一種單級正激式高頻鏈逆變器的製作方法

2023-06-25 09:41:26 1

專利名稱：一種單級正激式高頻鏈逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變器，尤其涉及一種單級正激式高頻鏈逆變器，屬於電力電子變換器領域。
背景技術：
逆變器是應用功率半導體器件將直流電變換成交流電以供交流負載使用的功率變換裝置。輸出交流負載與輸入直流電源間有高頻電氣隔離的逆變器，稱為高頻鏈逆變器，高頻電氣隔離元件在逆變器中主要起如下作用(1)實現了逆變器輸出與輸入之間的電器隔離，提高了逆變器運行的安全性、可靠性和電磁兼容性；(2)實現了逆變器輸出電壓與輸入電壓之間的匹配，即允許輸入電壓在寬範圍內變化時保證輸出電壓的質量，使其應用範圍大大拓寬；(3)高頻變壓器的工作頻率在20kHz以上，其體積、重量及音頻噪聲被大大降低，有效地克服了低頻鏈逆變器的缺陷。因此，在以直流發電機、蓄電池、太陽能電池和燃料電池為主直流電源的逆變場合，高頻鏈逆變器具有廣泛的應用前景，特別是對體積與重量有高要求的逆變場合有更重要的應用價值。
高頻鏈逆變器通常由高頻電氣隔離DC-DC變換器和逆變橋兩級電路結構級聯構成，電能經過了兩級變換，其變換效率必定低於單級高頻隔離DC-DC變換器的效率。
中國專利CN1758521A提出了一組單級雙向降壓直流變換器型高頻環節逆變器，中國專利CN101414791A提出了一組差動降壓直流斬波器型高頻鏈逆變器，上述兩個專利中提到的高頻鏈逆變器基本思想都是由兩個相同的、輸出反相低頻正弦脈動直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流直流變換器組合構成逆變器，兩個直流變換器分別輸出正弦波的正半周波形和負半周波形，因此在輸出正弦波的任意半周，總有一個直流變換器處於閒置狀態，因此器件的利用率沒有達到最大化。在上述兩個專利中還提到了由正激式變換器構成的高頻鏈逆變器，由於正激變換器變壓器磁復位的特殊問題存在而導致開關管的最大佔空比受到限制，同時開關管的電壓應力較高。

發明內容
本發明針對背景技術中高頻鏈逆變器存在的缺陷而提出一種變換效率高、可靠性高的單級正激式高頻鏈逆變器。
本發明的單級正激式高頻鏈逆變器，其結構包括原邊電路、第一高頻變壓器、第二高頻變壓器和副邊電路，其中原邊電路包括直流電源、第一分壓電容、第二分壓電容、第一功率開關管、第二功率開關管、第三功率開關管和第四功率開關管，直流電源的正極分別連
接第一分壓電容的一端、第一功率開關管的漏極和第二功率開關管的漏極，直流電源的負極分別連接第二分壓電容的一端、第四功率開關管的源極和第三功率開關管的源極；第一高頻變壓器包括第一原邊繞組和第一副邊繞組，第二高頻變壓器包括第二原邊繞組和第二副邊繞組，第一原邊繞組的同名端分別連接第一功率開關管的源極和第四功率開關管的漏極，第一原邊繞組的非同名端分別連接第二原邊繞組的同名端、第一分壓電容的另一端和第二分壓電容的另一端，第二原邊繞組的非同名端分別連接第二功率開關管的源極和第三功率開關管的漏極；副邊電路包括第一四象限高頻功率開關、第二四象限高頻功率開關、第三四象限高頻功率開關、濾波電感、濾波電容和負載，第一四象限高頻功率開關的一端連接第一副邊繞組的同名端，第一四象限高頻功率開關的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關的一端、第三四象限高頻功率開關的一端和濾波電感的一端，第二四象限高頻功率開關的另一端連接第二副邊繞組的同名端，第二副邊繞組的非同名端分別連接第一副邊繞組的非同名端、第三四 象限高頻功率開關的另一端、濾波電容的一端和負載的一端，濾波電感的另一端分別連接濾波電容的另一端和負載的另一端。