X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器的製作方法
2023-06-25 09:14:11
專利名稱：X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種隔離型高頻鏈逆變器，尤其涉及一種x-無直流濾波環節
隔離型高頻鏈逆變器。
背景技術：
目前，高頻鏈逆變器在很多領域都得到了廣泛的應用，在航空航天，軍事，
電信等領域，在新能源利用上，如太陽能，燃料電池等以及在不間斷電源UPS
系統中，常常需要體積小，重量輕，功率密度大，高可靠性的逆變電源將直流
電轉化為所需要的交流電；在這種情況下，高頻鏈逆變技術引起人們越來越大的興趣。而單向電壓源高頻鏈逆變器具有功率單向流動，輸出電壓質量高，控制簡單，技術成熟，在多領域內應用十分廣泛。這類電路雖然技術成熟，但因級數多，且前級高頻直流變換後需要高頻整流和濾波器，增加整機的體積和重量，同時也導致整機效率不高。而雙向電壓源高頻鏈逆變器具有雙向功率流，減少了功率變換級數的優點，但卻存在一個固有的缺點，即採用傳統PWM技術的輸出周波變換器換流時阻斷了高頻變壓器漏感中連續的能量，於是導致高頻變壓器和輸出周波變換器之間出現電壓過衝。因此，這類逆變器通常需要採用緩衝電路或有源電壓箝位電路來吸收存儲在漏感中的能量，從而增加了功率器件數和控制電路的複雜性。雙降壓式半橋逆變器(Dual Buck Half BridgeInverter)是在半橋逆變器的基礎上進行改進，針對電源可靠性及效率要求很高的場合而提出的一種逆變器拓撲。 一個典型單向電壓源高頻鏈逆變器電路結構，前級為半橋逆變器，後級為一個雙降壓逆變電路。該拓撲結構很容易實現逆變環節的高頻化和高效率。但這種雙降壓式半橋逆變器需要前級提供正負對稱的供電電源，所以需要用濾波電感和電容對前級直直變換進行高頻整流濾波，為了直流電壓進行均分並為了保證前級直直變換器的穩定工作濾波電容取值一般教大。增加整機的體積和重量，影響功率密度和整機效率的提高。由於電解電容可靠性較低所以影響到整機的可靠性。
發明內容
本發明要解決的技術問題是針對現有技術存在的缺陷提出一種x-無直流
濾波環節隔離型高頻鏈逆變器。
本發明x-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器，包括前級電路、隔離變
壓器、全波整流電路、第一斬波電路、第二斬波電路和濾波電路，其中前級電路由電源、第一電解電容、第二電解電容、第三功率開關管、第四功率開關管、第五二極體和第六二極體組成，電源的正極分別接第一電解電容的輸入端、第三功率開關管的漏極和第六二極體的陰極，電源的負極分別與第二電解電容的輸出端、第四功率開關管的源極和第五二極體的陽極連接接地，第一電解電容的輸出端分別接第二電解電容的輸入端和隔離變壓器原邊繞組的同名端，第三功率開關管的源極分別接第六二極體的陽極、隔離變壓器原邊繞組的異名端、
第四功率開關管的漏極和第五二極體的陰極；本前級電路也可以採用其他類型的電路拓撲，包括半橋、全橋、推挽、推挽正激、正激等拓撲，所述濾波電路包括第一濾波電感、第二濾波電感、濾波電容和負載，第一濾波電感的輸入端接第一斬波電路的輸出端，第一濾波電感的輸出端分別接第二濾波電感的輸出端、濾波電容的輸入端和負載的一端，第二濾波電感的輸入端接第二斬波電路的輸出端，濾波電容的輸出端與負載的另一端連接接副邊模擬地；
