[发明专利]高效率直流‑交流逆变器

说明书

背景介绍

发明所属领域

本专利申请是关于电源变换领域里的一项发明，更具体地说是一种特殊的直流-交流逆变器的电路结构和操作方法。该种逆变器电路使用较少的功率元件，而且能够通过软开关操作进一步提高逆变器的工作效率并降低开关操作所产生的噪音，能普遍适用于太阳能逆变、交流电机驱动、音频放大器以及其它需要产生交流输出的应用。

相关领域的描述

随着日益迫切的环境保护的需求人们越来越广泛地要求在各个领域使用低排放的新能源，特别是零排放的绿色能源。太阳能发电是各种新能源中最具有发展潜力的绿色能源之一。在太阳能发电的的大规模开发使用中通常需要把太阳能电池所产生的直流电能转换成交流形式然后输送到交流电网上，因此直流到交流的电源转换装置是太阳能发电应用中的一类重要设备。这类装置的工作效率、工作性能和设备成本等对太阳能发电系统至关重要。

图1(A)描述的是一个典型的传统太阳能电源转换电路结构。如图1(A)中所示，VIN+、VIN-为太阳能电池的直流输出端。因为太阳能电池的输出电压通常低于交流电网电压的峰值，而且电压值会随着环境条件如光照强度、云层移动、物体遮光等情况变化，所以要先用一级升压变换电路来把太阳能电池的输出电压升到一个高于交流电网电压峰值的恒定水平，然后再通过逆变器把升高后的直流电压转换成和交流电网电压同频同相的交流信号把能量输送到交流电网上去。图1(A)中的L1、Q1、D1和C2用来完成直流升压的功能，把太阳能电池的电压升高到VDC+的水平。图1(A)中的电子开关Q3、Q4、Q5和Q6则组成一个全桥式逆变器，从输端口S1和S2通过电感L2和L3把逆变后的交流能量输送到交流电网的AC1、AC2两个端口。

图1(B)概念性的描述了逆变器的电流输出波形以及和交流电网电压的关系。在图1(B)中VAC为交流电网正弦电压波形，IOUT是通过电感L2输出到交流电网的电流波形。输出端的滤波电容C3主要用于滤除逆变器操作的高频开关分量，减小逆变器输出中的噪音。从图1(B)中可以看出，输出到交流电网的电流的包络线和交流电网电压同频同相。这里我们把输出电流的峰值包络线描绘得和交流电网电压的正弦波形吻合是为了便于说明同频同相的关系，输出电流的幅值是可以根据操作条件变化的。另一方面由于交流电网的特性近似于一个电压源，所以逆变器的输出控制目标是输出电流，使其跟随交流电网电压正弦波形的频率和相位，而正弦波形的幅值则根据操作条件进行调节。

该传统太阳能电源转换电路的一个缺点是图1(A)所示的全桥逆变电路中的电子开关器件Q3、Q4、Q5和Q6均工作在硬开关状态。从图1(B)的操作波形不难看出，电感L2的电流极性在整个交流电网电压的半个周期内是不变的，所以在开关器件的开关操作过程中无法利用电流的谐振来创造零电压或零电流的软开关工作条件。当开关器件工作在硬开关操作状态时，不仅逆变器的工作效率由于开关损耗的增加而变得比较低，硬开关操作所产生的噪音也会造成对电网的干扰，当干扰强度超过规定指标时，整个系统将不被电网所接受。另外由于逆变器的输入电压VDC必须要高于交流电网电压的峰值，逆变器的前端输入需要插入一级升压变换器。系统的效率会因为升压变换器所产生的损耗而进一步下降，而且系统的成本也会由于升压变换器的使用而增加。

本发明的总结

为了解决上述问题从而使得太阳能电源转换系统具备更优良的性能和更强的价格竞争力，本发明提出了一种独特的的电路操作控制方法和一种独特的直流-交流电源转换系统电路结构。所提出的电路操作控制方法利用谐振原理在逆变器的开关操作过程中为逆变器的电子开关器件创造零电压开关的条件，从而实现零电压软开关操作，降低了逆变器的开关损耗，同时也有效地降低了开关噪音，使得逆变器的效率和噪音干扰水平都得到明显的改善。本发明所提出的直流-交流电源转换系统电路结构无论在输入直流电压高于或者低于逆变器交流输出电压的峰值时都不需要使用升压变换器环节，只使用一个单级变换器电路来实现宽输入范围的直流-交流逆变操作，避免了升压变换器电路所产生的功耗，而且也降低了系统的成本。本发明还提出了一种使用单电感的宽范围直流-交流转换电路结构。该电路只需要使用一个单电感来实现在输入直流电压高于或者低于逆变器交流输出电压的峰值时都能工作的宽范围直流-交流转换。

附图说明