CN105119475A - 一种具有耦合电感的逆变器及抑制桥臂冲击电流的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有耦合电感的逆变器，其中，同一桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管，同一桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管，第一功率开关管和第二功率开关管均为电力场效应晶体管MOSFET；第一功率开关管的漏极与电源正极相连，耦合电感原边绕组L1同名端与二极管D1的阴极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与二极管D1的阳极相连；耦合电感原边绕组L1同名端连接至第一功率开关管的源极；耦合电感副边绕组L2同名端与负载的一端相连；负载另一端和第二功率开关管的源极均连接至电源负极；耦合电感原边绕组L1异名端与副边绕组L2异名端组成公共端，连接至第二功率开关管的漏极。本发明可有效抑制上、下桥臂间冲击电流。

Description

一种具有耦合电感的逆变器及抑制桥臂冲击电流的方法
技术领域
本发明属于电力电子领域，设计一种利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的新方法。
背景技术
随着电力电子技术的快速发展，各种电力电子设备因其出色的节能特性和电能转换能力，已被广泛应用于各个领域。功率器件MOSFET、IGBT因其开关速度快、驱动电路简单、性能优良等特点得到广泛应用。功率器件在开通和关断暂态过程产生很高的电压变化率(dv/dt)和电流变化率(di/dt)，增加了开关的电流应力，影响效率，还可能使功率器件产生误动作，同时也是电磁干扰(EMI)的主要来源。各种类型的单相、三相逆变电路均由单桥臂电路组成。单桥臂上、下功率器件产生的电流峰值在电能变换过程中使变换器的工作性能偏离预期目标，导致变换器性能下降，超出EMC标准的限制值要求，严重时甚至会毁坏变换器。
目前，抑制尖峰电流常用的方法有重新设计变压器结构或增加电感，但针对桥臂冲击电流的抑制常被忽略。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种具有耦合电感的逆变器及利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法，有效的抑制了上、下桥臂间冲击电流。本发明是在逆变器桥臂中心串入耦合电感，耦合电感的原边并联续流二极管，提供释放能量回路。桥臂功率器件与耦合电感串联连接，功率器件内部寄生电容通过耦合电感放电，有效地钳制了功率器件的峰值电流。同时耦合电感原边并联的二极管为电感残余能量提供释放回路，有效地减小了电路中的电流振荡。增加功率器件的工作频率，也可进一步降低耦合电感磁性材料的容量。当选择导通电阻很小的功率器件时，回路中加入耦合电感可有效减低功率器件的电压应力。
为了解决上述技术问题，本发明提出的一种具有耦合电感的逆变器，其中，同一桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管S1，同一桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管S2，所述第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均为电力场效应晶体管MOSFET；该电力场效应晶体管MOSFET的内部具有反并联寄生二极管DDS和寄生电容CDS；耦合电感原边绕组L1同名端与二极管D1的阴极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与所述二极管D1的阳极相连；耦合电感原边绕组L1异名端与耦合电感副边绕组L2异名端相连接，组成公共端；所述第一功率开关管S1的漏极与电源正极相连；所述第一功率开关管S1的源极连接至耦合电感原边绕组L1同名端；耦合电感副边绕组L2同名端与负载的一端相连；所述负载的另一端和所述第二功率开关管S2的源极均连接至电源负极；耦合电感原边绕组L1异名端与耦合电感副边绕组L2异名端组成的公共端连接至所述第二功率开关管S2的漏极。
本发明利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法，是利用上述具有耦合电感的逆变器，并包括以下模态：
模态1：第一功率开关管S1开通，第二功率开关管S2关断，由电源正极经过第一功率开关管S1、耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和负载z后回到电源负极；负载电流稳定，延正方向；
模态2：第一功率开关管S1处于关断下降沿，第二功率开关管S2处于关断状态，耦合电感原边绕组L1电感的能量通过第二功率开关管S2的寄生电容CDS和二极管D1释放；耦合电感原边绕组L1电感电流迅速减小，直至减小到0；
模态3：第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均处于关断状态，第二功率开关管S2的寄生电容CDS通过耦合电感副边绕组L2、负载放电，直至电容电压为0，又通过耦合电感副边绕组L2反向充电；第二功率开关管S2的寄生二极管DDS开通；
模态4：第一功率开关管S1处于关断状态，第二功率开关管S2处于开通的上升沿，第二功率开关S2的寄生电容CDS通过电源、耦合电感原边绕组L1放电，还通过第二功率开关管S2的寄生二极管DDS放电，直至第二功率开关S2的寄生电容CDS电压为0，在第二功率开关管S2的上升沿，第二功率开关管S2的寄生二极管DDS反向恢复电流通过耦合电感进行抑制。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：桥臂功率器件与耦合电感串联连接，有效地钳制了功率器件的峰值电流。同时耦合电感原边并联的二极管为电感残余能量提供了释放回路，有效地减小了电路中的电流振荡。耦合电感的原边绕组和副边绕组采用双线并绕，绕在罐型铁氧体磁心上，增加耦合系数，减少漏磁和分布参数。可增加功率器件的工作频率，进一步降低耦合电感磁性材料的容量，减少损耗。当选择导通电阻很小的功率器件时，回路中耦合电感可有效减低功率器件的电压应力。
附图说明
图1是耦合电感单桥臂变换电路主电路原理图；
图2是耦合电感单桥臂变换电路中功率开关管的驱动电压波形图；
图3是本发明利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法中模态2和3的等效电路原理图；
