CN100477470C - 单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器 - Google Patents

Abstract

一种单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器属电力电子变换技术，其电路拓扑由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流升压直流变换器以差动电路构成，能够将直流电变换成所需要的正弦交流电，具有电路拓扑简洁、交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换、体积小、重量轻、变换效率高、输入电流纹波小、音频噪音低、负载短路时可靠性高、成本低、应用前景广泛等优点，为新型中、大功率逆变电源和静止变流器奠定了关键技术。

Description

单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器

技术领域

本发明所涉及的单级双向升压(Boost)直流变换器型高频环节逆变器，属电力电子变换技术。

背景技术

逆变器是应用功率半导体器件，将直流电变换成交流电的一种静止变流装置，供交流负载使用。输出交流负载与输入直流电源间有高频电气隔离的逆变器，称为高频环节逆变器。高频环节逆变器，由于用来实现输出与输入电气隔离和电压匹配功能的变压器的工作频率在20kHz以上，其体积、重量和音频噪音大大降低了，克服了低频环节逆变器的缺点，在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合，具有广泛的应用前景，特别是在对体积与重量有高要求的逆变场合有更重要的应用价值。

人们对高频环节逆变器的研究，仅仅局限于单向Buck型高频环节逆变器、单向Buck型高频脉冲直流环节逆变器、双向Buck型高频环节逆变器、双向Buck-Boost型高频环节逆变器、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器等电路结构。

S.R.Narayana Prakash等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”(IEEEPESC，1990，pp.723-728)，由高频电气隔离DC-DC变换器和Buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、两级功率变换(直流-直流-低频交流)、变换效率较高、采用传统PWM技术时功率器件的高频开关损耗大、成本高等特点。陈道炼博士等提出的“单向Buck型高频脉冲直流环节逆变器”(IEEE Trans.on PowerElectronics，2004，pp.971-978)，由高频电气隔离脉冲直流环节电路与Buck型逆变桥级联而成，前级输出的高频脉冲直流电压波为后级逆变桥实现ZVS创造了条件，具有单向功率流、两级功率变换(直流-高频脉冲直流-低频交流)、功率开关实现了ZVS、变换效率较高、逆变桥采用三态DPM电流滞环控制、输出滤波器音频噪音偏高、成本高等特点。I.Yamato等人提出的“双向Buck型高频环节逆变器”(IEEE PESC，1988，pp.658-663)，由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通期间均有两个或四个功率器件同时导通、总的导通损耗较大，具有双向功率流、准两级功率变换(直流-高频脉冲交流-低频交流)、变换效率较高、周波变换器换流时存在固有的电压过冲、工程实现难度大、成本高等特点。浙江大学黄敏超博士等提出的“双向Buck-Boost型高频环节逆变器”(IEEEPESC，1998，pp.1867-1871)，由高频电气隔离逆变器与Buck-Boost型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通期间均有两个功率器件同时导通、电流应力大、总的导通损耗大，具有双向功率流、准两级功率变换(直流-高频脉冲交流-低频交流)、变换效率较高、功率开关电流应力大、容量小、成本较高等特点。J.Jalade等人提出的“两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器”(IEEE PESC，1980，pp.326-331)，由高频电气隔Buck或Buck-Boost型DC-DC变换器和工频逆变桥级联而成，具有单向功率流、两级功率变换(直流-低频正弦半波直流-低频交流)、变换效率较高、逆变桥功率器件开关频率和电压应力低、负载适应能力弱、成本较高等特点。

上述单向Buck型、单向Buck型高频脉冲直流环节、双向Buck型、双向Buck-Boost型、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型等高频环节逆变器虽然具有较多优点，但它们均为两级或准两级变换器级联的电路结构，仍存在变换效率、功率密度和可靠性偏低、成本偏高等缺陷。因此，寻求一类能够进一步减少功率变换级数、提高变换效率、功率密度、可靠性和降低成本的单级电路结构的中、大功率高频环节逆变器已迫在眉睫。

发明内容

本发明目的是为实现具有交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换、体积小、重量轻、变换效率高、输入电流纹波小、音频噪音低、负载短路时可靠性高、成本低的新型中、大功率逆变电源和静止变流器提供关键技术。

本发明的技术方案如下：本发明的逆变器是由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流升压直流变换器以差动电路构成；每个高频电气隔离双向功率流升压直流变换器均由一个输入滤波电路、一个储能电感、两个共源极场效应管构成的逆变开关、一个高频变压器、一个整流开关以及一个输出滤波电路依序级联构成。

