CN108258898B - 一种二极管扩展升压型逆变电路 - Google Patents

一种二极管扩展升压型逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种二极管扩展升压型逆变电路,涉及电力电子逆变技术领域,用于提高单级升压式逆变器的升压系数。所述二极管扩展升压型逆变电路由二极管扩展升压网络、逆变桥、宽频变换器、可置零积分器、比较触发模块、矢量分配模块、微处理器和驱动电路八部分组成。其中二极管扩展升压网络包括:输入直流电源Uin、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1、电容C2。所述二极管扩展升压型逆变电路具有升压系数高、可靠性高、输入电流连续、开关损耗低、控制灵活的优点,适用于输入电压低、变化范围大的场合。

Description

一种二极管扩展升压型逆变电路
技术领域
本发明涉及电力电子逆变技术领域,具体是一种二极管扩展升压型逆变电路。
背景技术
化石能源在生产、生活中的大量使用,导致了世界环境日趋恶化,温室效应、酸雨、粉尘污染等问题对人类的日常生活产生了严重影响;工业化的不断推进也使人类对能源的需求量不断提高,资源枯竭已成为人类面临的重大危机。因此,将传统煤炭、石油等化石能源替换为可再生的新型能源,是解决危机的关键所在。分布式光伏发电、可再生发电等发电方式成为社会关注的焦点。由于分布式发电过程受众多因素的影响,输出电能具有电压波动大、输出电压平均值低的特点。另外,传统电压源型逆变器不能提高电压,只能对输入电能降压输出,故不能直接使用分布式电能对电网负荷供电。因此需要在逆变器之前外加升压环节以提高输出电压。
目前常用的升压方式有隔离式变换器和Boost变换器。隔离式变换器体积大、损耗大、成本高,漏感会导致开关器件承受过量di/dt或du/dt而损坏。而采用Boost变换器的升压-逆变两级变换结构,需要额外增加一级升压斩波电路,增加了系统的成本和运行复杂度;当要求升压系数很大、直通占空比接近1时,会使逆变器直流母线电压产生较大纹波,开关器件的开关损耗会增加、恶化二极管反向恢复过程。因此选择升压能力强、运行效率高、控制简单、可靠性高的电路结构成为研究的关键所在。
发明内容
本发明的目的是:发明一种新型的升压逆变电路的拓扑结构及其控制电路,通过调节直通零矢量占空比,可以对输入直流电能进行升压逆变。该拓扑结构应该有较大的升压能力,输入电流连续,电容电压应力小的特点。在控制电路的控制下可以输出高精度正弦波。
为实现本发明之目的,采用以下技术方案予以实现:通过二极管扩展升压网络对输入电压Uin进行升压。升压网络后连接逆变桥,将直流母线电压转换为交流电能。
本发明所述二极管扩展升压型逆变电路由二极管扩展升压网络、逆变桥、宽频变换器、可置零积分器、比较触发模块、矢量分配模块、微处理器和驱动电路八部分组成。其中二极管扩展升压网络包括:输入直流电源Uin、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1和电容C2。具体连接方式为:输入直流电源Uin正极与电感L1一端连接,输入直流电源Uin负极与电容C1的一端、二极管D4阳极、逆变桥直流母线负极连接,电感L1另一端与二极管D2、二极管D3的阳极连接,二极管D2的阴极与电感L2、电容C2的一端连接,同时与逆变桥直流母线正极连接,二极管D1的阴极与电感L2和电容C1的另一端连接,同时与二极管D3的阴极连接,二极管D4的阴极与电感L3一端连接,二极管D3的阳极与电容C2、电感L3的另一端连接。宽频变换器与逆变桥输出端和可置零积分器的IN端口连接。可置零积分器的OUT端口与比较触发模块的IN1端口连接,可置零积分器的CLR端口与比较触发模块的TRI端口、矢量分配模块的TRII端口、微处理器连接。比较触发模块的CMP端口与矢量分配模块的CMPI端口连接,比较触发模块的CLK端口、IN2端口均与微处理器连接。矢量分配模块的DUT端口与微处理器连接,矢量分配模块的OUT端口与驱动电路连接。驱动电路与逆变桥的四个IGBT门极连接。
