CN105429502B - 单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器 - Google Patents

Abstract

一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，输入电源的正极接输入电感的一端，其负极接第五功率开关管的集电极和第二Cuk电路的第六功率开关管的集电极，输入电感的另一端接第一功率开关管的集电极、第二功率开关管的集电极和输入电容的一端；输入电容的另一端接第四功率开关管的发射极和第三功率开关管的发射极；第五功率开关管的发射极接第一功率开关管的发射极、第三功率开关管的集电极以及滤波电感的一端，滤波电感的另一端接滤波电容的一端和负载的一端，滤波电容和负载的另一端接第六功率开关管的发射极和第二功率开关管的发射极以及第四功率开关管的集电极。本发明结构简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力。

Description

单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置，特别涉及一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，适用于单相逆变应用场合中既能实现升压又能实现降压。

背景技术

能源是人类赖以生存和发展的物质基础，化石能源的有限性和大量的开采利用导致能源短缺的问题日益严重，同时也造成了环境的日益恶化等问题。新能源和可再生能源由于其量大、清洁和安全的特点越来越受到重视，而逆变器是新能源和可再生能源发电技术中的一个关键环节。与传统的发电技术相比，新能源和可再生能源发电装置输出功率存在波动性和随机性，如光伏发电、风力发电和燃料电池等输出电压具有范围宽，等级低，波动大的特点。而传统逆变器大多采用buck型桥式逆变器结构，其要求输入侧直流电压必须高于输出侧交流电压峰值，因此传统逆变器并不适用于新能源和可再生能源发电技术的需要。

对此，传统的解决方案有两种，第一种是在逆变器前加一级DC/DC变换器，提高逆变器直流侧的输入电压，但级数的增加势必会降低整体的效率。另一种是隔离型方案，即在逆变器中增加升压变压器以提高电压等级同时实现电气隔离，但变压器的加入也将增加系统成本和体积并影响整体的变换效率。显然，能够直接实现可升降压的单级非隔离型方案更加符合新能源和可再生能源发电技术的需要，但是现有的单级非隔离升降压逆变器中都会用到大容量的电解电容进行储能，由于电解电容体积大、寿命短，因此导致逆变器功率密度低，工作可靠性差，电解电容成为限制逆变器使用寿命的关键，研究无电解电容的逆变器成为逆变器未来的发展趋势。本发明所提出的单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器正是满足上述需求的一种新型逆变方案。

发明内容

本发明克服了现有技术中的缺点，提供一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器。本发明用两个相同的Cuk电路通过共用同一输入电源，输入电感、输入电容以及滤波电感、滤波电容的方式构建一种能实现升降压逆变的单级非隔离单相逆变器。

为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，包括第一Cuk电路和第二Cuk电路；输入电源的正极连接输入电感的一端，输入电源负极连接第一Cuk电路的第五功率开关管的集电极和第二Cuk电路的第六功率开关管的集电极，输入电感的另一端连接第一Cuk电路的第一功率开关管的集电极、第二Cuk电路的第二功率开关管的集电极和输入电容的一端；输入电容的另一端连接第一Cuk电路的第四功率开关管的发射极和第二Cuk电路的第三功率开关管的发射极；第一Cuk电路的第五功率开关管的发射极连接第一功率开关管的发射极、第二Cuk电路的第三功率开关管的集电极以及滤波电感的一端，滤波电感的另一端连接滤波电容的一端和负载的一端，滤波电容的另一端和负载的另一端连接第二Cuk电路的第六功率开关管的发射极和第二功率开关管的发射极以及第一Cuk电路的第四功率开关管的集电极。

本发明的Cuk型逆变器包含两个Cuk电路单元，两个Cuk电路共用输入电源、输入电感、输入电容、滤波电感和滤波电容。工作时该逆变器的第一功率开关管和第二功率开关管分别工作于正弦波的正半周期和负半周期；第五功率开关管和第六功率开关管采用半周期常开(闭)的工作方式，第三功率开关管和第四功率开关管在整个周期内都工作并且分别与第一功率开关管和第二功率开关管的动作相反。输入电感续流时分别通过第三功率开关管的反并联二极管和第五功率开关管的反并联二极管或者是第四功率开关管的反并联二极管和第六功率开关管的反并联二极管，减少了逆变器的器件数量，使得电路结构简单，控制方便。

由于该电路工作时，任意时刻只有一个Cuk电路工作，所以对该逆变器的分析可简化为对单个Cuk电路的分析。为简化分析做如下假设：

(1)电路中所有元件都为理想器件；

(2)由于开关频率远大于基波频率，所以在几个开关周期内可认为电感电流平均值和电容电压平均值恒定；

(3)变换器工作于稳定状态。

如图8所示，当变换器工作于稳态时，输入电感电流和滤波电感电流在一个开关周期的变化量近似为零。令功率开关管S₁开通时间与开关周期的比为占空比d，则该逆变器存在如下关系：

