CN101783610A - 一种无源软开关逆变器电路 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种无源软开关逆变器电路，包括电源(100)、逆变桥模块(200)和连接在所述逆变桥模块(200)的输出端的输出模块(600)，其特征在于，还包括连接在所述电源(100)和地之间的用于存储能量并软开通所述逆变桥模块(200)中的主功率管的能量暂存及软开通模块(300)、连接在逆变桥模块(200)和所述能量暂存及软开通模块(300)之间用于将能量暂存及软开通模块(300)存储的能量反馈到母线的能量反馈模块(400)，以及用于软关断所述逆变桥模块(200)中的主功率管的关断模块(500)。实施本发明的无源软开关逆变器电路，其使用的无源器件少，可靠性高，成本较低。

Description

一种无源软开关逆变器电路

技术领域

本发明涉及逆变器电路，更具体地说，涉及一种无源软开关逆变器电路。

背景技术

逆变器由于其特殊和复杂的电路拓扑，相应的软开关电路设计比较困难。现有技术中主要有两种方法来实现逆变器的软开关：一种是有源软开关技术，其通过在原电路中附加有源器件来实现，但是需要额外的检测和控制，可靠性差，且成本高。另一种是无源软开关技术，可靠性有保证，但往往需要增加较多的无源器件，结构相对复杂。

发明专利ZL02110843.9公开了一种用于多电平逆变桥的无源软开关电路，其包括分别与逆变桥的上桥臂和下桥臂对应连接的完全对称的能量回馈电路，每个能量回馈电路包括五个无源器件，因此整个无源软开关电路至少包括10个无源器件，因此结构非常复杂，并且成本较高，降低了电路的可靠性。

因此，需要一种无源器件少、可靠性高，成本较低的无源软开关逆变器电路。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的无源软开关逆变器电路的无源器件多、结构复杂、成本高及可靠性低的缺陷，提供一种无源器件少、可靠性高及成本较低的无源软开关逆变器电路。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种无源软开关逆变器电路，包括电源、逆变桥模块，和连接在所述逆变桥模块的输出端的输出模块，还包括连接在所述电源和地之间的用于存储能量并软开通所述逆变桥模块中的主功率管的能量暂存及软开通模块、连接在逆变桥模块和所述能量暂存及软开通模块之间用于将能量暂存及软开通模块存储的能量反馈到母线的能量反馈模块，以及用于关断主功率管的关断模块。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述能量暂存及软开通模块包括第一电感、第一二极管和第一电容，其中所述第一电感连接在电源负极和地之间，所述第一电容负极接地、正极连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接电源负极。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述能量反馈模块包括第二电感、第二二极管和第三二极管，其中，所述第二电感的一端连接所述能量暂存及软开通模块、另一端连接所述第二二极管的阳极和第三二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述逆变桥模块的第一输出端，所述第三二极管的阴极连接到所述逆变桥模块的第二输出端。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述关断模块包括第一飞跨电容，所述第一飞跨电容的正极连接所述逆变桥模块的第一输出端、负极连接所述逆变桥模块的第二输出端；

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述输出模块包括第三电感、第四电感和第二电容，其中所述第三电感的一端连接所述逆变桥模块的第二输出端、另一端连接所述第二电容的正极和所述输出模块的输出正极，所述第四电感的一端连接到所述逆变桥模块的第一输出端、另一端连接到第二电容的负极和所述输出模块的输出负极。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述逆变桥模块是全桥逆变模块。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述逆变桥模块是半桥逆变模块。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述逆变桥模块是双降压半桥逆变模块。

在本发明所述的无源软开关逆变器电路中，所述逆变桥模块是三相逆变模块。

实施本发明的无源软开关逆变器电路，通过使用能量暂存及软开通模块软开通所述逆变桥模块中的主功率管和使用关断模块软关断所述逆变桥模块中的主功率管的关断模块，能够使用少量无源器件可靠地完成逆变器电路的软开关，成本较低。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明的无源软开关逆变器电路的第一实施例的原理框图；

图2是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的电路原理图；

图3是本发明的无源软开关逆变器电路的第三实施例的电路原理图；

图4是本发明的无源软开关逆变器电路的第四实施例的电路原理图；

图5是本发明的无源软开关逆变器电路的第五实施例的电路原理图；

图6是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的能量存储示意图；

图7是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的能量释放示意图；

图8是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的发波机制和输出电流电压波形图。

具体实施方式

图1是本发明的无源软开关逆变器电路的第一实施例的原理框图。

如图1所示，本发明的无源软开关逆变器电路，包括电源100、逆变桥模块200和连接在所述逆变桥模块200的输出端的输出模块600，其还包括连接在所述电源100和地之间的用于存储能量并软开通所述逆变桥模块200中的主功率管的能量暂存及软开通模块300、连接在逆变桥模块200和所述能量暂存及软开通模块300之间用于将能量暂存及软开通模块300存储的能量反馈到母线的能量反馈模块400，以及用于关断主功率管的关断模块500。

