CN103312207A - 无源无损软开关正激逆变器 - Google Patents

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洪峰
陈继洪
刘周成
王维
万运强
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Abstract

一种无源无损软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路、第二正激逆变电路、LCD箝位电路和滤波电路，第一正激逆变电路和第二正激逆变电路按输出电流电压坐标分区间工作，得到逆变输出。具有如下优点：单级结构可实现升压逆变输出和高频电气隔离，且功率容量大，有助于减小整机大小、体积重量和成本；整个电路使用有源功率器件较少，电路拓扑稳定、结构简单，开销小；控制方案简单，易于实现。通过利用附加的电容、电感及二极管等无源器件自身的谐振过程实现了功率器件的软开关，提高了整机效率。

Description

无源无损软开关正激逆变器
一、技术领域
本发明涉及一种可以实现升压逆变、高频电气隔离且具有较大功率容量的无源无损软开关正激逆变器，属电能变换装置中的逆变器。
二、背景技术
随着单级逆变器的广泛研究和应用，人们对单级逆变器的体积重量、功率容量和效率的要求不断提高，而高频化一直是减小逆变器体积重量的重要方法。伴随着高频化，功率器件的开关损耗成为影响效率的主要原因。软开关技术是降低开关损耗，提高系统效率的一个重要手段。有源的软开关技术通过附加开关器件或改变拓扑等方式，导致检测手段和控制策略复杂化。而箝位电路是一种以无源方式实现软开关的途径，它不需要增加开关器件，不会增加控制电路的复杂程度。但是直流变换器中的无源软开关技术在DC/AC中却存在难题。因而希望得到一种能实现软开关的高效率单级逆变器。另一方面，希望该单级逆变器是高频电气隔离的，以满足安全要求，并满足体积重量要求。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是减小拓扑中高频功率器件的开关损耗，提供一种采用无源无损箝位电路且可以实现升压逆变、实现高频电气隔离的单级逆变器。
2、技术方案：为了解决上述的技术问题，本发明的无源无损软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路1、第二正激逆变电路2、LCD箝位电路3和滤波电路4；第一正激逆变电路1包括第一功率三极开关管S1、第二功率三极开关管S2、第一磁复位二极管D1、第二磁复位二极管D2、变压器T、第一整流二极管D3、第一续流二极管D4和第三功率三极开关管S3；第二正激逆变电路2包括第一功率三极开关管S1、第二功率三极开关管S2、第一磁复位二极管D1、第二磁复位二极管D2、变压器T、第二整流二极管D5、第二续流二极管D6和第四功率三极开关管S4；LCD箝位电路3包括箝位电容Cr、谐振电感Lr、第一箝位二极管Dr1和第二箝位二极管Dr2；滤波电路4包括输出滤波电感L；第一正激逆变电路1和第二正激逆变电路2在原边共用第一功率三极开关管S1、第二功率三极开关管S2、第一磁复位二极管D1、第二磁复位二极管D2和LCD箝位电路，且在输出侧并联，经过输出滤波电感L后接到负载R。本发明的无源无损软开关正激逆变器其特征在于，第一功率三极开关管(S1)的漏极、第一磁复位二极管(D1)的阴极和第一箝位二极管(Dr1)的阴极，连接到外接电源(U)的正极；第一功率三极开关管(S1)的源极、第二磁复位二极管(D2)的阴极和箝位电容(Cr)一端，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的同名端；箝位电容(Cr)的另一端和第二箝位二极管(Dr2)的阴极，连接到谐振电感(Lr)的一端；谐振电感(Lr)的另一端连接到第一箝位二极管(Dr1)的阳极；第二功率三极开关管(S2)的源极和第二磁复位二极管(D2)的阳极，连接到外接电源(U)的负极；第二功率三极开关管(S2)的漏极、第二箝位二极管(Dr2)的阳极和第一磁复位二极管(D1)的阳极，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的非同名端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的同名端连接到第一整流二极管(D3)的阳极；第一整流二极管(D3)的阴极和第一续流二极管(D4)的阴极，连接到第三功率三极开