CN100433527C - 双升降式逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双升降式逆变器，包括电容分压电路、第一升降压电路和第二升降压电路，其中，电容分压电路由两个相串联的第一电容和第二电容构成；第一升降压电路包括第一功率开关管、第三功率开关管和第一电感；第二升降压电路包括第二功率开关管、第四功率开关管和第二电感；负载接于第一功率二极管的阳极与第二功率二极管的阴极之间。具有如下优点：在输入侧母线电压低于输出电压时，双升降压式单极逆变器仍能正常完成逆变功能；整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；整个电路无桥臂直通问题，可靠性高；续流电流不通过开关管的体二极管，使得功率开关管和功率二极管可以分别优化设计。

Description

双升降式逆变器
一、技术领域
本发明涉及一种电能变换装置中的逆变器，尤其涉及一种既可以降压逆变又可以升压逆变的逆变器。
二、背景技术
传统逆变器拓扑几乎都可以归结为buck型降压式变换器结构，为保证逆变器正常工作，要求直流侧母线电压必须大于输出电压峰值，以市电系统为例，输出为220VAC，则直流侧母线电压至少要达到315VDC，而这在大多数应用场合都是无法满足的，因而必须在逆变器前增加一级DC/DC直直变换器，将输入电压升压到要求的直流侧母线电压。相对单级结构，DC/DC直直变换器+DC/AC逆变器的两级式结构增加了系统复杂性、加大了开销、增大了整机体积重量、降低了整体的功率变换效率。因而需要得到一种能够实现升压逆变并且性能优异的单级逆变器。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种既可以降压逆变又可以升压逆变的单级逆变器。
2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的双升降式逆变器，包括电容分压电路、第一升降压电路和第二升降压电路，其中，电容分压电路由两个相串联的第一电容和第二电容构成，第一电容和第二电容的串联连接点接地，第一电容另一端接外接电源的正极，第二电容另一端接外接电源的负极；第一升降压电路中，第一功率开关管的阳极接外接电源的正极，第一功率开关管的阴极与第三功率开关管的阴极连接，第三功率开关管的阳极与第一功率二极管的阴极连接，第一电感的一端接于第一功率开关管的阴极与第三功率开关管的阴极之间，另一端接地；第二升降压电路中，第二功率开关管的阴极接外接电源的负极，第二功率开关管的阳极与第四功率开关管的阳极连接，第四功率开关管的阴极与第二功率二极管的阳极连接，第二电感的一端接于第二功率开关管的阳极与第四功率开关管的阳极之间，另一端接地；负载接于第一功率二极管的阳极与第二功率二极管的阴极之间。
第一电感和第二电感耦合在同一副磁心上，并且第一电感和第二电感的同名端相连接。
本发明采用的双升降式逆变器包含两个升降压式桥臂电路单元，其输入侧接分压电容电路，其输出侧接输出滤波电容和负载电路。该双升降式逆变器电路中任意两个开关管都不是直接串连后连接到电源两端，没有桥式电路桥臂直通的危险；续流电流从功率二极管通过，无开关器件体二极管反向恢复问题。该逆变器增加了两只半周期常开(闭)的开关管(S3、S4)，用于对续流二极管(D1、D2)支路的电流进行控制，阻断续流二极管可能的误导通，虽然增加了器件，但可选用耐压定额为原先一半的器件，意味着器件导通电阻和寄生电容的降低，整体的通态损耗不一定增加，由于器件开关频率可以降低，使得器件开关损耗可以减小，再加上滤波器件损耗的降低，逆变器效率不会降低，且实现了整机体积重量的减小和更优的输出特性，整个电路结构并不复杂。控制方案也较简单：采用滞环电流PWM控制，保证逆变器电路在正常工作时不需任何偏置电流，同时克服电感电流断续造成的电压失真。滞环电流控制方案还具有内在限流、动态性能快、实现简单等一系列优点。由于桥臂输出由双极性变为单极性，还使得二极管(D1、D2)续流工作的阶段，加在电感(L1、L2)上的压降大小减小，电感电流改变率变小，滞环调制得到的开关频率降低，要维持开关频率可以减小滤波电感的感值，这也有助于减小电感。另外该逆变器的两个电感(L1、L2)可直接集成在同一副磁心上，进一步减小滤波器体积。
3、有益效果：本发明是一种即可以降压逆变又可以升压逆变的双升降压式单极逆变器，具有如下优点：
(1)在输入侧母线电压低于输出电压时，双升降压式单极逆变器仍能正常完成逆变功能；
(2)整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；
(3)整个电路无桥臂直通问题，可靠性高；
(4)续流电流不通过开关管的体二极管，使得功率开关管和功率二极管可以分别优化设计。
四、附图说明
图1是本发明的双升降式逆变器电路结构示意图；图1中的标号名称：1.电容分压电路；2.升降压电路1；3.输出滤波电路及负载；4.升降压电路2。
图2是本发明的双升降式逆变器各开关模态示意图；
图3是本发明的双升降式逆变器的主要波形示意图；
图4是本发明的双升降式逆变器采用的控制框图。
上述附图中的主要符号名称：C1～C2——输入侧分压大电容。Cf——输出滤波电容。D1～D2——功率二极管。drv1～drv4——功率开关管S1～S4的驱动波形。ir——电压环输出即电流基准。il1——滤波电感L1电流波形。il2——滤波电感L2电流波形。L1～L2——输出滤波电感。R——负载阻抗。S1～S4——功率开关管。2Ud——逆变器输入电压即直流侧母线电压。Uo——逆变器输出电压。
五、具体实施方式
如图1所示，本实施方案的双升降式逆变器，包括电容分压电路1、第一升降压电路2和第二升降压电路4，其中，电容分压电路1由两个相串联的第一电容C1和第二电容C2构成，第一电容C1和第二电容C2的串联连接点接地，第一电容C1另一端接外接电源的正极，第二电容C2另一端接外接电源的负极；第一升降压电路2中，第一功率开关管S1的阳极接外接电源的正极，第一功率开关管S1的阴极与第三功率开关管S3的阴极连接，第三功率开关管S3的阳极与第一功率二极管D1的阴极连接，第一电感L1的一端接于第一功率开关管S1的阴极与第三功率开关管S3的阴极之间，另一端接地；第二升降压电路4中，第二功率开关管S2的阴极接外接电源的负极，第二功率开关管S2的阳极与第四功率开关管S4的阳极连接，第四功率开关管S4的阴极与第二功率二极管D2的阳极连接，第二电感L2的一端接于第二功率开关管S2的阳极与第四功率开关管S4的阳极之间，另一端接地；负载电路3接于第一功率二极管D1的阳极与第二功率二极管D2的阴极之间。
第一电感L1和第二电感L2耦合在同一副磁心上，并且第一电感L1和第二电感L2的同名端相连接。
本双升降式逆变器在输出电流小于零的负半周，第一降压式电路2工作，第二降压式电路4不工作，功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭。此时电路包括两个工作模态：
1.工作模态I
如附图2(a)所示，功率开关管S1开通，电感L1的电流iL1线性上升，第一续流支路(S3和D1)无电流通过，续流二极管D1截止。
2.工作模态II
如附图2(b)所示，功率开关管S1关断，iL1从第一续流支路(S3和D1)续流，线性下降。
在输出电流大于零的正半周，第二降压式电路4工作，第一降压式电路2不工作，功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开。此时电路包括两个工作模态：
3.工作模态III
如附图2(c)所示，功率开关管S2开通，电感L2的电流iL2线性上升，第二续流支路(S4和D2)无电流通过，续流二极管D2截止。
4.工作模态IV
如附图2(d)所示，功率开关管S2关断，iL2从第二续流支路(S4和D2)续流，线性下降。
以上四个工作模态可用表1来表示，电路关键波形如图3所示，在输出电流过零处即两个升降压电路2、4工作切换的位置，会有少量两个降压电路2、4交替调理工作的区段，以维持输出电压波形。
表1双升降式逆变器的功率管开关组合状态
iL1 iL2 S1 S2 D1 D2 S3 S4   对应附图2
  ＞0   ＝0   1   0   0   0   1   0   (a)
  ＞0   ＝0   0   0   1   0   1   0   (b)
  ＝0   ＞0   0   1   0   0   0   1   (c)
  ＝0   ＞0   0   0   0   1   0   1   (d)
为实现以上工作原理，采用控制方案如附图4所示：输出电压与电压基准经电压环运算得到电流基准ir。电感L1电流iL1与ir经滞环比较器和驱动电路得到开关管S1的驱动信号drv1。drv1为一个在电流基准ir的正半周调制的PWM信号。电感L2电流iL2与ir经滞环比较器和驱动电路得到开关管S2的驱动信号drv2。drv2为一个在电流基准ir的负半周调制的PWM信号。电流基准ir经过过零比较器和驱动电路得到开关管S3和S4的驱动信号drv3和drv4。drv3和drv4基本为相位交错180°的方波信号，只在电流基准ir过零切换的位置有少量跳变。drv1和drv4的电平一直满足互补的关系，只能一个为高另一个为低。控制的效果使得在电流基准大于零的正半周，开关管S3常开，开关管S1调制工作，开关管S2和S4不工作；在电流基准小于零的负半周，开关管S4常开，开关管S2调制工作，开关管S1和S3不工作。

