具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器的製造方法

2023-06-11 19:04:56 3

具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器的製造方法
【專利摘要】本發明屬於直流-交流逆變設備【技術領域】，涉及一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器，第一繞組與第二繞組互為同名端，電感的一端與直流電源的正極相連，另一端與第二電容的負極相連，第二電容的正極與三相電壓型橋式逆變電路相連，第一整流二極體的陰極與耦合電感的第二繞組相連，第一整流二極體與耦合電感串聯後並聯在第二電容的兩端，第二整流二極體的陽極與第一整流二極體的陽極相連，第二整流二極體的陰極與第一繞組和第二繞組的公共端及第一電容的正極相連，第一電容的負極與直流電源的負極及三相電壓型橋式逆變電路相連；其結構簡單，電磁幹擾影響小，損耗少，成本低，能量轉換效率高，環境工作友好。
【專利說明】 具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器
【技術領域】:
[0001]本發明屬於直流-交流逆變設備【技術領域】，涉及一種直流-交流逆變器，特別是一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器。
【背景技術】:
[0002]現有的改進變壓器型Z-源逆變器，包括一個電感、兩個電容、一個整流二極體、一個耦合電感和三相電壓型橋式逆變電路，這種改進變壓器型Z-源逆變器改善了傳統Z-源逆變器/準Z-源逆變器的輸入電流連續性和升壓比。然而，由於耦合電感漏感的振鈴和線路中寄生電感的存在，導致開關器件的電壓應力較高，並產生更多的電磁幹擾(EMI)。漏感和寄生電感會導致直流鏈電壓的電壓尖峰和振鈴，會損壞有源器件，並降低整個系統的效率。同時，逆變橋開關管「直通」狀態的硬開關環境對系統效率影響較大。因此，尋求設計一種結構簡單、耗能低、電磁幹擾小、效率高的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器。

【發明內容】
:
[0003]本發明的目的在於克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器，其功率開關管數量少，工作在軟開關環境下，損耗低，電磁幹擾影響小，實現高效率能量轉換。
[0004]為了實現上述目的，本發明的主體結構包括直流電源、電感、第一電容、第二電容、第一整流二極體、第二整流二極體、由第一繞組與第二繞組組成的耦合電感和由六個絕緣柵雙極型晶體三極體(IGBT)與六個反並聯二極體組合構成的三相電壓型橋式逆變電路；耦合電感的第一繞組與第二繞組互為同名端，電感的一端與直流電源的正極相連，電感的另一端與第二電容的負極相連，第二電容的正極與三相電壓型橋式逆變電路相連，第一整流二極體的陰極與耦合電感的第二繞組相連，第一整流二極體與由第一繞組及第二繞組組成的耦合電感串聯後並聯在第二電容的兩端，第二整流二極體的陽極與第一整流二極體的陽極相連，第二整流二極體的陰極與第一繞組和第二繞組的公共端及第一電容的正極相連，第一電容的負極與直流電源的負極及三相電壓型橋式逆變電路相連；三相電壓型橋式逆變電路包括六個橋臂，每個橋臂由一個絕緣柵雙極性晶體三極體(IGBT)和一個反並聯二極體配接組成，三相電壓型橋式逆變電路的輸出端由相互對應的三組橋臂分別接出，三相電壓型橋式逆變電路為整個裝置的輸出端，接收直流電能，輸出交流電能。
[0005]本發明涉及的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關電感單級可升壓逆變器存在三種工作過程，即三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程、三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程和逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程；三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路直通之前，電路工作在典型的非直通模式，此時第一整流二極體導通，耦合電感將第一整流二極體的能量傳送到負載，當三相電壓型橋式逆變電路導通時，通過第二繞組的漏感電流逐漸從反並聯二極體傳到三相電壓型橋式逆變電路，電感和耦合電感的勵磁電感充電，當耦合電感第二繞組的漏感電流降到零時，第一整流二極體自然關斷，耦合電感第二繞組的漏感減少第一整流二極體的反向恢復問題，並實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流軟開關；三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路關斷時，採用PWM(脈衝寬度調製)信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極性晶體三極體(IGBT)的關斷，由於三相電壓型橋式逆變電路存在並聯寄生電容，電容電壓不能突變，電感和耦合電感第一繞組的漏感給三相電壓型橋式逆變電路的並聯寄生電容充電，直到並聯寄生電容兩端的電壓值達到νε1+νε2，三相電壓型橋式逆變電路實現零電壓軟關斷，此時三相電壓型橋式逆變電路並聯寄生電容兩端的電壓箝位到Vc^Vci2，從而第一整流二極體和第二整流二極體同時導通，因此增加的第二整流二極體能阻止三相電壓型橋式逆變電路兩端的電壓超過νε1+ν?，耦合電感第一繞組的漏感電流減小，儲存在漏感中的能量在非諧振模式下釋放給負載，通過第二整流二極體的電流降到零時，第二整流二極體在零電流軟開關環境下關斷，減少二極體的反向恢復性能；逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程:電路工作在反並聯二極體導通、反並聯二極體關斷的穩定工作運行狀態，開始逆變器工作在傳統零狀態，之後逆變器工作在傳統有效狀態，此時逆變橋可看做一個電流源，輸入電壓、電感和耦合電感第一繞組的漏感一起給輸出級、第一電容和第二電容充電，最後逆變器再次工作在傳統零狀態；其中Vcl為第一電容兩端的電壓，Vc2為第二電容兩端的電壓。