在0～dT时，功率开关管S₁开通：

在dT～T时，功率开关管S₁关断：

其中i_L1为流过输入电感的电流，i_Lf为流过滤波电感的电流，V_i为直流输入电压，V_C1为输入电容两端电压，V_Cf为滤波电容两端电压，所以V_Cf等于输出电压V_o；

由式(1)和式(2)可得在0～dT时间段内流过输入电感的电流变化量为：

流过滤波电感的电流变换量为：

由式(3)和式(4)可得在dT～T时间段内流过输入电感的电流变化量为：

流过滤波电感的电流变换量为：

由于输入电感和滤波电感的电流在一个开关周期的变化量均为零，所以有：

把式(5)和式(7)代入式(9)，把式(6)和式(8)代入式(10)得：

逆变器电压增益为：

由式(12)以及Cuk变换器特性可知，在输出交流电压峰值处控制占空比就可实现升降压，即d>0.5时输出电压峰值高于输入电压；d<0.5时输出电压峰值低于输入电压。输入电源是可波动的电源，它能低于也能高于输出交流电压峰值。

由式(11)可看出，输入电容的电压等于输入电压和输出电压之和，即输入电容的电压波形为在输入电压偏置基础上的正弦半波；由于第一功率开关管和第二功率开关管为SPWM调制，所以输入电感的电流波形也为正弦半波；输入电容的电压与输入电感的电流波形如图7所示。因为在每个开关周期内电路都工作于Cuk直流变换器状态，所以输入电容的取值可以按照Cuk直流变换器中的计算公式取得：

在(13)式中，占空比d变化范围有限，最大值为1。γ为电压纹波系数，由于输入电容上电压为2倍工频的脉动电压，所以逆变状态下对输入电容的电压纹波系数要求较低，而非像直-直变换状态下需要较小的纹波系数，得到恒定的直流电压。因此在输出电压一定且负载R在有限的范围内变化时，总可以通过调整γ和开关频率f_s取适当的值得到较小的电容值。下表为输出电压为220V有效值，γ＝0.2，f_s＝20KHZ时，不同负载下输入电容C₁取值。

表1几组不同负载下电容C₁值

功率

100W

200W

500W

1kW

2kW

5kW

电容值

0.5μF

0.8μF

2μF

4μF

8μF

20μF

R(Ω)

484

242

97

48

24

10

由公式(13)和表1可知在负载功率较大变化范围内输入电容均保持在较小值，在目前技术条件下100uf以下电容都可以用非电解电容实现，例如薄膜电容，同时该逆变器输出为正弦交流电压，输出滤波器只需滤除开关频率处的高次谐波即可得到高质量的正弦波输出电压，即输出LC滤波器只需很小的参数即可达到滤波目的，同样可以采用非电解电容。所以该逆变器电路中无电解电容，提高了逆变器工作的可靠性，曾加了逆变器工作寿命。

本发明电路的控制方案比较简单，采用传统的单闭环输出电压控制方案，使逆变器在输入电源电压波动较大时仍能正常工作，输入电感和滤波电感均工作在连续模式下，减小了EMI。

由于采用上述技术方案，本发明提供的一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，与现有技术相比具有这样的有益效果：

本发明是用两个相同的Cuk电路通过共用输入电源、输入电感、输入电容和滤波电感、滤波电容的方式构建一种能够实现升降压逆变的单级非隔离单相逆变器，具有如下优点：

本发明同已有的双Cuk升降压输出并联型逆变器相比，由于是共用输入电源、输入电感、输入电容，所以省去了两个大容量的分压电容，以及一个输入电感和一个输入电容，减小了电路体积，增加了电路的功率密度；

本发明中输入电容只用作一个开关周期内的能量传递不用实现逆变周期内的稳压功能，所以同已有的输出并联型双Cuk逆变器相比电容容值大大降低，可以用无极性的电容代替已有的输出并联型双Cuk逆变器中的电解电容。由于电路中无电解电容所以使得电路工作更加可靠，增加了电路的工作寿命；

本发明中的所有功率开关管都带有反并联二极管，同已有的输出并联型双Cuk逆变器相比可以实现能量的双向流动，如图10所示，本发明的逆变器可以实现输出电压和输出电流的四象限运行，增加了应用范围。