其特徵在於隔離變壓器為副邊雙繞組結構，隔離變壓器第一副邊繞組的異名端和第二副邊繞組的同名端連接，構成中心抽頭接副邊模擬地，全波整流電路包括第一整流二極體、第二整流二極體、第三整流二極體和第四整流二極體，其中第一整流二極體的陽極分別接隔離變壓器副邊繞組的同名端和第三整流二極體的陰極，第一整流二極體的陰極分別接第二整流二極體的陰極和第一斬波電路的正輸入端，第二整流二極體的陽極分別接隔離變壓器副邊繞組的異名端和第四整流二極體的陰極，第三整流二極體的陽極分別接第四整流二極體的陽極和第一斬波電路的負輸入端，隔離變壓器第一副邊繞組異名端、第二副邊繞組同名端連接在一起構成中心抽頭接副邊模擬地；
所述第一斬波電路包括第一功率開關管、第一續流二極體、第一儲能電容和第三二極體，其中第一功率開關管的漏極分別接全波整流電路的正輸出端和第二斬波電路的正輸入端，第一功率開關管的源極分別接第一濾波電感的輸入端和第一續流二極體的陰極，第一續流二極體的陽極分別接第一儲能電容的輸入端和第三二極體的陰極，第三二極體的陽極分別接全波整流電路的負輸出端
5和第二斬波電路的負輸入端，第一儲能電容的輸出端接副邊模擬地；
所述第二斬波電路包括第二功率開關管、第二續流二極體、第二儲能電容和第四二極體，其中第二功率開關管的源極接第一斬波電路的負輸入端，第二功率開關管的漏極分別接第二濾波電感的輸入端和第四二極體的陽極，第四二極體的陰極分別接第二儲能電容的輸入端和第二續流二極體的陽極，第二續流二極體的陰極接第一斬波電路的正輸入端，第一儲能電容的輸出端接副邊模擬地。
本發明繼承了雙降壓半橋逆變拓撲的在逆變環節卜.的部分特點，並對需要電氣隔離的整機電路結構做了整體考慮和改進，在逆變環節增加了兩個電容和兩個二極體。卻省去了傳統高頻鏈逆變器直/直變換前級與逆變後級之間的濾波環節(為保證濾波效果和前級直直變換器的穩定性一般採用容量大的電解電容)，整體來說減少了直流濾波電感。改善了傳統高頻鏈逆變器級數多而導致整機效率低。且本拓撲對儲能電容的容值要求不大，可以採用和濾波電容C。
相同介質的無極性高頻電容， 一般而言無極性高頻電容的ESR和頻率特性都
要優於電解電容，在變換器工作時能明顯降低高頻脈衝電流給整機帶來的損耗。另外整個電路中可以取消可靠性相對較低的電解電容，提高了可靠性可以較好的應用於航空航天等對可靠性要求高的場合。且在小功率應用時可以使用體積很小的瓷介質電容，容易實現逆變器的模塊化，提高功率密度減少體積重
圖1:本發明主電路原理圖2:本發明控制系統框圖3:本發明空載時各關鍵點波形圖4:本發明不同工作模態分析圖
具體實施例方式
如圖1所示。本發明X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器，包括前級電路、隔離變壓器T、全波整流電路、第鄰波電路、第二斬波電路和濾波電路，其中前級電路由電源Uin、第一電解電容Qn、第一電解電容Qn、第三功率開關管Ss、第四功率開關管S4、第五二極體Ds和第六二極體D6組成，電源Uin的正極分別接第一電解電容CQ1的輸入端、第三功率開關管S3的漏極和第六二極體D6的陰極，電源Uin的負極分別與第二電解電容Q)2的輸出端、第四
功率開關管S4的源極和第五二極體D5的陽極連接接地，第一電解電容Qn的輸出端分別接第二電解電容CQ2的輸入端和隔離變壓器T原邊繞組的同名端，第三功率開關管S3的源極分別接第六二極體D6的陽極、隔離變壓器T原邊繞
組的異名端、第四功率開關管S4的漏極和第五二極體D5的陰極；本前級電路
也可以採用其他類型的電路拓撲，包括半橋、全橋、推挽、推挽正激、正激等
