雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器的製作方法

2023-07-28 09:09:36 1

專利名稱：雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電能變換裝置中的逆變器，尤其涉及在既可升壓也可降壓的單相 或多相逆變應用場合中。
背景技術：
可再生能源和新能源發電技術是應對能源危機，維持可持續發展，實現「低碳」經 濟的核心技術。逆變器是可再生能源和新能源發電系統中的關鍵組件。與傳統能源相比， 可再生能源和新能源發電裝置的特點是其輸出功率的波動性和隨機性，具體的表現就是其 所提供的直流電壓的變化範圍比較寬。具體到光伏陣列、燃料電池和小型風力發電機，還具 有輸出電壓等級比較低的特點。而傳統的逆變器都是buck型降壓變換器結構，其輸入的直 流電壓要高於輸出的交流電壓峰值，不適應於可再生能源和新能源發電技術的需要。對此，傳統的解決方案有兩種，第一種是在逆變器前加一級DC/DC變換器，提高逆 變器的輸入電壓，但級數的增加勢必會降低整體的效率。另一種是隔離型方案，即在變換器 中增加升壓變壓器以提高電壓等級同時實現電氣隔離，但變壓器的加入也將增加系統成本 並影響整體的變換效率。顯然，能夠直接實現可升降壓的非隔離單級型方案更加符合可再 生能源和新能源發電技術的需要；本專利所提出的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器正是滿 足上述需要的一種新型逆變方案。

發明內容
發明目的本發明的目的是用兩個Cuk變換器構建一種可實現升降壓逆變的單級 單相或三相逆變器。技術方案為了達到上述的發明目的，本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器 包括電容分壓電路、第一 Cuk電路和第二 Cuk電路，其中，電容分壓電路由兩個相串聯的第 一電容和第二電容構成，第一電容和第二電容的串聯連接點接零電位點，第一電容另一端 接外接電源的正極，第二電容另一端接外接電源的負極；第一 Cuk電路中，第一功率二極體 的陽極接電源正極，陰極接第一電感的一端，第一電感的另一端接第一功率開關管的陽極 和第三電容的一端，第一功率開關管的陰極接零電位點，第三電容的另一端接第三功率二 極管的陽極和第三功率開關管的陰極，第三功率二極體的陰極接零電位點，第三功率開關 管的陰極接第五功率二極體的陰極，第五功率二極體的陽極接第三電感的一端；第二 Cuk 電路中，第二功率二極體的陰極接電源負極，陽極接第二電感的一端，第二電感的另一端接 第二功率開關管的陰極和第四電容的一端，第二功率開關管的陽極接零電位點，第四電容 的另一端接第四功率二極體的陰極和第四功率開關管的陽極，第四功率二極體的陽極接零 電位點，第四功率開關管的陰極接第六功率二極體的陽極，第六功率二級管的陰極接第三 電感，同第一 Cuk電路一樣，接於第三電感的同一端；負載一端接於第三電感的另一端，負 載的另一端接零電位點。第一電感、第二電感和第三電感可以耦合到同一個磁芯上，大大減小了電感體積和磁芯數量，通過耦合的方法，單個電感的值也可以降低。本發明採用的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器包含兩個Cuk電路單元，其輸入側 接分壓電容電路，其輸出側接輸出濾波電容和負載電路。該電路中第一開關管和第二開關 管不同時工作，分別工作於正弦波的上半周期和下半周期，因此，這兩個開關管不需設置死 區時間，並且可以實現高頻逆變。續流電流從功率二極體流過，無開關器件體二極體反向恢 復問題。該逆變器增加了兩隻半周期常開(閉)的開關管(S3，S4)和兩隻功率二極體(D5， D6)組成單向開關，用於選擇由Cuk電路一或是Cuk電路二對負載的供電。這兩隻開關管 工作在半周導通模式下，因此整體的通態損耗並沒有增加多少。控制方案也較簡單採用單 周期控制的方法，使逆變器在正常工作時不需要偏置電流，使電感電流工作在連續模式下， 減小了 EMI。單周期控制還具有動態響應快，抑制電源波動，實現簡單等特點。電感L1、L2 和L3的值可以較大，流經電感的電流紋波較小，電路可以輸出較大的功率。由於輸出側是 並聯型結構，可以更為容易的構建三相系統。有益效果本發明是利用兩個Cuk變換器組成的一種既可以升壓又可以降壓的單 級逆變器，具有如下優點在輸入側母線電壓高於或低於輸出交流電壓峰-峰值時，此種逆變器仍能正常工 作，具有較寬的輸入電壓範圍；採用單周期控制的方法，對電源的波動具有較強的抑制能 力。Cuk變換器本身在直流-直流變換領域研究的比較成熟，在直流-直流變換中的電 路參數選取原則可以移植到本逆變器中，電路參數選取較為簡單，便於設計。在高頻工作的功率開關管無橋臂直通問題，因此不需要設置此兩個開關管的死區 時間，易於實現的電路的高頻化。續流通路通過單獨的功率二極體，使得功率開關管和功率二極體可以分別優化設 計。電感電流連續，因此輸出端只需一個小容量的濾波電容就可以實現較好的正弦波 形輸出。


