CN101635528A - 一种正激式单级隔离逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种正激式单级隔离逆变器，属电力电子变换器。该逆变器结构包括原边电路、主功率变压器和副边电路，其中：原边电路包括直流电源和四个功率开关管，主功率变压器由原边绕组和副边绕组构成，副边电路由两个四象限高频功率开关、滤波电感和滤波电容构成。该逆变器双向功率流，单级功率变换，原副边高频电气隔离，变压器在半个市电周期双向磁化，复用开关管的体二极管作为磁复位二极管。本发明电路结构简单，功率密度高，变换效率高，可靠性高，适用于中、小功率场合，特别适合于太阳能以及燃料电池等新能源发电。

Description

一种正激式单级隔离逆变器

技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种正激式单级隔离逆变器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

能源的潜在危机和生态环境的恶化，使世界各国积极开发包括燃料电池发电在内的新能源及可再生能源。随着可再生能源的开发利用，适用于太阳能阵列的逆变器和燃料电池用逆变器得到了广泛地研究。由于太阳能电池和燃料电池每个单元的输出电压较低，所以在串联数量很少的情况下，并网逆变器的输入电压较低，但输出电压为市电220Vac，这样逆变器就需要具有直流电压的提升和逆变的功能。

通常逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和多级式逆变器。具有电气隔离功能的单级式逆变器的基本形式就是高频链逆变技术，国内外学者对其做了大量研究，取得了不少有价值的研究成果。1995年Walker Jim提出了一种单四象限反激逆变器，反激逆变器的变压器有四组绕组，一个原边绕组，一个回馈绕组和两个整流绕组，该逆变器由三只MOSFET和四只二极管组成，可以四象限工作，并具有电气隔离，输入输出变化范围宽的特点；文献“梁永春，孙林，龚春英，严仰光，反激逆变器研究，中国电机工程学报，2005，vol.25(24)：85-89”中研究了一种新颖的反激逆变器，其拓扑结构简单，由两路双向反激变换器组合得到，共有四只MOSFET及其体二极管组成四象限功率开关，该拓扑每个周期仅有一只功率管高频斩波，开关、导通损耗小，而且每一种开关模式都可以等效为反激变换器，简化了控制和驱动电路，可靠性高。但是，由于上述单级式逆变器其基本拓扑采用反激变换器，因此仅适合应用于小功率场合。中国发明专利“CN1761140”和“CN1758521”分别提出了单级双向升压直流变换器型高频环节逆变器、单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器的电路结构，这两种电路结构的基本思想是由两个相同的、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直流变换器以差动电路构成，包括单管正激式、推挽式、推挽正激式、双管正激式、半桥式、全桥式电路，因此在输出正弦波的任意半周，总有一个直流变换器处于闲置状态，器件的利用率没有达到最大化，变压器磁芯的利用率较低。

发明内容

本发明针对背景技术中高频链逆变技术存在的缺陷而提出一种电路结构简单、变换效率及可靠性高、适用于中小功率场合的正激式单级隔离逆变器。

本发明的正激式单级隔离逆变器，其结构包括：原边电路、主功率变压器和副边电路，其中：原边电路包括直流电源和第一至第四功率开关管，直流电源的正极分别连接第一功率开关管的漏极和第三功率开关管的漏极，直流电源的负极分别连接第二功率开关管的源极和第四功率开关管的源极；主功率变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的同名端分别连接第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极，原边绕组的非同名端分别连接第三功率开关管的源极和第四功率开关管的漏极；副边电路包括第一和第二四象限高频功率开关、滤波电感和滤波电容，第一四象限高频功率开关的一端连接副边绕组的同名端，第一四象限高频功率开关的另一端分别连接第二四象限高频功率开关的一端和滤波电感的一端，第二四象限高频功率开关的另一端分别连接副边绕组的非同名端、滤波电容的一端和输出负载的一端，滤波电感的另一端分别连接滤波电容的另一端和输出负载的另一端。

本发明具有如下有益效果：

(1)输入输出端高频电气隔离，输出与输入电压匹配能力强；

(2)原边开关管的电压应力为输入电压，因此适用于中高压输入场合；

(3)保留了双管正激变换器原边开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点；

(4)原边由两路双管正激变换器并联构成，并进一步简化，其原边不需要磁复位二极管，利用功率开关管的体二极管实现磁复位功能，实现了开关管的复用，简化了电路结构；

(5)双向功率流，单级功率变换，变压器原副边高频电气隔离，变压器在半个市电周期双向磁化，提高了变压器磁芯的利用率，减小了整体体积，并具有高功率密度，高效率及高可靠性，特别适合于太阳能以及燃料电池的并网发电。