二极管扩展升压型逆变电路包含两种工作状态:直通状态和非直通状态。在直通状态下,二极管扩展升压网络和逆变桥组成升压斩波电路。此时电路中所有电感储能,电感电流线性增加;所有电容放电,电容电压线性降低。在非直通状态下,所有电感放电,电感电流线性下降;所有电容储能,电容电压线性升高。因为电感放电时起到电压泵升的作用,而电容可以将此高电压保持住,所以可以将直流母线电压幅值提升。
与现有技术相比较,本发明具有以下技术效果:
(1)具有单级升压逆变功能,不需要变压器或斩波电路,减小了电路体积和重量。
(2)改变直通状态占空比和参考电压幅值可以实现输出电压的提高或降低。
(3)电路中的二极管扩展升压网络可降低电感放电时的暂态电压尖峰脉冲,同时降低器件开关损耗。
附图说明
图1是本发明所述二极管扩展升压型逆变电路的原理图。
图2是本发明所述二极管扩展升压网络连续导电模式时、直通状态下等效电路。
图3是本发明所述二极管扩展升压网络连续导电模式时、非直通状态下等效电路。
图4是本发明所述二极管扩展升压网络断续导电模式时、非直通状态下等效电路。
图5是本发明所述可置零积分器的原理图。
图6是本发明所述矢量分配模块的原理图。
图7是本发明所述微处理器的软件流程图。
附图标记:二极管扩展升压网络1、逆变桥2、宽频变换器3、可置零积分器4、比较触发模块5、矢量分配模块6、微处理器7、驱动电路8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明:如附图1所示,所述二极管扩展升压型逆变电路由二极管扩展升压网络1、逆变桥2、宽频变换器3、可置零积分器4、比较触发模块5、矢量分配模块6、微处理器7和驱动电路8八部分组成。其中二极管扩展升压网络1包括:输入直流电源Uin、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1和电容C2。具体连接方式为:输入直流电源Uin正极与电感L1一端连接,输入直流电源Uin负极与电容C1的一端、二极管D4阳极、逆变桥2直流母线负极连接,电感L1另一端与二极管D2、二极管D3的阳极连接,二极管D2的阴极与电感L2、电容C2的一端连接,同时与逆变桥2直流母线正极连接,二极管D1的阴极与电感L2和电容C1的另一端连接,同时与二极管D3的阴极连接,二极管D4的阴极与电感L3一端连接,二极管D3的阳极与电容C2、电感L3的另一端连接。宽频变换器3与逆变桥2输出端和可置零积分器4的IN端口连接。可置零积分器4的OUT端口与比较触发模块5的IN1端口连接,可置零积分器4的CLR端口与比较触发模块5的TRI端口、矢量分配模块6的TRII端口、微处理器7连接。比较触发模块5的CMP端口与矢量分配模块6的CMPI端口连接,比较触发模块5的CLK端口、IN2端口均与微处理器7连接。矢量分配模块6的DUT端口与微处理器7连接,矢量分配模块6的OUT端口与驱动电路8连接。驱动电路8与逆变桥2的四个IGBT门极连接。
根据直流电压输入端电感L1的工作状态,可将电感分为连续导电模式和断续导电模式。
图2是本发明所述二极管扩展升压网络1连续导电模式时、直通状态下等效电路。逆变桥2的四个IGBT开关管同时开通,逆变桥2短路,直流母线电压为零,此时电感L2和电容C2分别对二极管D1和二极管D3施加反向电压,二极管D1和D3截止,D2开通。输入直流电源Uin给电感L1储能,电容C1给电感L2储能,电容C2给电感L3储能,电感电流iL1和iL2线性增高。
图3是本发明所述二极管扩展升压网络1连续导电模式时、非直通状态下等效电路。当IGBT开关管在非直通状态时,可以将逆变桥与负载等效为电流源。此时电感L2给二极管D2施加反向电压使其截止。这种情况中含有电感L3不等于零和电感L3为零两种状态。在电感L3的电流不等于0时,二极管D4开通,如图3(I)所示。此时输入直流电源Uin和电感L1给电容C1储能,输入直流电源Uin和电感L1、L2同时为负载供电,电感L2给电容C2储能,电感L3给电容C1储能。
