和第二两个高频开关管的电压应力等级， 使得第一高频开关管的发射极(或源极)电压不会低于1/2输入电源电压，而第二高频开关管的集电极(或漏极)电压不会高于1/2输入电源电压，则第一、第二两个高频开关管的电压应力等级可以为1/2输入电源电压，且两个钳位用二极管的电压应力也为输入电源的一半，但是第三、第四两个高频开关管的电压应力为输入电源电压等级。其核心思想在于 正常传递能量的时候，采用单极性SPWM调制，而当续流的时候，则断开直流端和交流端的连接，消除电磁干扰。相对普通的双极性调制单相全桥逆变电路而言，本电路效率高。而相对于普通单极性调制单相全桥逆变电路而言，本电路电磁兼容好，并且某些特定的开关管电压应力等级只需要输入电压等级的一半电压。
图1为本实用新型电路原理框图；图2为本实用新型实施例1电路原理图；图3为本实用新型实施例1电路正半周导通时的电流流向示意图；图4为本实用新型实施例1电路正半周期关断时候的电流续流示意图；图5为本实用新型实施例1电路负半周导通期间的电流流向图；图6为本实用新型实施例1电路负半周关断时候的续流示意图；图7为本实用新型实施例1电路波形时序示意图；图8为本实用新型实施例1电路假设正半周期，因为某些差异导致S5先开通时候的电流流向图；图9为本实用新型实施例1电路假设负半周期，因为某些差异导致S6先开通时候的电流流向图；图10为本实用新型实施例2电路原理图。
具体实施方式
下面参照附图说明本实用新型的实施例，以使本实用新型所属技术领域的技术人员能够容易实施本实用新型。[0035]本实用新型的实施例电路包括高频调制模块、低频续流模块、输出模块以及钳位功能模块，下述实施例中直流输入电源为太阳能电池输入电源，图1示出了该电路的原理框图，高频调制模块由四个高频开关管即第一高频开关管Si、第二高频开关管S4、第三高频开关管S5以及第四高频开关管S6构成，低频续流模块由两个低频开关管即第一低频开关管S2、第二低频开关管S3和两个快速恢复二极管即第一快速恢复二极管D1、第二快速恢复二极管D2构成，钳位功能模块由两个电容值相同的电容即第一电容Cl、第二电容C2和两个钳位二极管即第一钳位二极管D3、第二钳位二极管D4构成，输出模块由两个电感值相同的电感Li、L2构成，并且该两个电感Li、L2分别连接在市电的火线端和零线端。本实用新型中构成高频调制模块的高频开关管Si、S4、S5、S6和构成低频调制模块的低频开关管S2、S 3均可以采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或者功率场效应晶体管 (MOSFET)，而二极管Dl和D2应是快速恢复二极管。以下分别就各开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)或功率场效应晶体管(MOSFET)为例说明本实用新型。实施例1 四个高频开关管S1、S4、S5、S6和低频开关管S2、S 3分别采用绝缘栅双极晶体管 (IGBT)，其电路原理如图2所示，其中开关管S 1的集电极和开关管S6的集电极连接并且同时与太阳能电池输入的正极连接，开关管S4的发射极和开关管S5的发射极连接并且同时与太阳能电池输入的负极连接，开关管S6的发射极与开关管S5的集电极连接。开关管 S2的集电极与开关管Sl的发射极连接，开关管S3的发射极与开关管S4的集电极连接，开关管S2的发射极与开关管S 3的集电极连接，二极管Dl的阴极与开关管Sl的发射极与开关管S2的集电极连接端连接，二极管D2的阳极与开关管S 3的发射极与开关管S4的集电极连接端连接，二极管Dl的阳极与二极管D2的阴极连接。电容Cl和电容C2电容值相同， 电容Cl和C2串联连接同时连接在太阳能电池的正极和负极之间，电容Cl两端电压与电容 C2两端电压相等，为太阳能电池输入电压的一半，二极管D3的阴极与开关管Sl的发射极与开关管S2的集电极以及二极管Dl的阴极连接端连接，二极管D4的阳极与开关管S3的发射极与开关管S4的集电极以及二极管D2的阳极连接端连接，二极管D3的阳极与二极管D4 的阴极连接同时与电容Cl与电容C2连接端连接。电感Ll未与市电的火线连接端与开关管S2的发射极与开关管S3的集电极连接端连接，电感L2未与市电的零线连接端与二极管 Dl的阳极与二极管D2的阴极连接端连接。所述的高频调制部分主要完成SPWM调制，低频续流模块主要完成市电正负半周切换，电流换向的任务。其工作原理为当正半周期导通时候，太阳能电池输入负端对地 (GND)端的电压根据等效原理为1/2太阳能电池输入电压加上1/2市电电压，而当关断续流的时候，假设此时处于正半周期，因为开关管Sl和S5关断，阻断了太阳能电池输入和市电之间的电气连接，S5和S6平分直流太阳能电池输入电压，所以太阳能电池输入电压对地的电压波动只会有低频的一半市电波动存在，使得寄生电容上的漏电流非常小。