拓撲，即是名稱所提X的含義；
所述濾波電路包括第一濾波電感"、第二濾波電感L2、濾波電容C。和負載R，第一濾波電感Li的輸入端接第一斬波電路的輸出端，第一濾波電感Lt的輸出端分別接第二濾波電感L2的輸出端、濾波電容C。的輸入端和負載R的一端，第二濾波電感L2的輸入端接第二斬波電路的輸出端，濾波電容C。的輸出端與負載R的另一端連接接副邊模擬地；
其特徵在於所述全波整流電路包括第一整流二極體Da、第二整流二極
管Db、第三整流二極體De和第四整流二極體Dd，其中第一整流二極體Da的陽極分別接隔離變壓器T第一副邊繞組Ni的同名端和第三整流二極體De的陰
極，第一整流二極體Da的陰極分別接第二整流二極體Db的陰極和第一斬波電路的正輸入端，第二整流二極體Db的陽極分別接隔離變壓器T第二副邊繞組N2的異名端和第四整流二極體Dd的陰極，第三整流二極體De的陽極分別接第四整流二極體Dd的陽極和第一斬波電路的負輸入端，隔離變壓器第一副邊繞組異名端、第二副邊繞組N2同名連接在一起端構成的中心抽頭接副邊模擬地；
所^&第一斬波電路包括第一功率開關管S。第一續流二極體第一儲能電容d、第三二極體D3，其中第一功率開關管Si的漏極分別接全波整流電路的正輸出端和第二斬波電路的正輸入端，第一功率開關管的源極分別接第一濾波電感的輸入端和第一續流二極體的陰極，第一續流二極體A的陽極分別接第一儲能電容Q的輸入端和第三二極體D3的陰極，第三二極體D3的陽極分別接全波整流電路的負輸出端和第二斬波電路的負輸入端，第一儲能電容Q的輸出端接副邊模擬地；
所述第二斬波電路包括第二功率開關管S2、第二續流二極體D2、第二儲
能電容C2、第四二極體D4，其中第二功率開關管S2的源極分別接第一斬波電
路的負輸入端和，第二功率開關管S2的漏極分別接第二濾波電感L2輸入端和第四二極體D4的陽極，第四二極體D4的陰極分別接第二儲能電容C2的輸入端和第二續流二極體D2的陽極，第二續流二極體D2的陰極接第一斬波電路的正輸入端，第二儲能電容C2的輸出端接副邊模擬地。
如圖2所示。是本發明X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器採用的控
制框圖，前級半橋拓撲開關管第三功率開關管S3、第四功率開關管S4的驅動
信號互補，後級新型雙降壓拓撲的第一、第二功率開關管Sp S2採用SPWM控制。正弦基準電壓Ur和輸出電源檢測信號經電壓誤差放大器得到誤差信號
Ue，將誤差信號Ue與輸出電流檢測信號送入電流誤差放大器產生電流誤差信號ie， 一路將電流誤差信號ie經過非門送入比較器1與高頻三角載波進行過零
比較後，經驅動電路產生第一功率開關管Si的驅動信號；另一路將電流誤差
信號ie直接與高頻三角載波進行過零比較後，經驅動電路產生第二功率開關管
S2的驅動信號。直流基準信號仏與高頻角載波經比較器3比較後經分頻電路
和驅動電路產生互補的驅動信號去控制第三。第四功率開關管S3， S4。
如圖3所示。本發明電路空載時的一些主要波形。仿真參數如下前級輸久由ff tt. "07a、, 給山由PC^h tt-=i 1《、〃/innu7 安ffi^給M4T+宏41 oruvvv
濾波電容4.7uF，輸出濾波電感550mH。工作原理及工作過程
以附圖1為例，敘述本發明的高頻變壓器右側電路工作模態。X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器拓撲共有八個工作模態。工作模態1
