CN100488019C - 双滤波电感全桥逆变器主电路 - Google Patents
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Abstract
一种双滤波电感全桥逆变器主电路属电力电子变换电路拓扑。其主电路由两个降压式电路组成，一个降压式电路由功率开关管(S2)、低频功率开关管(S1)、二极管(D1)、滤波电感(L2)、滤波电容(Cf)及续流二极管(D5)组成；另一个降压式电路，由高频功率开关管(S4)、低频功率开关管(S3)、二极管(D3)、滤波电感(L1)、滤波电容(Cf)及续流二极管(D6)组成。该逆变电路正常工作时，电感不需要任何偏置工作电流，减小了电感损耗；两个功率开关管(S2、S4)半个输出周期高频开关，两个功率开关管(S1、S3)以输出电压频率低频开关，减少了开关损耗，提高了变换效率；解决了桥式逆变器桥臂的功率管直通问题，提高了可靠性。
Description
技术领域
本发明的双滤波电感全桥逆变器主电路，属基本电子电路。
背景技术
随着对逆变器性能要求的不断提高，如何提高变换器的可靠性，怎样提高变换器的功率密度和效率，已经成为当前研究的关键问题。双降压式半桥逆变器，由于不存在传统桥式逆变器的桥臂功率管直通问题，提高了系统的可靠性，尤其适用于航空航天、UPS等对可靠性要求高的场合。但其存在输入直流电压利用率低的缺点，即桥臂输出最高电压只有输入直流电压的一半。对于高压输出的场合，则要求更高的输入直流电压，增加了开关管的电压应力。例如：当输出电压为220VAC时，输入直流电压要760V左右，则选取的开关管的电压定额将大于760V，因此对于开关管的选取就非常的困难。而对于全桥逆变器来说，其输入直流电压利用率高，当输出电压为220VAC时，输入直流电压只要380V左右，开关管选取容易。但是全桥结构存在桥臂开关管直通问题，降低了系统的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于针对双降压式半桥逆变器和全桥逆变器的缺陷，从提高系统的可靠性和效率的角度出发，研制一种无偏置电流，输入直流母线电压利用率高，不存在传统桥式逆变器桥臂功率管的直通问题，高效率和高可靠运行的双滤波电感全桥逆变器(Dual FilterInductor Full Bridge Inverter——DFIFBI)。双滤波电感全桥逆变器主电路一种双滤波电感全桥逆变器主电路，其特征在于，包括两个降压式电路：第一降压式电路的组成是，由电源正极连于第一低频功率开关管集电极，第一低频功率开关管发射极连于第一二极管阳极，第一二极管阴极连于滤波电容正极，滤波电容负极连于第二滤波电感输入端，第二滤波电感输出端连于第一高频功率开关管集电极，第一高频功率开关管发射极连于电源负极构成一路串联回路以及在第二滤波电感输出端与第一低频功率开关管集电极之间连接第一续流二极管，第一高频功率开关管集电极与发射极之间反向并联第二二极管；第二降压式电路的组成是，由电源正极连于第二低频功率开关管集电极，第二低频功率开关管发射极连于第三二极管阳极，第三二极管阴极连于滤波电容负极，滤波电容正极连于第一滤波电感输入端，第一滤波电感输出端连于第二高频功率开关管集电极，第二高频功率开关管发射极连于电源负极构成另一路串联回路以及在第一滤波电感输出端与第二低频功率开关管集电极之间连接第二续流二极管，第二高频功率开关管集电极与发射极之间反向并联第四二极管，所述的滤波电容并联在负载两端接“地”。
与现有技术相比，本发明的主要技术特点是：没有传统逆变器桥臂的功率管直通问题，大大提高了系统的可靠性，二极管可以得到优化设计，各开关管不需要设死区时间；提高了输入直流母线电压的利用率；两个低频功率开关管以输出频率低频开关，其各自的电压应力为输入母线电压，其它两个高频功率开关管在半个输出周期内高频开关，其各自电压应力为输入母线电压，其它两个高频功率开关管在半个输出周期内高频开关，其各自电压应力为输出电压，减少了开关损耗，提高了变换效率。
本发明的双滤波电感全桥逆变器可采用SPWM正弦脉宽调制控制，滞环控制等控制策略。
附图说明
图1是双滤波电感全桥逆变器主电路原理图。
