CN105048850B - 一种单级zvs型推挽式高频环节dc/ac变换器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器，其结构包括：输入直流电压源U_in；高频隔离变压器Tr；第一、第二和第三功率管S₁、S₂与S₃；周波变换器及LC滤波电路。采用提出的PWM开关控制策略，第一、二功率管S₁、S₂很容易实现ZVS开通，第三功率管S₃在变压器漏感能量足够的条件下实现ZVS开通；变压器副边功率管很容易实现ZVS换流，有效的减小了开关损耗，提高了变换器的工作效率。这种变换器主要适用于需要隔离的中低压输入场合。

Description

一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器

技术领域

本发明涉及一种将直流电变换为交流电的DC/AC变换器，尤其是涉及一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

传统的逆变器具有结构简单、技术成熟、性能可靠等优点，但也存在体积笨重、低频噪声严重、负载动态响应差等不足之处。随着电力电子技术的发展，对逆变器的要求是体积小、重量轻、噪声低、响应快等等，为此出现了高频环节DC/AC变换技术以提高逆变器的性能。目前，高频环节DC/AC变换技术主要可分为直流变换器型高频环节DC/AC变换器与周波变换器型高频环节DC/AC变换器两大类：前一类直流变换器型包括“DC/HFAC/DC/AC”的三级变换结构，变换级数与结构相对复杂，三级能量传输的方式导致变换效率不高；后一类周波变换器型则包括“DC/HFAC/AC”两级的功率传输结构，结构相对简单，功率可双向传输，两级的能量传输方式使得其变换效率得到很大的提高，为此后一类DC/AC变换器得到了广泛的研究与应用。

周波变换器型高频环节DC/AC变换器是先将输入直流电压调制成高频脉冲交流电压，高频脉冲交流电压再经过高频变压器进行电压匹配与电气隔离，再经周波变换器解调成低频交流脉冲电压，最后经LC滤波电路滤波后得到正弦交流电。但是采用传统PWM控制的周波变换器存在器件换流时电压过冲及EMI等问题。针对这个问题，目前主要做法有采用有源箝位电路吸收漏感中的能量以减小功率开关管上的电压尖峰；采用串联谐振技术以实现功率管的ZVS或ZCS；采用周波变换器的换流重叠单极性、双极性移相控制策略等等；这些方法可以较好的解决电压过冲、开关损耗及EMI等问题，但同时也增加了电路及控制的复杂性。为此，研究一种电路结构简单，同时其功率管可以实现软开关的高频环节DC/AC变换器具有重大意义。

发明内容

本发明针对背景技术中高频环节DC/AC变换器中存在的问题而提出了一种结构简单，变换效率高，具有隔离效果的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器。

本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器通过以下技术方案实现，如附图1所示，其包括高频隔离变压器原边电路与副边电路，高频隔离变压器(3)包括原边第一绕组P₁、原边第二绕组P₂及副边绕组N；变压器原边电路包括直流电压源U_in(1)，带反并联二极管及外并电容的第一功率管S₁、第二功率管S₂和第三功率管S₃(2)；变压器副边电路则包含一个周波变换器(4)和LC滤波电路(5)；LC滤波电路则包括滤波电感L_f与滤波电容C_o。其中，直流电压源U_in的正极接第三功率管S₃的漏极；第三功率管S₃的源极接变压器原边第一绕组P₁的异名端和第二绕组P₂的同名端，第一功率管S₁的源极接第二功率管S₂的源极和直流电压源U_in的负极，第一功率管S₁的漏极接原边第一绕组P₁的同名端，第二功率管S₂的漏极接原边第二绕组P₂的异名端；原边第一绕组P₁的异名端接第二绕组P₂的同名端，变压器的副边绕组N的同名端与周波变换器的上输入端相连，副边绕组N的异名端与周波变换器的下输入端相连；滤波电感L_f的左端则与周波变换器的上输出端相连，滤波电感L_f的右端接滤波电容C_o的上端，滤波电容C_o的下端与周波变换器的下输出端相连，其特征在于：所述的推挽式高频环节DC/AC变换器副边的功率管可以实现ZVS换流。

本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器变压器原边三个功率管S₁～S₃的开关控制策略如附图2所示。其中，第一功率管S₁的驱动信号为u_gs1，第二功率管S₂的驱动信号为u_gs2，第三功率管S₃的驱动信号为u_gs3。第三功率管S₃的驱动信号u_gs3采用正弦波单极性调制得到，而第一功率管S₁、第二功率管S₂的驱动信号u_gs1、u_gs2与第三功率管S₃的驱动信号u_gs3的关系有：

u_gs1，u_gs2与u_gs3两两之间插入一定的死区时间以实现功率管S₁～S₃的ZVS开通。

本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器的周波变换器部分可为全波式周波变换器或全桥式周波变换器，其结构如附图3(a)、(b)所示。