附图说明

图1是本发明正激式单级隔离逆变器的电路原理图。

图2(a)～(d)分别是四种四象限高频功率开关的电路示意图。

图3是本发明采用图2(a)所示的四象限高频功率开关时的实施例电路原理图。

图4是图3所示的实施例电路在四种工作模式(D-A-B-C)下的主要波形图，图中：v_e-误差电压；v_st+-正向三角波电压；v_o-输出电压；i_o-输出电流；v_gs1为开关管S₁、S₄、S₅的驱动电压；v_gs2为开关管S₂、S₃、S₆的驱动电压；v_gs3-开关管S₇的驱动电压；v_gs4-开关管S₈的驱动电压；t为时间。

图5(a)是图3所示的实施例电路在工作模式A和D下的等效电路原理图，图5(b)是图3所示的实施例电路在工作模式B和C下的等效电路原理图。

图1、图3、图5中的标号名称：10-原边电路；20-副边电路；V_in-直流电源(输入电压)；S₁～S₄分别是第一至第四功率开关管；D₁～D₄分别是第一至第四功率开关管的体二极管；S_b1、S_b2分别是第一和第二四象限高频功率开关；S₅～S₈均是构成四象限高频功率开关的MOSFET开关管；D₅～D₈分别是S₅～S₈的体二极管；T-主功率变压器；N_p、N_S分别是主功率变压器T的原边绕组和副边绕组；L_f-滤波电感；C_f-滤波电容；v_o-输出电压；i_o-输出电流。

具体实施方式

如图1所示，本发明正激式单级隔离逆变器的结构包括：原边电路10、主功率变压器T和副边电路20，其中：原边电路10包括直流电源V_in和第一至第四功率开关管S₁、S₂、S₃、S₄，直流电源V_in的正极分别连接第一功率开关管S₁的漏极和第三功率开关管S₃的漏极，直流电源V_in的负极分别连接第二功率开关管S₂的源极和第四功率开关管S₄的源极；主功率变压器T包括原边绕组N_p和副边绕组N_s，原边绕组N_p的同名端分别连接第一功率开关管S₁的源极和第二功率开关管S₂的漏极，原边绕组N_p的非同名端分别连接第三功率开关管S₃的源极和第四功率开关管S₄的漏极；副边电路20包括第一和第二四象限高频功率开关S_b1、S_b2和滤波电感L_f及滤波电容C_f，第一四象限高频功率开关S_b1的一端连接副边绕组N_s的同名端，第一四象限高频功率开关S_b1的另一端分别连接第二四象限高频功率开关S_b2的一端和滤波电感L_f的一端，第二四象限高频功率开关S_b2的另一端分别连接副边绕组N_s的非同名端、滤波电容C_f的一端和输出负载的一端，滤波电感L_f的另一端分别连接滤波电容C_f的另一端和输出负载的另一端。

在具体实施过程中，根据原边电路的功率开关管及副边电路的四象限高频功率开关的实现方式不同而具有多种实施方式，其中：原边电路中功率开关管可以采用MOSFET或者带有体二极管的普通IGBT，图2(a)～(d)给出了副边电路中四象限高频功率开关的四种实现方式，其中：图2(a)是由两个MOSFET或者普通IGBT采用共集电极式结构构成的四象限高频功率开关；图2(b)是由两个MOSFET或者普通IGBT采用共射极式结构构成的四象限高频功率开关；图2(c)是由两个逆阻式IGBT采用反并联结构构成的四象限高频功率开关；图2(d)是由逆阻式IGBT与二极管桥式结构构成的四象限高频功率开关。

如图3所示是副边电路的四象限高频功率开关采用如图2(a)所示的两个MOSFET共集电极式结构、所有开关管均采用MOSFET的正激式单级隔离逆变器的实施例电路原理图。

下面以图3所示的电路为例来说明该正激式单级隔离逆变器的控制原理及工作过程：

该电路通过控制实现：当v_o＞0时，由开关管S₁、S₄、S₅、S₇和开关管S₂、S₃的体二极管D₂、D₃作为的磁复位二极管及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f组成的双向正激式变换器工作；当v_o＜0时，由开关管S₂、S₃、S₆、S₈和开关管S₁、S₄的体二极管D₁、D₄作为的磁复位二极管及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f组成的双向正激式变换器工作。

