CN102347697B - 低电压输入全桥逆变的直接dc-ac变换电路 - Google Patents

低电压输入全桥逆变的直接dc-ac变换电路 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种低电压输入全桥逆变的直接DC-AC变换电路,由高频逆变电路、变压电路、储能电路和工频逆变电路构成。高频逆变电路中功率MOSFET工作在准谐振软开关状态,将输入的低压直流转换为低压交流脉冲电压,再通过变压电路转换为高压交流脉冲电压,并由储能电路转换为有效值为220V的正弦半波电压或方波电压。工频逆变电路将正弦半波电压或方波电压逆变成工频正弦交流电压或交流方波电压。本发明的电路设计根据谐振软开关和工频逆变工作原理,设计了低压全桥逆变的直接DC-AC变换电路设计方案,具有结构简单、实现容易、通用性强、效率较高等优点。

Description

低电压输入全桥逆变的直接DC-AC变换电路
技术领域
本发明涉及一种低压直流电压供电、全桥逆变的DC-AC变换器的功率电路设计方案,该DC-AC变换器方案无需直流环节和具有多级变压器输出并联,具有设计简单、成本低廉、支持大功率输出等特征。
背景技术
在蓄电池和太阳电池供电的应用场合,由于输入的直流电压等级较低,常为+12VDC、+24VDC等等,与常用的电器设备的供电等级不符,一般需要采用升压的DC-DC变换器将输入的低压直流电压转换为有效值为220V的交流正弦波电压或交流方波电压。输出电压较高的DC-DC变换器一般都需要升压的隔离高频变压器,都会有一个有整流桥和电解电容构成的直流环节,而且输出端需要高频斩波的逆变器,因而具有设计复杂,整机庞大和效率较低等不足。
发明内容
本发明的目的是要提供一种新型的采用全桥逆变、具有多级变压器输出并联和无需直流环节的DC-AC变换器的功率电路设计方案,它可以适用所有需要交流正弦波或方波电压的应用场合,具有概念清新、灵活性强、设计简单之优点。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种低电压输入全桥逆变的直接DC-AC变换电路,其特征在于,该电路包括用于将低压直流电压转换为低压交流脉冲电压的高频逆变电路、用于将低压交流脉冲电压转换为高压交流脉冲电压的变压电路、用于将高压交流脉冲电压整流滤波为高压直流电压的储能电路以及用于将高压直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压的工频逆变电路;所述高频逆变电路包括功率MOS管组,所述变压电路包括若干串联的初级绕组和与储能电路连接的次级绕组,所述初级绕组和高频逆变电路之间设有谐振电感L1;所述储能电路包括2组串联的整流滤波电路,所述整流滤波电路分别包括二极管、与二极管串联的电解电容E2、与电解电容并联的电容C1。
优选的,所述整流滤波电路中的电解电容上并联有电阻R。
优选的,所述高频逆变电路中的功率MOS管组上并联有电解电容E1。
优选的,所述功率MOS管组包括四只功率MOSFETS1、MOSFETS2、MOSFETS3、MOSFETS4;所述变压电路包括变压器HFT1、HFT2、HFT3;所述工频逆变电路包括功率MOSFETS5、功率MOSFETS6、功率MOSFETS7、功率MOSFETS8以及交流电容和电阻R3;
其中,功率MOSFET S1的漏极、功率MOSFET S2的漏极与电解电容E1的阳极相连后与输入直流电压的正极相连,功率MOSFET S3的漏极、功率MOSFET S4的源极与电解电容E1的阴极相连后与输入直流电压的负极相连,功率MOSFET S1的漏极、功率MOSFET S3的漏极与谐振电感L1的一端相连后与变压电路中变压器HFT1初级绕组的一端相连,功率MOSFETS2的漏极、功率MOSFET S4的漏极与变压电路中变压器HFT3初级绕组的一端相连;
