CN107733268A - 一种快速响应的软开关隔离逆变器与方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种快速响应的软开关隔离逆变器与方法属于逆变器领域；该装置包括直流输入电路依次连接直流滤波电路、缓冲谐振电路、高频变换电路、快速响应逆变电路、输出低通滤波电路和负载电路，负载电路通过第一采样电路连接MCU控制电路，MCU控制电路通过开关管Q2和Q3的驱动电路连接快速响应逆变电路，MCU控制电路通过开关管Q1的驱动电路连接高频变换电路；该方法包括在高频变压器原边通过LC谐振方式，使功率开关管Q1的通断时的电压、电流都为零，功率开关管Q1的软开关的动作状态，减小功率开关管Q1的通断损耗；在高频变压器副边侧，通过控制功率开关管Q2，Q3的通断，与现有的逆变器相比，具有电路损耗低、负载瞬时响应快、智能化程度高和成本低的优势。

Description

一种快速响应的软开关隔离逆变器与方法

技术领域

本发明一种快速响应的软开关隔离逆变器与方法属于逆变器领域。

背景技术

逆变器是将直流电能转变成交流电能的DC/AC变换器。逆变器就是应用在发电系统中的电能变换器，是发电系统中除电池外的另一个重要部件，它将直流电能变换为交流电，供给负载使用或将输出的电能并入电网。目前由于电力电子功率开关管的开关损耗较大，影响了逆变器的传输效率；另外传统逆变器对负荷变化的响应速度较慢，影响了逆变器的供电性能。

传统硬开关逆变器中，开关器件的电流上升和电压下降同时进行；关断时，开关管集电极电压上升和电流下降同时进行。电压、电流波形的交叠部分产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急速增加。由法拉第电磁感应定律知，当开关器件关断时，电路的感性元件电感等会感应出尖峰电压。逆变器的开关频率越高，开关器件关断速度越快，则该感应电压越高。当此感应电压加在开关器件两端时，极易造成开关器件的击穿。另外，随着逆变器的开关频率提高，电路中的电流变化率和电压变化率增大，从而导致电路的电磁干扰EMI增大，影响周围电子设备的工作。

当负荷的吸收电流发生跳变的瞬间时刻，会造成逆变器输出端的电压瞬间偏离设定值。当负载电流发生突然变化的时候，逆变器的输出电压恢复到设定范围内需要一定的时间。因此，传统逆变器的瞬时响应速度较慢。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种快速响应的软开关隔离逆变器与方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种快速响应的软开关隔离逆变器，包括直流输入电路、直流滤波电路、缓冲谐振电路、高频变换电路、快速响应逆变电路、输出低通滤波电路、负载电路、第一采样电路、MCU控制电路、开关管Q2、Q3的驱动电路、开关管Q1的驱动电路、第二采样电路和触控显示屏；所述直流输入电路依次连接直流滤波电路、缓冲谐振电路、高频变换电路、快速响应逆变电路、输出低通滤波电路和负载电路，所述负载电路通过第一采样电路连接MCU控制电路，所述MCU控制电路通过开关管Q2、Q3的驱动电路连接快速响应逆变电路，所述MCU控制电路通过开关管Q1的驱动电路连接高频变换电路，所述缓冲谐振电路通过第二采样电路连接MCU控制电路，所述MCU控制电路连接触控显示屏。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述直流输入电路是电源DC。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述直流滤波电路包括共轭线圈L3和直流滤波电容C3；所述电源DC正负极连接共轭线圈L3，所述共轭线圈L3连接直流滤波电容C3。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述缓冲谐振电路包括二极管D1、二极管D2、谐振电容C1和谐振电感L1；所述谐振电容C1分别连接直流滤波电容C3和谐振电感L1，所述直流滤波电容C3连接二极管D1的阴极，所述谐振电感L1连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极与二极管D1的阴极连接。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述高频变换电路包括开关管Q1和高频储能变压器T1；所述开关管Q1漏极分别连接二极管D1的阳极和高频储能变压器T1的线圈Lp非同名端，开关管Q1源极分别连接L3和C3，开关管Q1栅极连接开关管Q1的驱动电路，所述高频储能变压器T1的Lp同名端分别连接L1、C1、C3和L3。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述快速响应逆变电路包括二极管D3、二极管D4、开关管Q2和开关管Q3；高频储能变压器T1副边Ls1和Ls2采用相同的线圈，线圈Ls1的非同名端连接至线圈Ls2的同名端，线圈Ls1的同名端与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极与开关管Q2的漏极相连，线圈Ls2的非同名端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与开关管Q3的漏极相连，开关管Q2的源极与开关管Q3的源极相连，开关管Q2和开关管Q3的栅极与开关管Q2、Q3的驱动电路连接。

