CN111697859B - 一种升降压逆变器及其控制方法 - Google Patents

一种升降压逆变器及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种升降压逆变器及其控制方法，属于电力变换技术领域。包括输入电源Uin，第一～六开关管S1～S6，第一、二滤波电容C1、C2，第一～四滤波电感L1～L4，第一～三二极管D1～D3；S2第一端与Uin、S1第一端连接，第二端与D2阴极和L2连接；D2阳极与S3第二端连接；S3第一端与Uin另一端、C1、L1、S4第二端、C2和输出侧连接；L2另一端与S4第一端、D3阳极连接；D3阴极与C2另一端、S5第一端连接；S5第二端与L4连接；L4另一端与L3和S6第一端连接，L3另一端与输出侧另一端连接；S6第二端C1另一端和D1阳极连接；D1阴极与L1另一端和S1第二端连接。本发明的输入侧与输出侧供地消除漏电流，且克服传统桥式逆变器的直通问题。

Description

一种升降压逆变器及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换技术领域，更具体地说，涉及一种升降压逆变器及其控制方法。
背景技术
随着环境污染的日益加剧和化石能源的不断紧缺，太阳能、风能、燃料电池发电等新能源发电技术由于无污染、可再生等优点受到了人们的关注。但光伏发电、风能和燃料电池发电输出的电能为直流电，而电网电压为交流电。因此并网逆变器是新能源发电技术和电网之间的关键接口电路。又由于光伏发电和燃料电池容易受到外界环境的干扰导致输出电压的变化范围较宽，这就导致输出电压有时高于电网电压，有时低于电网电压，因此要求逆变器具有升降压能力。
传统的降压式桥式逆变器无法适应，通常需要前级DC/DC变换器，这就增加了系统的控制复杂性，降低了系统的可靠性。由于传统的桥式逆变器的直通问题，其必须设置死区时间；且传统电路存在漏电流，对系统的安全性有一定影响。
中国发明专利，公开号：CN106877723A；公开了一种升降压逆变器及其控制方法，实现了单级式的升降压逆变器，可以工作在较宽的输入电压范围内，并且是一种高可靠的升降压逆变器；中国发明专利，授权公告号：CN106849177A，授权公告日：2019年1月18日，提出了一种高可靠的宽输入电压范围的升降压逆变器，为一单级式逆变器；中国发明专利，授权公告号：CN106849723A，授权公告日：2019年8月2日，在已提出的主电路拓扑的基础上，提出了新的控制方法可以实现电路工作在升压和降压的模态下。但上述专利中提出的逆变器仍存在电路存在漏电流，降低了系统的安全性和效率的问题。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
针对现有技术中升降压逆变器中存在漏电流的技术问题，本发明提供了一种升降压逆变器及其控制方法。本发明可以实现零漏电流，提高了系统的安全性和效率，且电路体积小、元器件少，降低了电路成本。
2.技术方案
一方面，本发明提出了一种升降压逆变器，包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；其中，
第二开关管S2第一端与输入电源Uin一端和第一开关管S1第一端连接，第二开关管S2第二端与第二二极管D2阴极和第二滤波电感L2一端连接；
第二二极管D2阳极与第三开关管S3第二端连接；
第三开关管S3第一端与输入电源Uin另一端、第一滤波电容C1一端、第一滤波电感L1一端、第四开关管S4第二端、第二滤波电容C2一端和输出侧一端连接；
第二滤波电感L2另一端与第四开关管S4第一端、第三二极管D3阳极连接；
第三二极管D3阴极与第二滤波电容C2另一端和第五开关管S5第一端连接；
第五开关管S5第二端与第四滤波电感L4一端连接；
第四滤波电感L4另一端与第三滤波电感L3一端和第六开关管S6第一端连接，第三滤波电感L3另一端与输出侧另一端连接；
第六开关管S6第二端与第一滤波电容C1另一端和第一二极管D1阳极连接；
第一二极管D1阴极与第一滤波电感L1另一端和第一开关管S1第二端连接。
作为本发明更进一步地改进，所述的输入电源Uin与输出侧共接地。
作为本发明更进一步地改进，所述的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6为MOSFET或IGBT。
作为本发明更进一步地改进，所述第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3为碳化硅二极管或快恢复二极管。
