無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器的製作方法

2023-07-15 21:43:06 1

專利名稱：無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種逆變器，尤其涉及一種無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器。
背景技術：
目前，人們對電力電子裝置的效率要求不斷提高，而高頻化一直是電力電子學追求的目標。伴隨著高頻化，功率器件的開關損耗成為日益突出的矛盾。軟開關技術成為降低開關損耗，提高系統效率的一個重要手段。有源的軟開關技術通過附加開關或改變拓撲等方式，令檢測手段和控制策略複雜化。而吸收電路是唯一可能以無源方式實現軟開關的途徑，但是直流變換器中的無源軟開關技術在DC/AC中卻存在難題。

發明內容
1、發明目的本發明的目的是減小拓撲中高頻功率器件的開關損耗，提供一種採用無源無損吸收電路的雙降壓式全橋逆變器。2、技術方案為了解決上述的技術問題，本發明的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器，包括雙降壓式全橋逆變電路1、第一吸收電路2、第二吸收電路3、直流電源輸入電路4和負載電路5。其中雙降壓式全橋逆變電路I包括第一功率三極開關管S1、第二功率三極開關管S2、第三功率三極開關管S3、第四功率三極開關管S4、第一功率二極體D1、第二功率二極體D2，具體連接方式為，第一功率三極開關管S1的源級與第一功率二極體D1的陰極連接，第一功率二極體D1的陽極與第三功率三極開關管S3的源級連接，第三功率三極開關管S3的漏級與第四功率三極開關管S4的源級連接，第四功率三極開關管S4的漏級與第二功率二極體D2的陰極連接，第二功率二極體D2的陽極與第二功率三極開關管S2的漏級連接，第二功率三極開關管S2的源級與第一功率二極體D1的陽極連接，第一功率三極開關管S1的漏級與第二功率二極體D2的陰極連接；第一吸收電路2包括第三功率二極體D3、第四功率二極體D4、第五功率二極體D5、第一電容C1、第二電容C2、第一電感L1,具體連接方式為,第三功率二極體D3的陰極與第二電容C2的正極連接，第二電容C2的負極與第五功率二極體D5的陰極連接，第五功率二極體D5的陽極與第一電容C1的負極連接，第一電容C1的正極與第三功率二極體D3的陽極連接，第三功率二極體D3的陽極與第四功率二極體D4的陰極連接，第四功率二極體D4的陽極與第一電感L1的一端連接,第一電感L1的另一端與第五功率二極體D5的陰極，第三功率二極體D3的陰極與第一功率二極體D1的陰極連接，第五功率二極體D5的陽極與第一功率二極體D1的陽極連接；第二吸收電路3包括第六功率二極體D6、第七功率二極體D7、第八功率二極體D8、第三電容C3、第四電容C4、第二電感L2,具體連接方式為，第六功率二極體D6的陰極與第四電容C4的正極連接，第四電容C4的負極與第八功率二極體D8的陰極連接，第八功率二極體D8的陽極與第三電容C3的負極連接，第三電容C3的正極與第六功率二極體D6的陽極連接，第六功率二極體D6的陽極與第七功率二極體D7的陰極連接，第七功率二極體D7的陽極與第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另一端與第八功率二極體D8的陰極，第八功率二極體D8的陽極與第二功率二極體D2的陽極連接，第六功率二極體D6的陰極與第二功率二極體D2的陰極連接；直流電源輸入電路4包括電源Ud，連接方式為，電源Ud正極與第一功率三極開關管S1的漏極連接，電源Ud負極與第一功率二極體D1的陽極連接；負載電路5包括第三電感L3、第四電感L4、濾波電容Cf和負載電阻R，具體連接方式為，第三電感L3的一端與第一功率三極開關管S1的源級連接，第三電感L3的另一端與第四電感L4的一端連接，第四電感L4的另一端與第二功率三極開關管S2的漏級連接，第三電感L3與第四電感L4的連接端與濾波電容Cf的一端連接，濾波電容Cf的另一端與第三功率三極開關管S3的漏級連接，負載電阻R的一端與第三電感L3與第四電感L4的連接端連接，負載電阻R的另一端與第三功率三極開關管S3的漏級連接。