一種抑制功率紋波的隔離型逆變器的製作方法

2023-05-20 23:32:41

本發明涉及一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，屬於隔離型逆變器，其利用增加的輔助電路來抑制輸入側低頻功率紋波。

背景技術：

近年來，能源問題和環境問題已成為人類關注的核心問題，大力發展清潔、高效、可持續的新能源已成為當務之急，與此相關的新能源電力技術也引起了學者和工業界的廣泛關注，由此提出了一些關於新能源發電的逆變器拓撲及控制方案並且應用於實際產品。例如附圖1所示，為一種典型的單相推挽逆變器。對於這種系統，交流輸出功率中含有兩倍於輸出電壓基波頻率的脈動，此脈動分量必然會反饋到直流輸入側，影響蓄電池、燃料電池等輸入源的使用壽命，嚴重時會干擾直流電源系統的穩定性，因此解決新能源發電系統中的功率紋波問題，提高新能源的利用效率已刻不容緩。雖然使用大電解電容來濾除功率紋波是一種有效的解決方法，但在高溫工作條件下，電解電容長時間頻繁的充放電會導致其使用壽命下降，從而影響逆變器的使用壽命，並且降低了系統功率密度。在電路中接入LC諧振電路，通過將諧振電路頻率設計為兩倍輸出頻率，也可以實現抑制兩倍功率紋波的目的，但要濾除低頻紋波所需的電感和電容體積都比較大，降低了系統的可靠性和功率密度。在電路中接入有源濾波器，額外增加的電路必然需要額外的控制系統，使整個系統都變的較為複雜。把輔助電路嵌入到原有的變換器中，進而適當改進原有的控制方法實現輸入側功率紋波的抑制，是非常有優勢的。

技術實現要素：

本發明的目的在於針對上述逆變器所存在的技術缺陷提供一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，該逆變器不僅可以實現電能變換，而且能夠抑制直流輸入側的兩倍頻功率紋波，因此電路中不需要大容值的電容來濾除低頻功率紋波。

本發明為實現上述目的，採用如下技術方案：

本發明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，包括直流電源、輸入電容、主開關管、隔離變壓器、整流電路、濾波電路、極性反轉逆變橋及負載，其中主開關管包括兩個開關管，隔離變壓器包括三個繞組，直流電源的正極、輸入電容的輸入端、第一繞組的同名端和第二繞組的異名端相連接，直流電源的負極和輸入電容的輸出端相連接，第一主開關管的發射極和第二主開關管的發射極相連接，第一繞組的異名端接第一主開關管的集電極，第二繞組的同名端接第二主開關管的集電極，整流電路包括四個二極體，第一整流二極體的陽極、第二整流二極體的陰極和第三繞組的同名端相連接，第三整流二極體的陽極、第四整流二極體的陰極和第三繞組的異名端相連接，第一整流二極體和第三整流二極體的陰極連接構成整流電路的正輸出端，第二整流二極體和第四整流二極體的陽極連接構成整流電路的負輸出端，極性反轉逆變橋包括四個開關管，濾波電感的一端接整流電路的正輸出端，濾波電感的另一端、濾波電容的輸入端、第一開關管的集電極和第三開關管的集電極相連接，濾波電容的輸出端、整流電路的負輸出端、第二開關管的發射極和第四開關管的發射極相連接，第一開關管的發射極、第二開關管的集電極和負載的一端相連構成正輸出端，第三開關管的發射極、第四開關管的集電極和負載的另一端相連構成負輸出端；還包括由四個輔助二極體、兩個輔助開關管、輔助電感和輔助電容組成的有源輔助電路，直流電源的正極、輔助電感的一端、第一輔助二極體的陰極和第二輔助開關管的發射極相連接，輔助電感的另一端、第一輔助開關管的集電極和第四輔助二極體的陽極相連接，第四輔助二極體的陰極、輔助電容的輸入端和第二輔助開關管的集電極相連接，輔助電容的輸出端、第一輔助二極體的陽極和第二輔助二極體的陰極相連接，第二輔助二極體的陽極、第三輔助二極體的陽極和第一主開關管的發射極相連接，第三輔助二極體的陰極、第一輔助開關管的發射極和直流電源的負極相連接。

本發明與原有技術相比的主要技術特點是，通過控制輔助電路將交流輸出負載端帶來的功率紋波轉移到輔助電容上，達到抑制輸入側兩倍頻功率紋波的目的，並且逆變器中的電容均可採用容值較小的電容。

附圖說明

附圖1是傳統單相推挽逆變器電路結構示意圖。

附圖2是本發明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器電路結構示意圖。

附圖3是本發明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器主要工作波形示意圖。

附圖4是本發明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器輸入輸出功率關係示意圖。

附圖5～圖12是本發明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器的各開關模態示意圖。

上述附圖中的主要符號名稱：Vin、電源電壓。Sm1、Sm2、Sx1、Sx2、S1～S4、功率開關管。Dx1～Dx4、輔助二極體。Cin、輸入電容。Cx、輔助電容。Lx、輔助電感。Tr、隔離變壓器。N1、N2、N3、隔離變壓器繞組。D1～D4、整流二極體。Lf、濾波電感。Cf、濾波電容。RL、負載。

