电源逆变器电路的制作方法
【专利摘要】根据本发明的一个实施例的电源逆变器电路(1)是桥式电源逆变器电路，该桥式电源逆变器电路包括顺序串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第一和第二切换元件(11、12)以及顺序串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第三和第四切换元件(13、14)，该桥式电源逆变器电路把在较高和较低电压侧上的输入端子之间馈送的直流电力转换成交流电力。第一和第三切换元件(11、13)的组与第二和第四切换元件(12、14)的组中的一组在比另一组的频率更高的频率下控制切换。
【专利说明】电源逆变器电路
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种用于将直流电力转换成交流电力的桥式电源逆变器电路。
【背景技术】
[0002]作为用于将直流电力转换成交流电力的电源逆变器电路，桥式逆变器已被广泛熟知。作为这类桥式逆变器，非专利文献I公开了单相和三相逆变器。
[0003]单相桥式逆变器包括顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第一和第二切换元件以及顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第三和第四切换元件。通过交替导通第一和第四切换元件的组与第二和第三切换元件的组，单相桥式逆变器在第一和第二切换元件的中间节点与第三和第四切换元件的中间节点之间产生单相交流电力(例如图6和9)。
[0004]另一方面，三相桥式逆变器包括顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第一和第二切换元件、顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第三和第四切换元件、以及顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第五和第六切换元件。通过周期性地导通它们之间具有1/3周期的相位差的第一和第四切换元件的组、第三和第六切换元件的组、以及第五和第二切换元件的组，三相桥式逆变器在第一和第二切换元件的中间节点、第三和第四切换元件的中间节点、以及第五和第六切换元件的中间节点之中产生三相交流电力(例如图7和10)。
[0005]非专利文献I还公开了用于在每组的切换元件处于导通的时段期间通过使用脉冲宽度调制(PWM)方案来执行切换控制的桥式逆变器(例如图13)。
[0006]非专利文献1:1MAI Koji, Power Electronics Handbook(R&D Planning 有限公司，2002 年 2 月)，第 328 — 337 页。
[0007]这类桥式电源逆变器电路在单相和三相型中分别需要四个和六个切换元件。这种桥式电源逆变器电路以相同频率来执行对所有切换元件的切换控制。这使所有切换元件必需使用可以以相对高速度进行操作的切换元件，由此很难实现低成本。
[0008]因此本发明的目的是提供一种可降低其成本的电源逆变器电路。
【发明内容】
[0009]根据本发明的电源逆变器电路是桥式电源逆变器电路，该桥式电源逆变器电路包括:顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第一和第二切换元件，该第一和第二切换元件具有与第一输出端子相连的中间节点；以及顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间的第三和第四切换元件，该第三和第四切换元件具有与第二输出端子相连的中间节点；电源逆变器电路用于交替导通第一以及第四切换元件组成的组和第二和第三切换元件组成的组以把在较高和较低电压侧上的输入端子之间馈送的直流电力转换成第一和第二输出端子之间的交流电力；其中第一和第三切换元件组成的组与第二和第四切换元件组成的组中的一组在比另一组的频率更高的频率下经受切换控制。
[0010]对第一和第三切换元件组成的组和第二和第四切换元件组成的组中的一组，通过在比另一组的频率更高的频率下进行切换控制，电源逆变器电路可使用以相对低的速度进行操作且价格比较低廉的切换元件作为另一组中的切换元件。因此，该电源逆变器电路可实现低成本。