进一步地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述输出低通滤波电路包括输出电容C2和输出滤波电感L2；所述输出电容C2的一端分别与输出滤波电感L2和开关管Q2源级连接，输出滤波电感L2连接第一采样电路，输出电容C2的另一端连接Ls1的非同名端和Ls2的同名端连接处，并且连接第一采样电路。

一种在所述一种快速响应的软开关隔离逆变器上实现的快速响应负载缓冲谐振的方法，具体步骤如下：

步骤a、缓冲谐振电路中的电感L1与电容C1发生谐振，在功率开关管Q1关断时，谐振波削弱Q1的电压以减小开关管的关断损耗；

步骤b、控制采样的时间，然后将采样的数据写到外置RAM的不同地址中；MCU控制电路根据板选信号从RAM另一侧读取采样数据并通过通讯线与触控显示屏相连，通过触控显示屏输出采样波形，即输出电压波形；

步骤c、MCU控制电路通过控制开关管Q1的驱动电路通断时间进而控制占空比，来控制试验输出功率的大小，通过产生方波调制信号控制高频变换电路中的功率开关管Q1；

步骤d、控制占空比具体方法：MCU控制电路根据采集到的电压和电流值，计算出当前一个周期内的平均输出功率，并与前一个周期的平均输出功率作比较，若当前一个周期内的平均输出功率大于前一个周期的平均输出功率，则增大占空比；若当前一个周期内的平均输出功率小于前一个周期的平均输出功率，则减小占空比；

步骤e、MCU控制电路中产生的指令信号进行比较，控制开关管Q2、Q3的驱动电路10驱动快速响应逆变电路产生想要频率和波形的电压；

步骤f、当负载有变化时，MCU控制电路根据采集电路采集到的输出信号，调整功率开关管Q1的占空比，执行快速响应方法，以实现快速效应负荷的变化，而快速响应方法则保证输出电压波形不会因负荷变化而出现较大变化。

进一步地，所述一种快速响应负载缓冲谐振的方法，所述快速响应方法包括以下步骤：

步骤f1、根据负荷端反馈回的电压信号，通过调整快速响应逆变电路的开关管Q2、Q3通断，实现快速跟踪负荷变换功能；

步骤f2、当负荷变大时，控制开关管Q2、Q3导通时间增大，使输出电压增大，能量增大；当负荷变小时，控制开关管Q2、Q3导通时间减小，使输出电压减小，能量减小，在输出波形控制上，输出交流电的参考波形和上、下限波形；

步骤f3、当输出波形上升达到上限波形时，控制开关管Q2、Q3关断，使得输出交流电波形下降；当输出交流电波形下降至下限波形时，控制开关管Q2、Q3导通，使得输出交流电波形上升；

步骤f4、输出交流电波形始终保持在上、下限波形之间，围绕输出交流电的参考波上下波动，保证输出预定波形的交流电，在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断。

有益效果：

本发明提供了一种快速响应的软开关隔离逆变器，与现有的逆变器相比，本发明具有以下优势：

1、电路损耗低，通过缓冲谐振单元的谐振使高频变换单元中的功率开关管Q1的开关损耗极大降低；本电路只有三只功率开关管比传统的桥式逆变电路少用一只功率管，从而降低了电路损耗，提高了电能转换功率；

2、负载瞬时响应块，由于是在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断，所以此方法对负荷变化的响应速度很快；

