CN102097969A - 一种双向级联升降压直流－交流变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双向级联升降压直流-交流变换器，属于电力电子技术领域。包括降压级电路、直流母线电感、升压级电路和控制电路。降压级电路由两个全控器件和两个二极管组成H桥结构，能够在直流母线上产生双极性的交流电压；升压级电路由四个单向全控开关器件形成H桥结构，能够再输出端产生双极性的交流电压。本发明的变换器中，控制电路通过适当改变降压级电路以及升压级电路各自的导通模式，控制直流母线电流的开关周期平均值恒定，从而保证变流器具有升降压能力，双向能量流动的能力以及直流-交流变换能力。

Description

一种双向级联升降压直流-交流变换器

技术领域

本发明涉及一种双向级联升降压直流-交流变换器，属于电力电子技术领域。 

背景技术

如今，直流-交流变换器已在商业和工业领域中得到了广泛的应用。例如，电动汽车驱动系统、储能系统、可再生能源发电系统等等中都会用到直流-交流变换器。目前，传统的电压源型变换器的在这些应用中占有较大的市场份额。由于传统的电压源型变换器本质上是基于降压型直流-直流变换电路拓扑，因此这类型的直流-交流变换器只能运行在降压输出的状态。但是，在很多应用场合中，如电动汽车、燃料电池、光伏发电系统中，都要求直流-交流变换器同时具有升压和降压输出能力。不仅如此，在某些应用中还需要直流-交流变换器具有双向的能量流动能力，例如双馈式风力发电系统，轨道交通牵引系统、并网电储能系统等等。针对这些应用场合，需要一种既具有双向能量流动能力又具有升降压运行能力的直流-交流变换器。 

针对双向升降压直流-交流变换器的研发，目前已有一些报道。其中较有代表性的是传统升压逆变器方案，Z源逆变器方案(F.Z.Peng，Z-source inverter，IEEE Trans.Ind.Appl.，vol.39，no.2，pp.504-510，Mar/Apr.2003)和差动输出方案(R.O.Caceres and I.Barbi，A Boost DC-AC Converter：Analysis，Design，and Experimentation，IEEE Trans.Power Electron.，vol.14，no.1，pp.134-141，Jan.1999.)。传统升压逆变器由一个双向升压式直流-直流变换电路和一个降压型电压源型逆变电路级联而成，这两级电路分别需要一个电感和一个电容作为主要储能元件，从而使得该方案的体积、重量和成本上都较高。而且，由于在交流应用中负载瞬时功率是时刻波动的，大幅变化的工作点使得其双向升压式直流-直流变换电路控制困难。Z源逆变器方案虽然能够将传统升压逆变器的两级结构合并为一级，从而克服其体积、重量上的缺陷，但由于Z源逆变器系统的阶数较高，其控制和调制策略较为复杂，输出的动态性能得不到很好地保障。差动输出方案中，总电路由两级具有相同结构的双向升压或升降压直流-直流变换电路组成，总电路的输出是这两级电路输出的差。这种方案也能够克服传统升压逆变器成本和效率上的不足，但由于升压或升降压直流-直流变换电路本质上存在控制自由不够的问题，在交流应用中由于工作点的大幅变化，系统的控制也十分困难。 

发明内容

本发明的目的是提出一种双向级联升降压直流-交流变换器，以使变换器同时具有双 向能量流动和升降压功能，并使变换器的体积较小、重量和成本较低。 

本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器，包括： 

降压级电路，用于将直流输入电压转换为双极性的脉宽调制输出电压，并具有降压能力。降压级电路由第一晶体管、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、直流电压输入正极端子、直流电压输入负极端子、降压级输出参考正极端子和降压级输出参考负极端子组成；第一晶体管的集电极与直流电压输入正极端子相连，第一晶体管的发射极与降压级输出参考正极端子相连，第一二极管的阳极与直流电压输入负极端子相连，第一二极管的阴极与降压级输出参考正极端子相连；第二晶体管的发射极与直流电压输入负极端子相连，第二晶体管的集电极与降压级输出参考负极端子相连，第二二极管的阴极与直流电压输入正极端子相连，第二二极管的阳极与降压级输出参考负极端子相连； 

升压级电路，用于将直流输入电流转换为双极性的脉宽调制输出电流后注入到输出电容中，从而实现双极性的电压输出，并具有升压能力。升压级电路由第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管、输出电容、升压级电路输入参考正极端子、升压级电路输入参考负极端子、交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子组成；第三晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第三晶体管的发射极与交流电压输出参考正极端子相连；第四晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第四晶体管的集电极与交流电压输出参考正极端子相连；第五晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第五晶体管的发射极与交流电压输出参考负极端子相连；第六晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第六晶体管的集电极与交流电压输出参考负极端子相连；输出电容的两端分别与交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子相连。 