[0011]同时，存在CM0SFET (互补金属氧化物半导体场效应晶体管)用作桥式电路中的切换元件这样的情况。也就是说，存在下述情况，即PM0SFET (P沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)用于上臂侧上的第一和第三切换元件，同时NM0SFET (N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管)用于下臂侧上的第二和第四切换元件。CM0SFET的有利之处在于它很容易由时钟信号来驱动，但是不利之处在于PM0SFET趋于呈现出比NM0SFET更低的操作速度，由此在切换控制中很难实现较高速度。
[0012]因此对于电源逆变器电路来说优选是第二和第四切换元件组成的组在比第一和第三切换元件组成的组的频率更高的频率下经受切换控制。
[0013]在这种情况下，下臂侧上的第二和第四切换元件在比第一和第三切换元件的频率更高的频率下经受切换控制，这在使用CM0SFET作为切换元件时是适当的，由此可同时获得快速的切换控制以及容易驱动切换元件这两者。
[0014]优选地，在电源逆变器电路中，在当第一和第四切换元件导通时的交流电力的一半周期时段中，第一切换元件导通，同时第四切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，并且在当第二和第三切换元件导通时的交流电力的另一半周期时段中，第三切换元件导通，同时第二切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制。
[0015]优选地，在电源逆变器电路中，在当第一和第四切换元件导通时的交流电力的一半周期时段中，第一切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，同时第四切换元件在至少两倍于第一切换元件的切换频率的频率下经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，并且在当第二和第三切换元件导通时的交流电力的另一半周期时段中，第三切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，同时第二切换元件在至少两倍于第三切换元件的切换频率的频率下经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制。
[0016]优选地，在电源逆变器电路中，第一至第四切换元件经受切换控制以使得在第一和第二输出端子之间产生单相交流电力。这可实现低成本的全桥单相逆变器电路。
[0017]优选地，电源逆变器电路进一步包括:第五和第六切换元件，该第五和第六切换元件顺序地串联连接在较高与较低电压侧的输入端子之间、具有与第三输出端子相连的中间节点；其中第一至第六切换元件经受切换控制，以使得第一、第三和第五切换元件组成的组与第二、第四和第六切换元件组成的组中的一组在比另一组的频率更高的频率下经受切换控制，从而在第一至第三输出端子之间产生三相交流电力。这可实现低成本的桥式三相逆变器电路。
[0018]本发明可实现低成本的桥式电源逆变器电路。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是用于对根据本发明的第一实施例的单相全桥逆变器进行说明的电路图；
[0020]图2是用于对在其第一切换元件导通的时段期间根据第一实施例的逆变器的等效电路进行说明的示意图；
[0021]图3是用于对在其第三切换元件导通的时段期间根据第一实施例的逆变器的等效电路进行说明的示意图；
[0022]图4是用于对第一切换元件导通的时段期间根据第一实施例的逆变器的输出电压进行说明的示意图；
[0023]图5是用于对根据第一实施例的逆变器的输出交流电压进行说明的示意图；以及
[0024]图6是用于对根据本发明的第二实施例的单相桥式逆变器进行说明的电路图。
【具体实施方式】
[0025]在下面，参考附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在附图中，相同符号指代相同或等效部分。
[0026][第一实施例]