关管(S3)的漏极；第三功率三极开关管(S3)的源极和第四功率三极开关管(S4)的漏极，连接到输出滤波电感(L)的一端；输出滤波电感(L)的另一端连接到负载(R)的一端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的非同名端、变压器(T)第二副边电感(Ls2)的同名端、第一续流二极管(D4)的阳极和第二续流二极管(D6)的阴极，连接到负载(R)的另一端；变压器(T)第二副边电感(Ls2)的非同名端连接到第二整流二极管(D5)的阴极；第二整流二极管(D5)的阳极和第二续流二极管(D6)的阳极，连接到第四功率三极开关管(S4)的源极。
3、有益效果：本发明是可实现零电压开关逆变功能的无源无损软开关正激逆变器，具有如下优点：(1)保留了单级正激逆变器拓扑结构稳定可靠、功率容量大、高频电气隔离和控制方案简单的优点；(2)利用原边双管正激电路的特点，使用较易实现的DC/DC软开关技术；(3)通过利用附加的电容、电感及二极管等无源器件自身的谐振过程改善功率器件的开关状况实现软开关的功能，简单可靠；(4)整个电路使用有源功率器件较少，结构简单，开销小。
四、附图说明
图1是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路结构示意图，标号名称：1.第一正激逆变电路；2.第二正激逆变电路；3.LCD箝位电路；4.滤波电路；
图2是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路各开关模态示意图；
图3是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路采用的控制框图。
图中的主要符号名称：S1～S4——第一～第四功率三极开关管；D1、D2——第一、第二磁复位二极管；Dr1、Dr2——第一、第二箝位二极管；Lr——谐振电感；Cr——箝位电容；C1、C2——第一、第二功率三极开关管S1、S2的结电容；D3、D5——第一、第二整流二极管；D4、D6——第一、第二续流二极管；L——输出滤波电感；T——变压器；U——外接电源；uo——逆变器输出电压；uof——输出电压反馈；ur——电压环基准；io——逆变器输出电流；iof——输出电流反馈；ir——电压环输出即电流环基准；V1～V4——功率三极开关管S1～S4的驱动。
五、具体实施方式
如图1所示，本实例的无源无损软开关正激逆变器，其特征在于，第一功率三极开关管(S1)的漏极、第一磁复位二极管(D1)的阴极和第一箝位二极管(Dr1)的阴极，连接到外接电源(U)的正极；第一功率三极开关管(S1)的源极、第二磁复位二极管(D2)的阴极和箝位电容(Cr)一端，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的同名端；箝位电容(Cr)的另一端和第二箝位二极管(Dr2)的阴极，连接到谐振电感(Lr)的一端；谐振电感(Lr)的另一端连接到第一箝位二极管(Dr1)的阳极；第二功率三极开关管(S2)的源极和第二磁复位二极管(D2)的阳极，连接到外接电源(U)的负极；第二功率三极开关管(S2)的漏极、第二箝位二极管(Dr2)的阳极和第一磁复位二极管(D1)的阳极，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的非同名端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的同名端连接到第一整流二极管(D3)的阳极；第一整流二极管(D3)的阴极和第一续流二极管(D4)的阴极，连接到第三功率三极开关管(S3)的漏极；第三功率三极开关管(S3)的源极和第四功率三极开关管(S4)的漏极，连接到输出滤波电感(L)的一端；输出滤波电感(L)的另一端连接到负载(R)的一端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的非同名端、变压器(T)第二副边电感(Ls2)的同名端、第一续流二极管(D4)的阳极和第二续流二极管(D6)的阴极，连接到负载(R)的另一端；变压器(T)第二副边电感(Ls2)的非同名端连接到第二整流二极管(D5)的阴极；第二整流二极管(D5)的阳极和第二续流二极管(D6)的阳极，连接到第四功率三极开关管(S4)的源极。