图2是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的电路原理图。

如图2所示，所述逆变桥模块200是全桥逆变模块。其包括四个功率管：分别为第一功率管SW1、第二功率管SW2、第三功率管SW3和第四功率管SW4。其中所述第一功率管SW1的漏极连接到所述第四功率管SW4的源极，所述第四功率管SW4的漏极连接到第三功率管SW3的漏极，所述第三功率管SW3的源极连接到第二功率管SW2的漏极，第二功率管SW2的源极连接到功率管第一SW1的源极，并且第一功率管SW1、第二功率管SW2、第三功率管SW3和第四功率管SW4的栅极均接控制输入信号，通过调节控制输入信号，可分别实现第一功率管SW1、第二功率管SW2、第三功率管SW3和第四功率管SW4的开关。

下面结合图6-8，以包括单极性的SPWM全桥逆变模块的无源软开关逆变器电路的为例进行说明。

所述能量暂存及软开通模块包括第一电感Lr1、第一二极管D1和第一电容Cr2，其中所述第一电感Lr1连接在电源负极和地之间，所述第一电容Cr2负极接地、正极连接到所述第一二极管D1的阴极，所述第一二极管D1的阳极连接到电源负极。

所述能量反馈模块包括第二电感Lr2、第二二极管D2和第三二极管D3，其中，所述第二电感Lr2的一端连接到所述第一二极管D1的阴极和第一电容Cr2的阳极，另一端同时连接到所述第二二极管D2的阳极和第三二极管D3的阳极，所述第二二极管D2的阴极连接到所述第四功率管SW4的源极和第一功率管SW1的漏极，所述第三二极管D3的阴极连接到所述第三功率管SW3的源极和第二功率管SW2的漏极。

所述关断模块包括第一飞跨电容Cr1，所述第一飞跨电容Cr1的正极连接到所述第二二极管D2的阴极，负极连接到所述第三二极管D3的阴极。

所述输出模块包括第三电感L101、第四电感L102、第二电容C101和负载Rload，其中所述第三电感L101的一端连接所述逆变桥模块的第二输出端、另一端连接所述第二电容C101的正极和所述输出模块600的输出正极，所述第四电感L102的一端连接所述逆变桥模块200的第一输出端、另一端连接所述第二电容的负极C101和所述输出模块(600)的输出负极。

图8是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的发波机制和输出电流电压波形图。图6和7是本发明的无源软开关逆变器电路的第二实施例的能量存储和释放示意图。

如图6-8所示，以包括单极性的SPWM全桥逆变模块的无源软开关逆变器电路的为例进行说明，其包括4个模态。

模态1：

t0时刻之前，第三功率管SW3的工频常开，第一功率管SW1进行开关转换。

t＞t0时，功率管SW1开通，由于第一电感Lr1存在，其电流不能突变，从而实现第一功率管SW1的ZCS开通，全桥逆变模块正向载流。同时第一电容Cr2、第二电感Lr2、第二二极管D2、第一功率管SW1形成谐振回路，将第一电容Cr2中能的能量向第二电感Lr2中转移。同时第一电感Lr1、第一飞跨电容Cr1谐振对第一飞跨电容Cr1充电至400V。t1时刻该模态结束。

模态二：

t＞t1时，第一功率管SW1关断。第三电感L101、第四电感L102、第一飞跨电容Cr1谐振换流，第一飞跨电容Cr1放电至0V，从而实现第一功率管SW1的ZVS关断。当第一飞跨电容Cr1放电完成时，第四功率管SW4打通，实现续流。同时第一电感Lr1、第一二极管D1、第一电容Cr2谐振，第二电感Lr2中能量转移到第一电容Cr2暂存。同时第二电感Lr2、第二二极管D2续流，第二电感Lr2中能量回馈母线。

模态一、二周期进行，当输出工频电压换向时，第一功率管SW1/第三功率管SW3关断。第四功率管SW4工频常开，第二功率管SW2进行开关频率的切换，开关模态通模态一、二，即模态三、四。本发明可以在半桥逆变器或三相逆变器上应用，其原理和过程可参照上面对全桥逆变器的描述。

