CN101483397A - 二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器，包括第一三电平降压电路和第二三电平降压电路，并通过第三功率二极管箝位桥臂电压。本发明的优点是：保留了三电平变换器本身输出电压谐波含量小的优点，有助于减小滤波器，降低了PWM调制部分的开关频率和开关损耗，提高效率；功率器件电压应力低，使中小功率的开关器件可适用于高压、大功率的场合；继承了半桥型逆变器电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；结构和控制方案较为简单，易于实现；PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能好。

Description

二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器

一、技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器。

二、背景技术

双降压式逆变器(Dual Buck Inverter——以下简称DBI)是近年来出现的一种新型的逆变器拓扑。相对传统的桥式逆变器，DBI具有无桥臂直通的高可靠性和无开关管寄生二极管反向恢复问题的独特优点；工作于半周模式下的DBI无环流存在，为同时实现逆变器的高频化和高效率提供了一种简洁的途径，是一种具有一定研究价值和发展前景的拓扑结构。DBI和半桥逆变器有很多相似的地方，下文将两者通称为半桥型逆变器。半桥型逆变器需要外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电压应力大，直流电压利用率低；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器。以上两点也是半桥型逆变器的缺点。

近年来，多电平技术得到人们更多的关注和研究。由于器件制造技术的限制，功率半导体器件的耐压是有一定限度的。在高压变换器中，可将功率管串联使用，但由于器件参数的不一致和开关瞬态的不同步，很难实现稳态和瞬态过程的均压，导致个别功率管的过压，降低了电路的可靠性。多电平技术是解决功率管串联问题的一个好办法，它能保证功率管承受的电压应力在稳态和瞬态过程中箝位于母线电容的电压。引入多电平技术的三电平双降压式半桥逆变器同时可使桥臂输出变为单极性。

三、发明内容

1、技术问题：本发明要解决的技术问题是在保留DBI高可靠性和高效率特点的同时，解决其器件电压应力高，桥臂输出谐波含量大的缺点。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器包括第一三电平降压电路1、第二三电平降压电路2、第三功率二极管D₃。其中第一三电平降压电路1包括第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃、第一功率二极管D₁；第二三电平降压电路2包括第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄、第二功率二极管D₂。本发明二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一三电平降压电路1中，第一功率开关管S₁的漏极与第一外界电源U₁的正端连接，第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极连接，第三功率开关管S₃的漏极与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极接地，第一电感L₁的一端接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极之间；第二三电平降压式电路2中，第二功率开关管S₂的源极与第二外界电源U₂的负端连接，第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极连接，第二功率二极管D₂的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极接地，第二电感L₂的一端接入第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极之间；第一电感L₁的另一端与第二电感L₂的另一端相连接入由滤波电容C_f和负载R并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电容C_f和负载R的另一端同时接地。第三功率二极管D₃的阳极接入第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极之间，第三功率二极管D₃的阴极接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极之间；第一外界电源U₁的负端与第二外界电源U₂的正端相连并且在连接点接地。

本发明采用的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器包含两个三电平降压电路，其输入侧接电源电路单元，其输出侧接输出滤波电容和负载电路。该电路保留了双降压式半桥逆变器的特点：电路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。二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的桥臂输出电压为三电平PWM调制波，相对双降压式半桥逆变器的两电平桥臂输出，谐波含量大为降低，所需滤波器大为减小；虽然增加了器件，但由于器件电压应力的降低，可选用耐压定额更小的器件，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，并且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，但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。由于第三功率二极管的存在，将桥臂电压始终箝位在第一外界电源电压U₁和第二外界电源电压U₂之间，防止第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄出现电压尖峰，有效的保护了功率开关器件。

3、有益效果：本发明具有如下优点：(1)保留了三电平变换器本身输出电压谐波含量小的优点，有助于减小滤波器，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高效率；(2)同半桥型逆变器相比，功率器件电压应力降低，使得中小功率的开关器件可适用于高压、大功率的场合；(3)继承了半桥型逆变器电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；(4)整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；(5)PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能好。

