一种高增益三开关逆变器及控制方法与流程

本发明涉及逆变器技术领域，特别是涉及一种高增益三开关逆变器及控制方法。

背景技术：

双端共地具有漏电流小的优点，然而常规的逆变器，由于工作中的高频开关的动作，使得直流侧输入的负极性端与交流侧的参考地端会有高频共模电压的产生，从而产生较大的漏电流，这将降低逆变系统的安全性能和逆变效率，严重时会危及到相关设备和人员的安全。因此漏电流抑制问题是逆变器并网运行中的关键问题，具有重要研究意义。实际中采用传统逆变器拓扑及其调制方法将导致较大漏电流，传统的双端共地电路buck电路、boost电路等电路都存在着升压能力不足的问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种高增益三开关逆变器及控制方法，具有能够有效抑制高频共模电压和漏电流，并且能够实现高增益电压输出的优点。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种高增益三开关逆变器，包括：

直流电源、第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一开关管、第二开关管、第三开关管、第一二极管、第二二极管、第一电容、第二电容、第三电容、第四电容和负载电阻；

所述直流电源的正极与所述第一电感的输入端连接；所述直流电源的负极分别与所述第一二极管的截止端和所述第二二极管的截止端连接；

所述第一开关管的集电极分别与所述第一电感的输出端和所述第一电容的第一端连接；所述第一开关管的发射极分别与所述第二二极管的导通端、所述第二电感的输出端、所述第四电容的第二端和所述负载电阻的第二端连接；

所述第一电容的第二端分别与所述第一二极管的导通端、所述第二电感的输入端、所述第三电感的输入端和所述第二电容的第一端连接；

所述第二开关管的集电极分别与所述第三电感的输出端和所述第三电容的第一端连接；所述第二开关管的发射极分别与所述第二电容的第二端和第四电感的输入端连接；

所述第三开关管的发射极分别与所述第三电容的第二端和所述第四电感的输出端连接；所述第三开关管的集电极分别与所述第四电容的第一端和所述负载电阻的第一端连接；

所述第一开关管的基极输入第一开关驱动信号；所述第二开关管的基极输入第二开关驱动信号；所述第三开关管的基极输入第三开关驱动信号。

可选的，所述第一电感、第二电感、第三电感和第四电感相互耦合。

可选的，所述第三电感与所述第四电感的电感值相同；所述第二电容与所述第三电容的电容值相同。

可选的，所述第一开关管，第二开关管以及第三开关管均为全控型器件。

可选的，所述第一开关管的占空比为d1；其中，k为所述高增益三开关逆变器的增益系数；

所述第二开关管的占空比为其中，a为所述高增益三开关逆变器的峰值电压增益，t为时间，ω为角速度；

所述第三开关管的占空比为d3＝2-d1-d2。

可选的，所述高增益三开关逆变器包括第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式；

所述第一工作模式为所述第一开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号是高电平，所述第二开关管驱动信号是低电平，所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管关断；

所述第二工作模式为所述第一开关管驱动信号和所述第二开关管驱动信号是高电平，所述第三开关管驱动信号是低电平，所述第一开关管和所述第二开关管导通，所述第三开关管关断；

所述第三工作模式为所述第二开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号是高电平，所述第一开关管驱动信号是低电平，所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管关断。

本发明还提供一种高增益三开关逆变器的控制方法，包括：

获取第一开关管的占空比和第二开关管的占空比；

将幅值为1且频率为1/t的锯齿波的值与所述第一开关管的占空比d1进行比较，得到第一比较结果，根据所述第一比较结果产生第一开关管驱动信号；所述第一开关管驱动信号包括高电平信号和低电平信号；当所述第一开关管的占空比大于或等于所述锯齿波的值时，输出高电平；当所述第一开关管的占空比小于所述幅值为1且频率为1/t的锯齿波的值时，输出低电平；其中，k为所述高增益三开关逆变器的增益系数，t为所述高增益三开关逆变器的开关周期；

