CN111865129A - 一种四开关单相单级式开关升压逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，属于发电、变电或配电的技术领域。该电路包括：第一电感、第一二极管、第一电容、第二二极管组成的第一升压电路，第二电感、第二电容、第三二极管、第四二极管及逆变桥组成的第二升压电路，及，滤波电容和负载组成的输出电路。整个电路结构简单，电源输入电流连续，结合了开关电感‑电容单元和准开关升压网络各自的单级升降压特性，具有更高的输出电压增益，负载电流连续，具有直通和开路抗扰度，能够在直通状态下工作，且电路不存在启动冲击电流和开关管开通瞬间的冲击电流。

Description

一种四开关单相单级式开关升压逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子电路技术，具体涉及一种四开关单相单级式开关升压逆变器，属于发电、变电或配电的技术领域。
背景技术
在光伏发电和燃料电池等新能源发电系统中，由于单个太阳能电池和燃料电池提供的直流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，需要在其中引入能够把低电压转换为高电压的宽增益变换器。传统方法一是采用多个Boost变换器级联升压，该方法成本较高，器件使用数量较多，会造成系统的稳定性和可靠性下降；二是在输入源和负载之间引入Z源阻抗网络，通过多级准Z源阻抗网络的级联可以输出得到很高电压增益，然而，多个准Z源单元的级联增加了电路拓扑结构中电感、电容等无源元件的数量，使得系统的重量、体积和成本大大增加，限制了电路在以系统成本、重量和体积等为限制因素的低功耗电路中的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了一种四开关单相单级式开关升压逆变器，减少了电路中无源元件和有源器件的使用数量，以更低占空比实现了更高的输出电压增益，提高了系统的功率密度，降低了系统的体积重量和成本，解决了现有宽增益变换器虽能实现高增益输出但需以增加体积和成本为代价的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
四开关单相单级式开关升压逆变器，包括：第一电感、第一二极管、第一电容、第二二极管、第二电感、第二电容、第三二极管、第四二极管、逆变桥、滤波电容和负载。逆变桥由第一开关管与第二开关管串接组成的一桥臂和第三开关管与第四开关管串接组成的另一桥臂构成；第一电感、第一二极管、第一电容和第二二极管构成第一级升压电路；第二电感、第二电容、第三二极管、第四二极管和逆变桥构成第二级升压电路；滤波电容和负载构成输出电路。
四开关单相单级式开关升压逆变器，其具体连接方式为：电压源的正极与第一电感的一端连接；第一电感的另一端与第一二极管的阳极以及第二二极管的阳极相连接；第一二极管的阴极与第一电容的正极以及第二电感的一端相连接；第二电感的另一端与第二二极管的阴极、第三二极管的阳极以及第一开关管的集电极相连接；第一开关管的发射极与滤波电容的负极以及第二开关管的集电极相连接；滤波电容的正极与负载的一端连接；第三二极管的阴极与第二电容的正极和第三开关管的集电极相连接；第三开关管的发射极与负载的另一端以及第四开关管的集电极相连接；第二电容的负极与第二开关管的发射极以及第四二极管的阳极相连接；第四二极管的阴极与第四开关管的发射极、第一电容的负极以及电压源的负极相连接。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：通过利用准开关升压单元里面隐藏的一个MOS管构成了单相逆变桥，减少了有源开关管的使用数量，结构简单，控制方便；且相比于传统的二极管辅助拓展型准Z源变换器(DA-qZSI)和电容辅助拓展型准Z源变换器(CA-qZSI)，在相同的输入电压和工作占空比情况下，本发明公开的单相单级式开关升压逆变器可以在少用一个电感和一个电容的情况下得到更高的电压增益，G＝1/(1-4D+4D2),且输入电源电流连续，负载电流连续，不存在电路启动冲击电流问题，具有很广泛的应用前景。
附图说明
图1是本发明具体实施方式中的四开关单相单级式开关升压逆变器电路。