圖1是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器的電路結構示意圖；圖2是本發明的三相雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器構建示意圖；圖3-6是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器各開關模態示意圖；圖7是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器的功率開關管的驅動波形示意 圖；圖8是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器的各電感電流和輸出電壓波形 圖；圖9是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器採用的控制圖；圖10是本發明的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器採用的給定波形及第三和第四 功率開關管的驅動波形。上述附圖中的主要符號名稱1.電容分壓電路；2.第一 Cuk電路；3.第二 Cuk電 路；4.輸出濾波電路及負載；Cl C2——輸入側分壓大電容。Cf——輸出濾波電容。C3 C4——Cuk變換器電容。Dl D6——功率二極體。Ll L3——線性電感。Sl S4——功 率開關管。2Ud——逆變器輸入電壓即直流側母線電壓。iLl——電感Ll的電流。iL2——電 感L2的電流。iL3——電感L3的電流。R——負載阻抗。Vrefl——第一 Cuk變換器單周控 制的給定。Vref2——第二 Cuk變換器單周控制的給定。Rint——積分電路電阻。Cint—— 積分電路電容。
具體實施例方式如附圖1所示，本實施方案的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，包括電容分壓電路 1、第一 Cuk電路2和第二 Cuk電路3，電容分壓電路1由兩個相串聯的第一電容Cl和第二 電容C2構成，第一電容Cl和第二電容C2的串聯連接點接零電位點，第一電容Cl另一端接 外接電源的距極，第二電容C2另一端接外接電源的負極；第一 Cuk電路2中，第一功率二極 管Dl的陽極接電源正極，陰極接第一電感Ll的一端，另一端接第一功率開關管的陽極Sl 和第三電容C3的一端，第一功率開關管Sl的陰極接零電位點，第三電容C3的另一端接第 三功率二極體D3的陽極和第三功率開關管S3的陰極，第三功率二極體D3的陰極接零電位 點，第三功率開關管的陽極接第五功率二極體D5的陰極，第五功率二極體D5的陽極接第三 電感L3的一端；第二 Cuk電路3中，第二功率二級管D2的陰極接電源負極，陽極接第二電 感L2的一端，第二電感的另一端接第二功率開關管S2的陰極和第四電容C4的一端，第二 功率開關管S2的陽極接零電位點，第四電容C4的另一端接第四功率二極體D4的陰極和第 四功率開關管S4的陽極，第四功率二極體D4的陽極接零電位點，第四功率開關管S4的陰 極接第六功率二極體D6的陽極，第六功率二級管D6的陰極接第三電感L3，同第一 Cuk電路 2 一樣，接於第三電感的同一端；負載4 一端接於第三電感L3的另一端，負載4的另一端接 零電位點。雙Cuk升降壓型輸出並聯型逆變器在輸出電流小於零的負半周，第一 Cuk電路2 工作，第二 Cuk電路3不工作，功率開關管S4關斷，功率開關管S3閉合。此時電路包括兩 個工作模態工作模態I如附圖3所示，功率開關管Sl和S3閉合，S2和S4關斷，電源給Ll充電，Ll的電 流iLl線性上升，電容C3通過負載流過L3，L3的電流iL3反向上升。續流二極體D3截止。工作模態II如附圖4所示，功率開關管Si、S2、S4關斷，S3閉合，iLl給C3充電，從D3續流， iL3從D3續流，流過負載。在輸出電流大於零的正半周，第二 Cuk電路3工作，第一 Cuk電路2不工作，功率 開關管S3保持關斷，S4全開通。此時電路也包括兩個工作模態工作模態III如附圖5所示，功率開關管S2和S4開通，Sl和S3關斷，電流流過L2返回電源負 極，iL2線性上升，C4通過L3和負載組成閉合環路，L3的電流iL3正向上升。續流二極體 D4截止。工作模態IV如附圖6所示，功率開關管Si、S2、S3關斷，S4開通，電流流過D4，C4，L2返回電源負極，L2的電流iL2線性下降，iL3通過D4續流導通，給負載供電。