CN108712080A - 一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接。该电路采用半桥有源钳位方法，可实现周波变换器可靠换流、回收滤波电感与漏感的能量，并钳位周波变换器开关管两端电压。该电路具有单级功率转换，漏感能量回收，低压应力低，输出电压波形质量好的优点。

Description

一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路

技术领域

本发明涉及一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，属于电学领域。

背景技术

在高频链单级逆变器(High frequency link single stage inverter,HFL-SSI)周波变换器换流死区期间，滤波电感电流与漏感电流的通路被强行阻断，导致周波变换器开关管两端产生非常高的电压尖峰。传统电路采用电阻-电容-二极管(Resistor-Capacitor-Diode,RCD)钳位电路限制周波变换器两端电压，无法实现漏感能量回收，输出电压波形质量也不高。

发明内容

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本发明提供了一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路。

技术方案：本发明提供的一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；

所述半桥逆变电路包括开关管S_a、开关管S_b、电容C_a、电容C_b、直流输入电源V_dc；所述开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极连接，并与电容C_a和电容C_b的串联电路并联，并联电路两端分别与直流输入电源V_dc的正极和负极连接；

所述漏感电流续流电路包括续流二极管D_C1、续流二极管D_C2、续流二极管D_C3、续流二极管D_C4、钳位电容C₁、钳位电容C₂、续流二极管D₁、续流二极管D₂、钳位开关管S_C1、钳位开关管S_C2；所述续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极连接，所述续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极连接，所述续流二极管D₁的阳极和钳位二极管D₂的阴极连接，所述钳位电容C₁和钳位电容C₂连接；所述钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极连接；所述二极管D_c1的阴极、二极管D_c2的阴极、二极管D₁的阴极、电容C₁、钳位开关管S_C1的漏极连接；所述二极管D_c2的阳极、二极管_c4的阳极、二极管D₂的阳极、电容C₂、钳位开关管S_C2的源极连接；

所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接；

所述副边整流电路包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄；所述开关管S₁的源极和开关管S₂的源极连接形成双向开关管S₁-S₂；所述开关管S₃的源极和开关管S₄的源极连接形成双向开关管S₃-S₄；

所述变压器包括一个初级线圈、两个次级线圈以及副边漏感L_k1和副边漏感L_k2，初级线圈一端连接于开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极之间，另一端连接于电容C_a和电容 C_b之间，变压器的第一次级线圈、副边漏感L_k1、双向开关管S₁-S₂、双向开关管S₃-S₄、副边漏感L_k2、第二次级线圈依次连接成环；开关管S₂的漏极与开关管S₄的漏极连接，连接处与滤波电感L_f的一端连接；滤波电感L_f的另外一端与滤波电容C_f和负载电阻R 所形成的并联电路连接；滤波电容C_f和负载R所形成的并联电路另外一端与参考地连接；

副边漏感L_k1和开关管S₁的漏极之间与续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极之间连接，副边漏感L_k2和开关管S₃的漏极之间与续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极之间连接，二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极之间、钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极之间与开关管S₂的漏极和开关管S₄的漏极之间连接。

有益效果：本发明提供的电路采用半桥有源钳位(Half bridge active clamp,HBAC)方法，可实现周波变换器可靠换流、回收滤波电感与漏感的能量，并钳位周波变换器开关管两端电压。该电路具有单级功率转换，漏感能量回收，低压应力低，输出电压波形质量好的优点。

附图说明

图1为RCD钳位高频链单级逆变电路图；

图2为RCD钳位电容两端并联电阻消耗吸收的能量图；

图3为本发明半桥有源钳位高频链单级逆变电路图；

图4为本发明电路调制波形图；

图5为本发明电路HBAC-HFL-SSI换流时序波形图；

图6为本发明电路HBAC-HFL-SSI周波变换器换流过程图；其中，(a)模态1 [t₀～t₁]；(b)模态2[t₁～t₂]；(c)模态3[t₃～t₄]。

图7为RCD钳位高频链单级逆变电路实验波形。可以看到PWM电压VP存在尖峰电压，导致电压应力增大，此外RCD钳位导致能量消耗，影响系统效率。

图8为本发明电路HBAC-HFL-SSI实验波形。可以看到PWM电压V_P不存在尖峰电压，电压应力降低，此外滤波电感能量被回收，有效提高了系统效率。

具体实施方式

下面对本发明半桥有源钳位高频链单级逆变电路作出进一步说明。

半桥有源钳位高频链单级逆变电路，见图3，包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；

所述半桥逆变电路包括开关管S_a、开关管S_b、电容C_a、电容C_b、直流输入电源V_dc；所述开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极连接，并与电容C_a和电容C_b的串联电路并联，并联电路两端分别与直流输入电源V_dc的正极和负极连接；