作为本发明更进一步地改进，所述的输入电源Uin为直流电源，该直流电源采用蓄电池、燃料电池或光伏电池。
作为本发明更进一步地改进，所述的输出侧为电网或负载。
作为本发明更进一步地改进，所述负载的类型为阻性、感性或容性。
另一方面，本发明还提供了一种升降压逆变器相应的控制方法，分为输入电源Uin>输出侧电压ug、输入电源Uin≤输出侧电压ug两种开关模态：
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第四开关管S4、第六开关管S6常关，第三开关管S3、第五开关管S5常开，第二开关管S2开关高频；
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1开关高频；
当输入电源Uin≤输出侧电压ug，正半周和负半周都工作在升降压模态；
输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第六开关管S6常关，第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5常通，第四开关管S4高频开关；
输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第二开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1高频开关；
正负半周分别只有一个高频开关。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种升降压逆变器，不同于传统的升压/降压模块与逆变器模块组合的技术方案，创造性地采用单级式的电路结构，体积小，元器件数量少，降低了电路成本；且其输入侧与输出侧可共同接地，从而实现零漏电流。
(2)本发明的一种升降压逆变器，可以在实现升降压的同时，实现逆变的功能，且不存在传统桥式逆变器功率开关管常见的直通问题，提高了系统的可靠性，各开关管无需设置死区时间，提高了并网电流得波形质量。
(3)本发明的一种升降压逆变器控制方法，可实现升降压逆变器工作在较宽电压值输入范围内，且具备较高转换效率，能适应不同应用场合。
附图说明
图1为本发明的一种升降压逆变器的电路结构示意图；
图2为本发明中升降压逆变器的工作模态1的等效电路结构示意图；
图3为本发明中升降压逆变器的工作模态2的等效电路结构示意图；
图4为本发明中升降压逆变器的工作模态3的等效电路结构示意图；
图5为本发明中升降压逆变器的工作模态4的等效电路结构示意图；
图6为本发明中升降压逆变器的工作模态一的等效电路结构示意图；
图7为本发明中升降压逆变器的工作模态二的等效电路结构示意图。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。本发明中所述的第一、第二等词语，是为了描述本发明的技术方案方便而设置，并没有特定的限定作用，均为泛指，对本发明的技术方案不构成限定作用。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
本发明所述一种升降压逆变器，其输入电源Uin为直流电源，该直流电源可以为蓄电池、燃料电池或光伏电池；根据选择使用的直流电源不同，升降压逆变器可在不同环境下应用，从而满足不同的应用需求。其输出侧可以为电网或负载，当输出侧为负载时，所连的负载可以为阻性、感性或容性负载，能为不同输入电压需求的用电设备供电。
以汽车上的电源系统为例，随着人们物质生活的提高，需求也在不断升级；对于汽车上供电电源的输出不再仅仅是为手机、充电宝，或其他电子产品进行充电，更需要为定位在户外运动或房车等市场的家用汽车进行供电，这就要求汽车上需要输出220V交流电，以满足人们使用电磁炉、微波炉等家用电器在汽车上做饭的需求。在汽车上通常采用蓄电池、光伏电池等作为输入电源，再利用本发明中逆变器的升降压功能，即可满足上述需求。
另外，本发明中应用到的开关管元器件和二极管的选择具有灵活性，可综合考虑实际应用中存在的成本，效能，安全等因素确定开关管的类型，以满足不同的应用需求。开关管元器件可以为MOSFET或IGBT，选择MOSFET时，这些开关管的第一端为漏极、第二端为源极、第三端为基极；选择IGBT时，开关管的第一端为集电极、第二端为发射极、第三端为门极。二极管可以为碳化硅二极管或快恢复二极管。
实施例1
如图1所示，本实施例提出了一种升降压逆变器，包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；其中，
第二开关管S2第一端与输入电源Uin一端和第一开关管S1第一端连接，第二开关管S2第二端与第二二极管D2阴极和第二滤波电感L2一端连接；