直流母线电感，用于存储能量，并保证直流母线电流有较小的纹波。直流母线电感串联在上述降压级输出参考正极端子和上述升压级电路输入参考正极端子之间，或者串连在上述降压级输出参考负极端子和上述升压级电路输入参考负极端子之间，或同时串联在上述降压级输出参考正极端子和上述升压级电路输入参考正极端子之间以及上述降压级输出参考负极端子和上述升压级电路输入参考负极端子之间； 

上述直流-交流变换器，其中的第一晶体管和第二晶体管为绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化层-半导体-场效晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管中的任何一种。 

上述直流-交流变换器中，所述的第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或反向阻断型绝缘栅双极型晶体管中的任何一种。 

本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器，其优点是，相比传统升压逆变器方案、Z源逆变器方案和差动输出方案，由于变换器中只有一个储能电感器，因此具有较小 体积、较轻的重量和较低的成本；同时根据其工作原理可知，本变换器具有双向能量流动能力，既可升压也可降压运行。此外，本变换器的动态模型结构简单、阶数低，因此相比传统方案，其动态性能更加优良，控制系统的软件设计也更加简单。 

附图说明

图1是本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器的电路图。 

图2是本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器的直流母线电感的三种具体实施方式，其中图2(a)是直流母线电感串联在降压级输出参考正极端子和升压级电路输入参考正极端子之间的实施示意图，图2(b)是直流母线电感串联在降压级输出参考负极端子和升压级电路输入参考负极端子之间的实施示意图，图2(c)是直流母线电感同时串联在降压级输出参考正极端子和升压级电路输入参考正极端子之间以及降压级输出参考负极端子和升压级电路输入参考负极端子之间的实施示意图。 

图3是本发明变换器中降压级电路的导通模式示意图，其中图3(a)是降压级电路处于正向降压导通模式下的开关器件导通情况，图3(b)是降压级电路处于续流导通模式下的开关器件导通情况，图3(c)是降压级电路处于反向降压导通模式下的开关器件导通情况。 

图4是本发明变换器中升压级电路的导通模式示意图，其中图4(a)是升压级电路处于正向升压导通模式下的开关器件导通情况，图4(b)是升压级电路处于续流模式下的开关器件导通情况，图4(c)是升压级电路处于反向升压导通模式下的开关器件导通情况。 

图5是本发明变换器的等效电路图及工作原理示意图。 

图1-图4中，1-1是正极端子，1-2是负极端子，2是降压级电路，3是，4是直流母线电感，6是升压级电路。 

具体实施方式

本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器，其结构如图1所示，包括： 

降压级电路2，用于将直流输入电压转换为双极性的脉宽调制输出电压，并具有降压能力。降压级电路2由第一晶体管2-1、第二晶体管2-4、第一二极管2-2、第二二极管2-3、直流电压输入正极端子1-1、直流电压输入正极端子1-2、降压级输出参考正极端子3-1和降压级输出参考负极端子3-2组成；第一晶体管2-1的集电极与直流电压输入正极端子1-1相连，第一晶体管2-1的发射极与降压级输出参考正极端子3-1相连，第一二极管2-2的阳极与直流电压输入正极端子1-2相连，第一二极管2-2的阴极与降压级输出参考正极端子3-1相连；第二晶体管2-4的发射极与直流电压输入正极端子1-2相连，第二晶体管2-4的集电极与降压级输出参考负极端子3-2相连，第二二极管2-3的阴极与直流电压输入正极端子1-1相连，第二二极管2-3的阳极与降压级输出参考负极端子3-2相连； 

升压级电路6，用于将直流输入电流转换为双极性的脉宽调制输出电流后注入到输出 电容6-5中，从而实现双极性的电压输出，并具有升压能力。升压级电路6由第三晶体管6-1、第四晶体管6-2、第五晶体管6-3和第六晶体管6-4、输出电容6-5、升压级电路输入参考正极端子5-1、升压级电路输入参考负极端子5-2、交流电压输出参考正极端子7-1和交流电压输出参考负极端子7-2组成；第三晶体管6-1的集电极与升压级电路输入参考正极端子5-1相连，第三晶体管6-1的发射极与交流电压输出参考正极端子7-1相连；第四晶体管6-2的发射极与升压级电路输入参考负极端子5-2相连，第四晶体管6-2的集电极与交流电压输出参考正极端子7-1相连；第五晶体管6-3的集电极与升压级电路输入参考正极端子5-1相连，第五晶体管6-3的发射极与交流电压输出参考负极端子7-2相连；第六晶体管6-4的发射极与升压级电路输入参考负极端子5-2相连，第六晶体管6-4的集电极与交流电压输出参考负极端子7-2相连；输出电容6-5的两端分别与交流电压输出参考正极端子7-1和交流电压输出参考负极端子7-2相连。 

