CN104158416B - 一种隔离型半桥高频链逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种隔离型半桥高频链逆变器，由全波整流电路和后端逆变器电路组成，其特征在于：逆变器电路包括两个功率开关管S₁、S₂，续流二极管D₁、D₂、D₃、D₄，两个储能电容C₁、C₂、一个滤波电容C_o和一个滤波电感L，以及负载电阻R_load,前级无直流LC滤波环节，与后级电容储能半桥逆变电路构成隔离型半桥高频链逆变器；本发明省去了直流母线滤波环节，后级逆变环节采用高频无极性薄膜电容取代传统半桥逆变器的大电解电容Ca，Cb，并且只用了一个输出滤波电感，进一步减小了整机体积小和重量的目的，具有功率密度大，效率高的优点。

Description

一种隔离型半桥高频链逆变器

技术领域

本发明涉及一种隔离型逆变器，属于电能变换装置中的单向电压源高频链逆变技术领域。

背景技术

直/交逆变器长期以来得到广泛关注的风力发电、太阳能发电等场合得到广泛应用。有效地提高直/交逆变器的效率，对高效地利用新能源起着关键作用。同时，随着计算机、通信设备等的广泛应用，用户对供电的质量及可靠性的要求越来越高。在航空上，随着飞机性能的提高和用电设备的不断增加，高效、高可靠性、高功率密度、输入输出之间有电气隔离的静止变流器成为了迫切的需要。逆变器作为航空静止变流器的关键部分，其效率、可靠性、电气性能的提高，体积、重量的减小，有着重要的现实意义。

半桥逆变器长期以来大量研究和应用的的一种逆变器拓扑，该拓扑结构很容易实现逆变环节的高频化和高效率且电路功率管数量较少。但半桥逆变器需要两个大电解电容对前级高频整流滤波后的直流电压进行均分，如果采用全波整流电路时也需要直流LC滤波环节，这无疑会增加整机的体积和重量，且长期使用的直流滤波电容大部分都是电解电容，但是电解电容存在温度范围窄容量随温度变化大，使用期限长时电解液干涸失效，可靠性低等缺点，影响功率密度和整机效率及可靠性的提高。

发明内容

所要解决的技术问题：

针对以上问题，本专利提出了一种新型无直流滤波环节隔离型半桥高频链逆变器拓扑，减少了直流滤波环节，减少电路中所需要的电容容量，可以使用高频电容，有利于提高整机可靠性，减少体积重量，实现逆变器的模块化。

技术方案：

为了实现以上功能，本发明提供了一种隔离型半桥高频链逆变器，由全波整流电路和后端逆变器电路组成，所述全波整流电路包括隔离变压器T，以及整流二极管D_a、D_b、D_c、D_d，其中整流二极管D_a、D_c同向串联，整流二极管D_b、D_d同向串联，所述隔离变压器T的副边A的输出端连接整流二极管D_a的阳极、整流二极管D_c 的阴极，所述隔离变压器T的副边C的输出端连接整流二极管D_b 的阳极、整流二极管D_d的阴极；其特征在于，所述逆变器电路包括两个功率开关管S₁ 、S₂ ，续流二极管D₁、D₂、D₃、D₄ ，两个储能电容C₁、C₂、一个滤波电容C_o和一个滤波电感L，以及负载电阻R_load；

具体连接方式为：所述功率开关管S₁的漏极与续流二极管D₁ 的阴极、整流二极管D_a、D_b的阴极相连；功率开关管S₂的源极与续流二极管D₄的阳极、整流二极管D_c、D_d的阳极相连；功率开关管S₁的源极和功率开关管S₂的漏极相连；

所述滤波电容C_o 的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与滤波电感L相连，并且波电容C_o 的另一端与参考地相连；所述负载电阻R_load并联在滤波电容C_o 两端；

所述滤波电感L的一端与滤波电容C_o 、参考地相连，另一端与功率开关管S₁的源极以及功率开关管S₂的漏极相连，并且与续流二极管D₂的阳极、续流二极管D₃的阴极相连接；

所述续流二极管D₁、D₂、D₃、D₄依次同向串联；

所述储能电容C₁的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D₁的阳极和续流二极管D₂的阴极相连；

所述储能电容C₂的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D₃的阳极和续流二极管D₄的阴极与相连；

所述储能电容C₁、C₂为高频无极性薄膜电容。

有益效果：

本发明省去了直流母线滤波环节，后级逆变环节采用高频无极性薄膜电容取代传统半桥逆变器的大电解电容Ca，Cb，并且只用了一个输出滤波电感，与传统半桥逆变器需要两只均压大电容和两只滤波电感造成整机体积和重量大，功率密度和整机效率不够高相比，该新型无直流滤波环节隔离型半桥高频链逆变器达到了进一步减小了整机体积小和重量的目的，具有功率密度大，效率高的优点。