图4是本发明利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法中模态4的等效电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步详细描述，所描述的具体实施例仅对本发明进行解释说明，并不用以限制本发明。
本发明提出的一种具有耦合电感的逆变器，其中，同一桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管S1，同一桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管S2，所述第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均为电力场效应晶体管MOSFET；该电力场效应晶体管MOSFET的内部具有反并联寄生二极管DDS和寄生电容CDS；所述第一功率开关管S1的漏极与电源正极相连。耦合电感由耦合电感原边绕组L1和耦合电感副边绕组L2。耦合电感原边绕组L1同名端与一二极管D1的阴极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与所述二极管D1的阳极相连；耦合电感原边绕组L1同名端连接至所述第一功率开关管S1的源极；耦合电感副边绕组L2同名端与负载的一端相连；所述负载的另一端和所述第二功率开关管S2的源极均连接至电源负极；耦合电感原边绕组L1异名端与耦合电感副边绕组L2异名端相连接后组成公共端连接至所述第二功率开关管S2的漏极。其拓扑结构如图1所示。
本发明中提出的一种利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法，是利用上述具有耦合电感的逆变器，其中，功率开关的驱动信号占空比小于0.5，t0-t4分为4个不同的状态。
模态1：如图2所示，在t0-t1时间段，第一功率开关管S1开通，第二功率开关管S2关断，由电源正极经过第一功率开关管S1、耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和负载z后回到电源负极；负载电流稳定，延正方向；图2中，Vgs1，Vgs2分别为第一、第二功率开关管的驱动信号，t0-t4——不同时段的时刻。
模态2，如图2和图3所示，在t1-t2时间段，第一功率开关管S1处于关断下降沿，第二功率开关管S2处于关断状态，耦合电感原边绕组L1电感的能量通过第二功率开关管S2的寄生电容CDS和二极管D1释放；耦合电感原边绕组L1电感电流迅速减小，直至减小到0；图3中，i1为该模态2的电流方向，
模态3：如图2和图3所示，在t2-t3时间段，第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均处于关断状态，第二功率开关管S2的寄生电容CDS通过耦合电感副边绕组L2、负载放电，直至电容电压为0，又通过耦合电感副边绕组L2反向充电；第二功率开关管S2的寄生二极管DDS开通；图3中，i2为该模态3的电流方向。
模态4：如图2和图4(图4中耦合电感原边二极管省略)所示，在t3-t4时间段，第一功率开关管S1处于关断状态，第二功率开关管S2处于开通的上升沿，第二功率开关S2的寄生电容CDS通过电源、耦合电感原边绕组L1放电，还通过第二功率开关管S2的寄生二极管DDS放电，直至第二功率开关S2的寄生电容CDS电压为0，在第二功率开关管S2的上升沿，第二功率开关管S2的寄生二极管DDS反向恢复电流通过耦合电感进行抑制。
由以上描述可知，本发明具有如下优点：
(1)桥臂功率器件中心点串入耦合电感，有效地钳制通过功率器件的峰值电流，且耦合电感只有负载电感的1/10。
(2)耦合电感原边并联的二极管为回路残余能量提供释放回路，有效减小电路中电流振荡。
(3)耦合电感的原边绕组和副边绕组采用双线并绕，绕制在罐型铁氧体磁心上，增加耦合系数，减少漏磁和分布参数。
(4)适合高频工作情况，在功率器件的工作频率较高时，可进一步降低耦合电感磁性材料的容量，减少损耗。
(5)当选择导通电阻很小的功率开关管时，回路中耦合电感可有效减低功率器件的电压应力。
尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以做出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种具有耦合电感的逆变器，其中，同一桥臂侧的上桥臂是第一功率开关管S1，同一桥臂侧的下桥臂是第二功率开关管S2，所述第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均为电力场效应晶体管MOSFET；该电力场效应晶体管MOSFET的内部具有反并联寄生二极管DDS和寄生电容CDS；其特征在于：
耦合电感原边绕组L1同名端与二极管D1的阴极相连，耦合电感原边绕组L1异名端与所述二极管D1的阳极相连；
耦合电感原边绕组L1异名端与耦合电感副边绕组L2异名端相连接，组成公共端；
所述第一功率开关管S1的漏极与电源正极相连；所述第一功率开关管S1的源极连接至耦合电感原边绕组L1同名端；
耦合电感副边绕组L2同名端与负载的一端相连；所述负载的另一端和所述第二功率开关管S2的源极均连接至电源负极；
耦合电感原边绕组L1异名端与耦合电感副边绕组L2异名端组成的公共端连接至所述第二功率开关管S2的漏极。
2.一种利用耦合电感抑制桥臂冲击电流的方法，其特征在于，利用如权利要求1所述具有耦合电感的逆变器，并包括以下模态：
模态1：第一功率开关管S1开通，第二功率开关管S2关断，由电源正极经过第一功率开关管S1、耦合电感原边绕组L1、耦合电感副边绕组L2和负载z后回到电源负极；负载电流稳定，延正方向；
模态2：第一功率开关管S1处于关断下降沿，第二功率开关管S2处于关断状态，耦合电感原边绕组L1电感的能量通过第二功率开关管S2的寄生电容CDS和二极管D1释放；耦合电感原边绕组L1电感电流迅速减小，直至减小到0；
模态3：第一功率开关管S1和第二功率开关管S2均处于关断状态，第二功率开关管S2的寄生电容CDS通过耦合电感副边绕组L2、负载放电，直至电容电压为0，又通过耦合电感副边绕组L2反向充电；第二功率开关管S2的寄生二极管DDS开通；
模态4：第一功率开关管S1处于关断状态，第二功率开关管S2处于开通的上升沿，第二功率开关S2的寄生电容CDS通过电源、耦合电感原边绕组L1放电，还通过第二功率开关管S2的寄生二极管DDS放电，直至第二功率开关S2的寄生电容CDS电压为0，在第二功率开关管S2的上升沿，第二功率开关管S2的寄生二极管DDS反向恢复电流通过耦合电感进行抑制。
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