CN101902142B - 二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器，包括第一五电平降压电路、第二五电平降压电路、直流电源输入电路、负载电路。采用电压电流双闭环SPWM控制，根据电感电流的方向和输出电压的大小，控制两个五电平降压电路半周期工作，通过不同的开关组合，分别在两个输出桥臂得到五电平的PWM调制波输出。本发明的优点是：保留了双降压电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；实现了五电平输出，输出电压谐波含量减小，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；同半桥型逆变器相比，功率器件电压应力降低，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；电路中只需8个功率二极管，与桥式五电平二极管钳位型逆变器相比，二极管数量减小了1/3，钳位电路得到了简化。

Description

二极管箝位型五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型五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，是一种很具有研究价值和发展前景的拓扑结构。DBI和半桥逆变器具有很多相似的地方，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。引入多电平技术的五电平双降压式半桥逆变器同时可使桥臂输出变为五电平。 

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型五电平双降压式半桥逆变器拓扑结构包括第一五电平降压电路1、第二五电平降压电路2、直流电源输入电路3和负载电路4，第一五电平降压电路1中，第一功率开关管S₁的漏级与第一电容C₁的正极连接，第一功率开关管S₁的源级与第二功率开关管S₂的漏级连接，第二功率开关管S₂的源级与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极与第二功率二极管D₂的阴极连接，第二功率二极管D₂的阳极与第四电容C₄的负极连接，第三功率二极管D₃的阳极与第一电容C₁的负极连接，第三功率二极管D₃的阴极与第一功率开关管S₁的源级连接，第三功率开关管S₃的漏级接地，第三功率开关管S₃的源级与第四功率二极管D₄的阳极连接，第四功率二极管D₄的阴极与第二功率开关管S₂的源级连接，第四功率开关管S₄的漏级与第四电容C₄的正极连接，第四功率开关管S₄的源级与第一功率二极管D₁的阳极连接，第一电感L₁的一端 与第二功率开关管S₂的源级连接，第一电感L₁的另一端接入负载电路4；第二五电平降压电路2中，第五功率开关管S₅的源级与第四电容C₄的负极连接，第五功率开关管S₅的漏级与第六功率开关管S₆的源级连接，第六功率开关管S₆的漏级与第六功率二极管D₆的阳极连接，第六功率二极管D₆的阴极与第五功率二极管D₅的阳极连接，第五功率二极管D₅的阴极与第一电容C₁的正极连接，第八功率二极管D₈的阴极与第四电容C₄的正极连接，第八功率二极管D₈的阳极与第五功率开关管S₅的漏级连接，第七功率开关管S₇的源级接地，第七功率开关管S₇的漏级与第七功率二极管D₇的阴极连接，第七功率二极管D₇的阳极与第六功率二极管D₆的阳极连接，第八功率开关管S₈的源级与第二电容C₂的正极连接，第八功率开关管S₈的漏级与第五功率二极管D₅的阳极连接，第二电感L₂的一端与第六功率开关管S₆的漏级连接，第二电感L₂的另一端与第一电感L₁的另一端相连，并将两端的连接点接入，并将两端的连接点接入负载电路4；直流电源输入电路3连接方式为，直流电源U_d的正极与第一电容C₁的正极连接，直流电源U_d的负极与第四电容C₄的负极连接，第二电容C₂的正极与第一电容C₁的负极连接，第二电容C₂的负极接地，第三电容C₃的正极接地，第三电容C₃的负极与第四电容C₄的正极连接；负载电路4连接方式为，滤波电容C_f的一端接入第一电感L₁的另一端与第二电感L₂的另一端之间，滤波电容C_f的另一端接地，输出负载R的一端与滤波电容C_f的一端连接，输出负载R的另一端接地。 

本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器包含两个五电平降压电路，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隐患；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。二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的桥臂输出电压为五电平PWM调制波，相对于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；整个电路结构并不复杂，控制方案也较简单：采用电压电流双闭环PWM控制，保证逆变器电路在正常工作时不需任何偏置电流，根据电感电流的方向和输出电压的大小，控制两个五电平降压电路半周期工作，通过不同的开关组合，分别在两个输出桥臂得到五电平的PWM调制波输出。 

3、有益效果：本发明具有如下优点：(1)保留了双降压电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；(2)实现了五电平输出，输出电压谐波含量减小，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；(3)同传统半桥型逆变器相比，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。(4)电路中只需8个功率二极管，与桥式五电平二极管箝位型逆变相比，二极管数量减小了1/3，箝位电路得到了简化。 