直流母线电感4，用于存储能量，并保证直流母线电流有较小的纹波。直流母线电感串联在上述降压级输出参考正极端子3-1和上述升压级电路输入参考正极端子5-1之间，或者串连在上述降压级输出参考负极端子3-2和上述升压级电路输入参考负极端子5-2之间，或同时串联在上述降压级输出参考正极端子3-1和上述升压级电路输入参考正极端子5-1之间以及上述降压级输出参考负极端子3-2和上述升压级电路输入参考负极端子5-2之间； 

所述的第一晶体管2-1和第二晶体管2-4为绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化层-半导体-场效晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管中的任何一种。 

第三晶体管6-1、第四晶体管6-2、第五晶体管6-3和第六晶体管6-4为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或反向阻断型绝缘栅双极型晶体管中的任何一种。 

图2是本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器的直流母线电感4的三种具体实施方式，其中图2(a)是直流母线电感4串联在降压级输出参考正极端子3-1和升压级电路输入参考正极端子5-1之间的实施示意图，图2(b)是直流母线电感4串联在降压级输出参考负极端子3-2和升压级电路输入参考负极端子5-2之间的实施示意图，图2(c)是直流母线电感4同时串联在降压级输出参考正极端子3-1和升压级电路输入参考正极端子5-1之间以及降压级输出参考负极端子3-2和升压级电路输入参考负极端子5-2之间的实施示意图。 

图3～图5是本发明提出的双向级联升降压直流-交流变换器的工作原理和工作过程。 

图3是本发明变换器中降压级电路的导通模式示意图。加粗的部分表示的是电流的通路。 

图3(a)表示的是降压级电路处于正向降压导通模式下的开关器件导通情况。在正向降压导通模式下，降压级电路的第一晶体管2-1、第二晶体管2-4导通，而第一二极管2-2、第二二极管2-3关断。电流从直流电压输入正极端子1-1流出，经过第一晶体管2-1、第 二晶体管2-4、直流母线电感4以及升压级电路后，从直流电压输入负极端子1-2流回。在这种导通情况下，降压级电路的开关函数S_buckon取值为1。 

图3(b)表示的是降压级电路处于续流导通模式下的开关器件导通情况。在续流导通模式下，降压级电路中第二晶体管2-4和第一二极管2-2导通，而第一晶体管2-1和第二二极管2-3关断。电流从导通的第一二极管2-2流出，流经过直流母线电感4以及升压级电路后，从导通的第二晶体管2-4流回。在这种导通情况下，降压级电路的开关函数S_buckon取值为0。 

图3(c)表示的是降压级电路处于反向降压导通模式下的开关器件导通情况。在反向降压导通模式下，降压级电路中的第一二极管2-2、第二二极管2-3导通，而第一晶体管2-1和第二晶体管2-4关断。电流直流电压输入负极端子1-2流出，经过第一二极管2-2、第二二极管2-3、直流母线电感4以及升压级电路后，从直流电压输入正极端子1-1流回。在这种导通情况下，降压级电路的开关函数S_buckon取值为-1。 

图4是本发明变换器中升压级电路的导通模式示意图。加粗的部分表示的是电流的通路。 

图4(a)表示的是升压级电路处于正向升压导通模式下的开关器件导通情况。在正向升压导通模式下，升压级电路中，第三晶体管6-1以及第六晶体管6-4导通，而第四晶体管6-2和第五晶体管6-3关断。电流从升压级电路输入参考正极端子5-1流出，经过第三晶体管6-1以及第六晶体管6-4、输出电容6-5，以及负载后，从升压级电路输入参考负极端子5-2流回。在正向升压导通模式下，升压级电路的开关函数S_boostoff取1。 

图4(b)表示的是升压级电路处于续流模式下的开关器件导通情况。在续流模式下，升压级电路中，第三晶体管6-1以及第四晶体管6-2导通，而第五晶体管6-3和第六晶体管6-4关断。电流从升压级电路输入参考正极端子5-1流出，经过第三晶体管6-1以及第四晶体管6-2，从升压级电路输入参考负极端子5-2流回，同时，输出电容6-5和负载之间形成的回路中也有电流流过。在续流模式下，升压级电路的开关函数S_boostoff取0。 

图4(c)表示的是升压级电路处于反向升压导通模式下的开关器件导通情况。在反向升压导通模式下，升压级电路中，第五晶体管6-3以及第四晶体管6-2导通，而第三晶体管6-1和第六晶体管6-4关断。电流从升压级电路输入参考正极端子5-1流出，经过第五晶体管6-3以及第四晶体管6-2、输出电容6-5，以及负载后，从升压级电路输入参考负极端子5-2流回。在反向升压导通模式下，升压级电路的开关函数S_boostoff取-1。 