第二二极管D2阳极与第三开关管S3第二端连接；
第三开关管S3第一端与输入电源Uin另一端、第一滤波电容C1一端、第一滤波电感L1一端、第四开关管S4第二端、第二滤波电容C2一端和输出侧一端连接；
第二滤波电感L2另一端与第四开关管S4第一端、第三二极管D3阳极连接；
第三二极管D3阴极与第二滤波电容C2另一端和第五开关管S5第一端连接；
第五开关管S5第二端与第四滤波电感L4一端连接；
第四滤波电感L4另一端与第三滤波电感L3一端和第六开关管S6第一端连接，第三滤波电感L3另一端与输出侧另一端连接；
第六开关管S6第二端与第一滤波电容C1另一端和第一二极管D1阳极连接；
第一二极管D1阴极与第一滤波电感L1另一端和第一开关管S1第二端连接。
本实施例中输入电源Uin与输出侧共接地，消除了漏电流，确保了电路的安全性，提高了逆变器所在系统的安全性。
所述输入电源Uin为光伏电池，输出侧为电网时，可将光伏电池输出的电能回馈到电网。
本实施例的的升降压逆变器，不同于传统的升压/降压模块与逆变器模块组合的技术方案，创造性地采用单级式的电路结构，体积小，元器件数量少，且元器件的选择较为灵活，降低了电路成本。在实现实现升降压的同时，又可以实现逆变的功能，且不存在传统桥式逆变器常见的直通问题，各开关管无需设置死区时间，提高了并网电流得波形质量。
实施例2
在实施例1所述的一种升降压逆变器的基础上，本实施例提供了一种升降压逆变器控制方法：
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第四开关管S4、第六开关管S6常关，第三开关管S3、第五开关管S5常开，第二开关管S2开关高频，如图2和图3所示。可通过调节第二开关管S2的占空比来调节调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig和电网电压ug同频同相。
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1开关高频，如图4和图5所示。可通过调节第一开关管S1的占空比来调节调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig和电网电压ug同频同相。
当输入电源Uin≤输出侧电压ug，正半周和负半周都工作在升降压模态；
输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第六开关管S6常关，第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5常通，第四开关管S4高频开关，如图6和图7所示。可通过调节第四开关管S4的占空比来调节调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig和电网电压ug同频同相。
输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第二开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1高频开关，如图4和图5所示。通过调节第一开关管S1的占空比来调节调节电网电流ig的大小，保证电网电流ig和电网电压ug同频同相。正负半周分别只有一个高频开关。
通过上述控制方法可实现所述升降压逆变器工作在较宽输入范围内，且具备较高转换效率，因此可适应不同应用环境。
在本实施例中假设：
①所有二极管和开关管均为理想器件，不考虑开关时间、导通压降；②电感电容均为理想器件。电网电流ig可采用正弦脉冲宽度调制或者滞环电流控制，在本实施例中选用正弦脉冲宽度调制，当输入电压大于等于和小于等于电网电压零时，分别存在四种开关模态，具体分析如下：
当Uin>ug时
1)开关模态1
如图2所示，第一开关管S1、第四开关管S4关断、第六开关管S6关断。第二开关管S2、第三开关管S3开通、第五开关管S5开通。第一开关管S1、第四开关管S4承受的电压应力为Uin，第二二极管D2承受的电压应力为Uin，第一二极管D1、第三开关单元管S3承受的电压应力为0，第六开关管S6承受的电压应力为ug。
2)开关模态2
如图3所示，第一开关管S1、第二开关管S2、第四开关管S4、第六开关管S6关断，第三开关管S3、第五开关管S5开通。第一开关管S1、第二开关管S2承受的电压应力为Uin，第四开关管S4、第六开关管S6承受的电压应力为ug。第一二极管D1承受的电压应力为0。
3)开关模态3