以上四個工作模態可用表1來表示，電路關鍵波形如附圖8所示，在輸出電流過零 處即兩個Cuk電路2、3工作切換的位置，兩個Cuk電路2、3交替工作，以維持輸出電壓波形。表1雙Cuk輸出並聯型逆變器的功率管開關組合狀態 為實現以上工作原理，採用控制方案如附圖9所示本文為實現逆變功能採用的 是單周控制，選取二極體D3和D4兩端的電壓作為反饋電壓，經積分後與給定電壓相比較， 決定Sl和S2的關斷時刻，另外，Sl和S2的開通時刻由時鐘電路觸發。單周控制的給定不 能給直流電壓源，而應該給半個正弦波的正半周，另外的半個周期給定為零，兩個給定端的 正弦正半周相位應該相差180°。而開關管S3和S4的驅動波形應跟隨兩個給定端，保持 半個正弦波周期的常開常關，相互互補，兩個給定波形和S3、S4的驅動波形如附圖10所示。 控制的效果使得輸出電流基準大於零時，開關管S4常開，Si、S3關斷，S2調製工作；在電流 基準小於零的負半周，開關管S3常開，S2、S4關斷，Sl調製工作。
權利要求
一種雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，其特徵在於，包括電容分壓電路(1)、第一Cuk電路(2)和第二Cuk電路(3)；電容分壓電路(1)由兩個相串聯的第一電容(C1)和第二電容(C2)構成，第一電容(C1)和第二電容(C2)的串聯連接點接零電位點N，第一電容(C1)另一端接外接電源2Ud的正極，第二電容(C2)另一端接外接電源2Ud的負極；第一Cuk電路(2)中，第一功率二極體(D1)的陽極接電源2Ud的正極，陰極接第一電感(L1)的一端，第一電感(L1)的另一端接第一功率開關管的陽極(S1)和第三電容(C3)的一端，第一功率開關管(S1)的陰極接零電位點N，第三電容(C3)的另一端接第三功率二極體(D3)的陽極和第三功率開關管(S3)的陰極，第三功率二極體(D3)的陰極接零電位點N，第三功率開關管(S3)的陽極接第五功率二極體(D5)的陰極，第五功率二極體(D5)的陽極接第三電感(L3)的一端；第二Cuk電路(3)中，第二功率二極體(D2)的陰極接電源2Ud的負極，第二功率二極體(D2)的陽極接第二電感(L2)的一端，第二電感(L2)的另一端接第二功率開關管(S2)的陰極和第四電容(C4)的一端，第二功率開關管(S2)的陽極接零電位點N，第四電容(C4)的另一端接第四功率二極體(D4)的陰極和第四功率開關管(S4)的陽極，第四功率二極體(D4)的陽極接零電位點，第四功率開關管(S4)的陰極接第六功率二極體(D6)的陽極，第六功率二級管(D6)的陰極接第三電感(L3)，同第一Cuk電路(2)一樣，接於第三電感(L3)的同一端；負載(4)一端接於電感(L3)的另一端，負載(4)的另一端接零電位點N。
2.如權利要求1所述的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，其特徵在於，第一電感(Li)， 第二電感(L2)和第三電感(L3)耦合在同一副磁芯上。
3.如權利要求1所述的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，其特徵在於，可以用三個雙 Cuk升降壓輸出並聯型逆變器構建三相系統，而輸入使用同一個電源和電容分壓電路。
4.如權利要求1所述的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，其特徵在於，外接電源2Ud是 可波動的電源，它可低於輸出交流電壓峰_峰值。
5.如權利要求1所述的雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，其特徵在於第一、第二、第三、 第四功率開關管可以是帶體內反並聯二極體的功率開關管，也可以是外接反並聯二極體的 功率開關管。
全文摘要
本發明公開了一種雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器，採用可實現升降壓輸出的兩個Cuk型DC/DC變換器在輸出並聯組成，能夠實現DC/AC單相逆變，並可擴展實現三相逆變。該逆變器的基本功能是可以實現升降壓逆變，在輸入直流電壓較低或變化範圍較大時，雙Cuk升降壓輸出並聯型逆變器仍能正常完成逆變功能；整個電路無橋臂直通問題，可靠性高；續流電流不流過開關管的體二極體，通過單獨的二極體續流，使功率開關管和功率二極體可以分別優化設計；電路參數設計簡單，可以根據直流Cuk變換器的設計方法進行設計；電感電流工作在連續狀態下，減少了EMI。該發明的主要應用為工作電壓等級較低或變化範圍較大的可再生能源和新能源發電領域，如光伏發電、燃料電池發電等。
文檔編號H02M7/497GK101895223SQ20101020117
公開日2010年11月24日 申請日期2010年6月11日 優先權日2010年6月11日
發明者王欣, 王立喬, 鄔偉揚 申請人:燕山大學