图2(a)、图2(b)、图2(c)、图2(d)分别是图1所示四开关单相单级式开关升压逆变器在直通状态下的四种工作模态，实线表示逆变器中有电流流过的部分，虚线表示逆变器中无电流流过的部分。
图3(a)、图3(b)、图3(c)、图3(d)分别是图1所示四开关单相单级式开关升压逆变器在非直通状态下的四种工作模态，实线表示逆变器中有电流流过的部分，虚线表示逆变器中无电流流过的部分。
图4是本发明公开的变换器与传统的二极管辅助拓展型准Z源变换器(DA-qZSI)和电容辅助拓展型准Z源变换器(CA-qZSI)的输出升压因子对比曲线。
图5(a)、图5(b)、图5(c)为本发明电路在选取D＝0.3，M＝0.7，Vi＝50V,C1＝C2＝470μF，Cd＝1200μF，L1＝L2＝2mH，Lf＝20mH，R＝20Ω,载波频率为50Hz，开关频率为fs＝10kHz时两电容电压、输出电压、负载电流的Matlab/Simulink仿真结果。
图中标号说明：Vi为电压源，L1、L2为第一、第二电感，D1、D2、D3、D4为第一、第二、第三、第四二极管，C1、C2第一、第二电容，S1、S2、S3、S4为第一、第二、第三、第四开关管，Cd为滤波电容，RL为负载，Lf为滤波电感。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
参考图1，本发明公开的四开关单相单级式开关升压逆变器电路，其包括：第一电感L1、第一二极管D1、第一电容C1以及第二二极管D2构成的第一级升压电路，第二电感L2、第二电容C2、第三二极管D3、第四二极管D4以及逆变桥构成的第二级升压电路，滤波电容Cd、负载RL和滤波电感Lf组成的输出电路，其中，逆变桥由第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关S4管组成。
图1所示四开关单相单级式开关升压逆变器电路中各器件的连接关系如下：电压源Vi的正极与第一电感L1的一端连接；第一电感L1的另一端与第一二极管D1的阳极以及第二二极管D2的阳极相连接；第一二极管D1的阴极与第一电容C1的正极以及第二电感L2的一端连接；第二电感L2的另一端与第二二极管D2的阴极、第三二极管D3的阳极以及第一开关管S1的集电极相连接；第一开关管S1的发射极与滤波电容Cd的负极以及第二开关管S2的集电极相连接；滤波电容Cd的正极与负载RL的一端连接；第三二极管D3的阴极与第二电容C2的正极以及第三开关管S3的集电极相连接；第三开关管S3的发射极与负载RL的另一端以及第四开关管S4的集电极相连接；第二电容C2的负极与第二开关管S2的发射极以及第四二极管的D4阳极相连接；第四二极管D4的阴极与第四开关管S4的发射极、第一电容C1的负极以及电压源Vi的负极相连接。
图1所示四开关单相单级式开关升压逆变器电路存在直通状态和非直通状态两个工作阶段。
阶段1：当工作在直通状态下时，第二二极管D2导通，第一二极管D1关断，电压源Vi对第一电感L1充电储能，第一电容C1对第二电感L2充电储能，此时，根据脉宽调制策略构建第二电容C2的放电回路，放电回路闭合时，第二电容C2对滤波电容Cd和负载RL、Lf供电，具体包括图2(a)至图2(d)所示的四个工作模态。
模态一：
如图2(a)所示，第三二极管D3关断，第四二极管D4导通，第一开关管S1、第二开关管S2和第三开关S3管均导通，第一电感L1由电压源Vi充电，第二电感L2由第一电容C1充电，第二电容C2放电，逆变桥的输出电压uab等于负的第二电容C2电压。
模态二：
如图2(b)所示，第三二极管D3关断，第四二极管D4导通，第一开关管S1、第二开关管S2和第四开关管S4均导通，电压源Vi给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，第二电容C2的放电回路断开，逆变桥的输出电压uab等于零。
模态三：
如图2(c)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4关断，第一开关管S1、第三开关管S3和第四开关管S4均导通，第二开关管S2关断，电压源Vi给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电，第二电容C2的放电回路断开，逆变桥的输出电压uab等于零。