另外，因为钳位功能模块的存在，确保高频开关管Si、S4为一半输入电压。假设太阳能电池输入电压为600V，则Sl和S4的电压应力为太阳能电池输入直流电压的一半，即300V，同时钳位二极管D3、D4的电压应力要求也仅为太阳能电池输入电压的一半。但是开关管S5和S6、S2和 S 3以及二极管Dl和D2的电压应力则为太阳能电池输入电压值。[0041]图3为本实施例1电路的正半周导通时候的电流流向图，电流依次流过S1，S2，L1， 市电，L2，最后由S5流入太阳能电池的负端。图4为本实施例1电路的正半周期关断续流的电流流向图，此时Sl和S5关断，电流通过Li，市电，L2，二极管Dl和S2流回电感Li。图5为本实施例1电路的负半周期导通时候的电流流向图，电流依次流过S6，L2， 市电，Ll，S3，最后由S4流入太阳能电池的负端。图6为本实施例1电路的负半周期关断续流的电流流向图，此时S4和S6关断，电流通过L2，市电，Li，S 3和二极管D2流回电感L2。图7为本实施例1电路的各个开关管的开关时序示意图，上面为六个开关管的开关驱动波形图，下面一个波形图为输出的电流波形图。图8为本实施例1电路在正半周期工作时候，本应Sl和S5同时导通的(这样确保各自分压一半)，但是S5却意外先导通情况下，Sl仍能满足只有一半直流输入电压的电压应力的示意图。图9为本实施例1电路在负半周期工作时候，本应S4和S6同时导通的(这样确保各自分压一半)，但是S6却意外先导通情况下，S4仍能满足只有一半直流输入电压的电压应力的示意图。实施例2 四个高频开关管S1、S4、S5、S6和低频开关管S2、S 3分别采用功率场效应晶体管 (MOSFET)，其电路原理如图10所示，其中开关管Sl的漏极和开关管S6的漏极连接并且同时与太阳能电池输入的正极连接，开关管S4的源极和开关管S5的源极连接并且同时与太阳能电池输入的负极连接，开关管S6的源极与开关管S5的漏极连接。开关管S2的漏极与开关管Sl的源极连接，开关管S3的源极与开关管S4的漏极连接，开关管S2的源极与开关管S3的漏极连接，二极管Dl的阴极与开关管Sl的源极与开关管S2的漏极连接端连接，二极管D2的阳极与开关管S3的源极与开关管S4的漏极连接端连接，二极管Dl的阳极与二极管D2的阴极连接。电容Cl和电容C2电容值相同，电容Cl和C2串联连接同时连接在太阳能电池的正极和负极之间，电容Cl两端电压与电容C2两端电压相等，为太阳能电池输入电压的一半，二极管D3的阴极与开关管Sl的源极与开关管S2的漏极以及二极管Dl的阴极连接端连接，二极管D4的阳极与开关管S3的源极与开关管S4的漏极以及二极管D2的阳极连接端连接，二极管D3的阳极与二极管D4的阴极连接同时与电容Cl与电容C2连接端连接。电感Ll未与市电的火线连接端与开关管S2的源极与开关管S3的漏极连接端连接，电感L2未与市电的零线连接端与二极管Dl的阳极与二极管D2的阴极连接端连接。本实施例2电路与实施例1中开关管采用绝缘栅双极晶体管(IGBT)的电路可以等效替换，其作用原理以及积极效果与实施例1是一样的，在此不再赘述。上述实施例1、实施例2中开关管Si、S4以及二极管D3、D4的电压应力为太阳能电池输入电压的一半，除此之外，其它的开关管S2、S 3、S5、S6以及二极管D1、D2的电压应力均要求为太阳能电池输入电压的最高值，如太阳能电池输入电压范围为200V-500V，则所述的各个开关管S2、S 3、S5、S6以及二极管D1、D2的电压应力应选择500V的。而电容Cl、 C2以及电感Li、L2的参数取值应符合行业设计标准，为本领域普通技术人员所公知，这里不作特别说明。
权利要求1.一种无变压器并网逆变电路，其特征在于所述电路包括与直流输入电源连接的高频调制模块、与市电连接的输出模块、分别与高频调制模块和输出模块连接的低频续流模块以及与高频调制模块和低频续流模块连接的钳位功能模块，其中所述的高频调制模块具有四个高频开关管(Si、S4、S5、S6)，所述的低频续流模块具有两个低频开关管(S2、S3)和两个快速恢复二极管(Dl、D2)，所述的钳位功能模块具有两个电容值相同的电容(Cl、C2)和两个钳位二极管(D3、D4)，所述的输出模块具有两个电感值相同的电感(Li、L2)，并且该两个电感(L1、L2)分别连接在市电的零线端和火线端。