3、输出波形质量高，本器的逆变单元采用滞环比较算法，通过MCU产生的PWM控制信号，快速控制功率开关管Q2、Q3的通断，跟踪指令效果好，提高了输出波形质量；

4、控制方法易实现、响应速度快，利用MCU运算快和易实现算法的优点，依据采集到反馈的电流、电压信号，通过前后周期内输出功率的比较，快速实现占空比的调整；

5、智能化程度高，有两条智能反馈系统，触控显示屏实时输出系统信息，人机交互界面友好；

6、成本低，电路使用元件相对较少，只用三只功率开关管实现了任意波形和宽频域输出。

附图说明

图1是一种快速响应的软开关隔离逆变器结构简图。

图2是一种快速响应的软开关隔离逆变器电路示意图。

图3是一种快速响应的软开关隔离逆变器中主电路系统图。

图4是功率开关管Q1开通时电路工作状态图。

图5是功率开关管Q1关断时电路工作状态图。

图6是一种快速响应的软开关隔离逆变器的控制原理图。

图中：1直流输入电路、2直流滤波电路、3缓冲谐振电路、4高频变换电路、5快速响应逆变电路、6输出低通滤波电路、7负载电路、8第一采样电路、9MCU控制电路、10开关管Q2、Q3的驱动电路、11开关管Q1的驱动电路、12第二采样电路、13触控显示屏。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式作进一步详细描述。

具体实施方式一

一种快速响应的软开关隔离逆变器，如图1所示，包括直流输入电路1、直流滤波电路2、缓冲谐振电路3、高频变换电路4、快速响应逆变电路5、输出低通滤波电路6、负载电路7、第一采样电路8、MCU控制电路9、开关管Q2、Q3的驱动电路10、开关管Q1的驱动电路11、第二采样电路12和触控显示屏13；所述直流输入电路1依次连接直流滤波电路2、缓冲谐振电路3、高频变换电路4、快速响应逆变电路5、输出低通滤波电路6和负载电路7，所述负载电路7通过第一采样电路8连接MCU控制电路9，所述MCU控制电路9通过开关管Q2、Q3的驱动电路10连接快速响应逆变电路5，所述MCU控制电路9通过开关管Q1的驱动电路11连接高频变换电路4，所述缓冲谐振电路3通过第二采样电路连接MCU控制电路9，所述MCU控制电路9连接触控显示屏13。

如图1所示，直流输入电路1将直流电经直流滤波电路2和缓冲谐振电路3，传输给高频变换电路4；通过MCU控制电路9对高频变换电路4中开关管的控制，高频变换电路4通过高频储能变压器T1将能量传递给快速响应逆变电路5。通过MCU控制电路9对快速响应逆变电路5中开关管的控制，快速实现输出波形，最后经输出低通滤波电路6滤除波形中的高频分量，得到纹波达标的交流电输出给负载电路7。

分别通过第一采样电路8和第二采样电路12对负载电路7和缓冲谐振电路3的电压与电流进行采样，反馈到MCU控制电路9。根据缓冲谐振电路3的电压与电流和设定的占空比，控制高频变换电路4中的开关管的通断，实现开关管的零电压和零电流通断的，即实现软开关的功能；根据负载电路7的电压与电流，利用快速响应方法的程序，控制快速响应逆变电路5中的开关管的通断，实现开关管的零电压和零电流通断的，即快速响应负荷的功能。

具体实施方式二

具体地，如图2所示，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述直流输入电路1是电源DC。

具体地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述直流滤波电路2为带电容与扼流圈滤波电路，所述直流滤波电路2包括共轭线圈L3和直流滤波电容C3；所述电源DC正负极连接共轭线圈L3，所述共轭线圈L3连接直流滤波电容C3。

具体地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述缓冲谐振电路3包括二极管D1、二极管D2、谐振电容C1和谐振电感L1；所述谐振电容C1分别连接直流滤波电容C3和谐振电感L1，所述直流滤波电容C3连接二极管D1的阴极，所述谐振电感L1连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极与二极管D1的阴极连接。