变压器初级绕组HFT1的另一端与变压器HFT2初级绕组的一端相连,变压器HFT2初级绕组的另一端与变压器HFT3初级绕组的另一端相连;
变压器HFT1次级绕组的一端、变压器HFT2次级绕组的一端、变压器HFT3次级绕组的一端与储能电路中高速二极管D1的阳极、高速二极管D2的阴极相连,变压器HFT1次级绕组的另一端、变压器HFT2次级绕组的另一端、变压器HFT3次级绕组的另一端与储能电路中电解电容E2的阴极、电解电容E3的阳极、交流电容C1的一端、交流电容C2的一端、电阻R1的一端、电阻R2的另一端相连;
高速二极管D1的阴极、电解电容E2的阳极、交流电容C1的另一端、电阻R1的另一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S5的漏极、功率MOSFET S6的漏极相连,高速二极管D2的阳极、电解电容E3的阴极、交流电容C2的另一端、电阻R2的另一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S7的源极、功率MOSFET S8的源极相连;
功率MOSFET S5的源极与功率MOSFET S7的漏极相连后与交流电容C3的一端、电阻R3的一端相连,并与输出交流电压Uo的火线L相连,功率MOSFET S6的源极与功率MOSFET S8的漏极相连后与交流电容C3的另一端、电阻R3的另一端相连,并与输出交流电压Uo的零线N相连。
优选的,所述变压电路中变压器HFT1、HFT2、HFT3均为平面变压器。
本发明根据高频逆变器、工频逆变器、高频变压器工作原理以及谐振软开关技术降低开关损耗、变压器初级绕组串联降低简化设计等,设计制作了支持大功率流输出的新型升压型DC-AC变换器,因而具有设计构思新颖、通用性强等特征,同时具有结构简单、成本低、实现容易、效率较高等优点,还可以支持较宽范围功率输出,尤其适用于低压供电的交流电压输出应用。
附图说明
图1为本发明的电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案作进一步描述。
本发明的全桥逆变的直接DC-AC变换电路如图1所示,由高频逆变电路1、变压电路2、储能电路3、工频逆变电路4构成。
高频逆变电路1包括四只功率MOSFET S1~S4、一只谐振电感L1和一只电解电容E1;变压电路2包括三只平面变压器HFT1~HFT3;储能电路3包括两只高速二极管D1~D2、两只交流电容C1~C2、两只电解电容E2~E3和两只电阻R1~R2;工频逆变电路4包括四只功率MOSFETS5~S8、一只电阻R3和一只交流电容C3。
高频逆变电路中,功率MOSFET S1的漏极、功率MOSFET S2的漏极与电解电容E1的阳极相连后与输入直流电压的正极+相连,功率MOSFET S3的漏极、功率MOSFET S4的源极与电解电容E1的阴极相连后与输入直流电压的负极-相连,功率MOSFET S1的漏极、功率MOSFET S3的漏极与谐振电感L1的一端相连后与变压电路中平面变压器HFT1初级绕组的一端相连,功率MOSFET S2的漏极、功率MOSFET S4的漏极与变压电路中平面变压器HFT3初级绕组的一端相连。
变压电路中,平面变压器初级绕组HFT1的另一端与平面变压器HFT2初级绕组的一端相连,平面变压器HFT2初级绕组的另一端与平面变压器HFT3初级绕组的另一端相连。////平面变压器HFT1次级绕组的一端、平面变压器HFT2次级绕组的一端、平面变压器HFT3次级绕组的一端与储能电路中高速二极管D1的阳极、高速二极管D2的阴极相连,平面变压器HFT1次级绕组的另一端、平面变压器HFT2次级绕组的另一端、平面变压器HFT3次级绕组的另一端与储能电路中电解电容E2的阴极、电解电容E3的阳极、交流电容C1的一端、交流电容C2的一端、电阻R1的一端、电阻R2的另一端相连。