當輸出電流為正半周期時，第一功率開關管Si開通，第二功率開關管S2關斷，第二濾波電感L2中的電流iL2為零，當變壓器整流後直流電壓大於第二儲能電容電壓Ue2，隔離變壓器受變壓器原邊控制點端為正，經過第一整流二
極管Da通過母線、第一濾波電感U向負載供電，第一濾波電感L,電流iu線性上升。如附圖4(a)所示。工作模態2
仍當輸出電流為正半周期時，第一功率開關管S,開通，第二功率開關管
S2關斷，第二濾波電感L2中的電流iL2為零，當變壓器整流後直流電壓大於第
二儲能電容電壓ue2，隔離變壓器受變壓器原邊控制點端為負，經過第二整流二極體Db通過母線、第一濾波電感I^向負載供電，第一濾波電感Li電流iu線性上升。如附圖4(b)所示。工作模態3
仍當輸出電流為正半周期時，第二功率開關管S2仍處於關斷狀態，第一
8功率開關管Si關斷，第一儲能電容d，第一續流二極體Di為第一濾波電感
的電流iu組成續流通路，第一濾波電感L,的電流iu線性下降，第一濾波電感L,中的能量部分轉移到第一儲能電容d中存儲起來。如附圖4(c)所示。工作模態4
當輸出電流為負半周期時，第一功率幵關管S,處於關斷狀態，第一濾波電感Li電流b為零。當第二功率開關管S2開通後，由於在輸出電流為正半周期內對第一儲能電容C,的充電作用，導致第一儲能電容d上的電壓高於母線B點的由變壓器整流後的電壓，所以首先由第一儲能電容Q先向負載供電，第二濾波電感L2的電流iL2線性上升，這種模態也發生在前級功率管死區時間時。如附圖4(d)所示。工作模態5
當第一儲能電容Q放電至母線B點的由變壓器整流後的電壓時，開始由隔離變壓器向負載供電，當隔離變壓器受變壓器原邊控制點端為正時，電流由第四整流二極體Dd後經中心抽頭流經負載，第二濾波電感L2的電流b線性上升，第一儲能電容Ci上的電壓被嵌位在母線電壓值上。如附圖4(e)所示。工作模態6
當隔離變壓器受變壓器原邊控制點端為負時，電流由第三整流二極體Dc
後經中心抽頭流經負載，第二濾波電感L2的電流iL2線性上升，第一儲能電容
Q上的電壓被嵌位在母線電壓值上。如附圖4(f)所示。工作模態7
當模態6結束後，第一功率開關管Si仍處於關斷狀態，第二功率開關管
S2關斷，第二儲能電容C2，第四二極體D4為第二濾波電感L2的電流iL2組成續流通路，第二濾波電感L2電流iL2線性下降，第一濾波電感L,中的能量轉移
到第二儲能電容C2中存儲起來。如附圖4(g)所示。工作模態8
當輸出電感電流在剛進入正半周期時，第二功率開關管S2處於關斷狀態，第二濾波電感L2電流iL2為零。當第一功率開關管St開通後，由於在輸出電流為負半周期內對第二儲能電容C2的充電作用，導致第二儲能電容C2上的電壓
高於母線A點的電壓，首先由第二儲能電容C2先向負載供電，第一濾波電感Li的電流iu線性增加。如附圖4(h)所示。
權利要求
1. 一種X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器，包括前級電路、隔離變壓器(T)、全波整流電路、第一斬波電路、第二斬波電路和濾波電路，其中前級電路由電源(Uin)、第一電解電容(C01)、第二電解電容(C02)、第三功率開關管(S3)、第四功率開關管(S4)、第五二極體(D5)和第六二極體(D6)組成，電源(Uin)的正極分別接第一電解電容(C01)的輸入端、第三功率開關管(S3)的漏極和第六二極體(D6)的陰極，電源(Uin)的負極分別與第二電解電容(C02)的輸出端、第四功率