将1减去所述第二开关管的占空比d2得到的差值与所述锯齿波的值进行比较，得到第二比较结果，根据所述第二比较结果产生第二开关管驱动信号；所述第二开关管驱动信号包括高电平信号和低电平信号；当将1减去所述第二开关管的占空比d2得到的差值大于或等于所述锯齿波的值时，输出高电平；当将1减去所述第二开关管的占空比d2得到的差值小于所述锯齿波的值时，输出低电平；其中，a为所述高增益三开关逆变器的峰值电压增益，t为时间，ω为角速度；

将所述第一开关管驱动信号与所述第二开关管驱动信号进行异或运算，得到第三开关管驱动信号；

所述高增益三开关逆变器根据所述第一开关管驱动信号、所述第二开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式；

重复步骤“所述高增益三开关逆变器根据所述第一开关管驱动信号、所述第二开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式”，得到目标交流电。

可选的，所述第一工作模式为所述第一开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号是高电平，所述第二开关管驱动信号是低电平，所述第一开关管和所述第三开关管导通，所述第二开关管关断；

所述第二工作模式为所述第一开关管驱动信号和所述第二开关管驱动信号是高电平，所述第三开关管驱动信号是低电平，所述第一开关管和所述第二开关管导通，所述第三开关管关断；

所述第三工作模式为所述第二开关管驱动信号和所述第三开关管驱动信号是高电平，所述第一开关管驱动信号是低电平，所述第二开关管和所述第三开关管导通，所述第一开关管关断。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种高增益三开关逆变器及控制方法，高增益三开关逆变器包括直流电源、四个电感、三个开关管、两个二极管、四个电容和一个负载电阻，该逆变器的拓扑结构开关器件少，开关信号生成电路结构简单，可采用模拟电路实现，具有能够有效抑制高频共模电压和漏电流，并且能够实现高增益电压输出的优点。

此外，采用耦合电感能够有效减小电感量，并且在进行控制时保证同一时刻只有两个开关管导通，能够有效保证逆变器输出电压增益以及实现逆变过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中高增益三开关逆变器电路拓扑图；

图2为本发明实施例中高增益三开关逆变器控制方法流程图；

图3为本发明实施例中高增益三开关逆变器控制方法原理图；

图4为本发明实施例中高增益三开关逆变器在第一工作模式的工作过程示意图；

图5为本发明实施例中高增益三开关逆变器在第二工作模式的工作过程示意图；

图6为本发明实施例中高增益三开关逆变器在第三工作模式的工作过程示意图；

图7为本发明实施例中高增益三开关逆变器的第一开关管s1的驱动信号产生示意图；

图8为本发明实施例中高增益三开关逆变器的第二开关管s2的驱动信号产生示意图；

图9为本发明实施例中高增益三开关逆变器的开关管驱动信号示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种高增益三开关逆变器及控制方法，具有能够有效抑制高频共模电压和漏电流，并且能够实现高增益电压输出的优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例

图1为本发明实施例提供的一种高增益三开关逆变器电路拓扑图，如图1所示，一种高增益三开关逆变器，包括：直流电源vin、第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第一二极管d1、第二二极管d2、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c0和负载电阻r0。

直流电源vin的正极与第一电感l1的输入端连接；直流电源vin的负极分别与第一二极管d1的截止端和第二二极管d2的截止端连接。第一开关管s1的集电极分别与第一电感l1的输出端和第一电容c1的第一端连接；第一开关管s1的发射极分别与第二二极管d2的导通端、第二电感l2的输出端、第四电容c0的第二端和负载电阻r0的第二端连接。第一电容c1的第二端分别与第一二极管d1的导通端、第二电感l2的输入端、第三电感l3的输入端和第二电容c2的第一端连接。第二开关管s2的集电极分别与第三电感l3的输出端和第三电容c3的第一端连接；第二开关管s2的发射极分别与第二电容c2的第二端和第四电感l4的输入端连接。第三开关管s3的发射极分别与第三电容c3的第二端和第四电感l4的输出端连接；第三开关管s3的集电极分别与第四电容c0的第一端和负载电阻r0的第一端连接。第一开关管s1的基极输入第一开关驱动信号；第二开关管s2的基极输入第二开关驱动信号；第三开关管s3的基极输入第三开关驱动信号。第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3和第四电感l4相互耦合。第三电感l3与第四电感l4的电感值相同；第二电容c2与第三电容c3的电容值相同。第一开关管s1，第二开关管s2以及第三开关管s3均为全控型器件。其中，图1中的黑色圆点表示输入端。