本發明是由兩個雙向功率流正激變換器單元在輸入端交錯串聯、輸出端交錯並聯構成， 功率開關管的體二極體實現了兩個高頻變壓器的磁復位，實現了開關管的復用，大大減少了 開關管的數量，兩個正激單元始終交錯工作，輸入端交錯串聯的結構使得輸入分壓電容為高 頻電容，大大減小了分壓電容的體積和大小，輸出端交錯並聯的結構提高了等效開關頻率和 等效佔空比，大大減小了電感電流紋波和輸出電壓紋波，同時降低了開關管的電壓應力。綜 上所述，本發明具有如下有益效果(1) 輸入、輸出端高頻電氣隔離，輸出與輸入電壓匹配能力強；(2) 高頻變壓器通過開關管的體二極體完成磁復位，不需要額外的磁復位繞組或磁復位電路， 也不需要常規雙管正激變換器的磁復位二極體，電路結構簡單；(3) 變壓器在高頻開關周期內單向磁化，在整個輸出電壓周期內雙向磁化，提高了磁芯利用 率；(4) 輸入分壓電容為高頻電容，大大減小了分壓電容的體積和大小；(5) 副邊交錯並聯輸出，提高了等效佔空比及電感電流脈動頻率，有利於減小輸出濾波器體 積，減小輸出電壓紋波，提高功率密度，降低成本。


圖1是本發明單級正激式高頻鏈逆變器的電路原理圖。 圖2 (a) ~ (d)分別是四種四象限高頻功率開關的電路示意圖。 圖3是本發明採用圖2 (a)所示的四象限高頻功率開關時的實施例電路原理圖。 圖4是在空載時圖3所示的實施例電路在四種工作模式(A-D-C-B)下的主要波形圖，圖中r^ F^。分別為開關管的驅動信號；Vc—控制電壓；V,—三角波電壓；V。一輸出電壓；Z。一輸出電流。圖5 (a)是在空載時圖3所示的實施例電路在工作模式A和D下的等效電路原理圖，圖5 (b)是在空載時圖3所示的實施例電路在工作模式C和B下的等效電路原理圖。 圖6是單級正激式半橋型高頻鏈逆變器的電路原理圖。圖1、圖3、圖5、圖6中的標號名稱10—原邊電路；20—副邊電路；&~&分別是第 一、第二、第三、第四功率開關管；r;、 72分別是第一、第二高頻變壓器；Ww、 iVw分別是 第一、第二原邊繞組；Ww、 iVfo分別是第一、第二副邊繞組；C" G分別是第一、第二分壓 電容；&廣1^3分別是第一、第二、第三四象限高頻功率開關；&~&。均是構成四象限高頻功 率開關的MOSFET開關管；直流電源(輸入電壓)；丄。一濾波電感；C。一濾波電容；i 。 一負載。
具體實施方式
如圖1所示，本發明單級正激式高頻鏈逆變器的結構包括原邊電路IO、第一高頻變壓器r;、第二高頻變壓器r2和副邊電路20，其中原邊電路io包括直流電源r,"、第一分壓電容G、第二分壓電容G、第一功率開關管&、第二功率開關管&、第三功率開關管&和第四功率開關管&，直流電源P^的正極分別連接第一分壓電容C;的一端、第一功率開關管&的漏極和第二功率開關管&的漏極，直流電源R 的負極分別連接第二分壓電容c2的一端、 第四功率開關管&的源極和第三功率開關管&的源極；第一高頻變壓器r;包括第一原邊繞組Ww和第一副邊繞組A^;，第二高頻變壓器7^包括第二原邊繞組Afe和第二副邊繞組Afe， 第一原邊繞組7Vw的同名端分別連接第一功率開關管&的源極和第四功率開關管&的漏極，第一原邊繞組7VP;的非同名端分別連接第二原邊繞組Afe的同名端、第一分壓電容c7的另一端和第二分壓電容C2的另一端，第二原邊繞組的非同名端分別連接第二功率開關管&的源極和第三功率開關管&的漏極；副邊電路20包括第一四象限高頻功率開關&"第二四象限高頻功率開關&2、第三四象限高頻功率開關&3、濾波電感丄。、濾波電容C。和負載i 。，第一四象限高頻功率開關5^的一端連接第一副邊繞組A^的同名端，第一四象限高頻功率開關Sw的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關&2的一端、第三四象限高頻功率開關&3的一端和濾波電感丄。的一端，第二四象限高頻功率開關SM的另一端連接第二副邊繞組Afe的同名端，第二副邊繞組7Vfe的非同名端分別連接第一副邊繞組A^的非同名端、第三四象限高頻功率開關&3的另一端、濾波電容C。的一端和負載i 。的一端，濾波電感丄。的另一端分別連接濾波電容C。的另一端和負載i 。的另一端。