如图3所示，缓冲谐振电路3包括电容C1、电感L1、二极管D1、D2；电容C1的值应选取尽量大，以保证在吸收电感电能时其电压脉动量足够小；对于二极管D2有快速反向恢复要求，故选用超快恢复二极管。

具体地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述高频变换电路4包括开关管Q1和高频储能变压器T1；所述开关管Q1漏极分别连接二极管D1的阳极和高频储能变压器T1的线圈Lp非同名端，开关管Q1源极分别连接L3和C3，开关管Q1栅极连接开关管Q1的驱动电路11，所述高频储能变压器T1的Lp同名端分别连接L1、C1、C3和L3。

开关管Q1具有反馈控制的作用，将直流电转换成脉动的交流电存储在高频储能变压器T1中，完成电能转换存储。

所述高频变换电路4为带高频储能变压器T1的斩波电路，进一步地，所述高频变换电路4为带高频储能变压器T1的单管变换电路，高频储能变压器T1具体是采用高频升压变压器T1，根据系统电压、负载轻重来调节输出功率的大小。

具体地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，如图3所示，所述快速响应逆变电路5包括二极管D3、二极管D4、开关管Q2和开关管Q3；高频储能变压器T1副边Ls1和Ls2采用相同的线圈，线圈Ls1的非同名端连接至线圈Ls2的同名端，线圈Ls1的同名端与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极与开关管Q2的漏极相连，线圈Ls2的非同名端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与开关管Q3的漏极相连，开关管Q2的源极与开关管Q3的源极相连，开关管Q2和开关管Q3的栅极与开关管Q2、Q3的驱动电路10连接。

Q2、Q3负责完成电压波形的整形，即将高频储能变压器T1中的电能整形成想要的交流电波形，因为输出电压波形符合电网标准的波形畸变率就合格，Q2、Q3具有逆变的作用；Q1、Q2和Q3协同完成直流电逆变成交流电。

如图3所示，快速响应逆变电路5包括功率开关管Q2、Q3，二极管D3、D3，由于随着开关管Q2、Q3开关频率增加，电路损耗会增加，故选用作为快速响应逆变电路5的开关器件，既能满足技术上频率要求，又能在经济成本上有优势，同样对于二极管D3、D4有快速反向恢复要求，故选用超快恢复二极管。

具体地，所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，所述输出低通滤波电路6包括输出电容C2和输出滤波电感L2；所述输出电容C2的一端分别与输出滤波电感L2和开关管Q2源级连接，输出滤波电感L2连接第一采样电路8，输出电容C2的另一端连接Ls1的非同名端和Ls2的同名端连接处，并且连接第一采样电路8。

具体地，所述第一采样电路8和第二采样电路12都包括电流互感器和阻容分压电路；通过电流互感器与试品串联来采集试品的电流信号；通过阻容分压电路与试品并联来采集试品的电压信号，电容C2是用来稳定输出电压的，当负载有变化时电容C2在第一时间给变化的负载供电；另外的副作用是输出滤波，无谐振功能。

如图2所示，本发明包括五部分，分别是

直流滤波电路2：共轭线圈L3，对共模信号呈现高阻抗，但对差模信号为低阻抗，用于抑制输入信号中的共模干扰；电容C3用来滤除直流电中的杂散干扰波；

缓冲谐振电路3：一方面在开关管Q1关断时，为高频储能变压器T1原边线圈电流续流，提供电流通路，达到缓冲目的；另一方面通过调整缓冲谐振电路的电容C1和电感L1，使其发生谐振；在LC谐振过程中，当二极管D1的阳极电压、电流达到零时，控制开关管Q1导通；当二极管D1的阳极电压、电流达到高频储能变压器T1原边线圈电压、电流的反向两倍时，控制开关管Q1关断通；

高频变换电路4：采用高频变换电路为带高频储能变压器T1的单管变换电路，高频储能变压器T1具体是采用高频升压变压器T1。开关管Q1开通时，流过高频储能变压器T1原边的电流，将电能存储在高频储能变压器T1的原边线圈内；功率开关管Q1关断时，流过高频储能变压器T1副边的电流，将存储在高频储能变压器T1的原边线圈内的电能，经二极管D3、D4，功率开关管Q3、Q4，传输给电容C2和负载；