[0006]本發明工作時，利用耦合電感的第一繞組和第二繞組實現電路的高增益；由於耦合電感第一繞組漏感的存在，實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流導通；由於三相電壓型橋式逆變電路並聯寄生電容的存在，實現三相電壓型橋式逆變電路的零電壓關斷；耦合電感第二繞組漏感的存在，減少第一整流二極體的反向恢復問題，實現第二整流二極體的零電流關斷；在整個開關周期中，採用PWM信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極型晶體三極體(IGB T)的關斷，三相電壓型橋式逆變電路在並聯寄生電容的作用下實現零電壓關斷，在耦合電感漏感的作用下實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流導通，增加的第二整流二極體將漏感中的能量在非諧振模式下轉換到負載，實現能量的無損吸收。
[0007]本發明與現有技術相比，該逆變器能夠通過改變耦合電感的匝比和逆變器的直通佔空比來達到電壓增益的任意調節，改善了逆變器輸入電流的連續性，增加的整流二極體D2有助於將漏感中的能量在非諧振模式下轉換到負載，提高了系統的效率，逆變器的有源器件及整流二極體工作在軟開關環境下，二極體的反向恢復問題得到改善；其結構簡單，電磁幹擾影響小，損耗少，成本低，能量轉換效率高，環境工作友好。
【專利附圖】

【附圖說明】:
[0008]圖1為本發明的主體結構電路原理示意圖。
【具體實施方式】:
[0009]下面通過實施例並結合附圖對本發明作進一步說明。
[0010]實施例:
[0011]本實施例的主體結構包括直流電源Vin、電感L1、第一電容C1、第二電容C2、第一整流二極體D7、第二整流二極體D8、由第一繞組La與第二繞組Lb組成的耦合電感和由絕緣柵雙極型晶體三極體(IGBT) S1~S6與反並聯二極體D1~D6組合構成的三相電壓型橋式逆變電路；耦合電感的第一繞組La與第二繞組Lb互為同名端，電感L1的一端與直流電源Vin的正極相連，電感L1的另一端與第二電容C2的負極相連，第二電容C2的正極與三相電壓型橋式逆變電路相連，第一整流二極體D1的陰極與耦合電感的第二繞組Lb相連，第一整流二極體D7與由第一繞組La及第二繞組Lb組成的耦合電感串聯後並聯在第二電容C2的兩端，第二整流二極體D8的陽極與第一整流二極體D7的陽極相連，第二整流二極體D8的陰極與第一繞組La和第二繞組Lb的公共端及第一電容C1的正極相連，第一電容C1的負極與直流電源Vin的負極及三相電壓型橋式逆變電路相連；三相電壓型橋式逆變電路包括六個橋臂，每個橋臂由一個絕緣柵雙極性晶體三極體(IGBT)和一個反並聯二極體配接組成，三相電壓型橋式逆變電路的輸出端由相互對應的三組橋臂分別接出，三相電壓型橋式逆變電路為整個裝置的輸出端，接收直流電能，輸出交流電能。
[0012]本實施例涉及的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關電感單級可升壓逆變器存在三種工作過程，即三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程、三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程和逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程；三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路直通之前，電路工作在典型的非直通模式，此時第一整流二極體D7導通，耦合電感將第一整流二極體D7的能量傳送到負載，當三相電壓型橋式逆變電路導通時，通過第二繞組Lb的漏感電流逐漸從反並聯二極體DJ.到三相電壓型橋式逆變電路，電感L1和耦合電感的勵磁電感充電，當耦合電感第二繞組Lb的漏感電流降到零時，第一整流二極體D7自然關斷，耦合電感第二繞組Lb的漏感減少第一整流二極體D7的反向恢復問題，並實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流軟開關；三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路關斷時，採用PWM(脈衝寬度調製)信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極性晶體三極體(IGBT)的關斷，由於三相電壓型橋式逆變電路存在並聯寄生電容，電容電壓不能突變，電感L1和耦合電感第一繞組La的漏感給三相電壓型橋式逆變電路的並聯寄生電容充電，直到並聯寄生電容兩端的電壓值達到V。JV e2,三相電壓型橋式逆變電路實現零電壓軟關斷，此時三相電壓型橋式逆變電路並聯寄生電容兩端的電壓箝位到νε1+ν?，從而第一整流二極體D7和第二整流二極體隊同時導通，因此增加的第二整流二極體D8能阻止三相電壓型橋式逆變電路兩端的電壓超過Vc^Ve2，耦合電感第一繞組La的漏感電流減小，儲存在漏感中的能量在非諧振模式下釋放給負載，通過第二整流二極體D8的電流降到零時，第二整流二極體D8在零電流軟開關環境下關斷，減少二極體的反向恢復性能；逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程:電路工作在反並聯二極體D1導通、反並聯二極體仏關斷的穩定工作運行狀態，開始逆變器工作在傳統零狀態，之後逆變器工作在傳統有效狀態，此時逆變橋可看做一個電流源，輸入電壓、電感L1和稱合電感第一繞組La的漏感一起給輸出級、第一電容C1和第二電容C2充電，最後逆變器再次工作在傳統零狀態；其中Vca為第一電容C1兩端的電壓，V。為第二電容C2兩端的電壓。