本发明中的第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1、第二电感l2构成阻抗网络，能够实现高升压的特点。同时，第四电感l4、第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3是相互耦合的，能够减小电感量。此外，本发明中的高增益三开关逆变器具有输入输出共地的特点，能够消除漏电流。

在高增益三开关逆变器的电路拓扑中，第四电感l4、第一开关管s1、第三电容c3、以及第三电感l3组成了具有升压能力的升压部分，第一电感l1、第二电感l2、第一电容c1、第二电容c2、第二开关管s2以及第三开关管s3组成了具有逆变能力的逆变部分，第四电容c0组成了输出部分，同时输入输出是共地的。从电路结构上来看，只有三个开关实现了高增益输出正弦电压的逆变，提高了系统的稳定性，电感是相互耦合的，减小了电感量，并且输入输出是共地的，消除了漏电流；从工作原理上来看，控制三个开关管的占空比就能够实现高增益的逆变输出正弦电压，控制简单，易于实现。

综上，本发明提供了一种高增益三开关逆变器，包括第一电感l1、第二电感l2、第三电感l3、第四电感l4、第一开关管s1、第二开关管s2、第三开关管s3、第一电容c1、第二电容c2、第三电容c3、第四电容c0，本申请提供的高增益三开关逆变器，具有输入输出共地，能够消除漏电流，另外本申请中，第一电容c1、第二电容c2、第一电感l1、第二电感l2构成了阻抗网络，大大提高电压增益，并且所有电感是相互耦合的，减小了电感量。另外，控制三个开关管的占空比就能够实现逆变以及高增益的输出，电路结构简单且控制简单。

第一开关管s1，第二开关管s2以及第三开关管s3都是全控型器件，优选为igbt(insulatedgatebipolartransistor，绝缘栅双极型晶体管)，或者为mosfet(metal-oxide-semiconductorfield-effecttransistor，金氧半场效晶体管)，电路中的电容以及电感的取值需要保证系统运行稳定。

为了减小高增益单相逆变器的输出波形的谐波分量，选取电感时优选，第三电感l3等于第四电感l4，选取电容时优选，第二电容c2等于第三电容c3，。当然本发明不仅限与上述电感值和电容值，根据实际需要来定。

为了保证上述电路拓扑的升压特性，同时保证输出电压与开关管的占空比是线性的关系，减小系统的复杂性，对开关管的驱动信号有着一定的限制，就是三个开关管的驱动信号在同一时刻必须保证只有两个开关管导通。因为本发明的高增益三开关逆变器电路拓扑只有三个开关管，而为了实现电路的升压以及逆变功能，每次只有两个开关管导通，因此本发明的高增益三开关逆变器在工作时有三种工作模式：

当第一开关管驱动信号cont1和第三开关管驱动信号cont3是高电平，第二开关管驱动信号cont2是低电平时，高增益三开关逆变器处于第一工作模式，第一工作模式为第一开关管s1和第三开关管s3导通，第二开关管s2关断。

当第一开关管驱动信号cont1和第二开关管驱动信号cont2是高电平，第三开关管驱动信号cont3是低电平时，高增益三开关逆变器处于第二工作模式，第二工作模式为第一开关管s1和第二开关管s2导通，第三开关管s3关断。

当第二开关管驱动信号cont2和第三开关管驱动信号cont3是高电平，第一开关管驱动信号cont1是低电平，高增益三开关逆变器处于第三工作模式，第三工作模式为第二开关管s2和第三开关管s3导通，第一开关管s1关断。

