CN101807865A - 高频双开关互补调制的数控式逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高频双开关互补调制的数控式逆变器，属于电力电子领域。该逆变器包括高频互补调制单元、无源滤波单元、逆变单元、输出单元、数控单元、调制驱动单元、逆变驱动单元。两个高频开关进行高频互补工作，可使能量双向传输，它将DC变换成高频脉宽调制波，经无源滤波环节和逆变单元，使输出负载得到正弦波。本发明组合了高频开关-低频逆变电路，融合了滤波-逆变功能。本发明具有电路简单、控制方便、可靠性高、体积小、效率高、成本低、应用范围广、滤波效果好的优点，且负载特性硬、能对阻、感、容各类负载进行良好供电。本发明可用于脱离电网的储备电源和自发电系统中的DC/AC变换。

Description

高频双开关互补调制的数控式逆变器

技术领域

本发明属于电力电子领域，具体涉及一种高频双开关互补调制的数控式逆变器。

背景技术

世界能源危机加剧了可再生能源的利用，可再生能源供电系统需要借助蓄电池储存电能。而蓄电池必须通过逆变器进行DC/AC变换后才能为其交流负载供电。

除此之外，人们大量使用的交通工具如：汽车、火车、船舶、飞机等都需要应用脱离电网的储备电源和自发电电源，一些电网无法供电的边远地区也需要这种电源。这些脱离电网的供电系统也要蓄电池储存电能并通过逆变器为交流负载供电。

因此逆变器的使用极为广泛，逆变技术日益发展。但现有的逆变技术，要么电路太复杂，性价比不高；要么一些技术指标不能同时兼有，如效率和波形很难同时兼顾；还有带载能力的局限性也影响了逆变技术的发展。

发明内容

本发明的目的就是要克服现有逆变技术的缺点而提供一种电路简单、效率高、成本低、应用范围广、正弦度高，带载能力强的高频双开关互补调制的数控式逆变器。

本发明所提供的高频双开关互补调制的数控式逆变器包括：高频互补调制单元1、无源滤波单元2、逆变单元3、输出单元4、数控单元5、调制驱动单元6、逆变驱动单元7。所述的高频互补调制单元1由1-1环节和1-2环节组成，1-1环节的一端接直流电源DC，1-1环节的另一端接1-2环节和无源滤波单元2，无源滤波单元2的另一端接逆变单元3。输出单元4的两端接在逆变单元3的桥式电路中，输出单元4的第三端接数控单元5。数控单元5有两个输出端，一端接调制驱动单元6，另一端接逆变驱动单元7。

高频互补调制单元1中的1-1环节和1-2环节，是两个进行高频互补工作的高频开关电路。该电路将DC变换成高频脉宽调制波，再经无源滤波单元2滤波成双半波脉动DC。此双半波脉动DC经逆变单元3变换成正弦波，送给输出单元4。数控单元5由单片机组成，它根据电路的需要和输出单元4的情况，分别给调制驱动单元6和逆变驱动单元7发出控制信号。调制驱动单元6根据该控制信号来控制高频互补调制单元1中的1-1环节和1-2环节，适时调控两个高频开关的工作状态；而逆变驱动单元7也根据数控单元5发来的控制信号，去控制逆变单元3的工作状态，使逆变单元3的功率管不仅能以工频轮流导通工作形成换向逆变，而且让功率管工作在导通与放大的临界状态，产生类似跟随功能。其工作的电路原理图如说明书附图1所示。

本发明所提供的逆变器，可以由不同的电路实现。但实现过程均如下：

所述高频互补调制单元1将DC变换为双半波脉动DC调制波，经无源滤波单元2滤波为双半波脉动DC，再经逆变单元3变换成正弦波，给输出单元4。数控单元5根据电路的需要和输出单元4的情况，给调制驱动单元6和逆变驱动单元7发出控制信号，从而控制高频互补调制单元1和逆变单元3的工作状态。