如图4所示，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断，第一开关管S1、第六开关管S6开通。
4)开关模态4
如图5所示，第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5关断，第六开关管S6开通。
当Uin≤ug时
1)开关模态一
如图6，第一开关管S1、第六开关管S6关断，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5开通。第一开关管S1承受的电压应力为Uin，第一二极管D1承受的电压应力为ug。
2)开关模态二
如图7，第一开关管S1、第四开关管S4、第六开关管S6关断，第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5开通。第四开关管S4承受的电压应力为ug。
3)开关模态三
同Uin>ug情况下的模态3。
4)开关模态四
同Uin>ug情况下的模态4。
以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种升降压逆变器，其特征在于：包括第一滤波电感L1、第二滤波电感L2、第三滤波电感L3、第四滤波电感L4、第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第六开关管S6、第一滤波电容C1、第二滤波电容C2、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3；其中，
第二开关管S2第一端与输入电源Uin一端和第一开关管S1第一端连接，第二开关管S2第二端与第二二极管D2阴极和第二滤波电感L2一端连接；
第二二极管D2阳极与第三开关管S3第二端连接；
第三开关管S3第一端与输入电源Uin另一端、第一滤波电容C1一端、第一滤波电感L1一端、第四开关管S4第二端、第二滤波电容C2一端、电网或负载的输出侧一端连接；
第二滤波电感L2另一端与第四开关管S4第一端、第三二极管D3阳极连接；
第三二极管D3阴极与第二滤波电容C2另一端和第五开关管S5第一端连接；
第五开关管S5第二端与第四滤波电感L4一端连接；
第四滤波电感L4另一端与第三滤波电感L3一端和第六开关管S6第一端连接，第三滤波电感L3另一端与电网或负载的输出侧另一端连接；
第六开关管S6第二端与第一滤波电容C1另一端和第一二极管D1阳极连接；
第一二极管D1阴极与第一滤波电感L1另一端和第一开关管S1第二端连接。
2.根据权利要求1所述的一种升降压逆变器，其特征在于：所述的输入电源Uin与电网或负载的输出侧共接地。
3.根据权利要求2所述的一种升降压逆变器，其特征在于：所述的第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5和第六开关管S6为MOSFET或IGBT。
4.根据权利要求3所述的一种升降压逆变器，其特征在于：所述第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3为碳化硅二极管或快恢复二极管。
5.根据权利要求4所述的一种升降压逆变器，其特征在于：所述的输入电源Uin为直流电源，该直流电源采用蓄电池、燃料电池或光伏电池。
6.根据权利要求5所述的一种升降压逆变器，其特征在于：所述负载的类型为阻性、感性或容性。
7.一种如权利要求1-6任一项所述的升降压逆变器的控制方法，其特征在于，存在输入电源Uin>输出侧电压ug、输入电源Uin≤输出侧电压ug两种开关模态：
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第四开关管S4、第六开关管S6常关，第三开关管S3、第五开关管S5常通，第二开关管S2开关高频；
当输入电源Uin>输出侧电压ug，输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1开关高频；
当输入电源Uin≤输出侧电压ug，正半周和负半周都工作在升降压模态；
输出侧电压ug正半周时，第一开关管S1、第六开关管S6常关，第二开关管S2、第三开关管S3、第五开关管S5常通，第四开关管S4高频开关；
输出侧电压ug负半周时，第二开关管S2、第二开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5常关，第六开关管S6常通，第一开关管S1高频开关；
正负半周分别只有一个高频开关。
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