快速响应逆变电路5：根据负荷端反馈回的电压信号，通过调整快速响应逆变电路5的开关管Q2、Q3通断，实现快速跟踪负荷变换功能。当负荷变大时，控制开关管Q2、Q3导通时间增大，使输出电压增大，能量增大；当负荷变小时，控制开关管Q2、Q3导通时间减小，使输出电压减小，能量减小。在输出波形控制上，快速响应方法给出输出交流电的参考波形和上、下限波形。当输出波形上升达到上限波形时，控制开关管Q2、Q3关断，使得输出交流电波形下降；当输出交流电波形下降至下限波形时，控制开关管Q2、Q3导通，使得输出交流电波形上升。如此，快速响应方法则使得输出交流电波形始终保持在上、下限波形之间，围绕输出交流电的参考波上下波动，保证输出预定波形的交流电。由于是在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断，所以此方法对负荷变化的响应速度很快；

输出低通滤波电路6：采用LC低通滤波电路，滤除纹波，满足EMI的需求。

具体实施方式三

作为发明的进一步改进，所述快速响应逆变电路5采用滞环比较方法，如此设置，通过跟踪指令信号使快速响应逆变电路5输出的电压波形可控，具体是可以根据不同频率的指令信号，输出频率不同的电压；同样也可以根据不同波形的指令信号，输出波形不同的电压。

本发明是以缓冲谐振电路3作为高频储能变压器T1原边侧的缓冲电路，所涉及到的缓冲谐振电路3可以根据谐振原理，使开关管Q1实现软启动与关断，电路损耗明显降低；快速响应逆变电路5经输出低通滤波电路6连接负载电路7，通过算法控制输出较高质量电压。

本发明的缓冲谐振、快速响应负荷的方法，采用的技术方案在于包括以下步骤：

步骤a、缓冲谐振电路3中的电感L1与电容C1发生谐振，在功率开关管Q1关断时，谐振波削弱Q1的电压以减小开关管的关断损耗；

步骤b、控制采样的时间，然后将采样的数据写到外置RAM的不同地址中；MCU控制电路9根据板选信号从RAM另一侧读取采样数据并通过通讯线与触控显示屏13相连，通过触控显示屏13输出采样波形，即输出电压波形；

步骤c、MCU控制电路9通过控制开关管Q1的驱动电路11通断时间进而控制占空比，来控制试验输出功率的大小，通过产生方波调制信号控制高频变换电路4中的功率开关管Q1；

步骤d、控制占空比具体方法：MCU控制电路9根据采集到的电压和电流值，计算出当前一个周期内的平均输出功率，并与前一个周期的平均输出功率作比较，若当前一个周期内的平均输出功率大于前一个周期的平均输出功率，则增大占空比；若当前一个周期内的平均输出功率小于前一个周期的平均输出功率，则减小占空比；

步骤e、MCU控制电路9中产生的指令信号进行比较，控制开关管Q2、Q3的驱动电路10驱动快速响应逆变电路产生想要频率和波形的电压；

步骤f、当负载有变化时，MCU控制电路9根据采样电路采集到的输出信号，调整功率开关管Q1的占空比，执行快速响应方法，以实现快速效应负荷的变化，而快速响应方法则保证输出电压波形不会因负荷变化而出现较大变化。

具体地，所述一种快速响应负载缓冲谐振的方法，所述快速响应方法包括以下步骤：

步骤f1、根据负荷端反馈回的电压信号，通过调整快速响应逆变电路5的开关管Q2、Q3通断，实现快速跟踪负荷变换功能；

步骤f2、当负荷变大时，控制开关管Q2、Q3导通时间增大，使输出电压增大，能量增大；当负荷变小时，控制开关管Q2、Q3导通时间减小，使输出电压减小，能量减小，在输出波形控制上，输出交流电的参考波形和上、下限波形；

步骤f3、当输出波形上升达到上限波形时，控制开关管Q2、Q3关断，使得输出交流电波形下降；当输出交流电波形下降至下限波形时，控制开关管Q2、Q3导通，使得输出交流电波形上升；

