CN107404251B - 一种全桥双向逆变模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电源领域，提供了一种全桥双向逆变模块，包括连接直流源与交流源的全桥逆变主电路，还包括为全桥逆变主电路提供控制信号的采样逻辑控制电路以及为采样逻辑控制电路提供电源的辅助电源电路，所述全桥逆变主电路包括四个主功率管，四个功率管组成全桥电路单元，四个主功率管的栅极均与采样逻辑控制电路连接，所述全桥逆变主电路还包括信号反馈输出端，所述信号反馈输出端与采样逻辑控制电路连接，所述采样逻辑控制电路与辅助电源电路连接。本发明提供的全桥双向逆变模块具有有效抑制回路中的电流突变、避免两个功率管直通造成烧毁，并及时泄放两个耦合电感的原边储存的能量的技术效果。

Description

一种全桥双向逆变模块

技术领域

本发明涉及电源领域，尤其涉及一种全桥双向逆变模块。

背景技术

目前市面上的大功率逆变器和UPS电源大多采用全桥的架构，在正常工作时四个功率管交替导通完成电压输入到输出的转换。这样的全桥电路在应用中有一个很大的缺陷：在使用场合受到外部的电磁骚扰信号时或由于电路自身某个器件失效时，会导致上下两个功率管同时导通，一旦出现这种情况，电路中的全桥功率管就会直接将DC直流源短路造成不可逆的损坏，从而电源不能工作；另外连接AC交流源或市电必须要配置很大的电抗器，而且在与AC交流源或电网的连接处有断开时，存储在电抗器中的能量将无法释放，造成AC交流源或电网的连接开关及设备的损坏，因此功率器件的开关频率很难做高，在与市电并网中也会因锁相不稳引起很大的环流导致功率器件损坏。

因此有必要设计一种全桥双向逆变模块，以克服上述问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种全桥双向逆变模块，可以有效避免两个功率管直通造成烧毁的问题，且开关频率可以做得很高，功率密度大大提高。

本发明是这样实现的：

本发明提供一种全桥双向逆变模块，包括对直流源和交流源进行相互转换的全桥逆变主电路，所述全桥逆变主电路连接直流源与交流源，所述全桥双向逆变模块还包括为全桥逆变主电路提供控制信号的采样逻辑控制电路以及为采样逻辑控制电路提供电源的辅助电源电路，所述全桥逆变主电路包括四个主功率管，四个功率管组成全桥电路单元，四个主功率管的栅极均与采样逻辑控制电路连接，所述全桥逆变主电路还包括信号反馈输出端，所述信号反馈输出端与采样逻辑控制电路连接，所述采样逻辑控制电路与辅助电源电路连接。

进一步地，所述全桥逆变主电路还包括六个二极管以及两个耦合电感；

四个主功率管分别为第一主功率管、第二主功率管、第三主功率管以及第四主功率管；六个二极管分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及第六二极管；两个耦合电感分别为第一耦合电感和第二耦合电感；

第一主功率管的漏极与直流源的正极连接，第一主功率管的源极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与直流源的负极连接；

第四主功率管的漏极与直流源的正极连接，第四主功率管的源极与第二二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与直流源的负极连接；

所述第一主功率管与第一二极管之间的公共端连接第一耦合电感的原边的异名端，第四主功率管与第二二极管之间的公共端连接第二耦合电感的原边的异名端，第一耦合电感的原边的同名端以及第二耦合电感的原边的同名端分别连接交流源的两端，第一耦合电感的副边的异名端与第二耦合电感的副边的同名端连接，第一耦合电感的副边的同名端以及第二耦合电感的副边的异名端为全桥逆变主电路的信号反馈输出端，第一耦合电感的副边的同名端以及第二耦合电感的副边的异名端均与采样逻辑控制电路；

第一耦合电感的原边的同名端与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第三主功率管的漏极连接，第三主功率管的源极与直流源的负极连接，第二耦合电感的原边的同名端与第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第二主功率管的漏极连接，第二主功率管的源极与直流源的负极连接；