模态四：
如图2(d)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4关断，第二开关管S2、第三开关管S3和第四开关管S4均导通，第一开关管S1关断，电压源给第一电感L1充电，第一电容C1给第二电感L2充电,第二电容C2放电，逆变桥的输出电压uab为负的第二电容C2电压。
阶段2：当工作在非直通状态下时，第一二极管D1导通，第二二极管D2关断，电压源Vi与第一电感L1给第一电容C1充电储能，同时电压源Vi经由第一电感L1和第二电感L2对第一电容C1充电储能，此时根据脉宽调制策略构建输出电路的供电回路，供电回路闭合时，电压源Vi、第一电感L1、第二电感L2对滤波电容Cd、负载RL和滤波电感Lf供电，供电回路断开时，滤波电容Cd向负载RL和滤波电感Lf供电，具体包括图3(a)至图3(d)所示的四个工作模态。
模态五：
如图3(a)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4导通，第一开关管S1和第三开关管S3均导通，电压源Vi经第一电感L1给第一电容C1充电，电压源Vi串联第一电感L1、第二电感L2向第二电容C2充电，同时电压源Vi、第一电感L1、第二电感L2对滤波电容Cd、负载RL和滤波电感Lf供电，逆变桥的输出电压uab等于零。
模态六：
如图3(b)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4导通，第二开关管S2和第三开关管S3均导通，第二电感L2对第二电容C2充电，同时第二电容C2对滤波电容Cd、负载RL和滤波电感Lf供电，逆变桥的输出电压uab等于负的第二电容C2电压。
模态七：
如图3(c)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4导通，第一开关管S1和第四开关管S4均导通，第二电感L2对第二电容C2充电，同时，电压源Vi、第一电感L1、第二电感L2对滤波电容Cd、负载RL和滤波电感Lf供电，逆变桥的输出电压uab等于正的第二电容C2电压。
模态八：
如图3(d)所示，第三二极管D3导通，第四二极管D4导通，第二开关管S2和第四开关管S4均导通，第二电感L2对第二电容C2充电，同时，滤波电容Cd对负载RL和滤波电感Lf供电，逆变桥的输出电压uab等于零。
设逆变桥同一桥臂上下两开关管的直通占空比为D，在一个开关周期内的输出电压为Vo，根据上述八个模态得出以下的电压关系推导过程。
直通状态工作期间，对应阶段1的工作情形，因此有如下公式：
Figure BDA0002576957940000051
Figure BDA0002576957940000052
直通状态的工作时间为DT。式(1)、式(2)中，VL1和VL2分别是第一电感L1和第二电感L2两端的电压，Vi为电压源输出的电压，VC1为第一电容C1两级的电压，ii为电压源输出的电流，iL2为流经第二电感L2的电流。
非直通状态工作期间，对应阶段2工作情形，因此有如下公式：
Figure BDA0002576957940000053
Figure BDA0002576957940000054
非直通状态的工作时间为T-DT。
根据脉宽调制控制策略，在一个开关周期T中，逆变桥每个桥臂分别短路两次，每个直通模态的时间为DT/2。在直通状态下，第一电感L1在一个开关周期内充电四次，根据式(1)和式(4)可得，第一电感L1的平均电压为：
Figure BDA0002576957940000061
其中，T0是在开关周期T中，一个桥臂总的直通时间，D＝T0/T。又因稳态下电感电压的平均值应该为零，由此可得第一电容C1的电压为：
Figure BDA0002576957940000062
同理，对于第二电感L2，根据式(2)和式(5)，可得：
Figure BDA0002576957940000063
则可得到第二电容C2的电压为：
Figure BDA0002576957940000064
由此可得本发明电路的增益因子表达式为：
