CN109861573B - 一种低开关损耗功率逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低开关损耗功率逆变器，包括直流电源、主开关管、无损缓冲电路、主续流二极管、三相全桥电路、三相交流负载；所述的三相全桥电路由6个逆变开关管（第一逆变开关管‑第六逆变开关管）和6个续流二极管（第一续流二极管‑第六续流二极管）组成；直流电源正极与主开关管漏极连接，主开关管源极与主续流二极管阴极以及三相全桥电路正输入端连接，三相全桥电路负输入端与主续流二极管阳极以及直流电源负极连接。无损缓冲电路与主开关管并联连接。三项全桥电路的u、v、w端分别接三相交流负载。本发明能够在较低的开关频率下输出高质量的交流电压波形，从而显著降低开关损耗，同时不增加三相全桥电路的复杂性。

Description

一种低开关损耗功率逆变器

技术领域

本发明涉及的是电能变换技术领域，具体涉及一种低开关损耗功率逆变器。

背景技术

功率逆变器是一种将直流电源变换成交流电源的电能变换装置，在并网系统、车载电源、家用电源、电动工具、电机驱动等领域有着广泛的应用。随着电力电子器件和电能变换技术的发展，功率逆变器的工作效率和输出电能质量在逐渐提高。目前最为成熟的三相功率逆变器方案是三相全桥电路。现有的三相全桥电路由6个逆变开关管和6个续流二极管组成，通过三相正弦波调制算法，可实现对称三相交流电压的输出。现有的基于三相全桥电路的三相功率逆变器存在的问题主要在于以下几点：（1）逆变开关管开关频率有限，当开关频率过高时，系统开关损耗大，发热严重，当开关频率过低时，输出电压波形质量较差，电流纹波大；（2） 降低开关损耗的方式通常采用对每个逆变开关管增加降损电路，造成逆变器拓扑结构复杂，控制难度加大，影响电路可靠性。

综上所述，本发明设计了一种低开关损耗功率逆变器。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种低开关损耗功率逆变器，能够在较低的开关频率下输出高质量的交流电压波形，从而显著降低开关损耗，同时不增加三相全桥电路的复杂性。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种低开关损耗功率逆变器，包括直流电源、主开关管、无损缓冲电路、主续流二极管、三相全桥电路、三相交流负载；所述的三相全桥电路由6个逆变开关管（第一逆变开关管-第六逆变开关管）和6个续流二极管（第一续流二极管-第六续流二极管）组成；直流电源正极与主开关管漏极连接，主开关管源极与主续流二极管阴极以及三相全桥电路正输入端连接，三相全桥电路负输入端与主续流二极管阳极以及直流电源负极连接。无损缓冲电路与主开关管并联连接。三项全桥电路的u、v、w端分别接三相交流负载。

作为优选，所述的三相全桥电路具体包括第一逆变开关管-第六逆变开关管、第一续流二极管-第六续流二极管，第一逆变开关管与第一续流二极管并联，第二逆变开关管与第二续流二极管并联，第三逆变开关管与第三续流二极管并联，第四逆变开关管与第四续流二极管并联，第五逆变开关管与第五续流二极管并联，第六逆变开关管与第六续流二极管并联，第一续流二极管的正极和第二续流二极管的负极连接至u端，第三续流二极管的正极和第四续流二极管的负极连接至v端，第五续流二极管的正极和第六续流二极管负极连接至w端。

作为优选，所述低开关损耗功率逆变器的其工作模式为，主开关管开关频率为逆变开关管开关频率的两倍，在逆变开关管的一个开关周期内，主开关管开通两次并关断两次，而三相全桥电路的工作方式为，一个桥臂处于上管恒通，下管恒断，一个桥臂处于下管恒通，上管恒断，一个桥臂处于上管下管互补导通，三个桥臂的工作状态轮流切换。在逆变开关管的一个开关周期内，主开关管的开通和关断时刻与逆变开关管的开通和关断时刻具有如“具体实施方式”中所述严格的对应关系。

作为优选，所述的主开关管和第一逆变开关管-第六逆变开关管为MOS管、BJT管、IGBT管中的一种。

作为优选，所述的主续流二极管和第一续流二极管-第六续流二极管为普通二极管、快恢复二极管、肖特基二极管中的一种。

作为优选，所述的无源无损缓冲电路由若干电感、电容、二极管组合设计而成，组成后的电路应具有显著降低主开关管和主续流二极管开关损耗的功能。

作为优选，所述的主开关管可用作系统总控开关。

本发明具有以下有益效果：1、主开关管、主续流二极管、以及无损缓冲电路的引入，使得在输出相同质量交流电压的条件下，后级三相全桥电路的开关频率将为原有的1/3，显著降低了后级三相全桥电路的开关损耗；

2、无损缓冲电路使得主开关管和主续流二极管工作在开关损耗极小的状态，因此前级主开关管和主续流二极管基本不产生开关损耗，由于后级三相全桥电路的开关损耗被显著降低，因此逆变器总开关损耗也被显著降低；