3、有益效果本發明是可實現零電壓關斷逆變功能的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器，具有如下優點(I)保留了雙降壓電路無橋臂直通、無開關管體二極體反向恢復問題的優點；⑵利用雙降壓電路單向電流的特點，使用較易實現的DCDC軟開關技術；(3)通過利用附加的電容、電感及二極體等無源器件自身的諧振過程改善功率器件的開關狀況實現軟開關的功能，簡單可靠。
四

圖1是本發明的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器結構示意圖，標號名稱1、雙降壓式全橋逆變電路；2.第一吸收電路；3、第二吸收電路；4、電源輸入電路；5、負載電路；圖2是本發明的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器各開關模態示意圖；圖中的主要符號名稱=S1 S4-第一 第四功率三極開關管！D1 D8-第
一 第八功率二極體；U L4——第一 第四電感A1 C4——第一 第四電容；Cf——濾波電容；Ud——電源；u。——逆變器輸出電壓A——逆變器輸出電流；iu——第三電感L3上的電流；iL4——第四電感L4上的電流。
五具體實施例方式如圖1所示，本實例的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器的特徵在於，雙降壓式全橋逆變電路I包括第一功率三極開關管S1、第二功率三極開關管S2、第三功率三極開關管s3、第四功率三極開關管S4、第一功率二極體D1、第二功率二極體D2，具體連接方式為，第一功率三極開關管S1的源級與第一功率二極體D1的陰極連接，第一功率二極體D1的陽極與第三功率三極開關管S3的源級連接，第三功率三極開關管S3的漏級與第四功率三極開關管S4的源級連接，第四功率三極開關管S4的漏級與第二功率二極體D2的陰極連接，第二功率二極體D2的陽極與第二功率三極開關管S2的漏級連接，第二功率三極開關管S2的源級與第一功率二極體D1的陽極連接,第一功率三極開關管S1的漏級與第二功率二極體D2的陰極連接；第一吸收電路2包括第三功率二極體D3、第四功率二極體D4、第五功率二極體D5、第一電容C1、第二電容C2、第一電感L1,具體連接方式為,第三功率二極體D3的陰極與第二電容C2的正極連接，第二電容C2的負極與第五功率二極體D5的陰極連接，第五功率二極體D5的陽極與第一電容C1的負極連接，第一電容C1的正極與第三功率二極體D3的陽極連接，第三功率二極體隊的陽極與第四功率二極體D4的陰極連接，第四功率二極體D4的陽極與第一電感L1的一端連接，第一電感L1的另一端與第五功率二極體D5的陰極，第三功率二極體D3的陰極與第一功率二極體D1的陰極連接，第五功率二極體D5的陽極與第一功率二極體D1的陽極連接；第二吸收電路3包括第六功率二極體D6、第七功率二極體D7、第八功率二極體D8、第三電容C3、第四電容C4、第二電感L2，具體連接方式為，第六功率二極體D6的陰極與第四電容C4的正極連接，第四電容C4的負極與第八功率二極體D8的陰極連接，第八功率二極體隊的陽極與第三電容C3的負極連接，第三電容C3的正極與第六功率二極體D6的陽極連接，第六功率二極體D6的陽極與第七功率二極體D7的陰極連接，第七功率二極體D7的陽極與第二電感L2的一端連接，第二電感L2的另一端與第八功率二極體D8的陰極，第八功率二極體D8的陽極與第二功率二極體D2的陽極連接，第六功率二極體D6的陰極與第二功率二極體D2的陰極連接；直流電源輸入電路4包括電源Ud，連接方式為，電源Ud正極與第一功率三極開關管S1的漏極連接，電源Ud負極與第一功率二極體D1的陽極連接；負載電路5包括第三電感L3、第四電感L4、濾波電容Cf和負載電阻R，具體連接方式為，第三電感L3的一端與第一功率三極開關管S1的源級連接，第三電感L3的另一端與第四電感L4的一端連接，第四電感L4的另一端與第二功率三極開關管S2的漏級連接，第三電感L3與第四電感L4的連 接端與濾波電容Cf的一端連接，濾波電容Cf的另一端與第三功率三極開關管S3的漏級連接，負載電阻R的一端與第三電感L3與第四電感L4的連接端連接，負載電阻R的另一端與第三功率三極開關管S3的漏級連接。