第五二极管的阴极和第六二极管的阴极均与直流源的正极连接，第五二极管的阳极和第六二极管的阳极分别与交流源的两端连接；

四个所述主功率管的漏极与源极之间均连接有一二极管，每一所述二极管的阴极均与对应的主功率管的漏极连接，每一所述二极管的阳极均与对应的主功率管的源极连接。

进一步地，所述全桥逆变主电路还包括滤波电容，所述滤波电容直接连接在直流源的两端。

进一步地，所述控制信号为SPWM调制信号以及方波信号。

进一步地，所述交流源为市电电网交流源。

更进一步地，所述辅助电源电路与直流源连接，所述辅助电源电路与交流源连接。

本发明具有以下有益效果：

1、两个耦合电感可以有效抑制全桥逆变主电路中因为锁相误差造成的环流。

2、采样逻辑控制电路输出控制信号控制四个主功率管，从而避免两个功率管直通造成烧毁，并及时泄放两个耦合电感的原边储存的能量。

3、第三二极管和第四二极管可以避免交流源的开关器件发生直通的现象。

4、第一耦合电感和第二耦合电感能够有效抑制回路中的电流突变，所以本发明的开关频率可以做得很高，功率密度大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全桥双向逆变模块的工作原理图；

图2为本发明实施例提供的一种全桥双向逆变模块的全桥逆变主电路的电路图；

图3为现有技术中典型全桥电路的拓扑结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种全桥双向逆变模块在直流源向交流源回馈时的控制信号波形及相关电压波形的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种全桥双向逆变模块在交流源向直流源回馈时的控制信号波形及相关电压波形的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明实施例提供一种全桥双向逆变模块(简称本设备)，包括对直流源和交流源进行相互转换的全桥逆变主电路，所述全桥逆变主电路连接直流源与交流源，全桥逆变主电路用于将外部的DC直流源中的直流电压及AC交流源中的交流电压接入全桥逆变主电路的主功率管，实现DC直流源和AC交流源之间的能量互相转换。所述全桥双向逆变模块还包括为全桥逆变主电路提供控制信号的采样逻辑控制电路以及为采样逻辑控制电路提供电源的辅助电源电路，所述全桥逆变主电路包括四个主功率管，四个功率管组成全桥电路单元，四个主功率管的栅极均与采样逻辑控制电路连接。正常工作时，在采样逻辑控制电路的控制下，四个主功率管按一定的逻辑时序导通、关断，以实现DC直流源到AC交流源的相互转换。所述全桥逆变主电路还包括信号反馈输出端，所述信号反馈输出端与采样逻辑控制电路连接，当出现锁相不稳或全桥逆变主电路中出现上下两个主功率管同时导通的情况时，全桥逆变主电路中就会出现很大的电流，采样逻辑控制电路通过信号反馈输出端拾取全桥逆变主电路中的大电流信号，进而采样逻辑控制电路会输出控制信号至主功率管，控制相应的主功率管导通或者关断，从而防止大电流造成不可逆的损坏现象。所述采样逻辑控制电路与辅助电源电路连接。辅助电源电路负责提供采样逻辑控制电路所需的供电电源。本发明提供的全桥双向逆变模块，工作在DC直流源向AC交流源相互传递能量时。正常工作条件下，四个功率管在采样逻辑控制电路的控制下按规定的逻辑时序交替导通完成DC直流源到AC交流源的能量转换。若出现锁相不稳时或全桥双向逆变模块中出现上下两个主功率管同时导通的情况时，采样逻辑控制电路控制全桥逆变主电路中主功率管的导通、关断，从而防止大电流造成不可逆的损坏现象，以此来完成对全桥逆变主电路工作状态的监视和控制。即利用采样逻辑控制电路同时实现了全桥逆变主电路的逻辑控制和保护功能。

优选的，如图2-图5，所述全桥逆变主电路还包括六个二极管以及两个耦合电感；

四个主功率管分别为第一主功率管Q1、第二主功率管Q2、第三主功率管Q3以及第四主功率管Q4；六个二极管分别为第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5以及第六二极管D6；两个耦合电感分别为第一耦合电感L1和第二耦合电感L2；