4、附图说明

图1是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑示意图；图1中的标号名称为：1.第一三电平降压电路1；2.第二三电平降压电路2；3.外界电源；4.第三功率二极管D₃；5.外界负载；

图2是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑各开关模态示意图；

图3是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑的主要波形示意图；

图4是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器采用的控制框图。

附图中的主要符号名称：S₁～S₄——功率开关管；D₁～D₃——功率二极管；L₁～L₂——滤波电感；C_f——输出滤波电容；R——负载阻抗；U₁～U₂——外界电源；u_o——逆变器输出电压。v₁～v₄——功率开关管S₁～S₄的驱动波形；i_L1——滤波电感L₁电流波形；i_L2——滤波电感L₂电流波形；

四、具体实施方式

如图1所示，本实施例的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一三电平降压电路1中，第一功率开关管S₁的漏极与第一外界电源U₁的正端连接，第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极连接，第三功率开关管S₃的漏极与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极接地，第一电感L₁的一端接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极之间；第二三电平降压式电路2中，第二功率开关管S₂的源极与第二外界电源U₂的负端连接，第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极连接，第二功率二极管D₂的阴极与第四功率开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极接地，第二电感L₂的一端接入第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极之间；第一电感L₁的另一端与第二电感L₂的另一端相连接入由滤波电容C_f和负载R并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电容C_f和负载R的另一端同时接地。第三功率二极管D₃的阳极接入第二功率开关管S₂的漏极与第二功率二极管D₂的阳极之间，第三功率二极管D₃的阴极接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的源极之间；第一外界电源U₁的负端与第二外界电源U₂的正端相连并且在连接点接地。

本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的工作原理是：在输出电流大于零的正半周，第三功率开关管S₃保持导通，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄截止，第一功率开关管S₁ PWM调制，此时逆变桥的输出电平为+U₁或0；在输出电流小于零的负半周，第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃截止，第四功率开关管S₄导通，第二功率开关管S₂ PWM调制，此时逆变桥的输出电平为-U₂或0。二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器滤波前输出包含了+1、0、-1三态电平，且部分器件电压应力降为输入电压。由于滞环电流控制具有内在限流、高精度和快速动态响应的优点，可保证第一三电平降压电路1、第二三电平降压电路2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，保证逆变器在较高效率和较高频率下运行。因而在本发明的三电平双降压式半桥逆变器采用滞环电流PWM控制方案。

下面以图1所示为主电路结构，结合图2来叙述本发明的三电平双降压式半桥逆变器拓扑的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图3：

1、在输出电流i_o大于零的正半周[t₀～t₁]：

第一三电平降压电路1工作，第二三电平降压电路2不工作：第一功率开关管S₁PWM调制，第三功率开关管S₃保持导通，第二功率开关管S₂和第四功率开关管S₄截止。此阶段电路在以下两个工作模态间切换：

工作模态I：如图2(a)所示，第一功率开关管S₁导通，第一电感L₁的电流i_L1线性上升，第三功率开关管S₃和第一功率二极管D₁支路无电流通过。逆变桥输出电平为u_A＝U₁。

工作模态II：如图2(b)所示，第一功率开关管S₁关断，电感电流i_L1从第三功率开关管S3、第一功率二极管D₁支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为u_A＝0。

2、输出电流i_o由正向负切换[t₁～t₂]：

第一三电平降压电路1和第二三电平降压电路2交替工作，包含工作模态I、II、III和工作模态IV、V、VI。

工作模态III：如图2(c)所示，第一功率开关管S₁在此前已关断，当第三功率开关管S₃也关断，由于电感电流i_L1对功率器件寄生结电容的抽流作用，桥臂电压u_A快速下降，当减小到u_A<-U₂，第二功率开关管S₂的寄生体二极管在感应电势u_B作用下导通，第一电感L₁的电流i_L1通过第三功率二极管D₃和第二功率开关管S₂的寄生体二极管续流，线性下降，桥臂输出电平为u_B＝-U₂。