本发明具有以下优点：

其一，采用高频双开关互补调制。高频双开关互补调制形成了双向能量通道，使直流电源U与输出单元4之间进行能量互动，在高频开关转换下轮流做电源和负载，减小无源滤波器的应力。

其二，采用数字控制。用软件替代硬件，控制方便，减少硬件成本，减小体积且提高性价比。

其三，采用类似跟随技术。使该逆变器带载能力强，能提供满足阻、感、容性任一负载或综合性负载的高质量正弦波形，并具有输出电压硬特性。

本发明适用于各类需要进行DC/AC变换的供电系统。

附图说明

图1是本发明的电路框图。

图2是本发明实施例1的电路原理图。

图3是本发明实施例2的电路原理图。

具体实施方式

实施例1：图2是本实施例的电路原理图。该实施例用六个功率管组成，它包括高频互补调制单元1、无源滤波单元2、逆变单元3、输出单元4、数控单元5、调制驱动单元6、逆变驱动单元7。其中高频互补调制单元1由两个高频开关管T1和T2组成，无源滤波单元2由电感L和电容C组成。高频开关管T1的集电极接直流电源U的正极，高频开关管T1的发射极接高频开关管T2的集电极和无源滤波单元2的电感L，电感L的另一端接电容C和逆变单元3，电容C和逆变单元3各自的另一端与高频开关管T2的发射极连接一起，一同接到直流电源U的负极。输出单元4的两端接在逆变单元3的桥式电路中，输出单元4第三端接数控单元5。数控单元5有两个输出端，一端接调制驱动单元6，另一端接逆变驱动单元7。

高频开关T1、T2在调制驱动单元6的控制下，进行高频互补调制工作，将DC变换成高频脉宽调制波。无源滤波单元2，将此高频脉宽调制波滤成双半波脉动DC。高频互补调制单元1与无源滤波单元2组成双向高频互补DC-半波脉动DC电路。该电路输出的半波脉动DC送到逆变单元3。在逆变单元3的桥式电路中，两组对角功率管以工频交替导通换流，将双半波脉动DC逆变成正弦波，给输出单元4。由单片机组成的数控单元5，根据电路的需要和输出单元4的情况，适时调控驱动单元6和逆变驱动单元7，以分别控制高频互补调制单元1和逆变单元3的工作状态，让系统正常运行。

实施例2：图3是本实施例的电路原理图。该实施例是用四个功率管组成的桥式电路来完成七个单元的功能，因此部分功率管和电路具有双重作用。桥式电路的高频互补调制单元1与逆变单元3融为一体，又分时间段履行各自的功能。其中高频互补调制单元1由1’和1”两部分电路组成。当1’电路做高频互补调制时，1”电路做逆变，并以工频交替轮流工作。

桥式电路的功率管T7、T9组成高频互补调制单元1的1-1环节。它只进行高频互补调制工作，且T7进行高频互补调制时，T9就关断，并以工频交替轮流工作。而桥式电路的功率管T8、T10，一个做高频互补调制单元1的1-2环节时，另一个就做逆变单元3。当T8进行高频互补调制时，T10就进行逆变，并在工频下交替轮流工作。当桥式电路的一侧上功率管工作时，它与同侧下功率管进行高频互补调制，将DC变换成高频脉宽调制波，而对侧下功率管做逆变。此时工作的三个功率管形成h型电路或h型镜像电路。高频脉宽调制波通过无源滤波单元2，滤波成双半波脉动DC，直接给输出单元4，在逆变单元3的作用下，输出单元4得到的是正弦波。

当工作的三个功率管形成h型电路时，驱动单元6-7’做调制驱动单元6，驱动T7、T8做高频互补调制。而驱动单元6-7”做逆变驱动单元7，它关断T9，驱动T10逆变。当工作的三个功率管由h型电路变换成h型镜像电路时，两侧电路功能对调。这些功能变换都由数控单元5中的单片机程序控制。