所述漏感电流续流电路包括续流二极管D_C1、续流二极管D_C2、续流二极管D_C3、续流二极管D_C4、钳位电容C₁、钳位电容C₂、续流二极管D₁、续流二极管D₂、钳位开关管S_C1、钳位开关管S_C2；所述续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极连接，所述续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极连接，所述续流二极管D₁的阳极和钳位二极管D₂的阴极连接，所述钳位电容C₁和钳位电容C₂连接；所述钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极连接；所述二极管D_c1的阴极、二极管D_c2的阴极、二极管D₁的阴极、电容C₁、钳位开关管S_C1的漏极连接；所述二极管D_c2的阳极、二极管_c4的阳极、二极管D₂的阳极、电容C₂、钳位开关管S_C2的源极连接；

所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接；

所述副边整流电路包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄；所述开关管S₁的源极和开关管S₂的源极连接形成双向开关管S₁-S₂；所述开关管S₃的源极和开关管 S₄的源极连接形成双向开关管S₃-S₄；

所述变压器包括一个初级线圈、两个次级线圈以及副边漏感L_k1和副边漏感L_k2，初级线圈一端连接于开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极之间，另一端连接于电容C_a和电容 C_b之间，变压器的第一次级线圈、副边漏感L_k1、双向开关管S₁-S₂、双向开关管S₃-S₄、副边漏感L_k2、第二次级线圈依次连接成环；开关管S₂的漏极与开关管S₄的漏极连接，连接处与滤波电感L_f的一端连接；滤波电感L_f的另外一端与滤波电容C_f和负载电阻R 所形成的并联电路连接；滤波电容C_f和负载R所形成的并联电路另外一端与参考地连接；

副边漏感L_k1和开关管S₁的漏极之间与续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极之间连接，副边漏感L_k2和开关管S₃的漏极之间与续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极之间连接，二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极之间、钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极之间与开关管S₂的漏极和开关管S₄的漏极之间连接。

(1)传统电阻消耗能量平衡方式：

HFL-SSI在副边双向开关管死区时间内的等效电路如图6(a)所示，由于滤波电感与漏感电流流动通路被强行中断，在变压器副边G点、H点以及滤波电感前端P点将会产生非常高的尖峰电压，损坏功率器件。G点、H点和P点电流均为双向流动，需要采用双向续流钳位电路，即每一个节点需要一组正向和负向二极管-电容续流钳位电路，如图6(b)所示。分析G点、H点和P点的特性可知，此三个节点的正负电压值是相同的，因此可以把三组钳位电容合并成一组，如图6(c)所示。通过采用该续流钳位电路，正、负向电流可以经由二极管D₁、D₃、D₅和D₂、D4、D6流入钳位电容。

钳位电容C1、C₂均只能被充电而不能被放电，如图2所示在钳位电容两端并联电阻消耗吸收的能量，可以实现钳位电容电压平衡，但是会造成较大的损耗，图2给出了R₁、 R₂取值均取1kΩ时的时域仿真波形。

仿真所采用的电路参数为V_in＝320V，原副边匝比为6:1:1，负载电阻R＝8Ω。电阻R₁、R₂取1kΩ时，输出功率115W，消耗的功率为13W，占输出功率的11.3％，效率为85.7％，双向开关管电压应力为165V，按原副边计算，双向开关管的理想电压应力为115V。当电阻R₁、R₂取5kΩ时，输出功率105.6W，消耗功率为5.6W，电阻消耗功率占输出功率的5.3％，效率为87.8％，双向开关管电压应力为250V。由上述分析可知，基于电阻消耗的钳位电容能量平衡方式总体效率不高，虽然增大消耗电阻能在一定程度上改善效率，但是电压应力显著增大。此外，由图2所示仿真波形图中的V_P波形可知，输出PWM波形的高低电平伴随着强烈的振荡过程，对输出电压波形质量也有一定的影响。