对于本发明的高增益三开关逆变器电路，第一开关管s1的占空比为d1，占空比d1为常数；高增益三开关逆变器电路的正弦输出波形是由第二开关管s2的占空比d2产生的，因此为了产生正弦输出电压，第二开关管s2的占空比d2是随正弦变化的值，因此设置第二开关管s2的占空比a为高增益三开关逆变器的峰值电压增益，sinωt是输出正弦波形的表达式，t为时间，ω是角速度，其中ω＝2πf，f为输出正弦波频率。第三开关管s3的占空比为d3，d3＝2-d1-d2。

图2为本发明实施例提供的高增益三开关逆变器控制方法流程图，图3为本发明实施例提供的高增益三开关逆变器控制方法原理图，图3中的标号9表示示波器，如图2-3所示，一种高增益三开关逆变器控制方法，包括：

步骤201：获取第一开关管s1的占空比和第二开关管s2的占空比。

第一开关管的占空比为d1；其中，k为高增益三开关逆变器的最大增益系数。第二开关管的占空比为其中，a为高增益三开关逆变器的峰值电压增益，t为时间，ω为角速度。第三开关管的占空比为d3＝2-d1-d2。将第一开关管s1的占空比d1的值k输入到第一pwm(pulsewidthmodulation，脉冲宽度调制)产生模块，k为常数。

步骤202：将幅值为1且频率为1/t的锯齿波的值与第一开关管s1的占空比d1进行比较，得到第一比较结果，根据第一比较结果产生第一开关管s1驱动信号；第一开关管s1驱动信号包括高电平信号和低电平信号；当第一开关管s1的占空比大于或等于锯齿波的值时，输出高电平；当第一开关管s1的占空比小于幅值为1且频率为1/t的锯齿波的值时，输出低电平。

步骤203：将1减去第二开关管s2的占空比d2得到的差值与锯齿波的值进行比较，得到第二比较结果，根据第二比较结果产生第二开关管s2驱动信号；第二开关管s2驱动信号包括高电平信号和低电平信号；当将1减去第二开关管s2的占空比d2得到的差值大于或等于锯齿波的值时，输出高电平；当将1减去第二开关管s2的占空比d2得到的差值小于锯齿波的值时，输出低电平；其中，a为高增益三开关逆变器的峰值电压增益，t为时间，ω为角速度。因此第二pwm产生模块即可产生占空比为1-d2先高电平后低电平的驱动信号，对第二pwm产生模块产生的驱动信号取反即可得到先是低电平后是高电平的第二开关管驱动信号cont2，第二开关管驱动信号cont2控制着第二开关管s2的导通与关断。第二pwm产生模块输出的驱动信号占空比为1-d2，取反后得到第二开关管驱动信号cont2的占空比为d2。

步骤204：将第一开关管s1驱动信号与第二开关管s2驱动信号进行异或运算，得到第三开关管s3驱动信号。第三开关管驱动信号cont3控制着第三开关管s3的导通与关断。

将第一开关管驱动信号cont1、第二开关管驱动信号cont2和第三开关管驱动信号cont3分别连接到第一开关管s1的基极、第二开关管s2的基极和第三开关管s3的基极。

步骤205：高增益三开关逆变器根据第一开关管s1驱动信号、第二开关管s2驱动信号和第三开关管s3驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式。

第一工作模式为第一开关管s1驱动信号和第三开关管s3驱动信号是高电平，第二开关管s2驱动信号是低电平，第一开关管s1和第三开关管s3导通，第二开关管s2关断；第二工作模式为第一开关管s1驱动信号和第二开关管s2驱动信号是高电平，第三开关管s3驱动信号是低电平，第一开关管s1和第二开关管s2导通，第三开关管s3关断；第三工作模式为第二开关管s2驱动信号和第三开关管s3驱动信号是高电平，第一开关管s1驱动信号是低电平，第二开关管s2和第三开关管s3导通，第一开关管s1关断。