本发明是将传统的高频环节逆变器中两级或准两级变换器的级联电路结构，变为两个单级高频电气隔离双向直流变换器的差动电路结构，首次提出了单级双向Boost直流变换器型高频环节逆变器新概念和电路拓扑。该逆变器电路拓扑，由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流Boost直流变换器以差动电路构成。

本发明具有交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换(直流-低频正弦脉动直流)、体积小、重量轻、变换效率高、输入电流纹波小、音频噪音低、负载短路时可靠性高、成本低、应用前景广泛等优点。单级双向Boost直流变换器型高频环节逆变器，能够将直流电能变换成所需要的正弦交流电能，其综合性能比传统的单向Buck型、单向Buck型高频脉冲直流环节、双向Buck型、双向Buck-Boost型、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器优越。

附图说明

图1，单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器电路原理方框图。

图2，单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑实例图，图2(a)电路拓扑、图2(b)电路原理波形。

图3，单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器电压瞬时值控制原理图。

具体实施方式

单级双向Boost直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑，由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流Boost直流变换器以差动电路构成，如图1、2所示。电路拓扑实例图2中，图2(a)为电路拓扑，图2(b)为电路原理波形。由于每个高频电气隔离双向功率流Boost直流变换器输出的低频正弦脉动直流电压的瞬时值u_o1和u_o2均高于输入直流电压U_i与高频变压器匝比N₂/N₁的乘积(U_iN₂/N₁)，故称为单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器。每个高频电气隔离双向功率流Boost直流变换器均由输入滤波电路L_i-C_i、储能电感L₁(L₂)、逆变开关S₁₁和S₁₂(S₂₁和S₂₂)、高频变压器T₁(T₂)、整流开关S₁₃(S₂₃)以及输出滤波电路C₁(C₂)依序级联构成，D₁和D₂分别为高频变压器T₁、T₂的磁复位二极管，磁复位绕组N_11p和N_21p分别为高频变压器T₁、T₂原边绕组N₁₁和N₂₁的一部分，Z_L为输出交流负载。其中，逆变开关和整流开关分别由两个或一个两象限高频功率开关构成，能够承受单向电压应力和双向电流应力，输出滤波电路仅由体积、重量小的直流滤波电容组成。两个双向Boost直流变换器能够输出相位相差180°且叠加有相同直流分量的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，负载Z_L上可以获得高质量的低频正弦交流电压u_o，每个双向Boost直流变换器提供的正向能量必大于反向能量。

当电源向负载传递功率时，逆变器将输入直流电压U_i逆变成单极性三态的高频脉冲电流，经高频变压器T₁、T₂电气隔离、传输和电流匹配后，整流器和输出滤波电路将其变成优质的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，输入高频脉冲电流i_L1、i_L2在部分期间方向的相反性以及经输入滤波电路后可获得平滑的输入直流电流i_i；当负载向电源回馈能量时，整流器工作在逆变状态，而逆变器工作在整流状态。

电路拓扑实例图2适用于将直流电变换成所需要的正弦交流电，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的新型中、大功率逆变电源(如24VDC/220V50HzAC、48VDC/220V50HzAC)和静止变流器(如27VDC/115V400HzAC、270VDC/115V400HzAC)。

单级双向Boost直流变换器型高频环节逆变器采用电压瞬时值反馈控制原理，如图3所示。将逆变器输出的正弦交流电压u_o与基准正弦电压u_r进行比较，其误差电压经比例积分调节器后得到了误差电压放大信号u_e，该误差电压放大信号与三角形载波u_t进行交截，就可得到SPWM信号，将该SPWM信号及其反向信号经驱动电路后用来分别驱动高频电气隔离双向Boost直流变换器1(2)的正向、反向(反向、正向)功率流开关器件S₁₁、S₁₂和S₁₃(S₂₃、S₂₂和S₂₁)，则这两个变换器就能够输出相位相差180°、叠加有相同直流分量的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，负载Z_L上可以获得高质量的低频正弦交流电压u_o。因此，当输入电压或负载变化时，通过调节SPWM信号的占空比，便可实现单级双向Boost直流变换器型高频环节逆变器输出电压的稳定与调节。

Claims (1)

1、一种单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器，其特征在于：这种逆变器由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流升压直流变换器以差动电路构成；每个高频电气隔离双向功率流升压直流变换器均由一个输入滤波电路、一个储能电感、两个共源极场效应管构成的逆变开关、一个高频变压器、一个整流开关以及一个输出滤波电路依序级联构成。

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