在具體實施過程中，根據原邊電路的功率開關管及副邊電路的四象限高頻功率開關的實現方式不同而具有多種實施方式，其中原邊電路中功率開關管可以採用MOSFET或者帶有體二極體的普通IGBT，圖2 (a) ~ (d)給出了副邊電路中四象限高頻功率開關的四種實現方式，其中圖2 (a)是由兩個MOSFET或者普通IGBT採用共射極式結構構成的四象限高頻功率開關；圖2 (b)是由兩個MOSFET或者普通IGBT採用共集電極式結構構成的四象限高頻功率開關；圖2 (c)是由兩個逆阻式IGBT採用反並聯結構構成的四象限高頻功率開關；圖2 (d)是由逆阻式IGBT與二極體橋式結構構成的四象限高頻功率開關。
如圖3所示是副邊電路的四象限高頻功率開關採用如圖2 (a)所示的兩個MOSFET共射極式結構、所有開關管均採用MOSFET的單級正激式高頻鏈逆變器的實施例電路原理圖。
下面以圖3所示的電路為例來說明該單級正激式高頻鏈逆變器的控制原理及具體工作過
程
開關管的驅動信號由控制電壓與三角波電壓比較得到，開關管與三角波電壓比較得到的PWM控制信號經分頻得到兩路PWM控制信號控制交錯的兩個正激單元工作，通過控制，使開關管的開關狀態滿足如下規律在輸出電壓的正半周，開關管&與&交錯180°高頻斬波工作，&與&的驅動信號保持為0，開關管&作為&的同步整流管與&同時開通與關斷，&作為&的同步整流管與&同時開通與關斷，&作為同步續流管高頻開關動作，當&與^同時關斷時，&導通，否則&關斷，&、 &、 &0—直導通；在輸出電壓的負半周，開關管&與&交錯180°高頻斬波工作，&與&的驅動信號保持為0，開關管&作為&的同步整流管與&同時開通與關斷，&作為&的同步整流管與&同時開通與關斷，&0作為同步續流管高頻開關動作，當&與&同時關斷時，S/fl導通，否則&c關斷，&、 S7、 &一直導通。
在輸出正弦波的正半周，變壓器K與72在每個開關周期內分別通過&與&的體二極體完成磁復位；在輸出正弦波的負半周，變壓器r;與72在每個開關周期內分別通過&與&的體二極體完成磁復位。
由於逆變器具有四象限工作能力，因此可以帶感性、容性、阻性和整流性負載。在一個輸出電壓周期中，逆變器有四種工作模式分別對應四個象限的工作，不同的負載條件下逆變器的工作模式順序不同。
圖4是在空載時圖3所示的實施例電路在四種工作模式(A-D-C-B)下的主要波形圖。下面結合圖4和圖5來說明圖3所示的實施例電路在四種工作模式下的工作原理及工作過程
l.能量輸出模式(A、 C)模式A (v。>0， p>0)
在工作模式A，功率開關管&、 &交錯180°高頻斬波工作，&、 57同步整流，&同步續流，功率開關管&、 &驅動信號為0， &、 &、 &一直導通，變壓器r;通過&的體二極體完
成磁復位，變壓器r2通過&的體二極體完成磁復位。直流電源^ 向負載/ 。傳輸能量，如圖
5 (a)所示。模式C (v。<0， z'。<0)在工作模式C,功率開關管&、 &交錯180°高頻斬波工作，S6、 &同步整流，&。同步續流，功率開關管&、 &驅動信號為0， &、 s7、 &一直導通，變壓器^通過&的體二極體完成磁復位，變壓器7^通過&的體二極體完成磁復位。直流電源^向負載及。傳輸能量，如 圖5 (b)所示。 2.能量回饋模式(B、 D) 模式B (v。0)在工作模式B，功率開關管&、 &、 5^高頻斬波工作，&、 &同步整流，功率開關管&、 &驅動信號為0， &、 &、 &一直導通，變壓器乃通過&的體二極體完成磁復位，變壓器7^ 通過&的體二極體完成磁復位。負載i 。向輸入電源回饋能量，如圖5 (b)所示。模式D (v。>0, /。<0)在工作模式D，功率開關管&、 S7、 &高頻斬波工作，&、 &同步整流，功率開關管&、 &驅動信號為0， &、 &、 &。一直導通，變壓器K通過&的體二極體完成磁復位，變壓器72 通過&的體二極體完成磁復位。負載7 。向輸入電源回饋能量，如圖5 (a)所示。當逆變器帶感性負載時，工作模式的順序為A-B-C-D;當逆變器帶容性負載時，工作模 式的順序為A-D-C-B。