本发明的无源无损软开关正激逆变器可分为四个工作区间：正激逆变器由第一正激逆变电路和第二正激逆变电路组合得到；以输出电流为纵坐标，输出电压为横坐标的坐标系，将逆变器工作区间划分为四个象限，在第1象限，第一正激逆变电路单独工作；在第3象限，第二正激逆变电路单独工作；第2、4象限，第一、第二正激逆变电路共同工作。当第一正激逆变电路单独工作，第一、第二功率三极开关管S1、S2高频PWM调制，第三功率三极开关管S3工频调制，变压器T第一副边电感Ls1两端电压为正极性的高频PWM调制波，提供正的输出电压和输出电流，即完成逆变器工作区间的第1象限；当第二正激逆变电路单独工作，第一、第二功率三极开关管S1、S2高频PWM调制，第四功率三极开关管S4工频调制，变压器T第二副边电感Ls2两端电压为负极性的高频PWM调制波，提供负的输出电压和输出电流，即完成逆变器工作区间的第3象限；当第一、第二正激逆变电路共同工作，变压器T第一、第二副边电感Ls1、Ls2两端电压组合得到双极性的高频PWM调制波，提供正的输出电压和负的输出电流，或者负的输出电压和正的输出电流，即完成逆变器工作区间的第2、4象限。
变压器始终工作在高频脉宽调制状态。变压器副边绕组电压和原边绕组电压均为高频脉冲调制波，且满足匝比关系。通过匝比设计，可使得输出电压高于或低于输入电压，实现单级升压或降压逆变。由于LCD箝位电路和第一、第二磁复位二极管的存在，将变压器的原边电压始终箝位在外接电源电压范围内，防止第一～第四功率开关管的两端出现电压尖峰，有效的保护了功率开关器件。
下面以附图1为主电路结构，结合附图2来叙述本发明的无源无损软开关正激逆变器的具体工作原理和工作模态。记外接电源U的电压为Ud；箝位电容Cr两端电压为Ucr，极性如图1中标注；流过谐振电感Lr的电流为IL；变压器T第一副边电感Ls1两端电压为u1；变压器T第二副边电感Ls2两端电压为u2；副原边绕组匝数比为n。
1.第1象限：第一正激逆变电路工作，第二正激逆变电路不工作，逆变器输出电压uo＞0；逆变器输出电流io＞0；第一、第二功率三极开关管S1、S2高频PWM调制，第三功率三极开关管S3工频调制；第四功率三极开关管S4截止。此时电路包括7个工作模态：
工作模态I：如图2(a)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3开通，第四功率三极开关管S4关断，第一整流二极管D3导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第二整流二极管D5截止，能量通过变压器传到副边给负载R供电；第一功率三极开关管S1开通时，由于谐振电感Lr的作用，实现了零电流开通(Zero Current Switch，ZCS)；在该模态中，箝位电容Cr通过Dr1和S1与Lr发生谐振，Ucr从-Ud开始上升到正向最大值Ud，IL从零开始上升达最大值后下降到零。
工作模态II：如图2(b)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3保持开通，第四功率三极开关管S4关断，第一整流二极管D3导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第二整流二极管D5截止，能量通过变压器传到副边给负载R供电；在该模态中，Ucr保持不变。
工作模态III：如图2(c)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4关断，第三功率三极开关管S3开通，第一整流二极管D3导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第二整流二极管D5截止，第一、第二功率三极开关管S1、S2关断时，由于箝位电容Cr的作用，实现了零电压关断(Zero Voltage Switch，ZVS)；在该模态中，电流值为n*io的电流给Cr放电、给C1、C2充电，Ucr从最大正电压Ud开始下降到零。
工作模态IV：如图2(d)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4保持关断，第三功率三极开关管S3开通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第二续流二极管D6截止，第一续流二极管D4导通，继续给负载R供电；在该模态中，励磁电感Lp和Cr、C1、C2发生谐振，C1、C2两端电压上升到Ud，Ucr从零开始下降到-Ud，变压器原边电压从正值下降到零，励磁电流上升到最大值。