Claims (8)

1.一种高频双开关互补调制的数控式逆变器，其特征在于：所述逆变器包括高频互补调制单元(1)、无源滤波单元(2)、逆变单元(3)、输出单元(4)、数控单元(5)、调制驱动单元(6)、逆变驱动单元(7)；所述的高频互补调制单元1由(1-1)环节和(1-2)环节组成，(1-1)环节的一端接直流电源DC，(1-1)环节的另一端接(1-2)环节和无源滤波单元(2)，而无源滤波单元(2)的另一端接逆变单元(3)，输出单元(4)的两端接在逆变单元(3)的桥式电路中，第三端接数控单元5；数控单元(5)有两个输出端，一端接调制驱动单元(6)，另一端接逆变驱动单元(7)；所述高频互补调制单元(1)中的(1-1)环节和(1-2)环节的两个高频开关进行高频互补工作，将DC变换成高频脉宽调制波，再经无源滤波单元(2)滤波成双半波脉动DC，此双半波脉动DC经逆变单元(3)变换成正弦波，送给输出单元(4)；所述数控单元(5)由单片机组成，数控单元(5)根据电路的需要和输出单元(4)的情况，分别给调制驱动单元(6)和逆变驱动单元(7)发出控制信号，调制驱动单元(6)根据该控制信号来控制高频互补调制单元(1)中的(1-1)环节和(1-2)环节，适时调控两个高频开关的工作状态；而逆变驱动单元(7)根据数控单元(5)给它的控制信号，来控制逆变单元(3)的工作状态，使逆变单元(3)的功率管不仅能以工频轮流导通工作形成换向逆变，而且能让功率管工作在导通与放大的临界状态，产生类似跟随功能。

2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于：所述高频互补调制单元(1)由两个高频开关管(T1)和(T2)组成；无源滤波单元2由电感L和电容C组成；所述高频开关管(T1)的集电极接直流电源U的正极，高频开关管(T1)的发射极接高频开关管(T2)的集电极和无源滤波单元(2)的电感L；电感L的另一端接电容C和逆变单元(3)，电容C和逆变单元(3)各自的另一端与高频开关管(T2)的发射极连接一起，一同接到直流电源U的负极；桥式电路由四个同型功率管(T3)、(T4)、(T5)、(T6)组成，功率管(T3)、(T6)的集电极并接于无源滤波单元(2)中的电感L与电容C的接点上；功率管(T3)的发射极接功率管(T4)的集电极和输出单元(4)的一端，而功率管(T6)的发射极接功率管(T5)的集电极和输出单元(4)的另一端，功率管(T4)、(T5)的发射极并接在直流电源U的负极；高频开关(T1)、(T2)在调制驱动单元(6)的控制下，进行高频互补调制工作，将DC变换成高频脉宽调制波；无源滤波单元(2)将高频脉宽调制波滤成双半波脉动DC；高频互补调制单元(1)与无源滤波单元(2)组成双向高频互补DC-半波脉动DC电路；该电路输出的半波脉动DC送到逆变单元(3)；逆变单元(3)的两组对角功率管以工频轮流导通工作，在换流导通时将双半波脉动DC逆变成正弦波，给输出单元(4)；输出单元(4)的第三端接数控单元(5)；数控单元(5)还有两个输出端，一端接调制驱动单元(6)，另一端接逆变驱动单元(7)；调制驱动单元(6)接高频互补调制单元(1)的两个高频开关管(T1)和(T2)基极，它根据数控单元(5)提供的调制驱动控制信号，来驱动两个高频开关管作高频互补调制；逆变驱动单元(7)接桥式电路的四个功率管(T3)、(T4)、(T5)、(T6)的基极，它根据数控单元(5)提供的逆变驱动控制信号，来控制桥式电路的逆变工作状态；数控单元(5)由单片机组成，它能根据电路的需要和输出单元(4)的情况，适时调控驱动单元(6)，来控制高频互补调制单元(1)的工作状态；同时适时调控逆变驱动单元(7)，来控制逆变单元(3)的工作状态，让系统正常运行。

