CN109245578B - 一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器 - Google Patents

一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck‑Boost型逆变器，在具有较少半导体器件的情况下，实现了高电压增益。本拓扑仅有3个开关管，相对于其他拓扑，开关数量明显减小；引入了四绕组耦合电感可以实现高电压增益，通过改变耦合电感的匝数可以方便的改变电压增益水平，从而方便地实现不同应用环境；耦合电感的对称式结构可以在单级拓扑中实现交流输出；与此同时，耦合电感共用一个磁芯，可以节省逆变器的体积重量。

Description

一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器
技术领域
本发明属于电力电子领域，涉及一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器。
背景技术
在光伏、燃料电池等新能源领域，由于发电侧输出电压较低，而电网侧电压又相对较高，因此要求其逆变器具有高电压增益的能力，通常采用由一级高增益DC-DC变换器与一级桥式逆变器级联构成的双级式逆变器。然而，双级式逆变器通常器件数量较多，而且同时需要两套控制电路，造成系统电路复杂度高、成本较高、效率较低。单级式逆变器所需器件数量少，易于实现更低的成本和更高的效率，越来越引起学者和工业界的广泛兴趣。
在单级式高转换比逆变器所采用的方案中，Boost型拓扑升压能力较高，然而由于其升压特性，在输出电压过零点畸变较大。Buck-Boost型拓扑具有升降压特性，因此过零点畸变较小，而且输入电压范围较宽，比较适用于光伏发电等电压范围波动较大的应用领域。在已查到的相关单级式Buck-Boost型拓扑中，大部分还是受限于有限的电压增益，使其不能满足高增益要求的应用场合。而个别单级式Buck-Boost型拓扑虽然具有高电压增益能力，但是其引入器件数量过多，甚至高于双级式拓扑，因此背离了单级式拓扑的初衷。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器，解决目前多数Buck-Boost型单级式逆变器拓扑存在的电压增益有限以及部分高增益Buck-Boost型拓扑存在的器件数量过多的问题。
技术方案
一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器，其特征在于包括三个开关管M1～M3、四个绕组耦合电感Lcp、输出滤波电容Co以及等效负载RL；开关管M1的源极、N1绕组同名端以及N3绕组非同名端相连并接地；开关管M1的漏极与输入直流电源的正极相连；输入直流电源的负极、N4绕组同名端以及N2绕组非同名端相连；N3绕组同名端与阻断二极管D1的阴极相连；N4绕组非同名端与阻断二极管D2的阳极相连；二极管D1的阳极与开关管M2的源极相连；二极管D2的阴极与开关管M3的漏极相连；绕组N2同名端与绕组N1非同名端连接，开关管M3的源极与开关管M2的漏极连接，并且这两个结点为逆变器的输出端，输出滤波电容与输出端并联；所述耦合电感为两对对称的绕组，其原端绕组具有相同的绕组匝数N1＝N2，同样的，副边也具有相同的绕组匝数N3＝N4，其变比均为n＝N3/N1＝N4/N2。
有益效果
本发明提出的一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器，在具有较少半导体器件的情况下，实现了高电压增益。本拓扑仅有3个开关管，相对于其他拓扑，开关数量明显减小；引入了四绕组耦合电感可以实现高电压增益，通过改变耦合电感的匝数可以方便的改变电压增益水平，从而方便地实现不同应用环境；耦合电感的对称式结构可以在单级拓扑中实现交流输出；与此同时，耦合电感共用一个磁芯，可以节省逆变器的体积重量。
附图说明
图1是提出的一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器
图2本发明的工作模态图
图2(a)模态A
图2(b)模态B
图2(c)模态A’
图2(d)模态B’
图3本发明的主要工作波形
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
如图1所示，本发明拓扑基本结构简单、易于分析，开关管分别为M1～M3。耦合电感Lcp用来做储能装置，实现高转换比升压，次级到初级的匝数比定义为n＝N3/N1＝N4/N2。由于输出正负半周期的对称性，初级绕组N1与N2具有相同的匝数，因此，次级绕组N3与N4也具有相同的匝数。输出电容为Co，负载为等效电阻RL。
其中，开关管M1源极、N1绕组同名端以及N3绕组非同名端相连并接地；开关管M1的漏极与输入直流电源的正极相连；输入直流电源的负极、N4绕组同名端以及N2绕组非同名端相连；N3绕组同名端与阻断二极管D1的阴极相连；N4绕组非同名端与阻断二极管D2的阳极相连；二极管D1的阳极与开关管M2的源极相连；二极管D2的阴极与开关管M3的漏极相连；绕组N2同名端与绕组N1非同名端连接，开关管M3的源极与开关管M2的漏极连接，并且连接的两个结点分别与输出等效负载正负两端相连；输出滤波电容与输出等效电阻并联连接。
在电流连续导通模式(Continuous Conduction Mode,CCM)下，拓扑在每个开关周期内有两个工作模式。当输出电压为正时，拓扑工作于模态A和B，当输出电压为负时，拓扑工作于模态A’和B’。
当输出电压为正时，通过控制开关管M1和M2的开通与关断来实现输出电压的控制，开关管M3始终断开，从而得到工作模态A与B。
模态A：开关管M1开通，输入电压源开始给耦合电感的初级绕组N1和N2充电。开关管M2关断，输出电容Co给负载供电,电容两端左正右负。该模态的等效电路如图2(a)所示。
模态B：在DTs(D为开关管占空比，Ts为开关周期)时刻，开关管M1关断而开关管M2开通，初级绕组N1和N2上的能量耦合到绕组N1、N3上，并通过N1、N3绕组给输出电容Co和负载RL充电。该模态的等效电路如图2(b)所示。
当输出电压为负时，通过控制M1和M3的开通与关断来实现输出电压的控制，开关管M2始终断开，从而得到工作模态A’与B’。
模态A’：开关管M1开通，输入电压源开始给耦合电感的初级绕组N1和N2充电。开关管M2关断，输出电容Co给负载供电，电容两端左负右正。该模态的等效电路如图2(c)所示。
模态B’：在DTs时刻，开关管M1关断而开关管M3开通，初级绕组N1和N2上的能量耦合到绕组N2、N4上，并通过N2、N4绕组给输出电容Co和负载RL充电。该模态的等效电路如图2(d)所示。
拓扑的主要工作波形如图3所示，其中SM1～SM3分别为开关管M1～M3的开关信号，iN1～iN4分别为耦合电感Lcp四个绕组的电流，ig为输入电源的电流，io为输出测(输出电容和负载外部)电流。可以看出，通过对占空比的调节，就可得到输出电流平均值达到需要的波形，这里通常为正弦波。

