CN101902143B - 电容箝位三电平双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容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、第二三电平降压电路、直流电源输入电路、负载电路，每个三电平降压电路包括两个功率开关管、两个功率二极管、一个箝位电容、一个电感，通过对开关管的控制和箝位电容的箝位作用使逆变桥输出+1、-1和0三态电平，实现了三电平的双降压式半桥逆变器。本发明的优点是：继承了DBI电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；保留了三电平变换器本身输出电压谐波含量小的优点；同传统半桥型逆变器相比，功率器件电压应力降低；整个电路结构较为简单，易于实现。

Description

电容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，尤其涉及一种电容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。与传统的推挽、全桥等逆变器拓扑相比，DBI具有无桥臂直通隐患和无开关管体二极管反向恢复问题等突出的优点，适合于航空航天等对逆变器可靠性要求高的场合。DBI为同时实现逆变器的高可靠性和高效率提供了一种简洁的途径，是一种具有重要研究价值和广阔发展前景的拓扑结构。DBI和传统半桥逆变器具有一些相似的地方，DBI需引入半桥输入方式，外接正负直流母线电压的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，因此需要高的开关频率和大的滤波器。以上两点是半桥型逆变器的缺点。

当前，多电平技术已成为电力电子学的重要组成部分和研究热点问题之一。高压直流输电、柔性交流输电、电力有源滤波器等场合需要处理的电能日益增大，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，导致器件耐压与功率变换电压等级存在矛盾。在高压变换器中，将功率管串联使用是一种解决方法，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，降低电路可靠性。多电平技术是解决功率管串联问题的一个较好办法，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，解决器件耐压与功率变换电压等级的矛盾。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，减小桥臂输出波形谐波，降低开关频率和滤波器体积。

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两个缺点。

2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的电容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、直流电源输入电路3、负载电路4。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、第三功率二极管D₃、第一电感L₁、第一箝位电容C₁；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、第四功率二极管D₄、第二电感L₂、第二箝位电容C₂。本发明电容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的漏极连接，第三功率开关管S₃的源极与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极与第三功率二极管D₃的阴极连接，第三功率二极管D₃的阳极与第二外界电源U₂的负端连接，第一电感L₁的一端接入第三功率开关管S₃的源极与第一功率二极管D₁的阴极之间，第一箝位电容C₁的正极接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的漏极之间，第一箝位电容C₁的负极接入第一功率二极管D₁的阳极与第三功率二极管D₃的阴极之间；第二三电平降压式电路2中，第二功率二极管D₂的阴极与第一外界电源U₁的正端连接，第二功率二极管D₂的阳极与第四功率二极管D₄的阴极连接，第四功率二极管D₄的阳极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与第四开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极与第二外界电源U₂的负端连接，第二电感L₂的一端接入第二功率开关管S₂的漏极与第四功率二极管D₄的阳极之间，第二箝位电容C₂的正极接入第二功率二极管D₂的阳极与第四功率二极管D₄的阴极之间，第二箝位电容C₂的负极接入第二功率开关管S₂的源极与第四开关管S₄的漏极之间；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；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并联构成的负载电路4的一端，滤波电容C_f和负载R的另一端同时接地。

本发明采用的电容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，其输入侧接直流电源输入电路，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：电路没有传统的推挽、全桥电路桥臂直通的危险，不需要设置死区时间；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，减小了损耗。电容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；虽然增加了两个箝位电容，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。整个电路结构简单，方案可靠易行。由于第一箝位电容和第二箝位电容的箝位作用，可有效防止第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、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，进一步提高了电路的可靠性。

3、有益效果：本发明具有如下优点：(1)继承了DBI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)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；(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)整个电路结构较为简单，易于实现。

四、附图说明

图1是本发明的电容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.负载电路；

图2是本发明的电容箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑各开关模态示意图；

附图中的主要符号名称：S₁～S₄——功率开关管；D₁～D₄——功率二极管；C₁～C₂——箝位电容；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。

五、具体实施方式

如图1所示，本实施例的电容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的漏极连接，第三功率开关管S₃的源极与第一功率二极管D₁的阴极连接，第一功率二极管D₁的阳极与第三功率二极管D₃的阴极连接，第三功率二极管D₃的阳极与第二外界电源U₂的负端连接，第一电感L₁的一端接入第三功率开关管S₃的源极与第一功率二极管D₁的阴极之间，第一箝位电容C₁的正极接入第一功率开关管S₁的源极与第三功率开关管S₃的漏极之间，第一箝位电容C₁的负极接入第一功率二极管D₁的阳极与第三功率二极管D₃的阴极之间；第二三电平降压式电路2中，第二功率二极管D₂的阴极与第一外界电源U₁的正端连接，第二功率二极管D₂的阳极与第四功率二极管D₄的阴极连接，第四功率二极管D₄的阳极与第二功率开关管S₂的漏极连接，第二功率开关管S₂的源极与第四开关管S₄的漏极连接，第四功率开关管S₄的源极与第二外界电源U₂的负端连接，第二电感L₂的一端接入第二功率开关管S₂的漏极与第四功率二极管D₄的阳极之间，第二箝位电容C₂的正极接入第二功率二极管D₂的阳极与第四功率二极管D₄的阴极之间，第二箝位电容C₂的负极接入第二功率开关管S₂的源极与第四开关管S₄的漏极之间；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；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并联构成的负载电路4的一端，滤波电容C_f和负载R的另一端同时接地。

