一种新型的双向DC-AC转换装置及逆变系统、整流系统的制作方法

本发明涉及电路结构，具体涉及一种新型的双向DC-AC转换装置及逆变系统、整流系统。

背景技术：

逆变电路常用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。当前，逆变电路多采用全桥或半桥式的电路结构，主要用来实现直流到交流的转换过程。这样的桥式逆变电路的开关状态通常由加于其控制极的电压信号决定，由电压信号的变换频率决定输出端的输出频率，从而达到逆变的目的。在逆变过程中，当采用双极性调制时，由于场效应管的开通关断特性不一致，会出现直通场效应管损坏的现象，而当采用单极性调制时，续流回路增加，EMI(Electromagnetic Interference，电磁干扰)干扰较大。

整流电路与逆变电路相对应，把交流电变成直流电的过程。整流电路往往将二极管作为整流元件，根据半波整流、全波整流、桥式整流、异常整流等整流方式和负载大小进行型号选择。具体来说，整流电路是利用二极管的单向导电性将正负变化的交流电压变为单向电压的电路，在交流电源的作用下，整流二极管周期性地导通和截止，使负载得到直流电。在整流过程中，由于整个电路处于不控整流状态，功率因数很低，同时也会产生较大的谐波，从而影响产品性能。

由于逆变电路和整流电路具有电路结构相似的特点，在实际利用中，往往形成逆变整流为一体的双向变换电路。目前，这种双向变换电路多采用全桥电路结构，可见图1。当逆变状态时，电感L1、电容C2作为逆变输出滤波电路，场效应管Q3、Q4按照时序要求进行工频切换，执行换向需要，场效应管Q5、Q6进行高频切换，执行正弦斩波；当整流状态时，利用电感L1作为PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电感，场效应管的动作模式同逆变状态。此类电路的结构简单，仅能实现要求不高的逆变整流应用场合，仍然存在续流回路长、损耗大、EMC(Electro Magnetic Compatibility，电磁兼容性)差的问题。

技术实现要素：

本发明主要解决的技术问题是现有的逆变整流电路存在续流回路长、损耗大的缺点。为解决上述问题，本申请提供了一种新型的双向转换装置。

根据第一方面，一种实施例中提供一种新型的双向DC-AC转换装置，包括：

换向单元，包括逆变整流电路以及与所述逆变整流电路连接的第一输电端、第二输电端和控制端；

开关单元，包括buck-boost电路以及与所述buck-boost电路连接的第一连接端、第二连接端和控制端，所述第一连接端用于连接直流电源或直流负载，所述第二连接端与所述换向单元中的所述第一输电端连接；

滤波单元，包括第三连接端和第四连接端，所述第三连接端与所述换向单元中的所述第二输电端连接，所述第四连接端用于连接交流电源或交流负载；

控制单元，分别与所述换向单元的控制端和所述开关单元的控制端连接，用于控制所述换向单元中的所述逆变整流电路的逆变时序或整流时序，及用于控制所述开关单元中的所述buck-boost电路的直流通断状态。

所述逆变整流电路为单相桥式可控电路，所述单相桥式可控电路的直流端形成所述第一输电端，交流端形成所述第二输电端，所述单相桥式可控电路的控制端形成所述换向单元的控制端。

所述单相桥式可控电路包括场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5和场效应管Q6，所述场效应管Q3的输入端、输出端分别与所述场效应管Q5的输入端、所述场效应管Q4的输入端连接，所述场效应管Q6的输入端、输出端分别与所述场效应管Q4的输出端、所述场效应管Q5的输出端连接；

所述场效应管Q3的输入端和所述场效应管Q4的输出端配合构成所述单相桥式可控电路的直流端，所述场效应管Q3的输出端和所述场效应管Q5的输出端配合构成所述单相桥式可控电路的交流端，所述场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5和场效应管Q6的各自控制端配合构成所述单相桥式可控电路的控制端。

所述buck-boost电路包括场效应管Q1和场效应管Q2，所述场效应管Q1的输出端与所述场效应管Q2的输入端、所述场效应管Q3的输入端连接，所述场效应管Q2的输出端与所述场效应管Q4的输出端连接；

所述场效应管Q1的输入端、所述场效应管Q2的输出端配合形成所述开关单元中的第一连接端，所述场效应管Q1的输出端、所述场效应管Q2的输出端配合形成所述开关单元中的第二连接端。

所述开关单元还包括电容C1，所述电容C1并联在所述buck-boost电路中的所述第一连接端上，所述电容C1的一端与所述场效应管Q1的输入端连接，另一端与所述场效应管Q2的输出端连接。