本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器所有功率管均是双向的，可采用MOSFET或带反并联二极管的IGBT。

综上所述可知，本发明的ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器的有如下技术特征：

1)电路结构简单。

2)输入输出高频电气隔离且输入输出电压匹配能力强，适用于中低压输入场合。

3)原边功率管S₁～S₃可实现软开关，副边功率管可以实现ZVS换流，减小开关损耗，提高了DC/AC变换器的工作效率。

4)可实现能量的双向传输。

附图说明

附图1本发明提出的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器的电路原理图。

附图2本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器功率管S₁～S₃的驱动信号时序图。

附图3本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器的周波变换器电路原理图。

附图4本发明采用全波式周波变换器的单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器实施例电路原理图。

附图5本发明实施例中功率管S₁～S₇的开关策略。

附图6本发明实施例中的一个开关周期内主要波形示意图。

附图7～附图11为本发明的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器实施例的各个开关模态示意图。

以上附图中的主要符号名称：U_in：直流电源电压；S₁～S₁₁：功率管；C₁～C₃：功率管S₁～S₃的结电容与外并电容之和；D₁～D₇：功率管S₁～S₇的体二极管；Tr：高频隔离变压器；L_f：滤波电感；C_o：滤波电容；u_o：输出电压；u_gs1～u_gs3：功率管S₁～S₃的驱动信号；u₄₅～u₆₇：功率管S₄～S₇的驱动信号；L_leak-1、L_leak-2：变压器原边绕组P₁、P₂的漏感；u_ds1～u_ds3：功率管S₁～S₃两端承受的电压；i₁～i₃：流过功率管S₁～S₃的电流；u_P1：变压器原边绕组P₁。

Claims (3)

1.一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器，其包括高频隔离变压器原边电路与副边电路，高频隔离变压器(3)包括原边第一绕组P₁、原边第二绕组P₂及副边绕组N；变压器原边电路包括直流电压源U_in(1)，带反并联二极管及外并电容的第一功率管S₁、第二功率管S₂和第三功率管S₃(2)；变压器副边电路则包含一个周波变换器(4)和LC滤波电路(5)；LC滤波电路则包括滤波电感L_f与滤波电容C_o；其中，直流电压源U_in的正极接第三功率管S₃的漏极；第三功率管S₃的源极接变压器原边第一绕组P₁的异名端和第二绕组P₂的同名端，第一功率管S₁的源极接第二功率管S₂的源极和直流电压源U_in的负极，第一功率管S₁的漏极接原边第一绕组P₁的同名端，第二功率管S₂的漏极接原边第二绕组P₂的异名端；原边第一绕组P₁的异名端接第二绕组P₂的同名端，变压器的副边绕组N的同名端与周波变换器的上输入端相连，副边绕组N的异名端与周波变换器的下输入端相连；滤波电感Lf的左端则与周波变换器的上输出端相连，滤波电感L_f的右端接滤波电容C_o的上端，滤波电容C_o的下端与周波变换器的下输出端相连，其特征在于：所述的推挽式高频环节DC/AC变换器副边的功率管可以实现ZVS换流；第三功率管S₃的驱动信号u_gs3采用正弦波单极性调制得到，而第一功率管S₁、第二功率管S₂的驱动信号u_gs1、u_gs2及周波变换器的驱动信号则根据第三功率管S₃的驱动信号来设计，设计的原则是要保证得到高频脉冲交流电压的同时能获得各个功率管实现ZVS开通的条件，为了实现功率管的ZVS开通，u_gs1、u_gs2与u_gs3两两之间插入了一定的死区时间；对于全波式周波变换器，第四、第五功率管S₄、S₅与第六、第七功率管S₆、S₇的驱动信号u₄₅和u₆₇，在输出电压正半周期时，周波变换器的功率管驱动信号u₄₅与u_gs2一致，u₆₇与u_gs1一致；在输出电压为负半周期时，周波变换器的驱动信号u₄₅与u₆₇互换，另外，u_gs1与u_gs2的信号分别来源于锯齿波下降沿二分频信号k与反极性信号分别与驱动信号u_gs3与非后所得，而u_gs3是基准标准正弦波电压u_ref与输出反馈电压u_of经比较放大后产生的绝对值信号|u_c|与锯齿波比较产生所得。

2.根据权利要求1所述的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器，其特征在于：变压器副边的周波变换器部分可为全波式周波变换器或全桥式周波变换器。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的一种单级ZVS型推挽式高频环节DC/AC变换器，其特征在于：这种变换器的功率管均是双向的，可采用MOSFET或带反并联二极管的IGBT。