具體實施方式

下面結合附圖對發明的技術方案進行詳細說明：

附圖2所示的是一種抑制功率紋波的隔離型逆變器電路結構示意圖。由直流電源、輸入電容1、主開關管2、隔離變壓器3、整流電路4、濾波電路5、極性反轉逆變橋6、負載7及輔助電路8組成。Sm1、Sm2、Sx1、Sx2是四隻功率開關管，Lx是輔助電感，Cx是輔助電容，Dx1～Dx4是輔助二極體，Tr是隔離變壓器，D1～D4是整流二極體，Lf是濾波電感，Cf是濾波電容，S1～S4是逆變開關管，RL為負載。

結合附圖3～附圖12敘述本發明的具體工作原理。由附圖3可知整個逆變器工作在兩種模式下，模式1下一個開關周期有4種開關模態，分別是[tI0-tI1]、[tI1-tI2]、[tI2-tI3]、[tI3-tI4]，模式2下一個開關周期有6種開關模態，分別是[tII0-tII1]、[tII1-tII2]、[tII2-tII3]、[tII3-tII4]、[tII4-tII5]、[tII5-tII6]。下面對各開關模態的工作情況進行具體分析。

在分析之前，先作如下假設：①所有開關管和二極體均為理想器件；②忽略隔離變壓器的漏感。

模式1中，直流電源端提供的輸入功率大於輸出功率，此時輸出功率則由直流電源端直接提供，而多餘的輸入功率則通過輔助電路最終儲存在輔助電容上，見附圖4所示，區域A和區域B分別表示模式1中輸出所需的功率和多餘的功率。模式2中，直流電源端提供的輸入功率小於輸出功率，此時直流電源端輸入功率經推挽電路傳遞給副邊，其中不足的部分則由在模式1中已儲能的輔助電容提供，區域C和區域D分別表示模式2中直流輸入功率和輔助電容釋放的功率。通過控制輔助電路將負載側產生的功率紋波轉移到輔助電容上，使得直流電源端基本上只提供直流功率，達到抑制直流輸入側功率紋波的目的。

下面對模式1下各開關模態的工作情況進行具體分析。

1.開關模態1[tI0-tI1][對應於附圖5]

主開關管Sm1開通，直流電源端輸入功率的一部分A傳遞到變壓器副邊，同時輔助開關管Sx1具有控制信號，將另一部分功率B儲存到輔助電容Cx，其中Sx1的控制是獨立於逆變器的，因此附圖3中沒有給出Sx1的驅動信號。

2.開關模態2[tI1-tI2][對應於附圖6、附圖7]

tI1時刻關斷Sm1，輔助電路仍繼續工作，將多餘的功率B繼續轉移到輔助電容Cx上，如附圖6所示；當多餘的功率B全部轉移到輔助電容Cx上時，輔助電路停止工作，如附圖7所示。附圖6和附圖7兩者相同的是隔離變壓器副邊濾波電感電流均通過整流二極體續流。

3.開關模態3[tI2-tI3][對應於附圖8]

由於在推挽電路中，隔離變壓器原邊兩個繞組對應的主開關管在一個開關周期內是交替工作的，所以此階段，Sm2開通，直流電源端輸入功率的一部分A仍傳遞到變壓器副邊，另一部分功率B則流向輔助電路。

4.開關模態4[tI3-tI4][對應於附圖6、附圖7]

此模態與模式1下開關模態2一樣。

下面對模式2下各開關模態的工作情況進行具體分析。在該模式下，輔助電路中Sx1未開通。

1.開關模態1[tII0-tII1][對應於附圖9]

主開關管Sm1開通，直流電源端輸入功率C全部傳遞到變壓器副邊。

2.開關模態2[tII1-tII2][對應於附圖10]

tII1時刻開通輔助開關管Sx2，由於輔助電容電壓vx大於直流電源電壓，輔助二極體Dx1和Dx3均承受反壓而截止，此時輔助電容Cx向變壓器副邊傳遞輸出功率大於輸入功率的部分D，即直流電源端輸入功率不足以提供輸出所需的全部功率，不足的部分由在模式1下已充電的輔助電容提供。

3.開關模態3[tII2-tII3][對應於附圖7]

tII2時刻同時關斷主開關管Sm1和輔助開關管Sx2。此模態與模式1下開關模態2一樣，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極體續流。

4.開關模態4[tII3-tII4][對應於附圖11]

此階段，Sm2開通，同模式2下開關模態1一樣，直流電源端輸入功率C全部傳遞到 變壓器副邊。

5.開關模態4[tII4-tII5][對應於附圖12]

輔助開關管Sx2開通，輔助電容Cx補充輸入功率不足以提供給輸出功率的部分D。6.開關模態4[tII5-tII6][對應於附圖7]

tII5時刻同時關斷Sm2和輔助開關管Sx2，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極體續流。

從以上的描述可以得知，本發明提出的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器具有以下幾方面的優點：

1)由於增加了有源輔助電路，使輸出帶來的兩倍頻脈動功率從輔助電路中通過，從而達到抑制直流電源輸入側功率紋波的效果。

2)該逆變器中的電容均可採用容值和體積較小的薄膜電容，大大的延長了逆變器的使用壽命。

3)系統的開關頻率高，並且隔離變壓器雙向磁化，提高了系統的功率密度。

4)極性反轉逆變橋開關管的電壓應力低且為零電壓零電流開關，提高了逆變器的效率。