2.根据权利要求1所述的无变压器并网逆变电路，其特征在于当所述的四个高频开关管(S1、S4、S5、S6)和两个低频开关管(S2、S;3)分别采用绝缘栅双极晶体管时，其中第一高频开关管开关管(Si)的集电极和第四高频开关管开关管(S6)的集电极连接并且同时与直流输入电源的正极连接，第二高频开关管开关管(S4)的发射极和第三高频开关管开关管(S5)的发射极连接并且同时与直流输入电源的负极连接，第四高频开关管开关管(S6)的发射极与第三高频开关管开关管(SO的集电极连接；第一低频开关管(S2)的集电极与第一高频开关管(Si)的发射极连接，第二低频开关管(S； )的发射极与第二高频开关管(S4)的集电极连接，第一低频开关管(S》的发射极与第二低频开关管(S； )的集电极连接，第一快速恢复二极管(Dl)的阴极与第一高频开关管 (Si)的发射极与第一低频开关管(S》的集电极连接端连接，第二快速恢复二极管(D2)的阳极与第二低频开关管(S； )的发射极与第二高频开关管(S4)的集电极连接端连接，第一快速恢复二极管(Dl)的阳极与第二快速恢复二极管(拟)的阴极连接；第一电容(Cl)和第二电容(以)串联连接同时连接在直流输入电源的正极和负极之间，第一电容(Cl)两端电压与第二电容(以)两端电压相等，分别为直流输入电压的一半； 第一钳位二极管(D!3)的阴极与第一高频开关管(Si)的发射极与第一低频开关管(S2)的集电极以及第一快速恢复二极管(Dl)的阴极连接端连接，第二钳位二极管(D4)的阳极与第二低频开关管(S； )的发射极与第二高频开关管(S4)的集电极以及第二快速和二极管 (D2)的阳极连接端连接，第一钳位二极管(D!3)的阳极与第二钳位二极管(D4)的阴极连接同时与第一电容(Cl)与第二电容(C2)连接端连接；分别连接在市电的零线端和火线端的两个电感中的一个电感(Li)未与市电连接端与第一低频开关管(S》的发射极与第二低频开关管(S； )的集电极连接端连接，另一个电感 (L2)未与电网连接端与第一快速恢复二极管(Dl)的阳极与第二快速恢复二极管(拟)的阴极连接端连接。
3.根据权利要求1所述的无变压器并网逆变电路，其特征在于当所述的四个高频开关管(S1、S4、S5、S6)和两个低频开关管(S2、S3)分别采用功率场效应晶体管时，其中第一高频开关管(Si)的漏极和第四高频开关管(S6)的漏极连接并且同时与直流输入电源的正极连接，第二高频开关管(S4)的源极和第三高频开关管(S5)的源极连接并且同时与直流输入电源的负极连接，第四高频开关管(S6)的源极与第三高频开关管(SO的漏极连接；第一低频开关管(S2)的漏极与第一高频开关管(Si)的源极连接，第二低频开关管 (S3)的源极与第二高频开关管(S4)的漏极连接，第一低频开关管(S》的源极与第二低频开关管(S； )的漏极连接，第一快速恢复二极管(Dl)的阴极与第一高频开关管(Si)的源极与第一低频开关管(S》的漏极连接端连接，第二快速恢复二极管(拟)的阳极与第二低频开关管(S； )的源极与第二高频开关管(S4)的漏极连接端连接，第一快速恢复二极管(Dl) 的阳极与第二快速恢复二极管(拟)的阴极连接；第一电容(Cl)和第二电容(以)串联连接同时连接在直流输入电源的正极和负极之间，第一电容(Cl)两端电压与第二电容(以)两端电压相等，分别为直流输入电压的一半； 第一钳位二极管(D!3)的阴极与第一高频开关管(Si)的源极与第一低频开关管(S》的漏极以及第一快速恢复二极管(Dl)的阴极连接端连接，第二钳位二极管(D4)的阳极与第二低频开关管(S； )的源极与第二高频开关管(S4)的漏极以及第二快速恢复二极管(D2)的阳极连接端连接，第一钳位二极管(D!3)的阳极与第二钳位二极管(D4)的阴极连接同时与第一电容(Cl)与第二电容(以)连接端连接；分别连接在市电的零线端和火线端的两个电感中的一个电感(Li)未与市电连接端与第一低频开关管(S》的源极与第二低频开关管(S； )的漏极连接端连接，另一个电感(L2) 未与电网连接端与第一快速恢复二极管(Dl)的阳极与第二快速恢复二极管(拟)的阴极连接端连接。
专利摘要本实用新型涉及一种无变压器并网逆变电路，所述电路包括与直流输入电源连接的高频调制模块、与市电连接的输出模块、分别与高频调制模块和输出模块连接的低频续流模块以及与高频调制模块和低频续流模块连接的钳位功能模块，其中所述的高频调制模块具有四个高频开关管，所述的低频续流模块具有两个低频开关管和两个快速恢复二极管，所述的钳位功能模块具有两个电容值相同的电容和两个钳位二极管，所述的输出模块具有两个电感值相同的电感，并且该两个电感分别连接在市电的零线端和火线端。本实用新型电路的减少了共模电流，提高了工作效率。
文档编号H02M1/44GK202127372SQ201120164348
公开日2012年1月25日 申请日期2011年5月22日 优先权日2011年5月22日
发明者李晓锋 申请人:江苏艾索新能源股份有限公司