当电感L3电流下降到零后,二极管D4截止,如图3(II)所示。构成的通路是L3-D3-C1-D4,其他通路持续导通,电感L1和L2的电流线性降低。设开关周期为T,直通零矢量状态占空比为D,则非直通零矢量状态的占空比为1-D。
设BCCM为电感L1在连续导电模式下逆变电路的电压升高系数,根据一周期内电感电压平均值为零,求得输出直流母线电压为:
Figure BSA0000161570470000031
图4是本发明所述二极管扩展升压网络1断续导电模式时、非直通状态下等效电路。当电感L1工作于断续导电模式时,与连续导电模式相比增加了一种电感L1电流等于零的状态,此时二极管D1和D2截止,D3开通,电感L2给电容C2储能,电感L3给电容C1储能。假设电感L1的续流时间为Don,BDCM为断续导电模式下逆变电路的电压升高系数,根据一周期内电感电压平均值为零,求得输出直流母线电压为:
Figure BSA0000161570470000032
由公式(1)和(2)可知BDCM>BCCM,说明二极管扩展升压型逆变电路断续导电模式下的升压系数大于连续导电模式下的升压系数。
宽频变换器3采样逆变桥2输出脉冲电压,将电压幅值按照一定比例缩小,然后将采样后的电压输入至可置零积分器4的IN端口。
图5是本发明所述可置零积分器4的原理图。可置零积分器4由LM324和CD74HC4052组成,其功能是:当置零端CLR为低电平时对输入模拟信号IN积分,当置零端CLR为高电平时输出端OUT为零。电容C与两路复位开关并联,对电容双向放电,可以减小复位电阻。
可置零积分器4将积分运算的结果输出至比较触发模块5的IN1端口。比较触发模块5的功能是:当微处理器7输入IN2的电压为正值时,CMP端口输出高电平,将两个输入电压信号IN1和IN2的大小进行比较,若IN2电压高则TRI输出高电平,若IN1电压高则TRI输出低电平,CLK端口接收到微处理器7的低电平脉冲时TRI端口输出低电平,进行下一次比较;当微处理器7输入IN2的电压为负值时,CMP端口输出低电平,将两个输入电压信号IN1和IN2的大小进行比较,若IN2电压高则TRI输出高电平,若IN1电压高则TRI输出低电平,CLK端口接收到微处理器7的低电平脉冲时TRI端口输出低电平,进行下一次比较。
图6是本发明所述矢量分配模块6的原理图。矢量分配模块6由74LS86、74LS04、74LS32三个芯片组成。其功能是:将CMPI端口和TRII端口的输入信号进行处理,按照单极性正弦脉宽调制原理产生逆变桥2的四个驱动信号。DUT端口输入高电平可以使四个输出驱动信号全部为高电平,从而产生二极管扩展升压型逆变电路的直通状态。
如附图7所示,本发明所述微处理器7的程序流程图为:开始→初始化→设置定时计数器0和外部中断0→设定输出电压→输出高电平至CLK端口→启动定时计数器0→TRI端口是否有外部中断?——否→返回TRI端口是否有外部中断?;——是→输出高电平至DUT端口→查询参考电压→启动DA转换器→输出参考电压至IN2端口→延时→输出低电平至DUT端口→是否有定时计数器0中断?——否→返回是否有定时计数器0中断?;——是→输出低电平脉冲至CLK端口→是否结束?——否→返回启动定时计数器0;——是→结束。
矢量分配模块6输出的四个驱动信号输入至驱动电路8,驱动逆变桥2的四个IGBT按照有直通零矢量的正弦脉宽调制原理工作。
与现有技术相比较,本发明具有以下技术效果:
(1)具有单级升压逆变功能,不需要变压器或斩波电路,减小了电路体积和重量。
(2)改变直通状态占空比和参考电压幅值可以实现输出电压的提高或降低。
(3)电路中的二极管扩展升压网络可降低电感放电时的暂态电压尖峰脉冲,同时降低器件开关损耗。