储能电路中,高速二极管D1的阴极、电解电容E2的阳极、交流电容C1的另一端、电阻R1的另一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S5的漏极、功率MOSFET S6的漏极相连,高速二极管D2的阳极、电解电容E3的阴极、交流电容C2的另一端、电阻R2的另一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S7的源极、功率MOSFET S8的源极相连。
工频逆变电路中,功率MOSFET S5的源极与功率MOSFET S7的漏极相连后与交流电容C3的一端、电阻R3的一端相连,并与输出交流电压Uo的火线L相连,功率MOSFET S6的源极与功率MOSFET S8的漏极相连后与交流电容C3的另一端、电阻R3的另一端相连,并与输出交流电压Uo的零线N相连。
储能电路中,电解电容E2的阳极和电阻R1的一端相连后作为输出正极+,电解电容E3的阴极和电阻R2的一端相连后作为输出负极-,电解电容E2的阴极、电解电容E3的阳极、电阻R1的另一端、电阻R2的另一端相连。
本发明的工作原理为:
高频逆变电路中,采用传统PWM调制算法,S1与S4一组,S2与S3一组,或采用移相SPWM调制算法,可以将输入的低压直流电压变换成基波为工频的高频低压的PWM电压脉冲,为后级变压电路供电。
变压电路中,三只参数一致的高频平面变压器的初级绕组依次串联,接收和均匀承担输入的基波为工频的高频低压的PWM电压脉冲,经过独立的电磁耦合,各自输出基波为工频的高压高频电压。
储能电路中,通过高速二极管以及电解电容的倍压整流和滤波作用,得到基波为工频的正弦半波或方波。
工频逆变电路中,工频逆变器将正弦半波或方波电压按照波头奇数与偶数不同,逆变成为交流正弦电压或交流方波电压。整个装置完成由低压直流电压-高压交流电压的变换。
变压电路中平面变压器谐振电感、等效初级漏感与功率MOSFET S1~S4的漏源之间的传输电容发生谐振作用,通过选择合适谐振电感量大小,使得谐振频率等于开关频率,可以实现功率MOSFET S1~S4的零电压开通和满载附近的零电流关断,减少开关损耗和降低EMI噪声。变压器电路中高频变压器的次级采用全波整流电路,同时只有一只高速二极管导通电流,因而导通损耗降低,适合低压大电流输出的概念。储能电路采用两只电解电容串联解法,有利于选择体积较小的低压电解电容,同时为了做到均压目的,每只电解电容均并联一只同阻值的电阻。为了进一步提高效率和减少体积,高频变压器采用高性能的平面变压器。
本发明的高频逆变电路、变压电路、储能电路和工频逆变电路为密不可分的四个组成部分,不能简单地单独分析,从而构成低压全桥逆变的直接DC-AC变换电路。工作原理的实质是:高频逆变电路1完成直流低幅值电压到高频低幅值交流电压的变换,变压电路负责将高频低幅值交流电压变换为高频高幅值交流电压,并输送到储能电路,同时变压电路中的谐振电感以及漏感与高频逆变电路中功率MOSFET的漏源之间寄生电容产生谐振,能够实现零电压软开关和满载附近的零电流软开关,降低开关损耗。平面变压器的使用能够降低体积和提高效率,初级绕组的串联可以简化变压器的设计。
上述器件中各电阻、二极管、变压器、电感均要求具有高性能;本发明一个实施例的参数为:输入直流电压12VDC,输出交流电压有效值为220VAC的交流正弦电压或交流方波电压。电解电容E1取4x3300μF,16V,实际四只并联,分散就近布置。电解电容E2取1x47μF,400V。电解电容E3取1x47μF,400V。均压电阻R1取5.1kΩ,1W。均压电阻R2取5.1kΩ,1W。电阻R3取5.1kΩ,1W。高速二极管D1~D2为KSQ15A06B,实际两只并联,安装于散热器。功率MOSFET取IRF3205,实际三只并联,安装于散热器。交流电容C1~C3取1x0.1μF,400V。平面变压器为EE43,初级2圈,次级44圈。谐振电感L1取300μH,载流量35A。