本发明的电路兼具Cuk电路的特性，能实现升降压逆变功能，Cuk电路中的电路参数选取原则可以移植到本发明逆变器中，电路参数选取较为简单，便于设计；

本发明的电路中输入电感的电流通过功率开关管的反并联二极管续流，减少了电路中的元件数量，使得电路结构简单；

本发明采用单闭环输出电压控制的方法，其结构简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力。

附图说明

图1是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器的电路结构示意图；

图2-5是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器各开关模态示意图；

图6是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器的功率开关管的驱动波形示意图；

图7是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器的各电感电流、电容电压和输出电压波形图；

图8是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器在两个开关周期内的典型工作波形；

图9是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器控制电路原理图；

图10是本发明的单级非隔离无电解电容双Cuk逆变器带感性负载时输出电压和输出电流波形图。

上述附图中的主要符号名称：1.第一Cuk电路；2.第二Cuk电路；C_f——滤波电容，L_f——滤波电感，C₁——输入电容，L₁——输入电感，S₁～S₆——分别为第一—第六功率开关管，D₁～D₆——分别为第一—第六功率开关管的反并联二极管；V_S1～V_S6——分别为第一—第六功率开关管的驱动电压，V_i——逆变器输入电压，i_L1——电感L₁的电流，i_Lf——滤波电感L_f的电流，Z——负载阻抗，V_p——功率开关管S₁驱动电压波形，i_S1——流过第一功率开关管S_1的电流，i_D3——流过反并联二极管D₃的电流，V₁——第一功率开关管S₁关断时两端电压，V₃——第三功率开关管关S₃断时两端电压，V_o——负载两端电压，V_ref——给定电压。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，本发明的一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，其实施方案包括第一Cuk电路1和第二Cuk电路2；

在所述的第一Cuk电路1中，第五功率开关管S₅的集电极连接输入电源的负极，其发射极同时连接第一功率开关管S₁的发射极、第三功率开关管S₃的集电极以及滤波电感L_f的一端；输入电源的正极连接输入电感L₁的一端，输入电感L₁的另一端连接第一功率开关管S₁的集电极以及输入电容C₁的一端，输入电容C₁的另一端连接第三功率开关管S₃的发射极和第四功率开关管S₄的发射极；滤波电感L_f的另一端连接滤波电容C_f和负载Z的一端，滤波电容C_f的另一端和负载Z的另一端同时连接第四功率开关管S₄的集电极；

在所述的第二Cuk电路2中，第六功率开关管S₆的集电极连接输入电源的负极，输入电源的正极连接输入电感L₁的一端，输入电感L₁的另一端连接输入电容C₁的一端和第二功率开关管S₂的集电极，输入电容C₁的另一端连接第四功率开关管S₄的发射极和第三功率开关管S₃的发射极；第四功率开关管S₄的集电极连接滤波电容C_f和负载Z的一端，滤波电容C_f的另一端和负载Z的另一端同时连接滤波电感L_f的一端，滤波电感L_f的另一端连接第三功率开关管S₃的集电极；

所述的第一Cuk电路1和所述的第二Cuk电路2共用输入电源、输入电感L₁、输入电容C₁、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、滤波电感L_f、滤波电容C_f和负载Z。

该双Cuk升降压逆变器在输出电压V_o大于零的正半周，第一Cuk电路1工作，第二Cuk电路2不工作，第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆保持关断，第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅保持闭合。此时电路包括两个工作模态：工作模态I

如图2所示，第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄和第五功率开关管S₅闭合，第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第六功率开关管S₆关断，输入电源给输入电感L₁充电，输入电感L₁的电流i_L1线性上升，输入电容C₁通过滤波电感L_f、滤波电容C_f、负载Z和第四功率开关管S₄组成闭合回路，滤波电感L_f的电流i_Lf上升。第三功率开关管S₃的反并联二极管D₃截止。

工作模态II

如图3所示，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆关断，第三功率开关管S₃反并联二极管D₃导通，第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅闭合，输入电感L₁中电流i_L1给输入电容C₁充电，电流i_L1从第三功率开关管S₃和第五功率开关管S₅的反并联二极管D₃和反并联二极管D₅到输入电源的负极续流，电流i_Lf流过负载Z并通过第四功率开关管S₄和第三功率开关管S₃反并联二极管D₃续流。

在输出电压V_o小于零的负半周，第二Cuk电路2工作，第一Cuk电路1不工作，第一功率开关管S₁和第四功率开关管S₄保持关断，第三功率开关管S₃和第六功率开关管S₆开通。此时电路也包括两个工作模态：

工作模态III

如图4所示，第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃和第六功率开关管S₆开通，第一功率开关管S₁、第四功率开关管S₄和第五功率开关管S₅关断，输入电源对输入电感L₁的充电电流i_L1通过第二功率开关管S₂以及第六功率开关管S₆的反并联二极管D₆返回输入电源的负极，输入电感L₁的电流i_L1线性上升，输入电容C₁通过第二功率开关管S₂与负载Z、滤波电容C_f、滤波电感L_f和第三功率开关管S₃组成闭合环路，滤波电感L_f的电流i_Lf上升。第四功率开关管S₄的反并联二极管D₄截止。