附图说明

附图1是传统半桥逆变器结构图；

附图2是本发明的拓扑结构图；

附图3-附图8是本发明不同工作模态分析图；

附图9是本发明所采用的控制框图；

附图10是本发明空载时输出电压、储能电容电压U_c1，U_c2、滤波电感电流以及后级驱动波形示意图；

附图11是本发明满载（阻性负载）时输出电压、储能电容电压U_c1，U_c2、滤波电感电流以及后级驱动波形示意图；

其中，S₁、S₂——功率开关管；T——隔离变压器；D_a、D_b、D_c、D_d——整流二极管；C₁、C₂——储能电容；C_o——输出滤波电容；C_a，C_b——直流滤波电容；L_a——直流滤波电感；L——滤波电感；D₁、D₂、D₃、D₄——续流二极管； U_o——逆变器输出电压； R_load——负载电阻。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更详细的描述：

本发明为一种隔离型半桥高频链逆变器，由全波整流电路和后端逆变器电路组成，所述全波整流电路包括隔离变压器T，以及整流二极管D_a、D_b、D_c、D_d，其中整流二极管D_a、D_c同向串联，整流二极管D_b、D_d同向串联，所述隔离变压器T的副边A的输出端连接整流二极管D_a的阳极、整流二极管D_c 的阴极，所述隔离变压器T的副边C的输出端连接整流二极管D_b 的阳极、整流二极管D_d的阴极；其特征在于，所述逆变器电路包括两个功率开关管S₁ 、S₂ ，续流二极管D₁、D₂、D₃、D₄ ，两个储能电容C₁、C₂、一个滤波电容C_o和一个滤波电感L，以及负载电阻R_load；

具体连接方式为：所述功率开关管S₁的漏极与续流二极管D₁ 的阴极、整流二极管D_a、D_b的阴极相连；功率开关管S₂的源极与续流二极管D₄的阳极、整流二极管D_c、D_d的阳极相连；功率开关管S₁的源极和功率开关管S₂的漏极相连；

所述滤波电容C_o 的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与滤波电感L相连，并且波电容C_o 的另一端与参考地相连；所述负载电阻R_load并联在滤波电容C_o 两端；

所述滤波电感L的一端与滤波电容C_o 、参考地相连，另一端与功率开关管S₁的源极以及功率开关管S₂的漏极相连，并且与续流二极管D₂的阳极、续流二极管D₃的阴极相连接；

所述续流二极管D₁、D₂、D₃、D₄依次同向串联；

所述储能电容C₁的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D₁的阳极和续流二极管D₂的阴极相连；

所述储能电容C₂的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D₃的阳极和续流二极管D₄的阴极与相连；

所述储能电容C₁、C₂为高频无极性薄膜电容。

下面结合附图说明本发明的电路结构及工作原理。

附图2 是隔离型半桥高频链逆变器结构图，其电路的组成是，功率开关管S₁、续流二极管D₁、D₂和D₃、储能电容C₁和C₂、滤波电感L₁和滤波电容C_o构成了电感电流正半周的工作电路；功率开关管S₂、续流二极管D₂、D₃和D₄、储能电容C₁和C₂、滤波电感L₁和滤波电容C_o构成电感电流负半周的工作电路。

附图4是本发明隔离型半桥高频链逆变器采用的控制框图，功率开关管S₁，S₂采用SPWM控制。这是一种电压电流双闭环负反馈控制方式，控制结构由电压外环和电流内环构成，其电压外环控制输出电压，电流内环用来采样输出电流，使其跟踪电压外环误差输出。其控制原理为：将输出电压采样信号与正弦基准电压信号Ur相比较，通过PI调节输出一个误差信号，它别用来作为电流环输入信号的给定，再与输出电流采样信号进行比较，通过一个比例调节得到电流内环误差输出信号，该电流误差信号具有一定幅值和频率的高频三角载波相比较，生成功率开关管S₁、S₂的驱动信号。为了防止功率开关管S₁、S₂同时导通，两路驱动信号之间要增加一定的死区时间。电压外环采用PI调节，开环增益高，且可精确的控制输出电压跟随正弦基准电压。电流内环可等价为一个电流放大器，具有动态响应速度快，能自然限流等特点，可以提高系统的可靠性。由于采用的是负反馈误差信号与固定频率三角载波交截，得到的开关驱动信号也为固定频率，方便输出电感和滤波电容的设计。

实施例

附图10和附图11分别给出了两个仿真实例：附图10给出了本发明电路空载时的一些主要波形，附图11给出了本发明电路满载（阻性负载）时的一些主要波形。仿真参数如下：前级输入电压U_in=240V，输出电压为U_d=115V/400Hz，额定输出功率为500W，输出滤波电容10μF，输出滤波电感500μH。仿真得到满载时输出电压THD= 0.00602，两个仿真实例均达到了预期的效果，验证了本发明提出的主电路和控制电路是正确的、可行的。