所述滤波单元包括电感L1和电容C2，所述电感L1的一端与所述场效应管Q5的输出端连接，另一端与所述电容C2的一端连接，所述电容C2的另一端与所述场效应管Q3的输出端连接；

所述电感L1的一端和所述电容C2的另一端配合形成所述滤波单元中的第三连接端，所述电容C2的两端配合形成所述滤波单元中的第四连接端。

所述控制单元包括多个使能端，分别与所述场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、场效应管Q6的各自控制端连接，及分别与所述场效应管Q1、场效应管Q2的各自控制端连接；

所述控制单元通过向所述场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、场效应管Q6的各自控制端分别发送使能信号来控制所述逆变整流电路的逆变时序或整流时序，所述控制单元通过向所述场效应管Q1、场效应管Q2的各自控制端分别发送使能信号来控制所述buck-boost电路的直流通断状态。

根据第二方面，一种实施例中提供一种DC-AC逆变系统，包括：

如上述第一方面中所述的双向DC-AC转换装置，包括第一连接端和第四连接端；

直流电源和交流负载，分别与所述双向DC-AC转换装置的第一连接端和第四连接端连接；

所述双向DC-AC转换装置接收所述直流电源的直流电，将直流电逆变为单相交流电之后输送至所述交流负载。

根据第三方面，一种实施例中提供一种AC-DC整流系统，包括：

如上述第一方面所述的双向DC-AC转换装置，包括第一连接端和第四连接端；

交流电源和直流负载，分别与所述双向DC-AC转换装置的第四连接端和第一连接端连接；

所述双向DC-AC转换装置接收所述交流电源的单相交流电，将单相交流电整流为直流电之后输送至所述直流负载。

上述实施例的一种新型的双向DC-AC转换装置及逆变系统、整流系统，所述的双向DC-AC转换装置包括换向单元、开关单元、滤波单元和控制单元。本申请的技术方案中将单相全桥可控电路与buck-boost电路相结合，在逆变过程中通过buck-boost电路进行斩波，形成SPWM波形，从而使得单相全桥可控电路将直流电转换为单相交流电，此过程中可有效降低场效应管的损耗、提高滤波电感的利用率，同时降低装置的EMI；在整流过程中将buck-boost电路与滤波电感相配合，在单相全桥可控电路做工频切换时，利于buck-boost电路作为PFC及控制输出电压，还有助于减少场效应管的损耗、降低装置的EMI干扰，从而改善直流侧输出特性。

附图说明

图1为现有双向变换电路的结构图；

图2为一实施例中双向DC-AC转换装置的结构示意图；

图3为一实施例中双向DC-AC转换装置的电路图；

图4为双向DC-AC转换装置逆变工作原理图之一；

图5为双向DC-AC转换装置逆变工作原理图之二；

图6为双向DC-AC转换装置逆变工作原理图之三；

图7为双向DC-AC转换装置逆变工作原理图之四；

图8为双向DC-AC转换装置整流工作原理图之一；

图9为双向DC-AC转换装置整流工作原理图之二；

图10为双向DC-AC转换装置整流工作原理图之三；

图11为双向DC-AC转换装置整流工作原理图之四；

图12为一实施例中DC-AC逆变系统的电路图；

图13为一实施例中AC-DC整流系统的电路图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

实施例一：

请参考图2，本申请公开一种新型的双向DC-AC转换装置1，其包括换向单元11、开关单元12、滤波单元13和控制单元14，下面分别说明。

换向单元11包括逆变整流电路(图中未标记)以及与该逆变整流电路连接的第一输电端111、第二输电端112和控制端113。在一实施例中，这里的逆变整流电路为单相桥式可控电路，而单相桥式可控电路的直流端形成第一输电端111，交流端形成第二输电端112，单相桥式可控电路的控制端形成换向单元11的控制端113。

在一具体实施例中，见图3，单相桥式可控电路(图中未标记)包括场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5和场效应管Q6。场效应管Q3的输入端、输出端分别与场效应管Q5的输入端、场效应管Q4的输入端连接，场效应管Q6的输入端、输出端分别与场效应管Q4的输出端、场效应管Q5的输出端连接。从而使得，场效应管Q3的输入端和场效应管Q4的输出端配合构成该单相桥式可控电路的直流端(即第一输电端111)，场效应管Q3的输出端和场效应管Q5的输出端配合构成该单相桥式可控电路的交流端(即第二输电端112)，场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5和场效应管Q6的各自控制端配合构成该单相桥式可控电路的控制端(即控制端113)。

可参考图2和图3，开关单元12包括buck-boost电路(图中未标记)以及与该buck-boost电路连接的第一连接端121、第二连接端122和控制端123，这里的第一连接端121用于连接直流电源或直流负载，而第二连接端122与换向单元11中的第一输电端111连接。