Claims (2)

1、一种双升降式逆变器，其特征在于，包括电容分压电路(1)、第一升降压电路(2)和第二升降压电路(4)，其中，电容分压电路(1)由两个相串联的第一电容(C1)和第二电容(C2)构成，第一电容(C1)和第二电容(C2)的串联连接点接地，第一电容(C1)另一端接外接电源的正极，第二电容(C2)另一端接外接电源的负极；第一升降压电路(2)中，第一功率开关管(S1)的阳极接外接电源的正极，第一功率开关管(S1)的阴极与第三功率开关管(S3)的阴极连接，第三功率开关管(S3)的阳极与第一功率二极管(D1)的阴极连接，第一电感(L1)的一端接于第一功率开关管(S1)的阴极与第三功率开关管(S3)的阴极之间，另一端接地；第二升降压电路(4)中，第二功率开关管(S2)的阴极接外接电源的负极，第二功率开关管(S2)的阳极与第四功率开关管(S4)的阳极连接，第四功率开关管(S4)的阴极与第二功率二极管(D2)的阳极连接，第二电感(L2)的一端接于第二功率开关管(S2)的阳极与第四功率开关管(S4)的阳极之间，另一端接地；负载接于第一功率二极管(D1)的阳极与第二功率二极管(D2)的阴极之间。
2、如权利要求1所述的双升降式逆变器，其特征在于，第一电感(L1)和第二电感(L2)耦合在同一副磁心上，并且第一电感(L1)和第二电感(L2)的同名端相连接。
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