下面以附图2为例，结合附图3来叙述本发明的隔离型半桥高频链逆变器右侧电路工作模态。该隔离型半桥高频链逆变器共有六个工作模态，每个工作模态对应的等效电路如图3所示。

工作模态1

当电感电流为正半周期时，功率开关管S₂处于关断状态，功率开关管S₁开通，储能电容C₁电压小于变压器副边电压，续流二极管D₂导通，通过母线经滤波电感L向负载供电，并经过续流二极管D₂给电容储能电容C₁充电，滤波电感L电流i_L线性上升，电流流向如附图3所示。

工作模态2

功率开关管S₂仍处于关断状态，功率开关管S₁关断，储能电容C₂，续流二极管D₃为滤波电感L的电流i_L组成续流通路，滤波电感L的电流i_L线性下降，滤波电感L中的能量转移到储能电容C₂中存储起来。电流流向如附图4所示。

工作模态3

当输出电流为负半周期时，功率开关管S₁处于关断状态，滤波电感L电流i_L为零。当功率开关管S₂开通后，由于在输出电流为正半周期内对储能电容C₂的充电作用，导致储能电容C₂上的电压高于变压器副边的电压，所以续流二极管D₄导通，储能电容C₂放电，滤波电感L的电流i_L线性上升，电流流向如附图5所示。

工作模态4

当储能电容C₂放电至变压器副边电压时，续流二极管D₃导通，母线电流经滤波电感L向负载电阻R_load供电，并经续流二极管D₃给储能电容C₂充电，滤波电感L的电流i_L线性上升。电流流向如附图6所示。

工作模态5

当模态4结束后，功率开关管S₁仍处于关断状态，功率开关管S₂关断，储能电容C₁，续流二极管D₂为滤波电感L的电流i_L组成续流通路，滤波电感L的电流i_L线性下降，滤波电感L中的能量转移到储能电容C₁中存储起来。电流流向如附图7所示。

工作模态6

当输出电感电流在刚进入正半周期时，功率开关管S₂处于关断状态，滤波电感L电流i_L为零。当功率开关管S₁开通后，由于在输出电流为负半周期内对储能电容C₁的充电作用，导致储能电容C₁上的电压高于变压器副边电压，所以续流二极管D₁导通，储能C₁放电，滤波电感L的电流i_L线性上升，电流流向如附图8所示。

Claims (1)

1.一种隔离型半桥高频链逆变器，由全波整流电路和后端逆变器电路组成，所述全波整流电路包括隔离变压器T，以及整流二极管Da、Db、Dc、Dd ，其中整流二极管Da、Dc同向串联，整流二极管Db、Dd 同向串联，所述隔离变压器T的副边A的输出端连接整流二极管Da 的阳极、整流二极管Dc 的阴极，所述隔离变压器T的副边C的输出端连接整流二极管Db 的阳极、整流二极管Dd 的阴极；其特征在于，所述逆变器电路包括两个功率开关管S1 、S2 ，续流二极管D1、D2、D3、D4 ，两个储能电容C1、C2、一个滤波电容Co和一个滤波电感L，以及负载电阻Rload ；

具体连接方式为：所述功率开关管S1的漏极与续流二极管D1 的阴极、整流二极管Da、Db的阴极相连；功率开关管S2的源极与续流二极管D4的阳极、整流二极管Dc、Dd的阳极相连；功率开关管S1的源极和功率开关管S2的漏极相连；

所述滤波电容Co 的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与滤波电感L相连，并且滤波电容Co 的另一端与参考地相连；所述负载电阻Rload并联在滤波电容Co 两端；

所述滤波电感L的一端与滤波电容Co 、参考地相连，另一端与功率开关管S1的源极以及功率开关管S2的漏极相连，并且与续流二极管D2的阳极、续流二极管D3的阴极相连接；

所述续流二极管D1、D2、D3、D4依次同向串联；

所述储能电容C1的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D1的阳极和续流二极管D2的阴极相连；

所述储能电容C2的一端与隔离变压器T的抽头相连接，另一端与续流二极管D3的阳极和续流二极管D4的阴极与相连；

所述储能电容C1、C2为高频无极性薄膜电容；

将输出电压采样信号与正弦基准电压信号Ur相比较，通过PI调节输出一个误差信号，用来作为电流环输入信号的给定，再与输出电流采样信号进行比较，通过一个比例调节得到电流内环误差输出信号，该电流误差信号具有幅值，将所述幅值与频率的高频三角载波相比较，生成功率开关管S1、S2的驱动信号；

为了防止功率开关管S1、S2同时导通，两路驱动信号之间要增加死区时间；

电压外环采用PI调节；电流内环等价为一个电流放大器。