上述实施例仅列示性说明本发明的原理及功效,而非用于限制本发明。任何熟悉此项技术的人员均可在不违背本发明的精神及范围下,对上述实施例进行修改。因此,本发明的权利保护范围,应如权利要求书所列。

Claims (2)

1.一种低电压输入全桥逆变的直接DC-AC变换电路,其特征在于,该电路包括用于将低压直流电压转换为低压交流脉冲电压的高频逆变电路(1)、用于将低压交流脉冲电压转换为高压交流脉冲电压的变压电路(2)、用于将高压交流脉冲电压整流滤波为高压直流电压的储能电路(3)以及用于将高压直流电压逆变成工频交流正弦波电压或交流方波电压的工频逆变电路(4);所述高频逆变电路(1)包括功率MOS管组,所述变压电路(2)包括若干串联的初级绕组和与储能电路连接的次级绕组,所述初级绕组和高频逆变电路(1)之间设有谐振电感L1;所述储能电路包括2组串联的整流滤波电路,所述整流滤波电路分别包括二极管、与二极管串联的电解电容、与电解电容并联的电容;
所述整流滤波电路中的电解电容上并联有电阻R;
所述高频逆变电路(1)中的功率MOS管组上并联有电解电容E1;
所述功率MOS管组包括四只功率MOSFETS1、MOSFETS2、MOSFETS3、MOSFETS4;所述变压电路(2)包括变压器HFT1、HFT2、HFT3;所述工频逆变电路(4)包括功率MOSFETS5、功率MOSFETS6、功率MOSFETS7、功率MOSFETS8以及交流电容和电阻R3;
其中,功率MOSFET S1的漏极、功率MOSFET S2的漏极与电解电容E1的阳极相连后与输入直流电压的正极相连,功率MOSFET S3的源极、功率MOSFET S4的源极与电解电容E1的阴极相连后与输入直流电压的负极相连,功率MOSFET S1的源极、功率MOSFET S3的漏极与谐振电感L1的一端相连后,谐振电感L1的另一端与变压电路中变压器HFT1初级绕组的一端相连,功率MOSFET S2的源极、功率MOSFET S4的漏极与变压电路中变压器HFT3初级绕组的一端相连;
变压器HFT1初级绕组的另一端与变压器HFT2初级绕组的一端相连,变压器HFT2初级绕组的另一端与变压器HFT3初级绕组的另一端相连;
变压器HFT1次级绕组的一端、变压器HFT2次级绕组的一端、变压器HFT3次级绕组的一端与储能电路中高速二极管D1的阳极、高速二极管D2的阴极相连,变压器HFT1次级绕组的另一端、变压器HFT2次级绕组的另一端、变压器HFT3次级绕组的另一端与储能电路中电解电容E2的阴极、电解电容E3的阳极、交流电容C1的一端、交流电容C2的一端、电阻R1的一端、电阻R2的另一端相连;
高速二极管D1的阴极、电解电容E2的阳极、交流电容C1的另一端、电阻R1的另一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S5的漏极、功率MOSFET S6的漏极相连,高速二极管D2的阳极、电解电容E3的阴极、交流电容C2的另一端、电阻R2的一端相连后与工频逆变电路中功率MOSFET S7的源极、功率MOSFET S8的源极相连;
功率MOSFET S5的源极与功率MOSFET S7的漏极相连后与交流电容C3的一端、电阻R3的一端相连,并与输出交流电压Uo的火线L相连,功率MOSFET S6的源极与功率MOSFET S8的漏极相连后与交流电容C3的另一端、电阻R3的另一端相连,并与输出交流电压Uo的零线N相连。
2.如权利要求1所述的低电压输入全桥逆变的直接DC-AC变换电路,其特征在于,所述变压电路中变压器HFT1、HFT2、HFT3均为平面变压器。
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