3、在输出电流i_o小于零的负半周[t₂～t₃]：

第一三电平降压电路1不工作，第二三电平降压电路2工作：第二功率开关管S₂PWM调制，第四功率开关管S₄保持导通，第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃截止。此阶段电路在以下两个工作模态间切换：

工作模态IV：如图2(d)所示，第二功率开关管S₂)导通，第二电感L₂的电流i_L2线性上升，第四功率开关管S₄和第二功率二极管D₂支路无电流通过。逆变桥输出电平为u_B＝-U₂。

工作模态V：如图2(e)所示，第二功率开关管S₂关断，电感电流i_L2从第四功率开关管S₄、第二功率二极管D₂支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为u_B＝0。

4、输出电流i_o由负向正切换[t₃～t₄]：

第一三电平降压电路1和第二三电平降压电路2交替工作，包含工作模态IV、V、VI和工作模态I、II、III。

工作模态VI：如图2(f)所示，第二功率开关管S₂在此前已关断，当第四功率开关管S₄也关断，由于电感电流i_L2对功率器件寄生结电容的抽流作用，桥臂电压u_B快速上升，当增大到u_B>U₁，第一功率开关管S₁的寄生体二极管在感应电势u_A作用下导通，第二电感L₂的电流i_L2通过第三功率二极管D₃和第一功率开关管S₁的寄生体二极管续流，线性下降，桥臂输出电平为u_A＝U₁。

为实现以上工作原理，采用控制方案如附图4所示：图中，i_r为电压环输出即电流基准。第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的控制十分简单，采用开环控制，在电流基准大于零的正半周，使第三功率开关管S₃一直导通，第四功率开关管S₄一直截止，电流基准小于零的负半周，使第三功率开关管S₃一直截止，第四功率开关管S₄一直导通。第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄在整个工频周期均只开关一次，死区影响可忽略不计。第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂采用滞环电流PWM控制，是分别采样两电感L₁和L₂的电流，经两个滞环比较器后分别得到第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂管的驱动。

Claims (1)

1.一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器，包括第一三电平降压电路(1)、第二三电平降压电路(2)、第三功率二极管(D₃)。其中第一三电平降压电路(1)中包括第一功率开关管(S₁)、第三功率开关管(S₃)、第一功率二极管(D₁)；第二三电平降压电路(2)中包括第二功率开关管(S₂)、第四功率开关管(S₄)、第二功率二极管(D₂)。本发明二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一三电平降压电路(1)中，第一功率开关管(S₁)的漏极与第一外界电源(U₁)的正端连接，第一功率开关管(S₁)的源极与第三功率开关管(S₃)的源极连接，第三功率开关管(S₃)的漏极与第一功率二极管(D₁)的阴极连接，第一功率二极管(D₁)的阳极接地，第一电感(L₁)的一端接入第一功率开关管(S₁)的源极与第三功率开关管(S₃)的源极之间；第二三电平降压式电路(2)中，第二功率开关管(S₂)的源极与第二外界电源(U₂)的负端连接，第二功率开关管(S₂)的漏极与第二功率二极管(D₂)的阳极连接，第二功率二极管(D₂)的阴极与第四功率开关管(S₄)的漏极连接，第四功率开关管(S₄)的源极接地，第二电感(L₂)的一端接入第二功率开关管(S₂)的漏极与第二功率二极管(D₂)的阳极之间；第一电感(L₁)的另一端与第二电感(L₂)的另一端相连接入由滤波电容(C_f)和负载(R)并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电容(C_f)和负载(R)的另一端同时接地。第三功率二极管(D₃)的阳极接入第二功率开关管(S₂)的漏极与第二功率二极管(D₂)的阳极之间，第三功率二极管(D₃)的阴极接入第一功率开关管(S₁)的源极与第三功率开关管(S₃)的源极之间；第一外界电源(U₁)的负端与第二外界电源(U₂)的正端相连并且在连接点接地。

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