本發明的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器工作原理是逆變器輸出電流k的正半周期時，第一吸收電路2工作，減小第一功率三極開關管S1的開關損耗，第二吸收電路3不工作，通過合適的開關組合狀態在橋臂A點輸出+Ud、0電平；逆變器輸出電流k負半周期時，第二吸收電路3工作，減小第二功率三極開關管S2的開關損耗，第一吸收電路2不工作，選擇恰當的開關組合在橋臂B點輸出_Ud、0電平。下面以圖1所示為主電路結構，結合圖2敘述本發明的無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器的工作原理和工作模態(I)逆變器輸出電壓U。和逆變器輸出電流k均大於0，此階段第三功率三極開關管S3導通，電路包含2個工作模態。工作模態1:如圖2(a)所示，逆變器輸出電壓U。> 0，第三電感1^3上的電流>0，第四電感L4上的電流= 0，第四功率三極開關管S4截止，第三功率三極開關管S3導通，第一功率三極開關管S1開通，第二功率三極開關管S2截止，第三電感L3上的電流線性上升。此期間第一功率三極開關管S1上的電流isl上升，S1上電壓usl在短時間內快速降為0，isl —方面向負載充電，同時給吸收電路中的串聯支路C2-L1-D4-C1充電，此時第一電感L1和第一電容C1、第二 C2串聯諧振，isl及通過L1的電流iu按二階振蕩規律變化，諧振半周期後iu過零變負，D4反偏，諧振結束。當C1 = C2時，諧振結束電容Cp C2上的電壓均達到Udo工作模態2 :如圖2(b)所示，逆變器輸出電壓U。〉0，第三電感L3上的電流iu>0，第四電感L4上的電流= 0，第四功率三極開關管S4截止，第三功率三極開關管S3導通，第一功率三極開關管S1截止，第二功率三極開關管S2截止，第三電感L3上的電流從第一功率二極體D1續流，線性下降。第一功率三極開關管S1關斷時流過S1上的電流isl下降，CpD3和C2、D5兩並聯支路可以看作經電源Ud並聯於S1，即為CfC2的關斷吸收電路。Q、C2電壓不能突變，從而實現第一功率三極開關管S1的零電壓關斷，C1, C2開始放電，S1上的電壓Usi從O上升，C」 C2繼續放電至繼續放電，Uci及uC2降為O, Usi上升為Udo(2)逆變器輸出電壓U。和逆變器輸出電流k由正變負，此階段第四功率三極開關管S4導通，電路包含2個工作模態。工作模態3 :如圖2(c)所示，逆變器輸出電壓U。< 0，第三電感L3上的電流=0，第四電感L4上的電流< 0，第三功率三極開關管S3截止，第四功率三極開關管S4導通，第一功率三極開關管S1截止，第二功率三極開關管S2開通，第四電感L4上的電流線性上升。此期間第二功率三極功率開關管S2的工作過程與工作模態I中第一功率三極功率開關管S1類似，電源供給負載電流和C3、C4充電電流。工作模態4 :如圖2(d)所示，逆變器輸出電壓U。< 0，第三電感L3上的電流=0，第四電感L4上的電流< 0，第三功率三極開關管S3截止，第四功率三極開關管S4導通，第一功率三極開關管S1截止，第二功率三極開關管S2關斷，第四電感L4上的電流從功率二極體D2續流，線性下降。此期間開關管S2的工作過程與工作模態2中開關管S1類似，開關管S2零電壓關斷，負載電流經D6、D8使C3、C4放電，電容儲能傳遞給負載。由以上描述可知，本發明是一種無源無損的軟開關雙降壓式全橋逆變器，該逆變器具有如下優點1.單向ECDC結構，使軟開關技術易於實現；2.通過附加的無源器件自身的諧振過程改善功率器件的開關狀況實現軟開關的
功能，簡單可靠。3.隨著吸收電路的引入，使得聞頻功率管的開關損耗降低，系統效率進一步提聞。
權利要求