步骤f4、输出交流电波形始终保持在上、下限波形之间，围绕输出交流电的参考波上下波动，保证输出预定波形的交流电，在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断。

具体实施方式四

如图4所示，是功率开关管Q1开通时电路工作状态，由于二极管D1承受反向电压，处于截止状态；流过高频储能变压器T1原边的电流，将电能存储在高频储能变压器T1的原边线圈内；缓冲谐振电路3中二极管D2导通，电容C1向电感L1放电。由电磁感应原理知，高频储能变压器T1的副边同名端感应出电势比非同名端高，二极管D3、D4承受反向电压，处于截止状态；电容C2经滤波电感L2向负载供电。

如图5所示，是功率开关管Q1关断时电路工作状态，由于二极管D1承受正向电压，处于导通状态；缓冲谐振电路3中二极管D2导通，电容C1向电感L1放电。由电磁感应原理知，高频储能变压器T1的副边非同名端感应出电势比同名端高，二极管D3、D4承受正向电压，处于导通状态；流过高频储能变压器T1副边的电流，将存储在高频储能变压器T1的原边线圈内的电能，经二极管D3、D4，功率开关管Q3、Q4，传输给电容C2和负载。

具体实施方式五

本发明按功能分为计算控制单元、输入输出滤波单元、高频变换单元、高频储能变压器单元、缓冲谐振单元、快速响应逆变单元、采样单元、驱动单元；所述直流滤波单元经缓冲谐振单元和高频储能变压器单元连接快速响应逆变单元，所述计算控制单元连接经驱动单元连接高频变换单元，所述采样电路包括电流采样电路、电压采样电路，电流采样电路和电压采样电路均连接计算控制单元，计算控制单元连接触控显示屏13。

所述MCU控制电路9包括CPLD和MCU，CPLD和MCU通过RAM进行数据连接，所述MCU连接触控显示屏13，所述CPLD经驱动单元分别连接高频变换电路4和快速响应逆变电路5，电流采样电路和电压采样电路均与CPLD相连。

本发明的控制以MCU和CPLD为核心，如图6所示，利用CPLD、MCU与RAM进行数据传输。CPLD通过采样单元采集试品的电流、电压信号，对信号进行放大处理，CPLD通过控制算法计算产生PWM波，CPLD指令信号通过与MCU中产生的调制信号进行比较，向驱动单元发出驱动信号，控制开关管的通断，同时，如果发生故障，计算控制单元也会采集到的故障信号及时作出反应并关闭系统，然后PWM波通过光电转换模块实现对电信号的隔离作用，由驱动单元驱动的通断，产生电压频率、幅值可调的交流电，可供不同负载使用。

快速响应的软开关隔离逆变器逆变器是以MCU作为主控制器，通过采样单元收集信号，对信号进行放大处理，利用外部AD芯片与MCU芯片进行通讯，实现快速的数据交换。通过缓冲谐振电路3电压电流过零点和高频变换电路4的设定空比，调制产生控制高频变换电路4的PWM波，经开关管驱动电路，控制高频变换电路4；通过负载电路7的电压电流和快速响应逆变电路5的参考波形，调制产生控制快速响应逆变电路5的PWM波，经信号多分模块和开关管驱动电路，控制快速响应逆变电路5。MCU控制中心通过高频变换电路4和快速响应逆变电路5的控制，实现软开关和快速响应负荷的功能，降低逆变器的开关损耗和快速响应负荷的变化，输出稳定可靠地交流电。

本发明用MCU作为中央处理器。整个流程分析为：

所述新型缓冲软开关方法一方面是通过缓冲谐振电路3，在开关管Q1关断时，为高频储能变压器T1原边线圈电流续流，提供电流通路，达到缓冲目的。另一方面，新型缓冲软开关方法通过调整缓冲谐振电路的电容C1和电感L1，使其发生谐振；在LC谐振过程中，当二极管D1的阳极电压、电流达到零时，控制开关管Q1导通；当二极管D1的阳极电压、电流达到高频储能变压器T1原边线圈电压、电流的反向两倍时，控制开关管Q1关断通。