第一主功率管Q1的漏极与直流源的正极连接，第一主功率管Q1的源极与第一二极管D1的阴极连接，第一二极管D1的阳极与直流源的负极连接；

第四主功率管Q4的漏极与直流源的正极连接，第四主功率管Q4的源极与第二二极管D2的阴极连接，第二二极管D2的阳极与直流源的负极连接；

所述第一主功率管Q1与第一二极管D1之间的公共端连接第一耦合电感L1的原边的异名端，第四主功率管Q4与第二二极管D2之间的公共端连接第一耦合电感L2的原边的异名端，第一耦合电感L1的原边的同名端以及第一耦合电感L2的原边的同名端分别连接交流源的两端，第一耦合电感L1的副边的异名端与第一耦合电感L2的副边的同名端连接，第一耦合电感L1的副边的同名端以及第一耦合电感L2的副边的异名端均与采样逻辑控制电路。第一耦合电感L1的原边和第一耦合电感L2的原边即作为降压的滤波电感也作为升压的储能电感，第一耦合电感L1的副边的同名端为A端，第一耦合电感L2的副边的异名端为B端，交流源的两端分别为M端和N端。A端和B端为信号反馈输出端，A端和B端与采样逻辑控制电路连接，在AC交流源与本设备连接处断开时，采样逻辑控制电路立马关断第一主功率管Q1及第四主功率管Q4，并导通第三主功率管Q3及第二主功率管Q2，泄放完第一耦合电感L1原边和第一耦合电感L2原边的能量，并发出报警信号，直至故障解除。由于回路中第一耦合电感L1和第一耦合电感L2的存在，会阻碍电流的急剧上升，

第一耦合电感L1的原边的同名端与第三二极管D3的阳极连接，第三二极管D3的阴极与第三主功率管Q3的漏极连接，第三主功率管Q3的源极与直流源的负极连接，第一耦合电感L2的原边的同名端与第四二极管D4的阳极连接，第四二极管D4的阴极与第二主功率管Q2的漏极连接，第二主功率管Q2的源极与直流源的负极连接。第三二极管D3和第四二极管D4作为单向器件可以防止AC交流源侧的主功率管即第三主功率管Q3和第四主功率管Q4发生直通的现象。第三二极管D3和第四二极管D4分别串联在第三主功率管Q3和第二主功率管Q2与AC交流源的回路中，能够有校的抑制第三主功率管Q3和第二主功率管Q2回路的中的直通，防止对AC交流侧造成的短路。作为逆变器输出时第三二极管D3和第四二极管D4可以不用。

第五二极管D5的阴极和第六二极管D6的阴极均与直流源的正极连接，第五二极管D5的阳极和第六二极管D6的阳极分别与交流源的两端连接；

四个所述主功率管的漏极与源极之间均连接有一二极管，每一所述二极管的阴极均与主功率管的漏极连接，每一所述二极管的阳极均与主功率管的源极连接。

本设备的工作原理如下：

在DC直流源向AC交流源传递能量时：第一主功率管Q1、第一耦合电感L1以及第一二极管D1组成第一BUCK电路，第四主功率管Q4、第一耦合电感L2以及第二二极管D2组成了第二BUCK电路，第一BUCK电路和第二BUCK电路组成双BUCK电路。第一主功率管Q1的栅极施加图4中(4b)的SPWM调制信号，第四主功率管Q4栅极施加图4中(4c)的SPWM调制信号，分别经过第一二极管D1、第二二极管D2续流，继而分别经过第一耦合电感L1、第一耦合电感L2滤波，在M、N两端形成与AC交流源的同步波形。第一BUCK电路在M、N两端形成的波形如图4中(4d)，第二BUCK电路在M、N两端形成的波形如图中4(4e)。第二主功率管Q2的栅极施加图4中(4f)的方波信号，第三主功率管Q3施加加图4中(4e)的方波信号，将第一BUCK电路和第二BUCK电路在M、N两端形成的电压交错回馈给AC交流源，回馈给AC交流源的波形如图4中(4h)。

在AC交流源向DC直流源传递能量时：第六二极管D6、第一耦合电感L1、第四二极管D4以及第二主功率管Q2组成第一BOOST电路，第五二极管D5、第一耦合电感L2、第三二极管D3以及第三主功率管Q3组成组成第二BOOST电路，第一BOOST电路和第二BOOST电路组成双BOOST电路。第三主功率管Q3的栅极施加图5中(5b)的SPWM调制信号，第二主功率管Q2栅极施加图5中(5c)的SPWM调制信号，SPWM调制信号对AC交流源斩波，并经第一耦合电感L1、第一耦合电感L2升压，再经第六二极管D6、第五二极管D5整流回馈到DC直流源。第三二极管D3、第四二极管D4在AC交流源侧，同样可以避免第三主功率管Q3和第二主功率管Q2的直通现象。

第一耦合电感L1、第一耦合电感L2在电路中除了作为滤波、储能升压作用，同时对因AC电流源频率抖动造成的电路中的环流有缓冲抑制的作用。所以本实施例的开关频率可以做得很高，高至上百KHZ，功率密度大大提高。