图3是本发明的无源软开关逆变器电路的第三实施例的电路原理图。

如图3所示，本发明的所述逆变桥模块200是半桥逆变模块，其包括第一功率管SW1和第二功率管SW2、二极管D1和二极管D2，其中所述第一功率管SW1的漏极连接到二级管D2的阳极，所述二级管D2的阴极连接到所述第二功率管SW2的栅极，第一功率管SW1的源极连接到二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接到所述第二功率管SW2的源极。

所述能量暂存及软开通模块包括第一电感Lr1、第一二极管D4和第一电容Cr1，其中所述第一电感Lr1连接在电源负极和地之间，所述第一电容Cr1负极接地、正极连接到所述第一二极管D4的阴极，所述第一二极管D4的阳极连接到电源负极。

所述能量反馈模块包括第二电感Lr2、第二二极管D3，其中，所述第二电感Lr2的一端连接到所述第一二极管D4的阴极和第一电容Cr1的正极，另一端连接到所述第二二极管D3的阳极，所述第二二极管D3的阴极连接到所述功率管SW1的漏极和二极管D2的阳极。

所述关断模块包括第一飞跨电容Cr2，所述第一飞跨电容Cr2的负极连接到所述二极管D2的阳极，正极连接到所述二极管D1的阴极。

所述输出模块包括第三电感L1、第四电感L2、第二电容C1和负载R，其中所述括第三电感L1的一端连接到所述二极管D1的阴极，另一端连接到第二电容C1的正极，所述第四电感L2的一端连接到所述二极管D2的阳极，另一端连接到第二电容C1的负极，负载R与所述第二电容C1并联。

图4是本发明的无源软开关逆变器电路的第四实施例的电路原理图。

如图4所示，所述本发明的所述逆变桥模块200是双降压半桥逆变模块，其包括第一功率管SW1和第二功率管SW2、二极管D1和二极管D2，以及第三功率管SW3和第四功率管SW4、二极管D3和二极管D4；其中所述第一功率管SW1的漏极连接到二级管D2的阳极，所述二级管D2的阴极连接到所述第二功率管SW2的漏极，第一功率管SW1的源极连接到二极管D1的阳极，二极管D1的阴极连接到所述第二功率管SW2的源极，所述第三功率管SW3的漏极连接到二级管D4的阳极，所述二级管D4的阴极连接到所述第四功率管SW4的漏极，第四功率管SW4的源极连接到二极管D3的阴极，二极管D3的阳极连接到所述第三功率管SW3的源极。

所述能量暂存及软开通模块包括第一电感Lr1、第一二极管D5和第一电容Cr3，其中所述第一电感Lr1连接在电源负极和地之间，所述第一电容Cr3负极接地、正极连接到所述第一二极管D5的阴极，所述第一二极管D5的阳极连接到电源负极。

所述能量反馈模块包括第二电感Lr2、第二二极管D6和第三二极管D7，其中，所述第二电感Lr2的一端连接到所述第一二极管D5的阴极和第一电容Cr3的正极，另一端连接到所述第二二极管D6和第三二极管D7的阳极，所述第二二极管D6的阴极连接到所述第一功率管SW1的漏极和二极管D2的阳极。所述第三二极管D7的阴极连接到所述第三功率管SW3的漏极和第一二极管D4的阳极。

所述关断模块包括飞跨电容Cr2和飞跨电容Cr1，所述飞跨电容Cr2的负极连接到所述二极管D2的阳极，正极连接到所述二极管D1的阴极。所述飞跨电容Cr1的负极连接到所述二极管D4的阳极，正极连接到所述二极管D3的阴极。

所述输出模块包括电感L1-L4、电容C1和负载，其中所述电感L1的一端连接到所述二极管D1的阴极，另一端连接到电容C1的正极，所述电感L2的一端连接到所述二极管D2的阳极，另一端连接到电容C1的正极，所述电感L3的一端连接到所述二极管D4的阳极，另一端连接到电容C1的负极，所述电感L4的一端连接到所述二极管D3的阴极，另一端连接到电容C1的负极，负载R1并联在所述电容C1的两端。

图5是本发明的无源软开关逆变器电路的第五实施例的电路原理图。

如图5所示，所述逆变桥模块是三相逆变模块，其包括第一功率管SW1、第二功率管SW2、第三功率管SW3、第四功率管SW4、第五功率管SW5和第六功率管SW6，其中所述第一功率管SW1的漏极连接到所述第四功率管SW4的源极，所述第四功率管SW4的漏极连接到第三功率管SW3的漏极，所述第三功率管SW3的源极连接到第二功率管SW2的漏极，第二功率管SW2的源极连接到第一功率管SW1的源极，所述第六功率管SW6的漏极连接到第三功率管SW3和第四功率管SW4的漏极，所述第六功率管SW6的源极连接到第五功率管SW5的漏极，第五功率管SW5的源极连接到第一功率管SW1和第二功率管SW2的源极，并且第一功率管SW1、第二功率管SW2、第三功率管SW3、第四功率管SW4、第五功率管SW5和第六功率管SW6的栅极均接控制输入信号。