[0013]本實施例工作時，利用耦合電感的第一繞組La和第二繞組Lb實現電路的高增益；由於耦合電感第一繞組La漏感的存在，實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流導通；由於三相電壓型橋式逆變電路並聯寄生電容的存在，實現三相電壓型橋式逆變電路的零電壓關斷；耦合電感第二繞組Lb漏感的存在，減少第一整流二極體D7的反向恢復問題，實現第二整流二極體D8的零電流關斷；在整個開關周期中，採用PWM信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極型晶體三極體(IGBT)的關斷，三相電壓型橋式逆變電路在並聯寄生電容的作用下實現零電壓關斷，在耦合電感漏感的作用下實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流導通，增加的第二整流二極體D8將漏感中的能量在非諧振模式下轉換到負載，實現能量的無損吸收。
【權利要求】
1.一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器，其特徵在於主體結構包括直流電源、電感、第一電容、第二電容、第一整流二極體、第二整流二極體、由第一繞組與第二繞組組成的耦合電感和由六個絕緣柵雙極型晶體三極體與六個反並聯二極體組合構成的三相電壓型橋式逆變電路；耦合電感的第一繞組與第二繞組互為同名端，電感的一端與直流電源的正極相連，電感的另一端與第二電容的負極相連，第二電容的正極與三相電壓型橋式逆變電路相連，第一整流二極體的陰極與耦合電感的第二繞組相連，第一整流二極體與由第一繞組及第二繞組組成的耦合電感串聯後並聯在第二電容的兩端，第二整流二極體的陽極與第一整流二極體的陽極相連，第二整流二極體的陰極與第一繞組和第二繞組的公共端及第一電容的正極相連，第一電容的負極與直流電源的負極及三相電壓型橋式逆變電路相連；三相電壓型橋式逆變電路包括六個橋臂，每個橋臂由一個絕緣柵雙極性晶體三極體和一個反並聯二極體配接組成，三相電壓型橋式逆變電路的輸出端由相互對應的三組橋臂分別接出，三相電壓型橋式逆變電路為整個裝置的輸出端，接收直流電能，輸出交流電能。
2.根據權利要求1所述的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器，其特徵在於存在三種工作過程，即三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程、三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程和逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程；三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路直通之前，電路工作在典型的非直通模式，此時第一整流二極體導通，耦合電感將第一整流二極體的能量傳送到負載，當三相電壓型橋式逆變電路導通時，通過第二繞組的漏感電流逐漸從反並聯二極體傳到三相電壓型橋式逆變電路，電感和耦合電感的勵磁電感充電，當耦合電感第二繞組的漏感電流降到零時，第一整流二極體自然關斷，耦合電感第二繞組的漏感減少第一整流二極體的反向恢復問題，並實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流軟開關；三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程為:三相電壓型橋式逆變電路關斷時，採用脈衝寬度調製信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極性晶體三極體的關斷，由於三相電壓型橋式逆變電路存在並聯寄生電容，電容電壓不能突變，電感和耦合電感第一繞組的漏感給三相電壓型橋式逆變電路的並聯寄生電容充電，直到並聯寄生電容兩端的電壓值達到L+V&H相電壓型橋式逆變電路實現零電壓軟關斷，此時三相電壓型橋式逆變電路並聯寄生電容兩端的電壓箝位到Vc^Vci2，從而第一整流二極體和第二整流二極體同時導通，因此增加的第二整流二極體能阻止三相電壓型橋式逆變電路兩端的電壓超過νε1+ν?，耦合電感第一繞組的漏感電流減小，儲存在漏感中的能量在非諧振模式下釋放給負載，通過第二整流二極體的電流降到零時，第二整流二極體在零電流軟開關環境下關斷，減少二極體的反向恢復性能；逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程:電路工作在反並聯二極體導通、反並聯二極體關斷的穩定工作運行狀態，開始逆變器工作在傳統零狀態，之後逆變器工作在傳統有效狀態，此時逆變橋可看做一個電流源，輸入電壓、電感和耦合電感第一繞組的漏感一起給輸出級、第一電容和第二電容充電，最後逆變器再次工作在傳統零狀態；其中Vcl為第一電容兩端的電壓，Vc2為第二電容兩端的電壓。
【文檔編號】H02M7/5387GK103997248SQ201410241876
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年6月3日 優先權日:2014年6月3日
【發明者】丁新平, 吳苓芝, 魏文健 申請人:青島理工大學