[0027]图1是用于对根据本发明的第一实施例的逆变器进行说明的电路图。第一实施例的逆变器(电源逆变器电路)I是单相全桥逆变器。逆变器I将在较高电压侧输入端子Tih与较低电压侧输入端子Ti之间馈送的直流电力转换成第一和第二输出端子之间的单相交流电力。逆变器I包括第一至第四切换元件11至14以及控制电路20。
[0028]第一和第二切换元件11、12顺序地串联连接在较高与较低电压侧输入端子TIH、Ttt之间，同时其中间节点与第一输出端子Tm相连。例如，上臂侧上的第一切换元件11是PM0SFET，而下臂侧上的第二切换元件12是NM0SFET。
[0029]更具体地说，第一切换元件11具有与较高电压侧输入端子Tih相连的源级端子以及与第二切换元件12的漏极端子相连的漏极端子。第二切换元件12具有与较低电压侧输入端子Ti相连的源级端子。第一和第二切换元件11、12的漏极端子与第一输出端子Τω相连。第一和第二切换元件11、12具有与控制电路20相连的栅极端子。
[0030]类似地，第三和第四切换元件13、14顺序地串联连接在较高与较低电压侧输入端子ΤΙΗ、Τι之间，同时其中间节点与第二输出端子相连。例如，上臂侧上的第三切换元件13是PM0SFET，而下臂侧上的第四切换元件14是NM0SFET。
[0031]更具体地说，第三切换元件13具有与较高电压侧输入端子Tih相连的源级端子以及与第四切换元件14的漏极端子相连的漏极端子。第四切换元件14具有与较低电压侧输入端子Ti相连的源级端子。第三和第四切换元件13、14的漏极端子与第二输出端子相连。第三和第四切换元件13、14具有与控制电路20相连的栅极端子。
[0032]控制电路20执行对第一至第四切换元件11至14的切换控制。具体地说，控制电路20交替地导通第一和第四切换元件11、14组成的组以及第二和第三切换元件12、13组成的组，以便将在较高与较低电压侧输入端子ΤΙΗ、Τι之间馈送的直流电流转换成第一和第二输出端子TQ1、T02之间的单相交流电力。
[0033]更具体地说，在当第一和第四切换元件11、14导通时的输出单相交流电力的半周期时段中，控制电路20导通第一切换元件11，同时使第四切换元件14经受使用脉冲宽度调制(PWM)方案的切换控制。在当第二和第三切换元件12、13导通时的输出单相交流电力的另一半周期时段中，控制电路20导通第三切换元件13，同时使第二切换元件12经受使用该PWM方案的切换控制。
[0034]也就是说，控制电路20使上臂侧上的第一和第三切换元件11、13在输出交流电力的频率下经受切换控制，并且通过使用PWM方案使下臂侧上的第二和第四切换元件12、14在比第一和第三切换元件11、13的频率更高的频率下经受切换控制。
[0035]现在对根据第一实施例的逆变器I的操作进行说明。例如，假如对第一和第三切换元件11、13进行控制以使得以低速(例如，60Hz的频率)交替地导通/截止。此后，在第一切换元件11导通的时段期间使第四切换元件14经受高速(例如120HZ的频率)的PWM控制，并且在第三切换元件13导通的时段期间使第二切换元件12经受高速(例如120HZ的频率)的PWM控制。
[0036]图2是用于对在第一切换元件11导通的时段期间逆变器I的等效电路进行说明的示意图，而图3是用于对在第三切换元件13导通的时段期间逆变器I的等效电路进行说明的示意图。为了便于以下的操作说明，假定平滑电容器(电容值C)连接在第一和第二输出端子TM、T02之间。假设电阻负载(电阻值R)连接在第一和第二输出端子TM、T02之间。在图2和3中，is是第一和第三切换元件11、13的每一个的饱和电流值。
[0037]图4是用于对在第一切换元件11导通的时段期间逆变器I的输出电压进行说明的示意图。在图4中，利用第四切换元件14从截止切换到导通的时间作为原点，将截止和导通时间分别定义为A和t2。也就是说，导通一截止切换的一个周期是
[0038]图5是用于对逆变器I的输出电压进行说明的示意图。图5还说明了第一至第四切换元件11至14的导通和截止状态。
[0039]首先，在第一切换元件11导通的时段期间，如在图2和5中所说明的，第二和第三切换元件12、13保持在截止状态。第四切换元件14经受例如以120kHZ的PWM控制。
[0040]假设逆变器I的输出电压v(t)是时间t的函数，则根据在第四切换元件14截止和导通的相应时段期间的基尔霍夫电流定律获得下列表达式(I)和(2)。
[0041][公式I]
[0042]+ C ―― = 0..?⑴
R ?