图中符号名称：Vin——电源电压，S1～S4——功率开关管，D4、D2——功率开关管的反并联二极管，D1、D3——二极管，D5、D6——续流二极管，L1，L2——滤波电感，Cf——滤波电容，RL——负载。vo——输出电压。
图2是双滤波电感全桥逆变器的主要波形示意图。
图中符号名称：S1～S4——功率开关管各自的驱动信号，iL1，iL2——电感L1和L2的电流，io——滤波电容电流与负载电流之和，vo——输出电压。
图3～9是各开关模态的等效电路结构示意图。
具体实施方式
根据附图叙述本发明的具体实施方式。由图1可知，本发明的双滤波电感全桥逆变器(DFIFBI)主电路由两个降压式电路组成。当输出电压和滤波电容电流与负载电流之和同相，且滤波电容电流与负载电流之和为正时(参考方向如图1所示)，由电源Vin，低频功率开关管S1，二极管D1，滤波电容Cf和负载RL，滤波电感L2，高频功率开关管S2，以及续流二极管D5组成一个降压式BUCK电路调制滤波输出；当滤波电容电流与负载电流之和为负时，由电源Vin，低频功率开关管S3，二极管D3，滤波电容Cf和负载RL，滤波电感L1，高频功率开关管S4，以及续流二极管D6组成另一个降压式BUCK电路调制滤波输出。当输出电压和滤波电容电流与负载电流之和不同相，且滤波电容电流与负载电流之和为正时，由电源Vin，低频功率开关管S4，滤波电感L1，滤波电容Cf和负载RL，滤波电感L2，高频功率开关管S2，以及续流二极管D5组成一个降压式BUCK电路调制滤波输出；当滤波电容电流与负载电流之和为负时，由电源Vin，高频功率开关管S2，滤波电感L2，滤波电容Cf和负载RL，滤波电感L1，高频功率开关管S4，以及续流二极管D6组成另一个降压式BUCK电路调制滤波输出。
控制方法如下：定义输出滤波电容电流与负载电流之和为iL，电压电流参考方向如图1所示。检测输出电压和电流iL的极性，当输出电压和电流iL为正时，功率开关管S1和二极管D1导通，功率开关管S2为斩波管(对应于图3和图4)；当输出电压和电流iL为负时，功率开关管S3和二极管D3导通，功率开关管S4为斩波管(对应于图5和图6)；当输出电压为正，电流iL为负时，二极管D2导通，功率开关管S4为斩波管(对应于图8和图9)；当输出电压为负，电流iL为正时，二极管D4导通，功率开关管S2为斩波管(对应于图7和图8)。图2是双滤波电感全桥逆变器的主要波形示意图。
从上面的控制方法可知，当输出电压和电流iL在整个输出电压周期内都同相时，二极管D1、D3可以去掉，这两个二极管的作用主要是用于电流iL和输出电压不同相时，防止功率开关管两端承受负压而损坏。在任何情况下只有一个功率开关管高频开关，且电流iL和输出电压不同相时，如果功率开关管S2，S4为电流可双向流通的开关管，可以等其体二极管D2、D4导通之后，再开通功率开关管，就可以实现零电压开通，提高变换效率。
结合图3～9叙述本发明的具体工作原理，下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件。
1.开关模态1[对应于图3]
功率开关管S1、S2导通，由电源电压Vin正端通过功率开关管S1，二极管D1，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L2，功率开关管S2回到电源电压负端，电感电流iL2上升。
2.开关模态2[对应于图4]
功率开关管S1、续流二极管D5导通，由功率开关管S1，二极管D1，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L2，续流二极管D5构成续流回路，电感电流iL2下降。
3.开关模态3[对应于图5]
功率开关管S3、S4导通，由电源电压正端通过功率开关管S3，二极管D3，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L1，功率开关管S4回到电源电压负端，电感电流iL1上升。
4.开关模态4[对应于图6]
功率开关管S3、续流二极管D3导通，由功率开关管S3，二极管D3，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L1，续流二极管D6构成续流回路，电感电流iL1下降。