四、附图说明

图1是本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器拓扑结构示意图；图1中的标号名称：1.第一五电平降压电路；2.第二五电平降压电路；3.直流电源输入电路；4.负载电路； 

图2是本发明的二极管箝位型五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型五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型五电平双降压式半桥逆变器采用的控制框图。 

上述附图中的主要符号名称：C_f——输出滤波电容；D₁～D₈——功率二极管；S₁～S₈——功率开关管；Vs1～Vs8——S₁～S₈的驱动信号；C₁～C₄——直流输入侧分压电容；U_d——直流输入电源；L₁～L₂——滤波电感；R——输出负载；i_L1——滤波电感L₁上的电流；i_L2——滤波电感L₂上的电流；i_L——输出电感电流；u_A——臂A点输出电压；u_B——桥臂B点输出电压；u_o——输出电压；U_omax——输出电压u_o的最大值。 

五、具体实施方式

如图1所示，本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的特征在于：第一五电平降压电路1中，第一功率开关管S₁的漏级与第一电容C₁的正极连接，第一功率开关管S₁的源级与第二功率开关管S₂的漏级连接，第二功率开关管S₂的源级与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极与第二功率二极管D₂的阴极连接，第二功率二极管D₂的阳极与第四电容C₄的负极连接，第三功率二极管D₃的阳极与第一电容C₁的负极连接，第三功率二极管D₃的阴极与第一功率开关管S₁的源级连接，第三功率开关管S₃的漏级接地，第三功率开关管S₃的源级与第四功率二极管D₄的阳极连接，第四功率二极管D₄的阴极与第二功率开关管S₂的源级连接，第四功率开关管S₄的漏级与第四电容S₄的正极连接，第四功率开关管S₄的源级与第一功率二极管D₁的阳极连接，第一电感L₁的一端与第二功率开关管S₂的源级连接，第一电感L₁的另一端接入负载电路4；第二五电平降压电路2中，第五功率开关管S₅的源级与第四电容C₄的负极连接，第五功率开关管S₅的漏级与第六功率开关管S₆的源级连接，第六功率开关管S₆的漏级与第六功率二极管D₆的阳极连接，第六功率二极管D₆的阴极与第五功率二极管D₅的阳极连接，第五功率二极管D₅的阴极与第一电容C₁的正极连接，第七功率开关管S₇的源级接地，第七功率开关管S₇的漏级与第七功率二极管D₇的阴极连接，第七功率二极管D₇的阳极与第六功率二极管D₆的阳极连接，第八功率二极管D₈的阴极与第四电容C₄的正极连接，第八功率二极管D₈的阳极与第五功率开关管S₅的漏级连接，第八功率开关管S₈的源级与第二电容C₂的正极连接，第八功率开关管S₈的漏级与第五功率二极管D₅的阳极连接，第二电感L₂的一端与第六功率开关管S₆的漏级连接，第二电感 L₂的另一端与第一电感L₁的另一端相连，并将两端的连接点接入负载电路4；直流电源输入电路3连接方式为，直流电源U_d的正极与第一电容C₁的正极连接，直流电源U_d的负极与第四电容C₄的负极连接，第二电容C₂的正极与第一电容C₁的负极连接，第二电容C₂的负极接地，第三电容C₃的正极接地，第三电容C₃的负极与第四电容C₄的正极连接；负载电路4连接方式为，滤波电容C_f的一端接入第一电感L₁的另一端与第二电感L₂的另一端之间，滤波电容C_f的另一端接地，输出负载R的一端与滤波电容C_f的一端连接，输出负载R的另一端接地。 

本发明的二级管箝位型五电平双降压式半桥逆变器工作原理是：输出电感电流i_L的正半周期时，第一五电平降低电路1工作，第二五电平降压电路2不工作，根据输出电压u_o的大小，将电路分为4个工作区间，7个工作模态，通过合适的开关组合状态在桥臂A点输出±U_d/2，±U_d/4，0五种电平；电感电流负半周期时，第二五电平降压电路2工作，第一五电平降低电路1不工作，电路也分4个工作区间，7个工作模态，选择恰当的开关组合在桥臂B点输出五电平。 

下面以图1所示为主电路结构，结合图2叙述本发明的二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器的工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图3： 

