CN109921674B - 一种改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变电器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于DC‑AC变换设备技术领域，涉及一种改进型Cockcroft‑Walton单级可升压逆变器，第一绕组的左端与直流电源的正极相连，右端分别与第二绕组的左端和第一电容的负极相连，第一二极管的阴极与第一电容的正极及第二二极管的阳极相连，第一二极管的阳极与耦合电感CWMV单元中第二绕组的右端和第二电容的负极相连，第二二极管的阴极与第二电容的正极相连，并与开关模块中上桥臂功率开关管的漏极相连，直流电源的负极与下桥臂功率开关管的源极相连，负载的两端分别与上桥臂功率开关管的漏极和下桥臂功率开关管的源极相连；其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，使用安全，环境友好，操作简单，功率密度高，具有较大的应用潜力。
Description
技术领域：
本发明属于DC-AC变换设备技术领域，涉及一种改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变器。
背景技术：
目前，DC-DC变换器由于结构简单、成本较低而被广泛应用于远程及数据通讯、办公自动化、工业仪器仪表、军事、医疗设备等领域，但传统DC-DC升压变换器(如Boost电路)受限于其拓扑结构，电压增益在输入电压不变的基础上只能通过改变开关管的导通占空比来发生变化，当输入输出电压相差等级较大时，开关管导通占空比就会无线趋近于1从而出现极限占空比的情况，使其在宽范围升压的实际应用场合中开关管电压应力过高，加大了电路损耗并产生严重的电磁干扰，其工作效率明显下降，也大大降低了电路工作的可靠性。随着近年来的发展，出现了一些加入开关电感、耦合电感等模块实现/高升压功能的拓扑，诸多此种类型的拓扑由于漏感和实际场合大功率要求的存在，仍然面临着耦合绕组数目较多，体积较大等问题，使整个拓扑的性能受到影响。而且由于单个光伏电池板的输出电压较低，不能达到直流母线所需的380V直流电压，因此如何得到一个稳定的高输出电压增益的模块，就成为了一个亟待解决的问题。现有技术中存在的上述问题均对变换器的工作质量产生了较大的影响，且限制其应用范围。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对传统升压变换器工作效率低、升压能力不足的问题，设计提供一种改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变器，应用于DC-AC升压变换场合，相比较现有加入开关耦合绕组的拓扑，减小耦合绕组数目和单个绕组体积。
为了实现上述目的，本发明所述改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变器的主体结构包括直流电源、耦合电感CWMV单元和开关模块，开关模块接受外部设备提供的开关信号，通过导通或截止的切换，控制直流电源和耦合电感CWMV单元是否向负载提供或停止提供能量；耦合电感CWMV单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换；开关模块为传统逆变桥，包括六个功率开关管，耦合电感CWMV单元包括第一绕组、第二绕组、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容，其中第一绕组和第二绕组的匝数比为1：n，且它们互相耦合；第一绕组的左端与直流电源的正极相连，右端分别与第二绕组的左端和第一电容的负极相连，第一二极管的阴极与第一电容的正极及第二二极管的阳极相连，第一二极管的阳极与耦合电感CWMV单元中第二绕组的右端和第二电容的负极相连，第二二极管的阴极与第二电容的正极相连，并与开关模块中上桥臂功率开关管的漏极相连，直流电源的负极与下桥臂功率开关管的源极相连，负载的两端分别与上桥臂功率开关管的漏极和下桥臂功率开关管的源极相连。
本发明所述开关模块的导通或截止采用单极性的SPWM控制方式，SPWM控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性SPWM模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性SPWM模式要比双极性SPWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，采用单极性的SPWM控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。
