CN108880313A - 一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统，包括电压值相等的第一直流电源及第二直流电源，电容值相等的第一电容及第二电容，电感值和匝数相等的第一电感和第四电感，电感值和匝数相等的第二电感和第五电感，电感值和匝数相等的第三电感和第六电感，第一二极管、第二二极管、第一开关模块及第二开关模块。本申请提供的半桥变换器在不存在开关模块短路直通的问题的基础上，一方面，本申请在满足第一开关模块和第二开关模块存在直通的情况下，对于第一开关模块和第二开关模块的占空比并不具体限定即可输出幅值相等的正负电压，控制自由度更高；另一方面，该半桥变换器能够输出零电压电平，从而为得到高质量的正弦波奠定了基础。

Description

一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统。

背景技术

随着电力电子技术的进步，逆变器也得到了极大地发展，但是一些半桥逆变器存在着短路直通的问题。Z源半桥逆变器(参照图1)解决了传统半桥逆变器开关管直通短路的问题，被大量地应用于电化学领域。

但是在需要基于逆变器的输出得到较为平滑地正弦波时，Z源半桥逆变器存在以下缺点：

1)桥臂的上桥臂开关管的占空比为0.5时才可输出幅值相同的正负电压，控制自由度低；

2)由于正弦波是存在零电压电平的，而Z源半桥逆变器却无法输出零电平电压，从而导致得到的正弦波的质量不高。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统，控制自由度更高，且为得到高质量的正弦波奠定了基础。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器，包括电压值相等的第一直流电源及第二直流电源，电容值相等的第一电容及第二电容，电感值和匝数相等的第一电感和第四电感，电感值和匝数相等的第二电感和第五电感，电感值和匝数相等的第三电感和第六电感，第一二极管、第二二极管、第一开关模块及第二开关模块，其中：

所述第一直流电源的正端分别与所述第一二极管的阳极及所述第一电容的第一端连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电感的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第二电感的第二端及所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端与所述第一开关模块的第一端连接，所述第一开关模块的第二端分别与负载的一端及所述第二开关模块的第一端连接，所述第二开关模块的第二端与所述第六电感的第一端连接，所述第六电感的第二端分别与所述第五电感的第一端及所述第四电感的第一端连接，所述第四电感的第二端与所述第二二极管的阳极连接，所述第五电感的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第二二极管的阴极及所述第二直流电源的阴极连接，所述第二直流的阳极分别与所述第一直流电源的阴极及负载的另一端连接；

所述第一电感的第一端、所述第二电感的第二端及所述第三电感的第一端为同名端；所述第四电感的第一端、所述第五电感的第二端及所述第六电感的第一端为同名端。

优选地，所述第一电容和所述第二电容均为有极性电容；

所述有极性电容的正极作为所述第一电容和所述第二电容的第二端，所述有极性电容的负极作为所述第一电容和所述第二电容的第一端。

优选地，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为单个MOS管。

优选地，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为NMOS。

优选地，所述第一开关模块和所述第二开关模块均由多个MOS管串并联后构成。

优选地，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为单个IGBT。

优选地，所述第一开关模块和所述第二开关模块均由多个IGBT串并联后构成。

优选地，所述第一电感、所述第二电感及所述第三电感共用一个铁芯。

优选地，所述第四电感、所述第五电感及所述第六电感共用一个铁芯。

为解决上述技术问题，本发明还提供了一种串联谐振型耦合三电感半桥变换系统，包括控制器及如上述所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器；

所述控制器用于输出第一开关信号GS₁至所述第一开关模块，输出第二开关信号GS₂至所述第二开关模块；

其中，

U_m(t)是一个频率为f的正弦信号,f＝1/T,T为第一开关模块及第二开关模块的驱动信号周期；U_tri(t)是一个频率为f、幅值为1的三角载波信号。

本发明提供了一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统，包括电压值相等的第一直流电源及第二直流电源，电容值相等的第一电容及第二电容，电感值和匝数相等的第一电感和第四电感，电感值和匝数相等的第二电感和第五电感，电感值和匝数相等的第三电感和第六电感，第一二极管、第二二极管、第一开关模块及第二开关模块。