Claims (1)

1.一种单磁芯四绕组高增益单级式Buck-Boost型逆变器，其特征在于包括三个开关管M1～M3、四个绕组耦合电感Lcp、输出滤波电容Co以及等效负载RL；开关管M1的源极、N1绕组同名端以及N3绕组非同名端相连并接地；开关管M1的漏极与输入直流电源的正极相连；输入直流电源的负极、N4绕组同名端以及N2绕组非同名端相连；N3绕组同名端与阻断二极管D1的阴极相连；N4绕组非同名端与阻断二极管D2的阳极相连；二极管D1的阳极与开关管M2的源极相连；二极管D2的阴极与开关管M3的漏极相连；绕组N2同名端与绕组N1非同名端连接，开关管M3的源极与开关管M2的漏极连接，并且这两个结点为逆变器的输出端，输出滤波电容与输出端并联；所述耦合电感为两对对称的绕组，其原端绕组具有相同的绕组匝数N1＝N2，同样的，副边也具有相同的绕组匝数N3＝N4，其变比均为n＝N3/N1＝N4/N2；
在电流连续导通模式ContinuousConductionMode,CCM下，拓扑在每个开关周期内有两个工作模式：当输出电压为正时，拓扑工作于模态A和B；当输出电压为负时，拓扑工作于模态A’和B’；
模态A：开关管M1开通，输入电压源开始给耦合电感的初级绕组N1和N2充电；开关管M2关断，输出滤波电容Co给负载供电,电容两端左正右负；
模态B：在DTs时刻，其中D为开关管占空比，Ts为开关周期，开关管M1关断而开关管M2开通，初级绕组N1和N2上的能量耦合到绕组N1、N3上，并通过N1、N3绕组给输出电容Co和等效负载RL充电；
模态A’：开关管M1开通，输入电压源开始给耦合电感的初级绕组N1和N2充电；开关管M2关断，输出电容Co给负载供电，电容两端左负右正；
模态B’：在DTs时刻，开关管M1关断而开关管M3开通，初级绕组N1和N2上的能量耦合到绕组N2、N4上，并通过N2、N4绕组给输出电容Co和等效负载RL充电。
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