本发明的电容箝位三电平双降压式半桥逆变器的工作原理是：在输出电感电流i_L大于零的正半周，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、第三功率开关管S₃ PWM调制，当第一功率开关管S₁、第三功率开关管S₃导通时逆变桥桥臂A点的输出电平为U₁，当第一功率开关管S₁导通、第三功率开关管S₃截止或第一功率开关管S₁截止、第三功率开关管S₃导通时逆变桥桥臂A点的输出电平为0，当第一功率开关管S₁截止、第三功率开关管S₃截止时逆变桥桥臂A点的输出电平为-U₂；在输出电感电流i_L小于零的负半周，第一功率开关管S₁截止、第三功率开关管S₃截止，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄ PWM调制，当第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄导通时逆变桥桥臂B点的输出电平为-U₂，当第二功率开关管S₂导通、第四功率开关管S₄截止或第二功率开关管S₂截止、第四功率开关管S₄导通时逆变桥桥臂B点的输出电平为0，当第二功率开关管S₂截止、第四功率开关管S₄截止时逆变桥桥臂B点的输出电平为+U₁。电容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。

为保证输出波形为标准正弦波形，实际电路中第一外界电源U₁与第二外界电源U₂的电压值相等U₁＝U₂＝U，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：

1、在输出电感电流i_L大于零的正半周：

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S₁、第三功率开关管S₃ PWM调制，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄截止，此阶段电路在以下四个工作模态间切换：

工作模态I：如图2(a)所示，第一功率开关管S₁导通、第三功率开关管S₃导通第一电感L₁的电流i_L1线性上升，第一功率二极管D₁和第三功率二极管D₃支路无电流通过。逆变桥输出电平为u_A＝U。

工作模态II：如图2(b)所示，第三功率开关管S₃关断，电感电流i_L1从第一功率二极管D₁、第一箝位电容C₁、第一功率开关管S₁支路续流，线性下降。由于第一箝位电容C₁两端自上而下电压在稳态时近似为U，逆变桥输出电平为u_A＝0。

工作模态III：如图2(c)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、第一箝位电容C₁、第三功率二极管D₃支路续流，线性下降。由于第一箝位电容C₁两端自上而下电压在稳态时近似为U，逆变桥输出电平为u_A＝0。

工作模态IV：如图2(d)所示，第一功率开关管S₁关断，第三功率开关管S₃关断，电感电流i_L1从第一功率二极管D₁、第三功率二极管D₃支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为u_A＝-U。

2、在输出电感电流i_L小于零的负半周：

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：第一功率开关管S₁和第三功率开关管S₃截止，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄ PWM调制。此阶段电路在以下四个工作模态间切换：

工作模态V：如图2(e)所示，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄导通，第二电感L₂的电流i_L2线性上升，第二功率二极管D₂、第四功率二极管D₄支路无电流通过。逆变桥输出电平为u_B＝-U。

工作模态VI：如图2(f)所示，第二功率开关管S₂关断，电感电流i_L2从第四功率二极管D₄、第二箝位电容C₂、第四功率开关管S₄支路续流，线性下降。由于第二箝位电容C₂两端自上而下电压在稳态时近似为U，逆变桥输出电平为u_B＝0。

工作模态VII：如图2(g)所示，第四功率开关管S₄关断，电感电流i_L2从第二功率开关管S₂、第二箝位电容C₂、第二功率二极管D₂支路续流，线性下降。由于第二箝位电容C₂两端自上而下电压在稳态时近似为U，逆变桥输出电平为u_B＝0。

工作模态VIII：如图2(h)所示，第二功率开关管S₂、第四功率开关管S₄关断，电感电流i_L2从第二功率二极管D₂、第四功率二极管D₄支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为u_B＝U。

Claims (1)

1.一种电容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)、直流电源输入电路(3)、负载电路(4)，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)的漏极连接，第三功率开关管(S₃)的源极与第一功率二极管(D₁)的阴极连接，第一功率二极管(D₁)的阳极与第三功率二极管(D₃)的阴极连接，第三功率二极管(D₃)的阳极与第二外界电源(U₂)的负端连接，第一电感(L₁)的一端接入第三功率开关管(S₃)的源极与第一功率二极管(D₁)的阴极之间，第一箝位电容(C₁)的正极接入第一功率开关管(S₁)的源极与第三功率开关管(S₃)的漏极之间，第一箝位电容(C₁)的负极接入第一功率二极管(D₁)的阳极与第三功率二极管(D₃)的阴极之间；第二三电平降压电路(2)，第二功率二极管(D₂)的阴极与第一外界电源(U₁)的正端连接，第二功率二极管(D₂)的阳极与第四功率二极管(D₄)的阴极连接，第四功率二极管(D₄)的阳极与第二功率开关管(S₂)的漏极连接，第二功率开关管(S₂)的源极与第四开关管(S₄)的漏极连接，第四功率开关管(S₄)的源极与第二外界电源(U₂)的负端连接，第二电感(L₂)的一端接入第二功率开关管(S₂)的漏极与第四功率二极管(D₄)的阳极之间，第二箝位电容(C₂)的正极接入第二功率二极管(D₂)的阳极与第四功率二极管(D₄)的阴极之间，第二箝位电容(C₂)的负极接入第二功率开关管(S₂)的源极与第四开关管(S₄)的漏极之间；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；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)并联构成的负载电路(4)的一端，滤波电容(C_f)和负载(R)的另一端同时接地。

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