Claims (6)

1.一种二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,由二极管扩展升压网络(1)、逆变桥(2)、宽频变换器(3)、可置零积分器(4)、比较触发模块(5)、矢量分配模块(6)、微处理器(7)和驱动电路(8)八部分组成;其中二极管扩展升压网络(1)包括:输入直流电源Uin、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电感L1、电感L2、电感L3、电容C1和电容C2;具体连接方式为:输入直流电源Uin正极与电感L1一端连接,输入直流电源Uin负极与电容C1的一端、二极管D4阳极、逆变桥(2)直流母线负极连接,电感L1另一端与二极管D2、二极管D1的阳极连接,二极管D2的阴极与电感L2、电容C2的一端连接,同时与逆变桥(2)直流母线正极连接,二极管D1的阴极与电感L2和电容C1的另一端连接,同时与二极管D3的阴极连接,二极管D4的阴极与电感L3一端连接,二极管D3的阳极与电容C2、电感L3的另一端连接;宽频变换器(3)与逆变桥(2)输出端和可置零积分器(4)的输入端口连接;可置零积分器(4)的输出端口与比较触发模块(5)的第一输入端口连接,可置零积分器(4)的复位端口与比较触发模块(5)的触发端口、矢量分配模块(6)的触发端口、微处理器(7)连接;比较触发模块(5)的比较输出端口与矢量分配模块(6)的比较输入端口连接,比较触发模块(5)的时钟端口、第二输入端口均与微处理器(7)连接;矢量分配模块(6)的占空比控制端口与微处理器(7)连接,矢量分配模块(6)的输出端口与驱动电路(8)连接;驱动电路(8)与逆变桥(2)的四个IGBT门极连接。
2.根据权利要求1所述的二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,包含连续导电模式和断续导电模式两种工作状态,断续导电模式下的升压系数大于连续导电模式下的升压系数。
3.根据权利要求1所述的二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,当工作在直通状态时,电感L2和电容C2分别对二极管D1和二极管D3施加反向电压,二极管D1和D3截止,D2开通,输入直流电源Uin给电感L1储能,电容C1给电感L2储能,电容C2给电感L3储能,电感电流iL1和iL2线性增高;
当工作在非直通状态时,电感L2给二极管D2施加反向电压使其截止,这种情况中含有电感L3的电流不等于零和电感L3的电流为零两种状态;在电感L3的电流不等于0时,二极管D4开通,输入直流电源Uin和电感L1给电容C1储能,输入直流电源Uin和电感L1、电感L2同时为负载供电,电感L2给电容C2储能,电感L3给电容C1储能;当电感L3电流下降到零后,二极管D4截止,其他通路持续导通,电感L1和L2的电流线性降低。
4.根据权利要求1所述的二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,当电感L1工作于断续导电模式时,与连续导电模式相比增加了一种电感L1电流等于零的状态,此时二极管D1和D2截止,D3开通,电感L2给电容C2储能,电感L3给电容C1储能。
5.根据权利要求1所述的二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,由LM324和CD74HC4052组成,当复位端口为低电平时对输入端口模拟信号积分,当复位端口为高电平时输出端口为零;电容C与两路复位开关并联,对电容双向放电,以减小复位电阻。
6.根据权利要求1所述的二极管扩展升压型逆变电路,其特征在于,由74LS86、74LS04、74LS32三个芯片组成,将比较输入端口和触发端口的输入信号进行处理,按照单极性正弦脉宽调制原理产生逆变桥(2)的四个驱动信号;占空比控制端口输入高电平使四个输出驱动信号全部为高电平,从而产生二极管扩展升压型逆变电路的直通状态。
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EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20180706

Assignee: Xuzhou pureseth Internet of things Technology Co.,Ltd.

Assignor: Hebei University of Technology

Contract record no.: X2023120000019

Denomination of invention: A Diode Extended Boost Inverter Circuit

Granted publication date: 20200207

License type: Exclusive License

Record date: 20230424