由于逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式分别对应四个象限的工作，每一种工作模式的拓扑结构都相当于一个双向正激式变换器，而且不同的负载条件下逆变器的工作模式顺序也不同。

图4是图3所示的实施例电路在四种工作模式(D-A-B-C)下的主要波形图。

下面结合图4和图5来说明图3所示的实施例电路在四种工作模式下的详细工作过程：

1、能量输出模式(A、C)

模式A(v_o＞0，i_o＞0)

在工作模式A，开关管S₁、S₄高频斩波工作，开关管S₅同步整流，S₇同步续流，开关管S₆、S₈长通，S₂、S₃关断；当主功率变压器T磁复位时，磁化电流流过开关管S₂和S₃的体二极管D₂和D₃。开关管S₁、S₄、S₅、S₇和开关管S₂、S₃的体二极管D₂、D₃及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f构成一个双向正激式变换器，直流电源V_in向负载传输能量，如图5(a)所示。

模式C(v_o＜0，i_o＜0)

在工作模式C，开关管S₂、S₃高频斩波工作，开关管S₆同步整流，S₈同步续流，开关管S₅、S₇长通，S₁、S₄关断；当主功率变压器磁T复位时，磁化电流流过开关管S₁和S₄的体二极管D₁和D₄。开关管S₂、S₃、S₆、S₈和开关管S₁、S₄的体二极管D₁、D₄及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f构成一个双向正激式变换器，直流电源V_in向负载传输能量，如图5(b)所示。

2、能量回馈模式(B、D)

模式B(v_o＜0，i_o＞0)

在工作模式B，开关管S₆、S₈高频斩波工作，开关管S₂、S₃同步整流，开关管S₅、S₇长通，S₁、S₄关断；当开关管S₆关断，S₈导通时，滤波电感L_f储能；当开关管S₆导通，S₈关断时，滤波电感L_f上的能量通过主功率变压器T从电网传递到直流电源。开关管S₂、S₃、S₆、S₈和开关管S₁、S₄的体二极管D₁、D₄及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f构成一个双向正激式变换器，负载向直流电源V_in传输能量，如图5(b)所示。

模式D(v_o＞0，i_o＜0)

在工作模式D，开关管S₅、S₇高频斩波工作，开关管S₁、S₄同步整流，开关管S₆、S₈长通，S₂、S₃关断；当开关管S₅关断，S₇导通时，滤波电感L_f储能；当开关管S₅导通，S₇关断时，滤波电感L_f上的能量通过主功率变压器T从电网传递到直流电源。开关管S₁、S₄、S₅、S₇和开关管S₂、S₃的体二极管D₂、D₃及主功率变压器T、滤波电感L_f、滤波电容C_f构成一个双向正激式变换器，负载向直流电源V_in传输能量，如图5(a)所示。

当逆变器带感性负载时，工作顺序为A-B-C-D；当逆变器带容性负载时，工作顺序为A-D-C-B。

Claims (1)

1、一种正激式单级隔离逆变器，其特征在于：包括原边电路(10)、主功率变压器(T)和副边电路(20)，其中：原边电路(10)包括直流电源(V_in)和第一至第四功率开关管(S₁、S₂、S₃、S₄)，直流电源(V_in)的正极分别连接第一功率开关管(S₁)的漏极和第三功率开关管(S₃)的漏极，直流电源(V_in)的负极分别连接第二功率开关管(S₂)的源极和第四功率开关管(S₄)的源极；主功率变压器(T)包括原边绕组(N_p)和副边绕组(N_s)，原边绕组(N_p)的同名端分别连接第一功率开关管(S₁)的源极和第二功率开关管(S₂)的漏极，原边绕组(N_p)的非同名端分别连接第三功率开关管(S₃)的源极和第四功率开关管(S₄)的漏极；副边电路(20)包括第一和第二四象限高频功率开关(S_b1、S_b2)、滤波电感(L_f)和滤波电容(C_f)，第一四象限高频功率开关(S_b1)的一端连接副边绕组(N_s)的同名端，第一四象限高频功率开关(S_b1)的另一端分别连接第二四象限高频功率开关(S_b2)的一端和滤波电感(L_f)的一端，第二四象限高频功率开关(S_b2)的另一端分别连接副边绕组(N_s)的非同名端、滤波电容(C_f)的一端和输出负载的一端，滤波电感(L_f)的另一端分别连接滤波电容(C_f)的另一端和输出负载的另一端。

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