在一具体实施例中，见图3，buck-boost电路包括场效应管Q1和场效应管Q2，场效应管Q1的输出端与场效应管Q2的输入端、场效应管Q3的输入端连接，场效应管Q2的输出端与场效应管Q4的输出端连接。从而使得，场效应管Q1的输入端、场效应管Q2的输出端配合形成开关单元12中的第一连接端121，场效应管Q1的输出端、场效应管Q2的输出端配合形成开关单元121中的第二连接端122。

进一步地，见图3，开关单元12还包括电容C1，该电容C1并联在buck-boost电路中的第一连接端121上，电容C1的一端与场效应管Q1的输入端连接，另一端与场效应管Q2的输出端连接。

需要说明的是，Buck-Boost电路属于常见的电路结构，也称升降压式变换器，是一种输出电压既可低于也可高于输进电压的单管不隔离直流变换器，但其输出电压的极性与输进电压相反。Buck-Boost电路可看做是Buck变换器和Boost变换器串联而成，合并了场效应管而已，其输出电压U0大于或小于输进电压Ui，极性相反，电感传输。Buck变换器又称降压斩波器，其输出均匀电压U0小于输进电压Ui，极性相同；而Boost变换器又称升压斩波器，其输出均匀电压U0大于输进电压Ui，极性相同。

可参考图2和图3，滤波单元13包括第三连接端131和第四连接端132，第三连接端131与换向单元中11中的第二输电端112连接，第四连接端132用于连接交流电源或交流负载。

在一具体实施例中，见图3，滤波单元13包括电感L1和电容C2，电感L1的一端与场效应管Q5的输出端连接，另一端与电容C2的一端连接，该电容C2的另一端与场效应管Q3的输出端连接。从而使得，电感L1的一端和电容C2的另一端配合形成滤波单元13中的第三连接端131，电容C2的两端配合形成滤波单元13中的第四连接端132。

需要说明的是，这里的滤波单元13可认为是一种无源PFC电路结构，主要采用无源器件(电感、电容等)来改变输入功率因数，减少电流谐波，从而满足滤波要求。该种无源PFC电路的特点是结构简单，无需控制，适应性强。

可参考图2和图3，控制单元14分别与换向单元11的控制端113和开关单元12的控制端123连接，用于控制换向单元11中的逆变整流电路的逆变时序或整流时序，及用于控制开关单元12中的buck-boost电路的直流通断状态。

在一具体实施例中，见图3，控制单元14包括多个使能端(图中未标记)，分别与场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、场效应管Q6的各自控制端连接，及分别与场效应管Q1、场效应管Q2的各自控制端连接。从而使得，控制单元14通过向场效应管Q3、场效应管Q4、场效应管Q5、场效应管Q6的各自控制端分别发送使能信号来控制逆变整流电路的逆变时序或整流时序，控制单元14通过向场效应管Q1、场效应管Q2的各自控制端分别发送使能信号来控制buck-boost电路的直流通断状态。

需要说明的是，第一方面，逆变整流电路(即场效应管Q3、Q4、Q5、Q6所构成部分)的逆变时序或整流时序已经属于行业内的公知，可通过周期性的调整场效应管Q4、Q5(或者场效应管Q3、Q6)的通断状态来转换电流在线路中的流向，从而将直流转换为交流，或者将交流转换为直流。由于该部分的逆变时序和整流时序属于现有技术，因此这里将不再进行详细说明，而且，所采用的使能信号的波形状态(如正弦波、PWM波、SPWM波)也不再进行限制。第二方面，buck-boost电路(即场效应管Q1、Q2所构成部分)的直流通断状态也已经属于行业内的公知，可通过电压或电流形式的使能信号来决定场效应管Q1、Q2的通断状态，该直流通断的控制方式可采用现有的控制技术，也可采用未来出现的控制技术，这里不再对其进行限定。

为辅助技术人员准确、清晰理解本发明创造，下面将结合图4—图7对上述双向DC-AC转换装置1的逆变工作原理进行详细说明，而结合图8—图11对双向DC-AC转换装置1的整流工作原理进行详细说明。

可参考图4—图7，应当将双向DC-AC转换装置1的第一连接端121与一直流电源Vdc连接，将第四连接端132与一交流负载连接，控制单元14分别向换向单元11、开关单元12发送使能信号，从而使得双向DC-AC转换装置1进入逆变工作状态。