本申请提供的半桥变换器在不存在开关模块短路直通的问题的基础上，一方面，本申请在满足第一开关模块和第二开关模块存在直通的情况下，对于第一开关模块和第二开关模块的占空比并不具体限定即可输出幅值相等的正负电压，并不限定第一开关模块或者第二开关模块的占空比为0.5，控制自由度更高；另一方面，该半桥变换器能够输出零电压电平，从而为得到高质量的正弦波奠定了基础。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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他的附图。

图1为现有技术中的Z源半桥逆变器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器的结构示意图；

图3为图2所示的半桥变换器工作在模态1时的工作原理图；

图4为图2所示的半桥变换器工作在模态2时的工作原理图；

图5为图2所示的半桥变换器工作在模态3时的工作原理图；

图6为图2所示的半桥变换器工作在模态4时的工作原理图；

图7为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器开关控制的波形图；

图8为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器开关控制的逻辑框图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器及系统，控制自由度更高，且为得到高质量的正弦波奠定了基础。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图2，图2为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器的结构示意图，该变换器包括电压值相等的第一直流电源V_d1及第二直流电源V_d2，电容值相等的第一电容C₁及第二电容C₂，电感值和匝数相等的第一电感L₁和第四电感L₄，电感值和匝数相等的第二电感L₂和第五电感L₅，电感值和匝数相等的第三电感L₃和第六电感L₆，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一开关模块S₁及第二开关模块S₂，其中：

第一直流电源V_d1的正端分别与第一二极管D₁的阳极及第一电容C₁的第一端连接，第一二极管D₁的阴极与第一电感L₁的第一端连接，第一电容C₁的第二端与第二电感L₂的第一端连接，第一电感L₁的第二端分别与第二电感L₂的第二端及第三电感L₃的第一端连接，第三电感L₃的第二端与第一开关模块S₁的第一端连接，第一开关模块S₁的第二端分别与负载的一端及第二开关模块S₂的第一端连接，第二开关模块S₂的第二端与第六电感L₆的第一端连接，第六电感L₆的第二端分别与第五电感L₅的第一端及第四电感L₄的第一端连接，第四电感L₄的第二端与第二二极管D₂的阳极连接，第五电感L₅的第二端与第二电容C₂的第一端连接，第二电容C₂的第二端分别与第二二极管D₂的阴极及第二直流电源V_d2的阴极连接，第二直流的阳极分别与第一直流电源V_d1的阴极及负载的另一端连接；

第一电感L₁的第一端、第二电感L₂的第二端及第三电感L₃的第一端为同名端；第四电感L₄的第一端、第五电感L₅的第二端及第六电感L₆的第一端为同名端。

具体地，第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃构成第一组三绕组耦合电感，第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆构成第二组三绕组耦合电感。

本申请提供的串联谐振型耦合三电感半桥变换器包括四种工作模态，下面以开关模块为NMOS为例来介绍(开关模块为其他类型的开关时工作原理相同)：

模态1

请参照图3，图3为图2所示的半桥变换器工作在模态1时的工作原理图。

当该半桥变换器工作在模态1时，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂承受反压截止，第一直流电源V_d1、第一电容C₁和第三电感L₃对第二电感L₂充电，第二直流电源V_d2、第二电容C₂和第六电感L₆对第五电感L₅充电，此时负载不消耗能量(此时负载被短路)。

模态2

请参照图4，图4为图2所示的半桥变换器工作在模态2时的工作原理图。

当该半桥变换器工作在模态2时，第一开关模块S₁开通，第二开关模块S₂关断，第一二极管D₁和第二二极管D₂正向导通，第一直流电源V_d1、第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃对第一电容C₁充电，并为负载提供能量，第四电感L₄和第五电感L₅放电来为第二电容C₂充电。

模态3

请参照图5，图5为图2所示的半桥变换器工作在模态3时的工作原理图。

当该半桥变换器工作在模态3时，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂承受反压截止，第一直流电源V_d1、第一电容C₁和第三电感L₃对第二电感L₂充电，第二直流电源V_d2、第二电容C₂和第六电感L₆对第五电感L₅充电，此时负载不消耗能量。