3、仅针对主开关管和主续流二极管引入了无损缓冲电路，后级三相全桥电路拓扑结构保持原有结构不变，因此整个逆变器保持了简洁性，易于实现。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的工作模式示意图；

图3为本发明的等效输出端电压图；

图4为传统逆变器等效输出端电压图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-3，本具体实施方式采用以下技术方案：一种低开关损耗功率逆变器，包括直流电源、主开关管Tb、无损缓冲电路、主续流二极管Db、三相全桥电路、三相交流负载。其中，三相全桥电路由6个逆变开关管V1-V6和6个续流二极管D1-D6组成。直流电源正极与主开关管Tb漏极连接，主开关管Tb源极与主续流二极管Db阴极以及三相全桥电路正输入端连接，三相全桥电路负输入端与主续流二极管Db阳极以及直流电源负极连接。无损缓冲电路与主开关管Tb并联连接。三项全桥电路的u、v、w端分别接三相交流负载。

所述低开关损耗功率逆变器的其工作模式为，主开关管Tb开关频率为逆变开关管V1-V6开关频率的两倍，在逆变开关管的一个开关周期内，主开关管Tb开通两次并关断两次，而三相全桥电路的工作方式为，一个桥臂处于上管恒通，下管恒断，一个桥臂处于下管恒通，上管恒断，一个桥臂处于上管下管互补导通，三个桥臂的工作状态轮流切换。所述低开关损耗功率逆变器的其工作模式流程具体如下：

设桥臂1由V1和V2构成，设桥臂2由V3和V4构成，设桥臂3由V5和V6构成。以桥臂1工作在上管恒通，下管恒断模式，桥臂2工作在上管下管互补导通模式，桥臂3工作在下管恒通，上管恒断模式为例，如附图2所示，在逆变开关管的一个开关周期内，t0时刻开始，主开关管Tb断开，桥臂1的V1导通，V2断开，桥臂2的V3断开，V4导通，桥臂3的V5断开，V6导通。t1时刻，主开关管Tb开通，t2时刻，桥臂2的V3开通,同时V4关断。t3时刻，主开关管Tb关断。T4时刻，主开关管Tb再次开通。t5时刻，桥臂2的V4开通,同时V3关断。T6时刻，主开关管Tb关断，随后直至t7时刻，本逆变开关周期结束。

在上述工作模式下，后级三相全桥电路的开关频率为传统逆变器开关频率的1/3。本发明所设计低开关损耗逆变器输出端电压如附图3所示。从附图3可知，本发明所设计低开关损耗逆变器输出端电压与传统逆变器（图4）在七段式工作模式下的输出波形完全相同，即本发明所设计低开关损耗逆变器以传统逆变器1/3的开关频率，输出得到相同质量的交流电压。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种低开关损耗功率逆变器，其特征在于，包括直流电源、主开关管(Tb)、无损缓冲电路、主续流二极管(Db)、三相全桥电路、三相交流负载；所述的三相全桥电路由6个逆变开关管和6个续流二极管组成；直流电源正极与主开关管(Tb)漏极连接，主开关管(Tb)源极与主续流二极管(Db)阴极以及三相全桥电路正输入端连接，三相全桥电路负输入端与主续流二极管(Db)阳极以及直流电源负极连接，无损缓冲电路与主开关管(Tb)并联连接，三项全桥电路的u、v、w端分别接三相交流负载；所述低开关损耗功率逆变器的其工作模式为，主开关管开关频率为逆变开关管开关频率的两倍，在逆变开关管的一个开关周期内，主开关管开通两次并关断两次，而三相全桥电路的工作方式为，一个桥臂处于上管恒通，下管恒断，一个桥臂处于下管恒通，上管恒断，一个桥臂处于上管下管互补导通，三个桥臂的工作状态轮流切换。

2.根据权利要求1所述的一种低开关损耗功率逆变器，其特征在于，所述的三相全桥电路具体包括第一逆变开关管(V1)-第六逆变开关管(V6)、第一续流二极管(D1)-第六续流二极管(D6)，第一逆变开关管(V1)与第一续流二极管(D1)并联，第二逆变开关管(V2)与第二续流二极管(D2)并联，第三逆变开关管(V3)与第三续流二极管(D3)并联，第四逆变开关管(V4)与第四续流二极管(D4)并联，第五逆变开关管(V5)与第五续流二极管(D5)并联，第六逆变开关管(V6)与第六续流二极管(D6)并联，第一续流二极管(D1)的正极和第二续流二极管(D2)的负极连接至u端，第三续流二极管(D3)的正极和第四续流二极管(D4)的负极连接至v端，第五续流二极管(D5)的正极和第六续流二极管(D6)负极连接至w端。

3.根据权利要求1所述的一种低开关损耗功率逆变器，其特征在于，所述主开关管(Tb)用作系统总控开关。

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