(2)本发明半桥有源钳位高频链单级逆变电路的工作原理：

见图3和4，二极管D_C1～D_C4构成漏感电流续流电路。续流二极管D₁、D₂两端并联开关管S_C1和S_C2，S_C1和S_C2在D₁、D₂关断期间导通，以实现钳位电容电压能量平衡(D₁、D₂亦可以用S_C1和S_C2体二极管替代)。S_C1和S_C2构成一个半桥电路且与周波变换器后端P点相连接，可以钳位电容吸收的能量输出到负载而不需要流经周波变换器开关管S₁～S₄。

周波变换器换流时序如图5所示，HBAC-HFL-SSI周波变换器换流过程即t₀～t₃阶段的等效电路如图6所示。

模态1[t₀～t₁]：在t₀～t₁期间，开关管S₁-S₂关断，开关管S₃-S₄导通，滤波电感电流i_Lf的电流流经S₃-S₄。钳位开关管S_C1导通实现钳位电容C₁电压V_C1平衡。

模态2[t₁～t₂]：t₁时刻，V_S3(V_S4)由高变低，开关管S₃-S₄关断，在t₁～t₂期间，二极管D₂导通，为i_Lf提供续流通路。

模态3[t₂～t₃]：t₂时刻，V_S1(V_S2)由低变高，开关管S₁-S₂导通，i_Lf由D₂换流至开关管S₁-S₂。钳位开关管S_C2导通，实现钳位电容C₂电压V_C2平衡。

Claims (1)

1.一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，其特征在于：包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；

所述半桥逆变电路包括开关管S_a、开关管S_b、电容C_a、电容C_b、直流输入电源V_dc；

所述开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极连接，并与电容C_a和电容C_b的串联电路并联，并联电路两端分别与直流输入电源V_dc的正极和负极连接；

所述漏感电流续流电路包括续流二极管D_C1、续流二极管D_C2、续流二极管D_C3、续流二极管D_C4、钳位电容C₁、钳位电容C₂、续流二极管D₁、续流二极管D₂、钳位开关管S_C1、钳位开关管S_C2；所述续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极连接，所述续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极连接，所述续流二极管D₁的阳极和钳位二极管D₂的阴极连接，所述钳位电容C₁和钳位电容C₂连接；所述钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极连接；所述二极管D_c1的阴极、二极管D_c2的阴极、二极管D₁的阴极、电容C₁、钳位开关管S_C1的漏极连接；所述二极管D_c2的阳极、二极管_c4的阳极、二极管D₂的阳极、电容C₂、钳位开关管S_C2的源极连接；

所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接；

所述副边整流电路包括开关管S₁、开关管S₂、开关管S₃、开关管S₄；所述开关管S₁的源极和开关管S₂的源极连接形成双向开关管S₁-S₂；所述开关管S₃的源极和开关管S₄的源极连接形成双向开关管S₃-S₄；

所述变压器包括一个初级线圈、两个次级线圈以及副边漏感L_k1和副边漏感L_k2，初级线圈一端连接于开关管S_a的源极和开关管S_b的漏极之间，另一端连接于电容C_a和电容C_b之间，变压器的第一次级线圈、副边漏感L_k1、双向开关管S₁-S₂、双向开关管S₃-S₄、副边漏感L_k2、第二次级线圈依次连接成环；开关管S₂的漏极与开关管S₄的漏极连接，连接处与滤波电感L_f的一端连接；滤波电感L_f的另外一端与滤波电容C_f和负载电阻R所形成的并联电路连接；滤波电容C_f和负载R所形成的并联电路另外一端与参考地连接；

副边漏感L_k1和开关管S₁的漏极之间与续流二极管D_C1的阳极和钳位二极管D_C2的阴极之间连接，副边漏感L_k2和开关管S₃的漏极之间与续流二极管D_C3的阳极和钳位二极管D_C4的阴极之间连接，二极管D₁的阳极和二极管D₂的阴极之间、钳位开关管S_C1的源极和钳位开关管S_C2的漏极之间与开关管S₂的漏极和开关管S₄的漏极之间连接。