工作模态V：如图2(e)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4保持关断，第三功率三极开关管S3开通，第一续流二极管D4导通，第一、第二整流二极管D3、D5，第二续流二极管D6截止，第一、第二磁复位二极管D1、D2导通；在该模态中，变压器原边电压反向，励磁电流通过第一、第二磁复位二极管D1、D2下降到零，完成变压器T磁芯复位。
工作模态Ⅵ：如图2(f)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4关断，第三功率三极开关管S3开通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第二续流二极管D6截止，第一续流二极管D4导通，继续给负载R供电。在该模态中，励磁电感Lp、谐振电感Lr和开关管两端的结电容C1、C2再次谐振。第一功率三极开关管S1两端的电压近似为Ud，第二功率三极开关管S2和变压器T两端的电压近似为零，这为第二功率三极开关管S2零电压开通(ZVS)提供了条件。
工作模态VII：如图2(g)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4关断，第三功率三极开关管S3开通，第一续流二极管D4导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第二续流二极管D6截止；在该模态中，变压器T原边电压和第二功率三极开关管S2两端电压保持在零。
2.第2象限：第一正激逆变电路1和第二正激逆变电路2交替工作，输出电平为双极性，u1＝nUd或u2＝-nUd，逆变器输出电压uo＞0；逆变器输出电流io＜0。此时电路包括工作模态I～VII和工作模态VIII～XIV。
3.第3象限：第二正激逆变电路工作，第一正激逆变电路不工作二逆变器输出电压uo＜0；逆变器输出电流io＜0；第一、第二功率三极开关管S1、S2高频PWM调制，第四功率三极开关管S4工频调制；第三功率三极开关管S3截止。此时电路包括7个工作模态：
工作模态VIII：如图2(h)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4开通，第三功率三极开关管S3关断，第二整流二极管D5导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第一整流二极管D3截止，能量通过变压器传到副边给负载R供电；第一功率三极开关管S1开通时，由于谐振电感Lr的作用，实现了零电流开通；在该模态中，箝位电容Cr通过Dr1和S1与Lr发生谐振，Ucr从-Ud开始上升到正向最大值Ud，IL从零开始上升达最大值后下降到零。
工作模态IX：如图2(i)所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4保持开通，第三功率三极开关管S3关断，第二整流二极管D5导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第一整流二极管D3截止，能量通过变压器传到副边给负载R供电；在该模态中，Ucr保持不变。
工作模态X：如图2(j)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3关断，第四功率三极开关管S4开通，第二整流二极管D5导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第一整流二极管D3截止，第一、第二功率三极开关管S1、S2关断时，由于箝位电容Cr的作用，实现了零电压关断；在该模态中，电流值为n*io的电流给Cr放电、给C1、C2充电，Ucr从最大正电压Ud开始下降到零。
工作模态XI：如图2(k)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3保持关断，第四功率三极开关管S4开通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第一续流二极管D4截止，第二续流二极管D6导通，继续给负载R供电；在该模态中，励磁电感Lp和Cr、C1、C2发生谐振，C1、C2两端电压上升到Ud，Ucr从零开始下降到-Ud，变压器原边电压从正值下降到零，励磁电流上升到最大值。
工作模态XII：如图2(l)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3保持关断，第四功率三极开关管S4开通，第二续流二极管D6导通，第一、第二整流二极管D3、D5，第一续流二极管D4截止，第一、第二磁复位二极管D1、D2导通；在该模态中，变压器原边电压反向，励磁电流通过第一、第二磁复位二极管D1、D2下降到零，完成变压器T磁芯复位。