所述能量暂存及软开通模块包括第一电感Lr1、第一二极管D4和第一电容Cr4，其中所述第一电感Lr1连接在电源负极和地之间，所述第一电容Cr4负极接地、正极连接到所述第一二极管D4的阴极，所述第一二极管D4的阳极连接到电源负极。

所述能量反馈模块包括第二电感Lr2、二极管D1、二极管D2和二极管D3，其中，所述第二电感Lr2的一端连接到所述第一二极管D4的阴极和第一电容Cr4的阳极，另一端连接所述二极管D1、二极管D2和二极管D3的阳极，所述二极管D1的阴极连接到所述第四功率管SW4的源极和第一功率管SW1的漏极，所述二极管D2的阴极连接到所述第三功率管SW3的源极和第二功率管SW2的漏极，所述二极管D3的阴极连接到所述第六功率管SW6的源极和第五功率管SW5的漏极。

所述关断模块包括飞跨电容Cr1、飞跨电容Cr2和飞跨电容Cr3，所述飞跨电容Cr1的正极连接到所述二极管D1的阴极，负极连接到所述二极管D2的阴极。所述飞跨电容Cr2的正极连接到所述二极管D2的阴极，负极连接到所述二极管D3的阴极，所述飞跨电容Cr3的正极连接到所述二极管D1的阴极，负极连接到所述二极管D3的阴极。

所述输出模块包括电感L1、电感L2和电感L3，其中所述电感L1的一端连接到所述二极管D1的阴极和输出端之间，所述电感L2的一端连接到所述二极管D2的阴极和输出端之间，电感L3的一端连接到所述二极管D3的阴极和输出端之间。

综上所述，本发明的无源软开关逆变器电路可以在全桥逆变电路中使用，其只增加了7个无源器件就实现了无源软开关。当其在三相逆变器上的应用时，增加10个无源器件。当其在半桥逆变器上的应用，增加了6个无源器件。当其在双降压半桥逆变器上的应用，增加了8个无源器件。因此，实施本发明的无源软开关逆变器电路，其使用的无源器件少、可靠性高，成本较低。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (9)

1.一种无源软开关逆变器电路，包括电源(100)、逆变桥模块(200)，和连接在所述逆变桥模块(200)的输出端的输出模块(600)，其特征在于，还包括连接在所述电源(100)和地之间的用于存储能量并软开通所述逆变桥模块(200)中的主功率管的能量暂存及软开通模块(300)、连接在逆变桥模块(200)和所述能量暂存及软开通模块(300)之间用于将能量暂存及软开通模块(300)存储的能量反馈到母线的能量反馈模块(400)，以及用于软关断所述逆变桥模块(200)中的主功率管的关断模块(500)。

2.根据权利要求1所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述能量暂存及软开通模块(300)包括第一电感、第一二极管和第一电容，其中所述第一电感连接在电源负极和地之间，所述第一电容负极接地、正极连接所述第一二极管的阴极，所述第一二极管的阳极连接电源负极。

3.根据权利要求2所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述能量反馈模块(400)包括第二电感、第二二极管和第三二极管，其中，所述第二电感的一端连接所述第一二极管的阴极、另一端连接所述第二二极管的阳极和第三二极管的阳极，所述第二二极管的阴极连接所述逆变桥模块(200)的第一输出端，所述第三二极管的阴极连接所述逆变桥模块(200)的第二输出端。

4.根据权利要求3所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，其中所述关断模块(500)包括第一飞跨电容，所述第一飞跨电容的正极连接所述逆变桥模块(200)的第一输出端、负极连接所述逆变桥模块(200)的第二输出端。

5.根据权利要求4所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述输出模块(600)包括第三电感、第四电感和第二电容，其中所述第三电感的一端连接所述逆变桥模块(200)的第二输出端、另一端连接所述第二电容的正极和所述输出模块(600)的输出正极，所述第四电感的一端连接所述逆变桥模块(200)的第一输出端、另一端连接所述第二电容的负极和所述输出模块(600)的输出负极。

6.根据权利要求1至5任一项所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述逆变桥模块(200)是全桥逆变模块。

7.根据权利要求1至5任一项所述无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述逆变桥模块(200)是半桥逆变模块。

8.根据权利要求1至5任一项所述无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述逆变桥模块(200)是双降压半桥逆变模块。

9.根据权利要求1至5任一项所述的无源软开关逆变器电路，其特征在于，所述逆变桥模块(200)是三相逆变模块。

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