模态4

请参照图6，图6为图2所示的半桥变换器工作在模态4时的工作原理图。

当该半桥变换器工作在模态4时，第一开关模块S₁关断，第二开关模块S₂开通，第一二极管D₁和第二二极管D₂正向导通，第二直流电源V_d2、第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆对第二电容C₂充电，并为负载提供能量，第一电感L₁和第二电感L₂放电来为第一电容C₁充电。

综上可以得到模态1和模态3时，第一电感L₁的电压和第四电感L₄的电压相等，为V_L，第一电容C₁和第二电容C₂的电压相等，为V_C。设定第一直流电源V_d1和第二直流电源V_d2的电压值等于V_d，则第一电感L₁的电压和负载两端的电压分别为：

其中，N₁为第一电感L₁(第四电感L₄)的匝数，N₂为第二电感L₂(第五电感L₅)的匝数，N₃为第三电感L₃(第六电感L₆)的匝数。

请参照图7，图7为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器开关控制的波形图，定义D_ST为直通占空比，T为开关模块驱动信号的周期，根据电感的伏秒平衡定理和电容的安秒平衡定理，可以得到：

当串联谐振型耦合三电感半桥变换器工作在模态1和模态3时：

V_O＝0.......................................................................(3)

当串联谐振型耦合三电感半桥变换器工作在模态2时：

当串联谐振型耦合三电感半桥变换器工作在模态4时：

由式(4)和式(5)可得，串联谐振型耦合三电感半桥变换器的非零输出电压V_o由直通占空比D_ST、第一电感L₁的匝数、第二电感L₂的匝数和第三电感L₃的匝数(或第四电感L₄的匝数、第五电感L₅的匝数和第六电感L₆的匝数)共同决定，实际应用过程中，根据需要改变直通占空比D_ST、第一电感L₁的匝数、第二电感L₂的匝数和第三电感L₃的匝数(或第四电感L₄的匝数、第五电感L₅的匝数和第六电感L₆的匝数)即可得到所需的输出电压。且变换器还能够通过由第一二极管D₁、第一电容C₁、第一组三绕组耦合电感构成的阻抗网络进行升压；通过第二二极管D₂、第二电容C₂、第二组三绕组耦合电感构成的阻抗网路进行升压。

另外，在满足第一开关模块S₁和第二开关模块S₂存在直通的情况下，模态2和模态4时的输出电压的绝对值是相等的，也即此时变换器可以输出幅值相等的正负电压，并不限定第一开关模块S₁或者第二开关模块S₂的占空比为0.5，控制自由度更高。

此外，在模态1和模态3时，半桥变换器的输出电压为零电压电平，为后续得到高质量的正弦波奠定了基础。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选地实施例，第一电容C₁和第二电容C₂均为有极性电容；

有极性电容的正极作为第一电容C₁和第二电容C₂的第二端，有极性电容的负极作为第一电容C₁和第二电容C₂的第一端。

具体地，有极性电容的容量比较大，能够适用于高压高功率的场合，当然，本申请中也可以选用无极性电容，本申请在此不做特别的限定，根据实际情况来定。

作为一种优选地实施例，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均为单个MOS管。

作为一种优选地实施例，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均为NMOS。

作为一种优选地实施例，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均由多个MOS管串并联后构成。

作为一种优选地实施例，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均为单个IGBT。

作为一种优选地实施例，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均由多个IGBT串并联后构成。

具体地，在实际应用过程中，如果升压中的电流较小，则第一开关模块S₁和第二开关模块S₂均可只有单个MOS管或者单管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是由BJT(双极型三极管)构成，节约了成本。

在实际应用过程中，如果升压中的电流较大，则为了避免损坏器件，提高半桥变换器的安全性，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂可由多个MOS管串并联构成或者多个IGBT串并联构成，能够适用于大电流和大电压的场景。

另外，本实施例中的MOS管可以选用NMOS(N-Metal-Oxide-Semiconductor，N型金属-氧化物-半导体)，NMOS晶体管是开关管中的一种，在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底(提供大量可以动空穴)上，制作两个高掺杂浓度的N+区(N+区域中有大量为电流流动提供自由电子的电子源)，并用金属铝引出两个电极，分别作漏极和源极，然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏——源极间的绝缘层上再装上一个铝电极(通常是多晶硅),作为栅极，在衬底上也引出一个电极，这就构成了一个N沟道增强型MOS管，NMOS具有开关速度快、开关损耗小的优点。当然，这里的MOS管也可以选用PMOS，本申请在此不作特别的限定。