對於輸出電壓較低，對分壓電容沒有特殊要求的應用場合，可以應用圖6所示的單級正 激式半橋型高頻鏈逆變器。該逆變器實際使用了圖1所示的單級正激式高頻鏈逆變器兩個雙 向功率流正激變換器單元中的一個，適用於中低壓輸出場合，由於僅使用了其中的一路，開 關管的數量大大減少，極大的降低了成本。由於僅使用了一個正激單元，因此該逆變器的分壓電容需要濾除輸出電壓頻率的電壓紋 波，相對於單級正激式高頻鏈逆變器，其分壓電容的容量及體積要大，此外，在相同的輸出 電壓下，副邊開關管的電壓應力相對於單級正激式高頻鏈逆變器的副邊開關管要提高一倍， 採用相同的濾波電感及濾波電容時，電感電流及電容電壓紋波的大小也要提高一倍，但相比 於單極正激式高頻鏈逆變器，半橋型高頻鏈逆變器可以減少將近一半的開關管和一個高頻變 壓器，因此大大減小了變換器的成本，除此之外，單級正激式半橋型高頻鏈逆變器的特性與 單級正激式高頻鏈逆變器的特性完全一樣。
權利要求
1、一種單級正激式高頻鏈逆變器，其特徵在於包括原邊電路(10)、第一高頻變壓器(T1)、第二高頻變壓器(T2)和副邊電路(20)，其中原邊電路(10)包括直流電源(Vin)、第一分壓電容(C1)第二分壓電容(C2)、第一功率開關管(S1)、第二功率開關管(S2)、第三功率開關管(S3)和第四功率開關管(S4)，直流電源(Vin)的正極分別連接第一分壓電容(C1)的一端、第一功率開關管(S1)的漏極和第二功率開關管(S2)的漏極，直流電源(Vin)的負極分別連接第二分壓電容(C2)的一端、第四功率開關管(S4)的源極和第三功率開關管(S3)的源極；第一高頻變壓器(T1)包括第一原邊繞組(NP1)和第一副邊繞組(NS1)，第二高頻變壓器(T2)包括第二原邊繞組(NP2)和第二副邊繞組(NS2)，第一原邊繞組(NP1)的同名端分別連接第一功率開關管(S1)的源極和第四功率開關管(S4)的漏極，第一原邊繞組(NP1)的非同名端分別連接第二原邊繞組(NP2)的同名端、第一分壓電容(C1)的另一端和第二分壓電容(C2)的另一端，第二原邊繞組(NP2)的非同名端分別連接第二功率開關管(S2)的源極和第三功率開關管(S3)的漏極；副邊電路(20)包括第一四象限高頻功率開關(SD1)、第二四象限高頻功率開關(SD2)、第三四象限高頻功率開關(SD3)、濾波電感(Lo)、濾波電容(Co)和負載(Ro)，第一四象限高頻功率開關(SD1)的一端連接第一副邊繞組(NS1)的同名端，第一四象限高頻功率開關(SD1)的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關(SD2)的一端、第三四象限高頻功率開關(SD3)的一端和濾波電感(Lo)的一端，第二四象限高頻功率開關(SD2)的另一端連接第二副邊繞組(NS2)的同名端，第二副邊繞組(NS2)的非同名端分別連接第一副邊繞組(NS1)的非同名端、第三四象限高頻功率開關(SD3)的另一端、濾波電容(Co)的一端和負載(Ro)的一端，濾波電感(Lo)的另一端分別連接濾波電容(Co)的另一端和負載(Ro)的另一端。
全文摘要
本發明公開了一種單級正激式高頻鏈逆變器，屬電力電子變換器領域。該逆變器結構包括原邊電路、第一高頻變壓器、第二高頻變壓器和副邊電路，原邊電路由電源、兩個分壓電容、四個功率開關管構成；第一和第二高頻變壓器均由原邊繞組和副邊繞組構成；副邊電路由三個四象限高頻功率開關、濾波電感、濾波電容和負載構成。該逆變器是由兩個雙向功率流正激變換器單元在輸入端交錯串聯、輸出端交錯並聯構成，兩個正激單元始終交錯工作，開關管的體二極體實現高頻變壓器的磁復位。本發明原副邊開關管電壓應力低、分壓電容容量小、變換效率高、可靠性高，適用於中、高壓輸入場合，尤其在新能源發電領域具有廣泛的應用前景。
文檔編號H02M7/537GK101635530SQ20091018450
公開日2010年1月27日 申請日期2009年8月28日 優先權日2009年8月28日
發明者吳紅飛, 犁 張, 巖 邢 申請人:南京航空航天大學