上述四个模态为输出电压和电流iL同相的情况，滤波电感半周期工作。
5.开关模态5[对应于图7]
功率开关管S4、续流二极管D5导通，由电源电压负端通过功率开关管S4，滤波电感L1，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L2，续流二极管D5回到电源电压正端，电感电流iL1上升，电感电流iL2下降。
6.开关模态6[对应于图8]
功率开关管S4、S2导通，由功率开关管S4，滤波电感L1，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L2，功率开关管S2构成续流回路，电感电流iL1下降，电感电流iL2上升，该模态对应输出电压为负，滤波电感电流iL2为正的情况。
7.开关模态7[对应于图9]
功率开关管S2、续流二极管D6导通，由电源电压负端通过功率开关管S2，滤波电感L2，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L1，续流二极管D6回到电源电压正端，电感电流iL1下降，电感电流iL2上升。
8.开关模态8[对应于图8]
功率开关管S4、S2导通，由功率开关管S4，滤波电感L1，负载RL和滤波电容Cf，滤波电感L2，功率开关管S2构成续流回路，电感电流iL1上升，电感电流iL2下降，该模态对应输出电压为正，滤波电感电流iL2为负的情况。
从上述最后四个模态可知，这几个模态为电路工作在存在输出电压和电流iL不同相的情况下才会产生。即该发明的逆变器可以带任何负载，且同样是一个功率开关管高频开关，另一个功率开关管以输出电压频率低频开关。另外，其电感感值为输出电压和电流iL同相时的一倍，即两个电感串联工作，从而可以减小电流脉动，提高输出波形的质量。
由以上描述可知，本发明提出的双滤波电感全桥逆变器具有如下优点：
①不存在桥式逆变器桥臂功率管的直通问题，开关管不需要设死区时间，系统可靠性高，消除了死区引起的非线性及波形畸变问题；
②输入直流母线电压利用率高；
③功率开关管和续流二极管可以分别得到最优设计，开关损耗低，可实现较高的开关频率；
④在任何半个周期内，一个功率开关管以输出电压频率低频开关，另外一个功率开关管高频开关，从而提高了效率；
⑤在感性和容性负载的情况下，两个电感在输出电压和电流iL不同相时串联工作，减小了输出电流脉动，提高了输出波形的质量；
⑥当输出电压和电流iL在整个输出电压频率周期内都同相时，可以将两个二极管D1、D3去掉，从而进一步提高变换效率。
Claims (1)
1、一种双滤波电感全桥逆变器主电路，其特征在于，包括两个降压式电路：第一降压式电路的组成是，由电源(Vin)正极连于第一低频功率开关管(S1)集电极，第一低频功率开关管(S1)发射极连于第一二极管(D1)阳极，第一二极管(D1)阴极连于滤波电容(Cf)正极，滤波电容(Cf)负极连于第二滤波电感(L2)输入端，第二滤波电感(L2)输出端连于第一高频功率开关管(S2)集电极，第一高频功率开关管(S2)发射极连于电源(Vin)负极构成一路串联回路以及在第二滤波电感(L2)输出端与第一低频功率开关管(S1)集电极之间连接第一续流二极管(D5)，第一高频功率开关管(S2)集电极与发射极之间反向并联第二二极管(D2)；第二降压式电路的组成是，由电源(Vin)正极连于第二低频功率开关管(S3)集电极，第二低频功率开关管(S3)发射极连于第三二极管(D3)阳极，第三二极管(D3)阴极连于滤波电容(Cf)负极，滤波电容(Cf)正极连于第一滤波电感(L1)输入端，第一滤波电感(L1)输出端连于第二高频功率开关管(S4)集电极，第二高频功率开关管(S4)发射极连于电源(Vin)负极构成另一路串联回路以及在第一滤波电感(L1)输出端与第二低频功率开关管(S3)集电极之间连接第二续流二极管(D6)，第二高频功率开关管(S4)集电极与发射极之间反向并联第四二极管(D4)，所述的滤波电容(Cf)并联在负载(RL)两端接“地”。
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