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。

除了NMOS和IGBT之外，第一开关模块S₁和第二开关模块S₂还可以是其他类型的开关管，实际应用过程中根据需要进行选择。

作为一种优选地实施例，第一电感L₁、第二电感L₂及第三电感L₃共用一个铁芯。

作为一种优选地实施例，第四电感L₄、第五电感L₅及第六电感L₆共用一个铁芯。

具体地，第一组三绕组耦合电感中的三个绕组可以绕在一个铁芯上，可以减少体积，还能够降低成本。

同理，第二组三绕组耦合电感中的三个绕组也可以绕在一个铁芯上，减小了体积，降低了成本。

本发明还提供了一种串联谐振型耦合三电感半桥变换系统，包括控制器及如上述所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器；

控制器用于输出第一开关信号GS₁至第一开关模块S₁，输出第二开关信号GS₂至第二开关模块S₂；

其中，

U_m(t)是一个频率为f的正弦信号,f＝1/T,T为第一开关模块S₁及第二开关模块S₂的驱动信号周期；U_tri(t)是一个频率为f、幅值为1的三角载波信号。

具体地，请参照图7和图8，图8为本发明提供的一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器开关控制的逻辑框图。

该控制器基于如图8所示原理得到的第一开关信号GS₁和第二开关信号GS₂，并分别来控制第一开关模块S₁和第二开关模块S₂，便能够实现如上述实施例中的半桥变换器所能实现的功能。

需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，包括电压值相等的第一直流电源及第二直流电源，电容值相等的第一电容及第二电容，电感值和匝数相等的第一电感和第四电感，电感值和匝数相等的第二电感和第五电感，电感值和匝数相等的第三电感和第六电感，第一二极管、第二二极管、第一开关模块及第二开关模块，其中：

所述第一直流电源的正端分别与所述第一二极管的阳极及所述第一电容的第一端连接，所述第一二极管的阴极与所述第一电感的第一端连接，所述第一电容的第二端与所述第二电感的第一端连接，所述第一电感的第二端分别与所述第二电感的第二端及所述第三电感的第一端连接，所述第三电感的第二端与所述第一开关模块的第一端连接，所述第一开关模块的第二端分别与负载的一端及所述第二开关模块的第一端连接，所述第二开关模块的第二端与所述第六电感的第一端连接，所述第六电感的第二端分别与所述第五电感的第一端及所述第四电感的第一端连接，所述第四电感的第二端与所述第二二极管的阳极连接，所述第五电感的第二端与所述第二电容的第一端连接，所述第二电容的第二端分别与所述第二二极管的阴极及所述第二直流电源的阴极连接，所述第二直流的阳极分别与所述第一直流电源的阴极及负载的另一端连接；

所述第一电感的第一端、所述第二电感的第二端及所述第三电感的第一端为同名端；所述第四电感的第一端、所述第五电感的第二端及所述第六电感的第一端为同名端。

2.如权利要求1所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容均为有极性电容；

所述有极性电容的正极作为所述第一电容和所述第二电容的第二端，所述有极性电容的负极作为所述第一电容和所述第二电容的第一端。

3.如权利要求1所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为单个MOS管。

4.如权利要求3所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为NMOS。

5.如权利要求1所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块均由多个MOS管串并联后构成。

6.如权利要求1所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块均为单个IGBT。

7.如权利要求6所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一开关模块和所述第二开关模块均由多个IGBT串并联后构成。

8.如权利要求1-7任一项所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感及所述第三电感共用一个铁芯。

9.如权利要求1-7任一项所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器，其特征在于，所述第四电感、所述第五电感及所述第六电感共用一个铁芯。

10.一种串联谐振型耦合三电感半桥变换系统，其特征在于，包括控制器及如权利要求1-9任一项所述的串联谐振型耦合三电感半桥变换器；

所述控制器用于输出第一开关信号GS₁至所述第一开关模块，输出第二开关信号GS₂至所述第二开关模块；

其中，

U_m(t)是一个频率为f的正弦信号,f＝1/T,T为第一开关模块及第二开关模块的驱动信号周期；U_tri(t)是一个频率为f、幅值为1的三角载波信号。