图5是本发明变换器的等效电路图及工作原理示意图。该等效电路图的建立是基于前述降压级电路以及升压级电路的导通模式。通过所述的直流-交流变换器的控制软件，适当改变降压级电路以及升压级电路的导通模式，从而调节降压级电路的开关函数S_buckon和升压级电路的开关函数S_boostoff，保持流过直流母线电感的直流母线电流i_L开关周期平均值恒定。这里，直流母线电流i_L的开关周期平均值 

定义为： 

${\stackrel{\‾}{i}}_L=\frac{1}{T}{\∫}_0^T{i}_L\mathrm{dt}$

其中T为开关周期。以下其他变量的开关周期平均值定义类似。 

在这种控制方式下，有 

${\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{OUT}}=\frac{D_{\mathrm{buckon}}}{D_{\mathrm{boostoff}}}{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{IN}}$

其中， 

和 分别是输入电压和输出电压的开关周期平均值，D_buckon和D_boostoff分别是降压级电路的开关函数S_buckon和升压级电路的开关函数的开关周期平均值，取值在[-1，1]之间。电路的输入平均功率为： 

${\stackrel{\‾}{P}}_{\mathrm{IN}}=D_{\mathrm{buckon}}{\stackrel{\‾}{u}}_{\mathrm{IN}}{i}_L$

由以上两式可以看出， 

1)当|D_buckon|≥|D_boostoff|时，输出电压高于输入电压，电路具有升压功能。 

2)当|D_buckon|≤|D_boostoff|是，输出电压低于输入电压，电路具有降压功能。 

3)D_buckon和D_boostoff都具有双极性，因此输出电压也具有双极性，即电路能够产生具有双极性电压的交流输出。 

4)D_buckon和D_boostoff都具有双极性，因此输入平均功率 也具有双极性，即电路可以实现能量的双向流动。 

虽然本发明参照其特定示例性实施方案进行了描述和解释，但这并非试图将本发明限制在这些示例性实施例上，本领域技术人员将能够做出变形和修改而不偏离下边权利要求所定义的本发明的实质范围。因此，这意味着在本发明中包含所有这些落在所附权利要求和其等效的范围中的变形和修改。 

Claims (3)

1.一种双向级联升降压直流-交流变换器，其特征在于该变换器包括：

降压级电路，用于将直流输入电压转换为双极性的脉宽调制输出电压，并具有降压能力。降压级电路由第一晶体管、第二晶体管、第一二极管、第二二极管、直流电压输入正极端子、直流电压输入负极端子、降压级输出参考正极端子和降压级输出参考负极端子组成；第一晶体管的集电极与直流电压输入正极端子相连，第一晶体管的发射极与降压级输出参考正极端子相连，第一二极管的阳极与直流电压输入负极端子相连，第一二极管的阴极与降压级输出参考正极端子相连；第二晶体管的发射极与直流电压输入负极端子相连，第二晶体管的集电极与降压级输出参考负极端子相连，第二二极管的阴极与直流电压输入正极端子相连，第二二极管的阳极与降压级输出参考负极端子相连；

升压级电路，用于将直流输入电流转换为双极性的脉宽调制输出电流后注入到输出电容中，从而实现双极性的电压输出，并具有升压能力。升压级电路由第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管、输出电容、升压级电路输入参考正极端子、升压级电路输入参考负极端子、交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子组成；第三晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第三晶体管的发射极与交流电压输出参考正极端子相连；第四晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第四晶体管的集电极与交流电压输出参考正极端子相连；第五晶体管的集电极与升压级电路输入参考正极端子相连，第五晶体管的发射极与交流电压输出参考负极端子相连；第六晶体管的发射极与升压级电路输入参考负极端子相连，第六晶体管的集电极与交流电压输出参考负极端子相连；输出电容的两端分别与交流电压输出参考正极端子和交流电压输出参考负极端子相连。

直流母线电感，用于存储能量，并保证直流母线电流有较小的纹波。直流母线电感串联在上述降压级输出参考正极端子和上述升压级电路输入参考正极端子之间，或者串连在上述降压级输出参考负极端子和上述升压级电路输入参考负极端子之间，或同时串联在上述降压级输出参考正极端子和上述升压级电路输入参考正极端子之间以及上述降压级输出参考负极端子和上述升压级电路输入参考负极端子之间；

2.如权利要求1所述的直流-交流变换器，其特征在于其中所述的第一晶体管和第二晶体管为绝缘栅双极型晶体管、金属-氧化层-半导体-场效晶体管、门极可关断晶闸管或集成门极换流晶闸管中的任何一种。

3.如权利要求1所述的直流-交流变换器，其特征在于其中所述的第三晶体管、第四晶体管、第五晶体管和第六晶体管为门极可关断晶闸管、集成门极换流晶闸管或反向阻断型绝缘栅双极型晶体管中的任何一种。

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