工作模态XIII：如图2(m)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3保持关断，第四功率三极开关管S4开通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第一续流二极管D4截止，第二续流二极管D6导通，继续给负载R供电。在该模态中，励磁电感Lp、谐振电感Lr和开关管两端的结电容C1、C2再次谐振。第一功率三极开关管S1两端的电压近似为Ud，第二功率三极开关管S2和变压器T两端的电压近似为零，这为第二功率三极开关管S2零电压开通(ZVS)提供了条件。
工作模态XIV：如图2(n)所示，第一～第三功率三极开关管S1～S3保持关断，第四功率三极开关管S4开通，第二续流二极管D6导通，第一、第二磁复位二极管D1、D2，第一、第二整流二极管D3、D5，第一续流二极管D4截止；在该模态中，变压器T原边电压和第二功率三极开关管S2两端电压保持在零。
4.第4象限：第一正激逆变电路1和第二正激逆变电路2交替工作，输出电平为双极性，u1＝nUd或u2＝-nUd，逆变器输出电压uo＜0；逆变器输出电流io＞0。此时电路包括工作模态I～VII和工作模态VIII～XIV。
为实现以上工作原理，采用的控制方案如附图3所示：输出电压反馈uof与电压基准ur经电压环调节器运算得到电流基准ir。输出电流反馈iof与电流基准ir经电流环调节器运算得到第一、第二功率三极开关管S1、S2的驱动信号V1、V2，经驱动和死区电路1和2分别驱动第一、第二功率三极开关管S1、S2。电压基准ur经过零比较器运算得到第三、第四功率三极开关管S3、S4的驱动信号V3、V4，经驱动和死区电路3和4分别驱动第三、第四功率三极开关管S3、S4。
由以上描述可知，本发明是一种无源无损软开关正激逆变器，该逆变器具有如下优点：
1.单级结构可实现升压逆变输出和高频电气隔离，且功率容量大，有助于减小整机大小、体积重量和成本；
2.整个电路使用有源功率器件较少，电路拓扑稳定、结构简单，开销小；控制方案简单，易于实现。
3.通过利用附加的电容、电感及二极管等无源器件自身的谐振过程实现了功率器件的软开关，提高了整机效率。

Claims (1)

1.一种无源无损软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路(1)、第二正激逆变电路(2)、LCD箝位电路(3)和滤波电路(4)，其特征在于，第一功率三极开关管(S1)的漏极、第一磁复位二极管(D1)的阴极和第一箝位二极管(Dr1)的阴极，连接到外接电源(U)的正极；第一功率三极开关管(S1)的源极、第二磁复位二极管(D2)的阴极和箝位电容(Cr)一端，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的同名端；箝位电容(Cr)的另一端和第二箝位二极管(Dr2)的阴极，连接到谐振电感(Lr)的一端；谐振电感(LR)的另一端连接到第一箝位二极管(Dr1)的阳极；第二功率三极开关管(S2)的源极和第二磁复位二极管(D2)的阳极，连接到外接电源(U)的负极；第二功率三极开关管(S2)的漏极、第二箝位二极管(Dr2)的阳极和第一磁复位二极管(D1)的阳极，连接到变压器(T)原边电感(Lp)的非同名端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的同名端连接到第一整流二极管(D3)的阳极；第一整流二极管(D3)的阴极和第一续流二极管(D4)的阴极，连接到第三功率三极开关管(S3)的漏极；第三功率三极开关管(S3)的源极和第四功率三极开关管(S4)的漏极，连接到输出滤波电感(L)的一端；输出滤波电感(L)的另一端连接到负载(R)的一端；变压器(T)第一副边电感(Ls1)的非同名端、变压器(T)第二副边电感(Ls2)的同名端、第一续流二极管(D4)的阳极和第二续流二极管(D6)的阴极，连接到负载(R)的另一端；变压器(T)第二副边电感(Ls2)的非同名端连接到第二整流二极管(D5)的阴极；第二整流二极管(D5)的阳极和第二续流二极管(D6)的阳极，连接到第四功率三极开关管(S4)的源极。
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