1.一種無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器，包括雙降壓式全橋逆變電路(I)、第一吸收電路(2)、第二吸收電路(3)、直流電源輸入電路(4)和負載電路(5)。雙降壓式全橋逆變電路(I)包括第一功率三極開關管(S1)、第二功率三極開關管(S2)、第三功率三極開關管(S3)、第四功率三極開關管(S4)、第一功率二極體(D1)、第二功率二極體(D2)，具體連接方式為，第一功率三極開關管(S1)的源級與第一功率二極體(D1)的陰極連接，第一功率二極體(D1)的陽極與第三功率三極開關管(S3)的源級連接，第三功率三極開關管(S3)的漏級與第四功率三極開關管(S4)的源級連接，第四功率三極開關管(S4)的漏級與第二功率二極體(D2)的陰極連接，第二功率二極體(D2)的陽極與第二功率三極開關管(S2)的漏級連接，第二功率三極開關管(S2)的源級與第一功率二極體(D1)的陽極連接，第一功率三極開關管(S1)的漏級與第二功率二極體(D2)的陰極連接；第一吸收電路(2)包括第三功率二極體(D3)、第四功率二極體(D4)、第五功率二極體(D5)、第一電容(C1)'第二電容(C2)、第一電感(L1),具體連接方式為，第三功率二極體(D3)的陰極與第二電容(C2)的正極連接，第二電容(C2)的負極與第五功率二極體(D5)的陰極連接，第五功率二極體(D5)的陽極與第一電容(C1)的負極連接，第一電容(C1)的正極與第三功率二極體(D3)的陽極連接，第三功率二極體(D3)的陽極與第四功率二極體(D4)的陰極連接，第四功率二極體(D4)的陽極與第一電感(L1)的一端連接，第一電感(L1)的另一端與第五功率二極體(D5)的陰極，第三功率二極體(D3)的陰極與第一功率二極體(D1)的陰極連接，第五功率二極體(D5)的陽極與第一功率二極體(D1)的陽極連接；第二吸收電路(3)包括第六功率二極體(D6)、第七功率二極體(D7)、第八功率二極體(D8)、第三電容(C3)、第四電容(C4)、第二電感(L2),具體連接方式為，第六功率二極體(D6)的陰極與第四電容(C4)的正極連接，第四電容(C4)的負極與第八功率二極體(D8)的陰極連接，第八功率二極體(D8)的陽極與第三電容(C3)的負極連接，第三電容(C3)的正極與第六功率二極體(D6)的陽極連接，第六功率二極體(D6)的陽極與第七功率二極體(D7)的陰極連接，第七功率二極體(D7)的陽極與第二電感(L2)的一端連接，第二電感(L2)的另一端與第八功率二極體(D8)的陰極，第八功率二極體(D8)的陽極與第二功率二極體(D2)的陽極連接，第六功率二極體(D6)的陰極與第二功率二極體(D2)的陰極連接；直流電源輸入電路(4)包括電源(Ud)，連接方式為，電源(Ud)正極與第一功率三極開關管(S1)的漏極連接，電源(Ud)負極與第一功率二極體(D1)的陽極連接；負載電路(5)包括第三電感(L3)、第四電感(L4)、濾波電容(Cf)和負載電阻(R)，具體連接方式為，第三電感(L3)的一端與第一功率三極開關管(S1)的源級連接，第三電感(L3)的另一端與第四電感(L4)的一端連接，第四電感(L4)的另一端與第二功率三極開關管(S2)的漏級連接，第三電感(L3)與第四電感(L4)的連接端與濾波電容(Cf)的一端連接，濾波電容(Cf)的另一端與第三功率三極開關管(S3)的漏級連接，負載電阻(R)的一端與第三電感(L3)與第四電感(L4)的連接端連接，負載電阻(R)的另一端與第三功率三極開關管(S3)的漏級連接。
全文摘要
本發明公開了一種無源無損軟開關雙降壓式全橋逆變器，包括雙降壓式全橋逆變電路1、第一吸收電路2、第二吸收電路3、直流電源輸入電路4和負載電路5。採用平均電流控制，根據電感電流的方向控制逆變電路半周期工作。本發明的優點是拓撲本身無橋臂直通問題、無開關管寄生二極體反向恢復問題、利用基於DC/DC的無源軟開關技術進一步提高系統的效率和可靠性等。
文檔編號H02M7/521GK103001522SQ201210398590
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月19日 優先權日2012年10月19日
發明者尹培培, 洪峰, 王成華 申請人:南京航空航天大學