3.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于：所述高频双开关互补调制的数控式逆变器，用四个功率管组成的桥式电路来完成所述七个单元的功能，因此部分功率管和电路具有双重作用；所述高频互补调制单元(1)与逆变单元(3)融为一体，又根据不同时间段履行各自的功能；其中高频互补调制单元(1)由(1’)和(1”)两部分电路组成；当(1’)电路做高频互补调制时，(1”)电路做逆变，并以工频交替轮流工作；所述高频互补调制单元(1)中的(1’)电路又由(1-1)’与(1-2)’两环节组成，而(1”)电路由(1-1)”、(1-2)”两环节组成；所述逆变单元(3)由(3)’和(3)”两部分电路组成；所述调制驱动单元(6)和逆变驱动单元(7)也由(6-7)’和(6-7)”两部分电路组成；无源滤波单元(2)的电感L与输出单元(4)串联，无源滤波单元(2)的电容C与输出单元(4)并联；所述逆变器由四个同型功率管(T7)、(T8)、(T9)、(T10)的桥式电路组成；功率管(T7)、(T9)的集电极并接于直流电源U的正极；功率管(T7)的发射极与功率管(T8)的集电极以及无源滤波单元(2)中的电感L一端接在一起；电感L的另一端接电容C和输出单元(4)；电容C和输出单元(4)的另一端接在功率管(T9)的发射极和功率管(T10)的集电极上；功率管(T8)、(T10)的发射极并接直流电源U的负极；输出单元(4)的第三端接数控单元(5)的一端；数控单元(5)还有两个输出端，一端接驱动单元(6-7)’，另一端接驱动单元(6-7)”；所述驱动单元(6-7)’接功率管(T7)、(T8)的基极，而驱动单元(6-7)”接(T9)、(T10)的基极；所述桥式电路的功率管(T7)、(T9)组成高频互补调制单元(1)的(1-1)环节，它只进行高频互补调制工作，且(T7)进行高频互补调制时，(T9)就关断，并以工频交替轮流工作；而桥式电路的功率管(T8)、(T10)，一个做高频互补调制单元(1)的(1-2)环节时，另一个就做逆变单元(3)，并在工频下交替导通工作；此时工作的三个功率管形成h型电路或h型镜像电路；高频脉宽调制波通过无源滤波单元(2)，滤波成双半波脉动DC，直接给输出单元(4)，在逆变单元(3)的作用下，输出单元(4)得到的是正弦波；当工作的三个功率管形成h型电路时，驱动单元(6-7)’做调制驱动单元(6)，驱动(T7)、(T8)做高频互补调制；而驱动单元(6-7)”做逆变驱动单元(7)，它关断(T9)，驱动(T10)逆变；当工作的三个功率管由h型电路变换成h型镜像电路时，两侧电路功能对调；这些功能变换都由数控单元(5)中的单片机程序控制。

4.根据权利要求1所述的高频双开关互补调制的数控式逆变器，其特征在于：所述的数控单元(5)由任一种单片机构成，数控单元(5)有多个输入、输出端口，能根据电路的需要和输出单元(4)的情况，来控制电路中各单元电路的工作状态，以使逆变器正常运行。

5.根据权利要求2或3所述的逆变器，其特征在于：所述的高频双开关互补调制单元(1)与逆变单元(3)中的功率管为NPN型管或PNP型管。

6.根据权利要求2或3所述的逆变器，其特征在于：所述的高频双开关互补调制单元(1)与逆变单元(3)中的功率管为MOS管或IGBT管。

7.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于：所述的桥式电路采用类似跟随技术时，桥臂上的四个功率管为同侧异型、对角异型。

8.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于：所述的桥式电路采用类似跟随技术时，桥臂上的四个功率管为同侧异型、对角异型。

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