本发明所述逆变器有两种工作状态，一是当逆变桥为直通状态时，第一二极管导通，第二二极管截止，第二电容为放电状态；直流电源为第一绕组和第二绕组供电，耦合绕组储存能量；第一电容与第二绕组并联，经第一二极管形成回路储存能量；二是当逆变桥处于非直通状态时，第一二极管截止，第二二极管导通，第一绕组和第二绕组通过第二电容为负载提供能量，第二电容储存能量，第一电容经过第二二极管释放能量，直流电源与第一绕组、第二绕组以及第一电容共同为负载和第二电容提供能量。
本发明与现有的DC-AC升压变换器相比，通过由第一绕组、第二绕组、第一二极管、第二二极管和第一电容、第二电容组成的耦合电感CWMV单元替代原有Boost电路中的储能电感，第一绕组、第二绕组相互耦合，且匝数比为1：n，这样就对变换器形成开关管的导通占空比和耦合电感匝数比的双自由度调节，避免极限占空比情况的出现，减小开关管导通和开关损耗，实现在较小占空比的情况下宽范围电压输出的功能，减小电磁干扰，增加电路工作的可靠性；其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，使用安全，环境友好，操作简单，功率密度高，具有较大的应用潜力，而且引入了耦合电感CWMV单元以后，增加了耦合绕组间的匝数比这一调节量，通过调节匝数比也可实现最大效率的宽范围电压值输出，由此实现了占空比和匝数比的双自由度调节，避免了极限占空比的出现，此外，本发明中的电感模块与现有的升压DC-AC变换器相比较，在具有同等生压能力的条件下，减小了耦合绕组的数量和单个耦合绕组的体积，降低了元件的电压应力，提高了变换器的转换效率。
附图说明：
图1为本发明的主体电路结构与工作原理示意图。
图2为本发明的功率开关管开始导通的工作状态示意图。
图3为本发明的功率开关管关断的工作状态示意图。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
实施例1：
本实施例所述改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变器的主体结构如图1所示，包括直流电源Vg、耦合电感CWMV单元和开关模块，开关模块接受外部设备提供的开关信号，通过导通或截止的切换，控制直流电源Vg和耦合电感CWMV单元是否向负载RLoad提供或停止提供能量；耦合电感CWMV单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换；开关模块为传统逆变桥，包括六个功率开关管S1-S6，耦合电感CWMV单元包括第一绕组La、第二绕组Lb、第一二极管D11、第二二极管D12、第一电容C11和第二电容C12，其中第一绕组La和第二绕组Lb的匝数比为1：n，且它们互相耦合；第一绕组La的左端与直流电源Vg的正极相连，右端分别与第二绕组Lb的左端和第一电容C11的负极相连，第一二极管D11的阴极与第一电容C11的正极及第二二极管的阳极相连，第一二极管D11的阳极与耦合电感CWMV单元中第二绕组Lb的右端和第二电容C12的负极相连，第二二极管D12的阴极与第二电容C12的正极相连，并与开关模块中上桥臂功率开关管S1、S3、S5的漏极相连，直流电源Vg的负极与下桥臂功率开关管S4、S6、S2的源极相连，负载Rload的两端分别与上桥臂功率开关管S1、S3、S5的漏极和下桥臂功率开关管S4、S6、S2的源极相连。
本实施例所述第一二极管、第二二极管为快恢复二极管，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间短特点的半导体二极管，快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同，它属于PIN结型二极管，即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I，构成PIN硅片，因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管应用在本实施例中可以实现反向恢复时间短，正向压降低，反向耐压值高的效果。
本实施例所述开关模块的导通或截止采用单极性的SPWM控制方式，SPWM控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性SPWM模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性SPWM模式要比双极性SPWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，采用单极性的SPWM控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。