開關管(S4)的源極和第五二極體(D5)的陽極連接接地，第一電解電容(C01)的輸出端分別接第二電解電容(C02)的輸入端和隔離變壓器(T)原邊繞組的同名端，第三功率開關管(S3)的源極分別接第六二極體(D6)的陽極、隔離變壓器(T)原邊繞組的異名端、第四功率開關管(S4)的漏極和第五二極體(D5)的陰極；所述濾波電路包括第一濾波電感(L1)、第二濾波電感(L2)、濾波電容(Co)和負載(R)，第一濾波電感(L1)的輸入端接第一斬波電路的輸出端，第一濾波電感(L1)的輸出端分別接第二濾波電感(L2)的輸出端、濾波電容(Co)的輸入端和負載(R)的一端，第二濾波電感(L2)的輸入端接第二斬波電路的輸出端，濾波電容(Co)的輸出端與負載(R)的另一端連接接副邊模擬地；其特徵在於隔離變壓器(T)為副邊雙繞組結構，隔離變壓器(T)第一副邊繞組(N1)的異名端和第二副邊繞組(N2)的同名端連接，構成中心抽頭接副邊模擬地；全波整流電路包括第一整流二極體(Da)、第二整流二極體(Db)、第三整流二極體(Dc)和第四整流二極體(Dd)，其中第一整流二極體(Da)的陽極分別接隔離變壓器(T)第一副邊繞組(N1)的同名端和第三整流二極體(Dc)的陰極，第一整流二極體(Da)的陰極分別接第二整流二極體(Db)的陰極和第一斬波電路的正輸入端，第二整流二極體(Db)的陽極分別接隔離變壓器(T)第二副邊繞組(N2)的異名端和第四整流二極體(Dd)的陰極，第三整流二極體(Dc)的陽極分別接第四整流二極體(Dd)的陽極和第一斬波電路的負輸入端，隔離變壓器(T)第一副邊繞組(N1)異名端、第二副邊繞組(N2)同名連接在一起端構成的中心抽頭接副邊模擬地；所述第一斬波電路包括第一功率開關管(S1)、第一續流二極體(D1)、第一儲能電容(C1)和第三二極體(D3)，其中第一功率開關管(S1)的漏極分別接全波整流電路的正輸出端、第二斬波電路的正輸入端，第一功率開關管(S1)的源極接第一濾波電感(L1)的輸入端和第一續流二極體(D1)的陰極，第一續流二極體(D1)的陽極接第一儲能電容(C1)的輸入端和第三二極體(D3)的陰極，第三二極體(D3)的陽極接全波整流電路的負輸出端和第二斬波電路的負輸入端，第一儲能電容(C1)的輸出端接副邊模擬地；所述第二斬波電路包括第二功率開關管(S2)、第二續流二極體(D2)、第二儲能電容(C2)和第四二極體(D4)，其中第二功率開關管(S2)的源極分別接第一斬波電路的負輸入端，第二功率開關管(S2)的漏極接第二濾波電感(L2)的輸入端和第四二極體(D4)的陽極，第四二極體(D4)的陰極分別接第二儲能電容(C2)的輸入端和第二續流二極體(D2)的陽極，第二續流二極體(D2)的陰極接第一斬波電路的正輸入端，第二儲能電容(C2)的輸出端接副邊模擬地。
全文摘要
本發明公布了一種X-無直流濾波環節隔離型高頻鏈逆變器，屬隔離型高頻鏈逆變器。本發明所述逆變器包括前級電路、隔離變壓器、全波整流電路、第一斬波電路、第二斬波電路和濾波電路。本發明減少了直流濾波環節，減少了電路中所需要的電容容量，可以使用高頻電容。有利於提高整機效率和可靠性，減少體積重量，實現逆變器的模塊化。
文檔編號H02M7/42GK101478252SQ20091002830
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月13日 優先權日2009年1月13日
發明者張方華, 翔 鄧, 凱 陳, 龔春英 申請人:南京航空航天大學