所述快速响应方法是根据负荷端反馈回的电压信号，通过调整快速响应逆变电路5的开关管Q2、Q3通断，实现快速跟踪负荷变换功能。当负荷变大时，控制开关管Q2、Q3导通时间增大，使输出电压增大，能量增大；当负荷变小时，控制开关管Q2、Q3导通时间减小，使输出电压减小，能量减小。在输出波形控制上，快速响应方法给出输出交流电的参考波形和上、下限波形。当输出波形上升达到上限波形时，控制开关管Q2、Q3关断，使得输出交流电波形下降；当输出交流电波形下降至下限波形时，控制开关管Q2、Q3导通，使得输出交流电波形上升。如此，快速响应方法则使得输出交流电波形始终保持在上、下限波形之间，围绕输出交流电的参考波上下波动，保证输出预定波形的交流电。由于是在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断，所以此方法对负荷变化的响应速度很快。

电路损耗低，通过缓冲谐振电路3的谐振使高频变换电路4中的功率开关管Q1的开关损耗极大降低；本电路只有三只功率开关管比传统的桥式逆变电路少用一只功率管，从而降低了电路损耗，提高了电能转换功率。

负载瞬时响应块，由于是在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断，所以此方法对负荷变化的响应速度很快。

输出波形质量高，本器的逆变单元采用滞环比较算法，通过MCU产生的PWM控制信号，快速控制功率开关管Q2、Q3的通断，跟踪指令效果好，提高了输出波形质量；

控制方法易实现、响应速度快，利用MCU运算快和易实现算法的优点，依据采集到反馈的电流、电压信号，通过前后周期内输出功率的比较，快速实现占空比的调整；

智能化程度高，有两条智能反馈系统，触控显示屏实时输出系统信息，人机交互界面友好；

成本低，电路使用元件相对较少，只用三只功率开关管实现了任意波形和宽频域输出。

电路中的开关管可使用MOSFET、IGBT等功率开关管；MCU处理器可用DSP、STM32、ARM等芯片。

本发明实现最大功率方法、实现快速响应方法、一种快速响应负荷的逆变系统和带缓冲谐振软开关的新电路拓扑结构。可用于光伏逆变系统和有源滤波装置。

Claims (9)

1.一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，包括直流输入电路(1)、直流滤波电路(2)、缓冲谐振电路(3)、高频变换电路(4)、快速响应逆变电路(5)、输出低通滤波电路(6)、负载电路(7)、第一采样电路(8)、MCU控制电路(9)、开关管Q2、Q3的驱动电路(10)、开关管Q1的驱动电路(11)、第二采样电路(12)和触控显示屏(13)；所述直流输入电路(1)依次连接直流滤波电路(2)、缓冲谐振电路(3)、高频变换电路(4)、快速响应逆变电路(5)、输出低通滤波电路(6)和负载电路(7)，所述负载电路(7)通过第一采样电路(8)连接MCU控制电路(9)，所述MCU控制电路(9)通过开关管Q2、Q3的驱动电路(10)连接快速响应逆变电路(5)，所述MCU控制电路(9)通过开关管Q1的驱动电路(11)连接高频变换电路(4)，所述缓冲谐振电路(3)通过第二采样电路连接MCU控制电路(9)，所述MCU控制电路(9)连接触控显示屏(13)。

2.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述直流输入电路(1)是电源DC。

3.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述直流滤波电路(2)包括共轭线圈L3和直流滤波电容C3；所述电源DC正负极连接共轭线圈L3，所述共轭线圈L3连接直流滤波电容C3。

4.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述缓冲谐振电路(3)包括二极管D1、二极管D2、谐振电容C1和谐振电感L1；所述谐振电容C1分别连接直流滤波电容C3和谐振电感L1，所述直流滤波电容C3连接二极管D1的阴极，所述谐振电感L1连接二极管D2的阴极，二极管D2的阳极与二极管D1的阴极连接。