具体为在每个开关周期内，首先第一开关管驱动信号cont1是高电平，第二开关管驱动信号cont2是低电平，经过异或门xor得到第三开关管驱动信号cont3为高电平，因此第一开关管s1导通、第二开关管s2关闭和第三开关管s3导通，此时高增益三开关逆变器工作状态如图4所示，图4本发明实施例中高增益三开关逆变器在第一工作模式的工作过程示意图。其次，第一开关管驱动信号cont1是高电平，第二开关管驱动信号cont2也是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号cont3为低电平，因此第一开关管s1导通、第二开关管s2导通和第三开关管s3关闭，此时高增益三开关逆变器工作状态如图5所示，图5本发明实施例中高增益三开关逆变器在第二工作模式的工作过程示意图。最后，第一开关管驱动信号cont1是低电平，第二开关管驱动信号cont2是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号cont3为高电平，因此第一开关管s1关闭、第二开关管s2导通和第三开关管s3导通，此时高增益三开关逆变器工作状态如图6所示，图6本发明实施例中高增益三开关逆变器在第三工作模式的工作过程示意图。

步骤206：重复步骤“高增益三开关逆变器根据第一开关管s1驱动信号、第二开关管s2驱动信号和第三开关管s3驱动信号在每个开关周期内依次经历第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式”，得到目标交流电。

下面以高增益三开关逆变器的峰值电压增益a＝2进行示例性说明。

计算第一开关管s1的占空比d1＝0.667，第二开关管s2的占空比

输入第一开关管s1的占空比d1，即常数0.667输入到第一pwm产生模块7，其中对第一pwm产生模块7设置频率为20khz，也即是开关频率，经过第一pwm产生模块7得到第一开关管s1的驱动信号cont1，第一开关管s1的驱动信号cont1如图7所示，图7为本发明实施例中高增益三开关逆变器的第一开关管s1的驱动信号产生示意图。

将常数0.667与幅值为0.2917频率为50hz的正弦信号作差，其中正弦信号由sine模块6产生，因为中国交流电的频率为50hz，所以设置正弦波频率为50hz。得到第二开关管s2的占空比d2，再将第二开关管s2的占空比d2与常数1作差得到1-d2的差值信号，将1-d2的差值信号输入到第二pwm产生模块8并通过非门not得到第二开关管驱动信号cont2，第二开关管驱动信号cont2如图8所示，图8为本发明实施例中高增益三开关逆变器的第二开关管s2的驱动信号产生示意图。

将第一开关管驱动信号cont1与第二开关管驱动信号cont2通过异或门得到第三开关管驱动信号cont3，第三开关管驱动信号cont3如图9所示，图9本发明实施例中高增益三开关逆变器的开关管驱动信号示意图。

将第一开关管驱动信号cont1、第二开关管驱动信号cont2和第三开关管驱动信号cont3分别连接到第一开关管s1的基极、第二开关管s2的基极和第三开关管s3的基极。

如图9所示，在第一时间段t1内第一开关管驱动信号cont1是高电平，第二开关管驱动信号cont2是低电平，第三开关管驱动信号cont3为高电平，第一开关管s1导通、第二开关管s2关闭和第三开关管s3导通，此时高增益三开关逆变器为第一工作模式；此时高增益三开关逆变器工作状态如图4所示；在第二时间段t2内第一开关管驱动信号cont1是高电平，第二开关管驱动信号cont2也是高电平，第三开关管驱动信号cont3为低电平，因此第一开关管s1导通、第二开关管s2导通和第三开关管s3关闭，此时高增益三开关逆变器工作状态如图5所示；在第三时间段内t3内第一开关管驱动信号cont1是低电平，第二开关管驱动信号cont2是高电平，经过异或门得到第三开关管驱动信号cont3为高电平，因此第一开关管s1关闭、第二开关管s2导通和第三开关管s3导通，此时高增益三开关逆变器工作状态如图6所示。第一时间段t1、第二时间段t2和第三时间段t3的时长相加等于开关周期t。

随着第一开关管驱动信号，第二开关管驱动信号和第三开关管驱动信号的循环，第一工作模式、第二工作模式和第三工作模式得以循环，高增益三开关逆变器出50hz的交流电。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。