工作模态IV

如图5所示，第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂和第五功率开关管S₅关断，第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄和第六功率开关管S₆开通，输入电感L₁的电流i_L1通过输入电容C₁和第四功率开关管S₄的反并联二极管D₄、第六功率开关管S₆的反并联二极管D₆续流对输入电容C₁进行充电，输入电感L₁的电流i_L1下降，滤波电感L_f的电流i_Lf通过第一功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的反并联二极管D₄续流，给负载Z供电。

以上四个工作模态可用表2来表示，第一功率开关管S₁——第六功率开关管S₆的驱动波形如图6所示，电路关键波形如图7所示。

表2双Cuk升降压逆变器的功率管开关组合状态

为实现以上工作原理，采用控制方案如图9所示：本发明为实现逆变功能采用的是电压单闭环控制，选取输出电压作为反馈电压，乘以一定系数后与给定电压V_ref相比较，误差值经调节器调节后与三角波比较产生脉冲信号决定第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的开通与关断，第一功率开关管S₁和第二功率开关管S₂的开关信号取反作为第三功率开关管S₃和第四功率开关管S₄的开关信号。第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆的开通关断时刻由脉冲直接给出，分别控制其半周期导通和半周期关断，保持半个正弦波周期的常开常闭，相互互补，控制的效果使得输出电压大于零时，第五功率开关管S₅和第四功率开关管S₄常开，第二功率开关管S₂和第六功率开关管S₆保持关断，第一功率开关管S₁调制工作，第三功率开关管S₃对第一功率开关管S₁的控制信号取反工作；在电压小于零的负半周，第三功率开关管S₃和第六功率开关管S₆常开，第一功率开关管S₁和第五功率开关管S₅关断，第二功率开关管S₂调制工作，第四功率开关管S₄对第二功率开关管S₂的控制信号取反工作。

1、本发明电路中所有功率开关管都带有反并联二极管，即第一功率开关管S₁、第二功率开关管S₂、第三功率开关管S₃、第四功率开关管S₄、第五功率开关管S₅和第六功率开关管S₆都带有反并联二极管能够双向导通，所以本发明电路能够实现能量的双向流动，如图10所示为本发明电路带感性负载时输出电压和输出电流波形，可见本发明逆变器能够实现输出电压和输出电流的四象限运行。

Claims (3)

1.一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，其特征在于：它包括第一Cuk电路(1)和第二Cuk电路(2)；

在所述的第一Cuk电路(1)中，第五功率开关管(S₅)的集电极连接输入电源的负极，其发射极同时连接第一功率开关管(S₁)的发射极、第三功率开关(S₃)的集电极以及滤波电感(L_f)的一端；输入电源的正极连接输入电感(L₁)的一端，输入电感(L₁)的另一端连接第一功率开关管(S₁)的集电极以及输入电容(C₁)的一端，输入电容(C₁)的另一端连接第三功率开关管(S₃)的发射极和第四功率开关管(S₄)的发射极；滤波电感(L_f)的另一端连接滤波电容(C_f)和负载(Z)的一端，滤波电容(C_f)的另一端和负载(Z)的另一端同时连接第四功率开关管(S₄)的集电极；

在所述的第二Cuk电路(2)中，第六功率开关管(S₆)的集电极连接输入电源的负极，输入电源的正极连接输入电感(L₁)的一端，输入电感(L₁)的另一端连接输入(C₁)的一端和第二功率开关管(S₂)的集电极，输入电容(C₁)的另一端连接第四功率开关管(S₄)的发射极和第三功率开关管(S₃)的发射极；第四功率开关管(S₄)的集电极连接滤波电容(C_f)和负载(Z)的一端，滤波电容(C_f)的另一端和负载(Z)的另一端同时连接滤波电感(L_f)的一端，滤波电感(L_f)的另一端连接第三功率开关管(S₃)的集电极；

所述的第一Cuk电路(1)和所述的第二Cuk电路(2)共用输入电源、输入电感(L₁)、输入电容(C₁)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关管(S₄)、滤波电感(L_f)、滤波电容(C_f)和负载(Z)。

2.根据权利要求1所述的一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，其特征在于，输入电源是可波动的电源，它可低于也可高于输出交流电压峰值。

3.根据权利要求1所述的一种单级非隔离无电解电容双Cuk型逆变器，其特征在于：第一功率开关管(S₁)、第二功率开关管(S₂)、第三功率开关管(S₃)、第四功率开关(S₄)、第五功率开关管(S₅)和第六功率开关管(S₆)都带有反并联二极管能够双向导通，能够实现能量的双向流动。