1、在输出电感电流i_L大于零的正半周期： 

第一五电平降压电路1工作，第二五电平降压电路2不工作，S₅、S₆、S₇、S₈断开。此时，根据输出电压的大小共有4个阶段，7个工作模态： 

(1)t₀～t₁段 

输出电压u_o＜-U_omax/2，此阶段，开关管S₄高频调制，电路在以下两个工作模态之间切换： 

工作模态1：如图2(a)所示，开关管S₁、S₂、S₃、S₄都断开，电感电流i_L1从二极管D₁、D₂续流，线性下降，桥臂A点输出-U_d/2电平。 

工作模态2：如图2(b)所示，开关管S₄闭合，S₁、S₂、S₃断开，二级管D₂反向偏置不导通，i_L1线性上升，桥臂A点输出-U_d/4电平。 

(2)t₁～t₂段 

输出电压-U_omax/2＜u_o＜0，输出电流i_L＞0，此阶段S₄常闭，S₃高频调制，电路交替工作于以下两个工作模态： 

工作模态2：同上，但此时电感电流i_L为续流模式，线性下降。 

工作模态3：如图2(c)所示，开关管S₃、S₄闭合，S₁、S₂断开，二极管D₁反向偏置不导通，i_L1线性上升，桥臂A点输出0电平。 

(3)t₂～t₃段 

输出电压0＜u_o＜U_omax/2，此阶段S₃常闭，S₂高频调制，电路交替工作于模态4和5。 

工作模态4：如图2(d)所示，开关管S₃闭合，S₁、S₂、S₄断开，i_L1通过D₄续流，线性下降，桥臂A点输出0电平。 

工作模态5：如图2(e)所示，开关管S₂、S₃闭合，S₁、S₄断开，二极管D₄反向偏置不导通，i_L1线性上升，桥臂A点输出U_d/4电平。 

(4)t₃～t₄段 

输出电压u_o＞U_omax/2，此阶段S₂常闭，S₁高频调制，电路交替工作于模态6和7。 

工作模态6：如图2(f)所示，开关管S₂闭合，S₁、S₃、S₄断开，i_L1通过D₃续流，线性下降，桥臂A点输出U_d/4电平。 

工作模态7：如图2(g)所示，开关管S₁、S₂闭合，S₃、S₄断开，二极管D₃反向偏置不导通，i_L1线性上升，桥臂A点输出U_d/2电平。 

2、在输出电感电流i_L小于零的负半周期时： 

第一五电平降压电路1不工作，第二五电平降压电路2工作，S₁、S₂、S₃、S₄断开。此时，根据输出电压的大小也分4个阶段，7个工作模态： 

(5)t₄～t₅段 

输出电压u_o＞U_omax/2，此阶段S₈高频调制，S₅、S₆、S₇断开，电路在以下两个工作模态之间切换。 

工作模态8：如图2(h)所示，S₅、S₆、S₇、S₈都断开，电感电流i_L2从二极管D₅、D₆续流，线性下降，桥臂B点输出U_d/2电平。 

工作模态9：如图2(i)所示，S₈闭合，S₅、S₆、S₇断开，电感电流i_L2线性上升，桥臂B点输出U_d/4电平。 

(6)t₅～t₆段 

输出电压0＜u_o＜U_omax/2，此阶段S₈常闭，S₇高频调制，S₆、S₇断开，电路在以下两个工作模态之间切换。 

工作模态9：同上，但此时电感电流i_L2为续流模式，线性下降，在桥臂B点输出U_d/4电平。 

工作模态10：如图2(j)所示，S₇、S₈闭合，S₅、S₆断开，D₆反向偏置不导通，i_L2线性上升，桥臂B点输出0电平。 

(7)t₆～t₇段 

输出电压-U_omax/2＜u_o＜0，此阶段S₇常闭，S₆高频调制，S₅、S₈断开，电路交替工作于以 下两个工作模态。 

工作模态11：如图2(k)所示，S₇闭合，S₅、S₆、S₈断开，电感电流i_L2从二极管D₇续流，线性下降，桥臂B点输出0电平。 

工作模态12：如图2(1)所示，S₆、S₇闭合，S₅、S₈断开，D₇反向偏置不导通，电感电流i_L2线性上升，二极管D₇反向偏置不导通，桥臂B点输出-U_d/4电平。 