5.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述高频变换电路(4)包括开关管Q1和高频储能变压器T1；所述开关管Q1漏极分别连接二极管D1的阳极和高频储能变压器T1的线圈Lp非同名端，开关管Q1源极分别连接L3和C3，开关管Q1栅极连接开关管Q1的驱动电路(11)，所述高频储能变压器T1的Lp同名端分别连接L1、C1、C3和L3。

6.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述快速响应逆变电路(5)包括二极管D3、二极管D4、开关管Q2和开关管Q3；高频储能变压器T1副边Ls1和Ls2采用相同的线圈，线圈Ls1的非同名端连接至线圈Ls2的同名端，线圈Ls1的同名端与二极管D3的阴极相连，二极管D3的阳极与开关管Q2的漏极相连，线圈Ls2的非同名端与二极管D4的阳极相连，二极管D4的阴极与开关管Q3的漏极相连，开关管Q2的源极与开关管Q3的源极相连，开关管Q2和开关管Q3的栅极与开关管Q2、Q3的驱动电路(10)连接。

7.根据权利要求1所述一种快速响应的软开关隔离逆变器，其特征在于，所述输出低通滤波电路(6)包括输出电容C2和输出滤波电感L2；所述输出电容C2的一端分别与输出滤波电感L2和开关管Q2源级连接，输出滤波电感L2连接第一采样电路(8)，输出电容C2的另一端连接Ls1的非同名端和Ls2的同名端连接处，并且连接第一采样电路(8)。

8.一种在权利要求1、2、3、4、5、6或7所述一种快速响应的软开关隔离逆变器上实现的快速响应负载缓冲谐振的方法，其特征在于，具体步骤如下：

步骤a、缓冲谐振电路(3)中的电感L1与电容C1发生谐振，在功率开关管Q1关断时，谐振波削弱Q1的电压以减小开关管的关断损耗；

步骤b、控制采样的时间，然后将采样的数据写到外置RAM的不同地址中；MCU控制电路(9)根据板选信号从RAM另一侧读取采样数据并通过通讯线与触控显示屏(13)相连，通过触控显示屏(13)输出采样波形，即输出电压波形；

步骤c、MCU控制电路(9)通过控制开关管Q1的驱动电路(11)通断时间进而控制占空比，来控制试验输出功率的大小，通过产生方波调制信号控制高频变换电路(4)中的功率开关管Q1；

步骤d、控制占空比具体方法：MCU控制电路(9)根据采集到的电压和电流值，计算出当前一个周期内的平均输出功率，并与前一个周期的平均输出功率作比较，若当前一个周期内的平均输出功率大于前一个周期的平均输出功率，则增大占空比；若当前一个周期内的平均输出功率小于前一个周期的平均输出功率，则减小占空比；

步骤e、MCU控制电路(9)中产生的指令信号进行比较，控制开关管Q2、Q3的驱动电路(10)驱动快速响应逆变电路产生想要频率和波形的电压；

步骤f、当负载有变化时，MCU控制电路(9)根据采样电路采集到的输出信号，调整功率开关管Q1的占空比，执行快速响应方法，以实现快速效应负荷的变化，而快速响应方法则保证输出电压波形不会因负荷变化而出现较大变化。

9.根据权利要求8所述一种快速响应负载缓冲谐振的方法，其特征在于，所述快速响应方法包括以下步骤：

步骤f1、根据负荷端反馈回的电压信号，通过调整快速响应逆变电路(5)的开关管Q2、Q3通断，实现快速跟踪负荷变换功能；

步骤f2、当负荷变大时，控制开关管Q2、Q3导通时间增大，使输出电压增大，能量增大；当负荷变小时，控制开关管Q2、Q3导通时间减小，使输出电压减小，能量减小，在输出波形控制上，输出交流电的参考波形和上、下限波形；

步骤f3、当输出波形上升达到上限波形时，控制开关管Q2、Q3关断，使得输出交流电波形下降；当输出交流电波形下降至下限波形时，控制开关管Q2、Q3导通，使得输出交流电波形上升；

步骤f4、输出交流电波形始终保持在上、下限波形之间，围绕输出交流电的参考波上下波动，保证输出预定波形的交流电，在紧挨负荷端调整开关管Q2、Q3通断。