本实施例的工作状态示意图如图2和图3所示，在一个工作周期内，一共有二种工作状态，直通状态时时的工作状态示意图如图2所示，第一二极管D12反向截止，电源Vg为第一绕组La和第二绕组Lb供电，第二绕组Lb为第一电容器C11提供能量，第二电容器C12释放能量；图3为非直通状态时的工作状态，第一二极管D11反向截止，第二二极管D12正向导通，电源Vg、第一绕组La、第二绕组Lb和第一电容C11一起为负载RLoad供电，此时第二电容器C12存储能量，具体为：当逆变桥为直通状态时，耦合电感CWMV单元中的第一绕组La、第二绕组Lb串联励磁并储存能量，该模式下的两条回路分别为直流电源Vg、第一绕组La、第二绕组Lb和第二电容C12，其能量经磁耦合存储至耦合电感CWMV单元中，第一电容器C11由第二绕组Lb经第一二极管D11进行充电，第二电容器C12释放能量，满足vLa+VC12-vLb-Vg＝0,vLb＝γvLa＝VC11；当逆变桥处于非直通状态时，即第一二极管D11反向关断，第一绕组La和第一电容C11通过正向导通的第二二极管D12串联释放能量，第二绕组Lb通过第一电容器C12释放能量，且第二电容器C12储存能量，此时直流电源Vg、第一绕组La、第二绕组Lb和第一电容C11一起为负载RLoad提供能量，并为第二电容器C2充电，满足Vg-vLa+VC11-VPN＝0,vLb+VC12-VC11＝0，利用开关电感中第一绕组La、第二绕组Lb的电感伏秒平衡法则，得到输出电压的表达式为：
其中，B为该变换器的电压增益。
实施例2：
本实施例采用实施例1所述改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变器与现有基础拓扑进行对比，当输出电压要求转换为为输入电压的10倍时，若按照现有基础拓扑的输出电压表达式：
Vo＝DVg/(1-D)，
要达到输出电压的要求，其占空比值为0.91，此时开关管已处于极限状态，影响工作效率，并对相关器件会产生较大的损害；
当按照实施例1提出的变换器增益表达式时：
当直通占空比为0.15时，耦合绕组间的匝数比n＝0.43就可达到输出要求，因此，本实施例较原有基础拓扑而言，即可实现宽范围电压的输出，同时避免极限占空比出现的情况，还有效提高了拓扑的工作效率，并减小对各器件的损耗。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (3)
1.一种改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变电器，其特征在于主体结构包括直流电源、耦合电感CWMV单元和开关模块，开关模块接受外部设备提供的开关信号，通过导通或截止的切换，控制直流电源和耦合电感CWMV单元是否向负载提供或停止提供能量；耦合电感CWMV单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换；开关模块为传统逆变桥，包括六个功率开关管，耦合电感CWMV单元包括第一绕组、第二绕组、第一二极管、第二二极管、第一电容和第二电容，其中第一绕组和第二绕组的匝数比为1：n，且它们互相耦合；第一绕组的左端与直流电源的正极相连，右端分别与第二绕组的左端和第一电容的负极相连，第一二极管的阴极与第一电容的正极及第二二极管的阳极相连，第一二极管的阳极与耦合电感CWMV单元中第二绕组的右端和第二电容的负极相连，第二二极管的阴极与第二电容的正极相连，并与开关模块中上桥臂功率开关管的漏极相连，直流电源的负极与下桥臂功率开关管的源极相连，负载的两端分别与上桥臂功率开关管的漏极和下桥臂功率开关管的源极相连。
2.根据权利要求1所述改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变电器，其特征在于所述开关模块的导通或截止采用单极性的SPWM控制方式。
3.根据权利要求1所述改进型Cockcroft-Walton单级可升压逆变电器，其特征在于所述逆变电器有两种工作状态，一是当逆变桥为直通状态时，第一二极管导通，第二二极管截止，第二电容为放电状态；直流电源为第一绕组和第二绕组供电，耦合绕组储存能量；第一电容与第二绕组并联，经第一二极管形成回路储存能量；二是当逆变桥处于非直通状态时，第一二极管截止，第二二极管导通，第一绕组和第二绕组通过第二电容为负载提供能量，第二电容储存能量，第一电容经过第二二极管释放能量，直流电源与第一绕组、第二绕组以及第一电容共同为负载和第二电容提供能量。
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