优选的，如图2，所述全桥逆变主电路还包括滤波电容，所述滤波电容直接连接在直流源的两端。滤波电容起到滤波的作用。

优选的，所述控制信号为SPWM调制信号以及方波信号。当DC直流源通过全桥逆变主电路向AC交流源传递能量时，第一主功率管Q1以及第四主功率管Q4必须用SPWM调制信号触发，第二主功率管Q2以及第三主功率管Q3用方波信号触发；当AC交流源向DC直流源传递能量时，第二主功率管Q2以及第三主功率管Q3必须用SPWM调制信号触发。采样逻辑控制电路将市电同频同相的正弦波转换为SPWM调制信号，解调后的SPWM波调制信号再作用于四个主功率管，最后经简单的转换后实现DC直流源与AC交流源之间的相互转换。

优选的，所述交流源为市电电网交流源。

优选的，如图1，所述辅助电源电路与DC直流源连接，所述辅助电源电路与AC交流源连接。运用本设备中现有的DC直流源和AC交流源对采样逻辑控制电路进行供电。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种全桥双向逆变模块，其特征在于，包括对直流源和交流源进行相互转换的全桥逆变主电路，所述全桥逆变主电路连接直流源与交流源，所述全桥双向逆变模块还包括为全桥逆变主电路提供控制信号的采样逻辑控制电路以及为采样逻辑控制电路提供电源的辅助电源电路，所述全桥逆变主电路包括四个主功率管，四个主功率管组成全桥电路单元，四个主功率管的栅极均与采样逻辑控制电路连接，所述全桥逆变主电路还包括信号反馈输出端，所述信号反馈输出端与采样逻辑控制电路连接，所述采样逻辑控制电路与辅助电源电路连接，所述全桥逆变主电路还包括六个二极管以及两个耦合电感，四个主功率管分别为第一主功率管、第二主功率管、第三主功率管以及第四主功率管；六个二极管分别为第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极管以及第六二极管，两个耦合电感分别为第一耦合电感和第二耦合电感；

第一主功率管的漏极与直流源的正极连接，第一主功率管的源极与第一二极管的阴极连接，第一二极管的阳极与直流源的负极连接；

第四主功率管的漏极与直流源的正极连接，第四主功率管的源极与第二二极管的阴极连接，第二二极管的阳极与直流源的负极连接；

所述第一主功率管与第一二极管之间的公共端连接第一耦合电感的原边的异名端，第四主功率管与第二二极管之间的公共端连接第二耦合电感的原边的异名端，第一耦合电感的原边的同名端以及第二耦合电感的原边的同名端分别连接交流源的两端，第一耦合电感的副边的异名端与第二耦合电感的副边的同名端连接，第一耦合电感的副边的同名端以及第二耦合电感的副边的异名端为全桥逆变主电路的信号反馈输出端，第一耦合电感的副边的同名端以及第二耦合电感的副边的异名端均与采样逻辑控制电路连接，在交流源与设备连接处断开时，采样逻辑控制电路根据第一耦合电感副边的同名端与第二耦合电感副边的异名端之间的信号变化控制关断第一主功率管及第四主功率管，并导通第三主功率管及第二主功率管，从而泄放第一耦合电感原边和第二耦合电感原边的能量；

第一耦合电感的原边的同名端与第三二极管的阳极连接，第三二极管的阴极与第三主功率管的漏极连接，第三主功率管的源极与直流源的负极连接，第二耦合电感的原边的同名端与第四二极管的阳极连接，第四二极管的阴极与第二主功率管的漏极连接，第二主功率管的源极与直流源的负极连接；

第五二极管的阴极和第六二极管的阴极均与直流源的正极连接，第五二极管的阳极和第六二极管的阳极分别与交流源的两端连接；

四个所述主功率管的漏极与源极之间均连接有一二极管，每一所述二极管的阴极均与对应的主功率管的漏极连接，每一所述二极管的阳极均与对应的主功率管的源极连接。

2.如权利要求1所述的全桥双向逆变模块，其特征在于：所述全桥逆变主电路还包括滤波电容，所述滤波电容直接连接在直流源的两端。

3.如权利要求1所述的全桥双向逆变模块，其特征在于：所述控制信号为SPWM调制信号以及方波信号。

4.如权利要求1所述的全桥双向逆变模块，其特征在于：所述交流源为市电电网交流源。

5.如权利要求1所述的全桥双向逆变模块，其特征在于：所述辅助电源电路与直流源连接，所述辅助电源电路与交流源连接。

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