(7)t₇～t₈段 

输出电压u_o＜-U_omax/2，此阶段S₆常闭，S₅高频调制，S₇、S₈断开，电路在以下两个模态之间切换。 

工作模态13：如图2(m)所示，S₆闭合，S₅、S₇、S₈断开，电感电流i_L2从二极管D₈续流，线性下降，桥臂B点输出-U_d/4电平。 

工作模态14：如图2(n)所示，S₅、S₆闭合，S₇、S₈断开，电感电流i_L2线性上升，桥臂B点输出-U_d/2电平。 

为实现以上的工作原理，采用的控制方案如图4：图中，u_r是电压基准，u_r经过过零比较器后得到电压周期信号u_p，i_r为电压环输出，作为电感电流基准，i_p是表示电感电流周期，u_m为门槛电压，通常取u_r最大值的1/2，Vs1～Vs8表示8路开关管驱动信号。整个系统采用电压电流双闭环控制，电压外环为PI调节，电流内环采用P调节，调制方式为SPWM调制。根据输出电感电流的方向，控制电路工作于半周期模式，同时，根据输出电压的大小将整个电路分为8个工作区间，通过逻辑电路选择合适的开关组合状态，在桥臂A点和B点输出五电平调制波，经过滤波后得到输出电压u_o。 

Claims (1)

1.一种二极管箝位型五电平双降压式半桥逆变器，包括第一五电平降压电路(1)、第二五电平降压电路(2)、直流电源输入电路(3)和负载电路(4)，第一五电平降压电路(1)中，第一功率开关管(S₁)的漏级与第一电容(C₁)的正极连接，第一功率开关管(S₁)的源级与第二功率开关管(S₂)的漏级连接，第二功率开关管(S₂)的源级与第一功率二极管(D₁)的阴极连接，第一功率二极管(D₁)的阳极与第二功率二极管(D₂)的阴极连接，第二功率二极管(_D2)的阳极与第四电容(C₄)的负极连接，第三功率二极管(D₃)的阳极与第一电容(C₁)的负极连接，第三功率二极管(D₃)的阴极与第一功率开关管(S₁)的源级连接，第三功率开关管(S₃)的漏级接地，第三功率开关管(S₃)的源级与第四功率二极管(D₄)的阳极连接，第四功率二极管(D₄)的阴极与第二功率开关管(S₂)的源级连接，第四功率开关管(S₄)的漏级与第四电容(C₄)的正极连接，第四功率开关管(S₄)的源级与第一功率二极管(D₁)的阳极连接，第一电感(L₁)的一端与第二功率开关管(S₂)的源级连接，第一电感(L₁)的另一端接入负载电路(4)；第二五电平降压电路(2)中，第五功率开关管(S₅)的源级与第四电容(C₄)的负极连接，第五功率开关管(S₅)的漏级与第六功率开关管(S₆)的源级连接，第六功率开关管(S₆)的漏级与第六功率二极管(D₆)的阳极连接，第六功率二极管(D₆)的阴极与第五功率二极管(D₅)的阳极连接，第五功率二极管(D₅)的阴极与第一电容(C₁)的正极连接，第八功率二极管(D₈)的阴极与第四电容(C₄)的正极连接，第八功率二极管(D₈)的阳极与第五功率开关管(S₅)的漏级连接，第七功率开关管(S₇)的源级接地，第七功率开关管(S₇)的漏级与第七功率二极管(D₇)的阴极连接，第七功率二极管(D₇)的阳极与第六功率二极管(D₆)的阳极连接，第八功率开关管(S₈)的源级与第二电容(C₂)的正极连接，第八功率开关管(S₈)的漏级与第五功率二极管(D₅)的阳极连接，第二电感(L₂)的一端与第六功率开关管(S₆)的漏级连接，第二电感(L₂)的另一端与第一电感(L₁)的另一端相连，并将两端的连接点接入负载电路(4)；直流电源输入电路(3)连接方式为，直流电源(U_d)的正极与第一电容(C₁)的正极连接，直流电源(U_d)的负极与第四电容(C₄)的负极连接，第二电容(C₂)的正极与第一电容(C₁)的负极连接，第二电容(C₂)的负极接地，第三电容(C₃)的正极接地，第三电容(C₃)的负极与第四电容(C₄)的正极连接；负载电路(4)连接方式为，滤波电容(C_f)的一端接入第一电感(L₁)的另一端与第二电感(L₂)的另一端之间，滤波电容(C_f)的另一端接地，输出负载(R)的一端与滤波电容(C_f)的一端连接，输出负载(R)的另一端接地。

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