[0043]+= 4..-(2)
[0044]在这里，如上所述，C是平滑电容器的电容值，R是电阻值，并且is是第一切换元件11的饱和电流值。
[0045]上述表达式(I)和(2)是其通解被分别确定为下列表达式(3)和(4)的一阶线性常微分方程。
[0046][公式2]
[0047]v(t) = v0e_ot...(3)
[0048]v(t) = Ri^Vie-01...(4)
[0049]在这里，σ是电压衰减常数，即CR时间常数的倒数1/CR，而Vtl和V1是从下面将要说明的时间轴上的电压连续条件所确定的积分常数。
[0050]假设输出电压V (t)在如图4所说明的第四切换元件14从截止切换到导通时的时间t = O连续，则从上述表达式(3)和(4)获得下列表达式(5)。
[0051][公式3]
[0052]v0 = RiJv1...(5)
[0053]假定在第四切换元件14的截止状态的一个时段和其导通状态的一个时段构成了一个周期的同时，输出电压V(t)周期性连续，即V(-t) =v(t2),则从上述表达式(3)和(4)获得了下列表达式(6)。
[0054][公式4]
[0055]
【权利要求】
1.一种电源逆变器电路，包括: 第一切换元件和第二切换元件，顺序地串联连接在较高电压侧的输入端子与较低电压侧的输入端子之间，具有与第一输出端子相连的中间节点；以及 第三切换元件和第四切换元件，顺序地串联连接在所述较高电压侧的输入端子与所述较低电压侧的输入端子之间，具有与第二输出端子相连的中间节点； 所述电源逆变器电路交替导通所述第一切换元件以及所述第四切换元件组成的组和所述第二切换元件以及所述第三切换元件组成的组，使得把在所述较高电压侧上的输入端子和所述较低电压侧上的输入端子之间馈送的直流电力转换成在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间的交流电力； 其中，所述第一切换元件和所述第三切换元件组成的组与所述第二切换元件和所述第四切换元件组成的组中的其中一组在比另一组的频率更高的频率下经受切换控制。
2.根据权利要求1所述的电源逆变器电路，其中所述第二切换元件以及所述第四切换元件组成的组在比所述第一切换元件以及所述第三切换元件组成的组的频率更高的频率下经受切换控制。
3.根据权利要求2所述的电源逆变器电路，其中在当所述第一切换元件和所述第四切换元件导通时的交流电力的一半周期时段中，所述第一切换元件导通，同时所述第四切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制；以及 在当所述第二切换元件和所述第三切换元件导通时的交流电力的另一半周期时段中，所述第三切换元件导通，同时所述第二切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制。
4.根据权利要求2所述的电源逆变器电路，其中在当所述第一切换元件和第四切换元件导通时的交流电力的一半周期时段中，所述第一切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，同时所述第四切换元件在至少两倍于所述第一切换元件的切换频率的频率下经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制；以及 在当所述第二切换元件和所述第三切换元件导通时的交流电力的另一半周期时段中，所述第三切换元件经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制，同时使所述第二切换元件在至少两倍于所述第三切换元件的切换频率的频率下经受使用脉冲宽度调制方案的切换控制。
5.根据权利要求1所述的电源逆变器电路，其中所述第一切换元件至第四切换元件经受切换控制，使得在所述第一输出端子和所述第二输出端子之间产生单相交流电力。
6.根据权利要求1所述的电源逆变器电路，还包括: 第五切换元件和第六切换元件，顺序地串联连接在所述较高电压侧的输入端子与所述较低电压侧的输入端子之间，具有与第三输出端子相连的中间节点； 其中，所述第一切换元件至第六切换元件经受切换控制，使得所述第一切换元件、第三切换元件和第五切换元件组成的组与所述第二切换元件、第四切换元件和第六切换元件组成的组中的其中一组在比另一组的频率更高的频率下经受切换控制，从而在所述第一输出端子至所述第三输出端子之间产生三相交流电力。
【文档编号】H02M7/5387GK104205608SQ201380018555
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月22日 优先权日:2012年4月19日
【发明者】藤川一洋, 初川聪, 志贺信夫, 大平孝 申请人:住友电气工业株式会社, 国立大学法人丰桥技术科学大学