在处于逆变正半周期时，控制场效应管Q1处于高频调试状态，控制场效应管Q4、Q5处于持续导通状态，同时控制场效应管Q2、Q3、Q6处于持续关断状态。此时，若场效应管Q1调试导通，则电流依次经过场效应管Q1、Q5、电感L1、交流负载、场效应管Q4的回路返回至直流电源Vdc，使得电感L1、电容C2充电，并且通过电感L1、电容C2对外提供能量，具体的能量流向见图4；若场效应管Q1调试关断，则场效应管Q5和场效应管Q3的体二极管为电感L1提供续流回路，具体的能量流向见图5。

在处于逆变负半周期时，控制场效应管Q1处于高频调试状态，控制场效应管Q3、Q6处于持续导通状态，同时控制场效应管Q2、Q4、Q5处于持续关断状态。此时，若场效应管Q1调试导通，则电流依次经过场效应管Q1、Q3、交流负载、电感L1、场效应管Q6的回路返回至直流电源Vdc，使得电感L1、电容C2充电，并且通过电感L1、电容C2对外提供能量，具体的能量流向见图6；若场效应管Q1调试关断，则场效应管Q5的体二极管为电感L1提供续流回路，具体的能量流向见图7。

通过逆变过程的原理说明可知，逆变时，逆变所述电感与电感L1(或称PFC电感)共用，发挥了buck-boost电路中buck电路(即场效应管Q1所示电路)与单相全桥可控电路充分结合优势，使得buck电路产生SPWM，单相全桥可控电路实现换向功能，从而降低开关损耗，提升装置的抗EMI特性(即抗电磁干扰特性)。

可参考图8—图11，应当将双向DC-AC转换装置1的第四连接端132与一交流电源Vac连接，将第一连接端121与一直流负载连接，控制单元14分别向换向单元11、开关单元12发送使能信号，从而使得双向DC-AC转换装置1进入整流工作状态。

在处于整流正半周期时，控制场效应管Q2处于高频调试状态，控制场效应管Q4、Q5处于持续导通状态，同时控制场效应管Q1、Q3、Q6处于持续关断状态。此时，若场效应管Q2调试导通，则电流依次经过电感L1、场效应管Q5、Q2、Q4的回路返回至交流电源Vac，使得电感L1、电容C2充电，具体的能量流向见图8；若场效应管Q2调试关断，则场效应管Q1的体二极管、电容C1和场效应管Q4、Q5为电感L1提供续流回路，电感L1释放电能，具体的能量流向见图9。

在处于逆变负半周期时，控制场效应管Q2处于高频调试状态，控制场效应管Q3、Q6处于持续导通状态，同时控制场效应管Q2、Q4、Q5处于持续关断状态。此时，若场效应管Q2调试导通，则电流依次经过场效应管Q3、Q2、Q6、电感L1的回路返回至交流电源Vac，使得电感L1、电容C2充电，具体的能量流向见图10；若场效应管Q1调试关断，则场效应管Q5的体二极管、电容C1以及场效应管Q3、Q6为电感L1提供续流回路，电感L1释放能量，具体的能量流向见图11。

通过整流过程的原理说明可知，整流时，整流所述电感与电感L1(或称PFC电感)共用，发挥了buck-boost电路中boost电路(即场效应管Q2所示电路)与单相全桥可控电路充分结合优势，使得boost电路作为PFC及控制输出电压，单相全桥可控电路实现换向功能，从而降低开关损耗，提升装置的抗EMI特性(即抗电磁干扰特性)，提升直流侧输出性能。

实施例二：

请参考图12，相应地，本申请公开一种DC-AC逆变系统2，其包括实施例一中的双向DC-AC转换装置1、直流电源Power1和交流负载Load1。

双向DC-AC转换装置1包括第一连接端121和第四连接端132，关于双向DC-AC转换装置1的具体结构和逆变工作原理说明可参考实施例一中相关内容，这里不再赘述。

直流电源Power1和交流负载Load1分别与双向DC-AC转换装置1的第一连接端121和第四连接端132连接。双向DC-AC转换装置1可接收直流电源Power1的直流电，将直流电逆变为单相交流电之后输送至交流负载Load1。

实施例三：

相应地，本申请还公开一种AC-DC整流系统3，其包括实施例一中的双向DC-AC转换装置1、交流电源Power2和直流负载Load2。

双向DC-AC转换装置1包括第一连接端121和第四连接端132，关于双向DC-AC转换装置1的具体结构和整流工作原理说明可参考实施例一中相关内容，这里不再赘述。

交流电源Power2和直流负载Load2分别与双向DC-AC转换装置1的第四连接端132和第一连接端121连接。双向DC-AC转换装置1可接收交流电源Power2的单相交流电，将单相交流电整流为直流电之后输送至直流负载Load2。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。