Figure BDA0002576957940000065
一般的Boost电路，其增益因子只有：
Figure BDA0002576957940000066
两个级联的Boost电路，其增益因子为：
Figure BDA0002576957940000067
可见本发明电路的增益是较高的。
根据脉宽调制控制策略，限制调制因数M为M≤1-T0/T＝1-D，从而可得输出电压表达式为：
Figure BDA0002576957940000068
图4给出了本发明所述变换器与传统的二极管辅助拓展型准Z源变换器(DA-qZS)和电容辅助拓展型准Z源变换器(CA-qZSI)的输出升压因子对比曲线，由图可知，本发明电路在占空比D不超过0.5的情况下，输出电压增益G就可以达到很大，明显高于其传统的DA-qZSI和CA-qZSI，且本发明电路的工作占空比D不会超过0.5。
如图5(a)、图5(b)和图5(c)分别给出了本发明电路在选取D＝0.3，M＝0.7，Vi＝50V,C1＝C2＝470μF，Cd＝1200μF，L1＝L2＝2mH，Lf＝20mH，R＝20Ω,载波频率为50Hz，开关频率为10kHz时，该逆变器在Matlab/Simulink下的仿真结果。其中，图5(a)从上到下依次为第一电容电压VC1和第二电容电压VC2，图5(b)为变换器输出电压Vo，图5(c)为流过负载RL的电流波形Io。
综上所述，本发明电路具有较高的电压增益，电源电流连续，负载电流连续，具有直通和开路抗扰度，且能够在直通状态下工作。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其它的任何未背离本发明目的所作的改变、修饰、替代、组合、简化方案均应为等效的置换方式且都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，其特征在于，包括：第一电感、第一二极管、第一电容以及第二二极管组成的第一级升压电路，第二电感、第二电容、第三二极管、第四二极管以及逆变桥组成的第二级升压电路，及，滤波电容、滤波电感和负载组成的输出电路；
其中，第一电感、第一二极管、第一电容依次串接，所述串接支路的端口接有电压源，第二二极管阳极与第一二极管的阳极连接，第二电感的一端与第一电容的正极板连接，第二二极管的阴极、第二电感的另一端、第三二极管的阳极、逆变桥第一桥臂的正极性输入端子连接在一起，第三二极管的阴极与逆变桥第二桥臂的正极性输入端子连接，第二电容的正极板与第三二极管的阴极连接，第二电容的负极板与第四二极管的阳极、逆变桥第一桥臂的负极性输入端子相连接，第四二极管的阴极与逆变桥第二桥臂的负极性输入端子连接，滤波电容的负极板与逆变桥第一桥臂的中点连接，滤波电感的一端与滤波电容的正极板连接，负载的一端与滤波电感的另一端连接，负载的另一端与逆变桥第二桥臂的中点连接。
2.根据权利要求1所述一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，其特征在于，所述逆变桥的第一桥臂由第一开关和第二开关串联组成，逆变桥的第二桥臂由第三开关和第四开关串联组成。
3.权利要求1或2所述一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，采用脉宽调制策略控制该逆变器电路工作于直通状态或非直通状态。
4.权利要求1或2所述一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，采用脉宽调制策略控制该逆变器电路工作于直通状态时，该变换器依次工作于以下四种模态：
模态一：关断第三二极管，导通第四二极管、逆变器第一桥臂的上下开关以及第二桥臂的上开关，电压源对第一电感充电储能，第一电容对第二电感充电储能，第二电容与滤波电容、负载和滤波电感组成的放电回路闭合，逆变桥的输出电压等于负的第二电容电压；
模态二：关断第三二极管，导通第四二极管、逆变器第一桥臂的上下开关和第二桥臂的下开关，电压源对第一电感充电储能，第一电容对第二电感充电储能，放电回路断开，逆变桥的输出电压等于零；
模态三：导通第三二极管、逆变器第一桥臂的上开关以及第二桥臂的上下开关，关断第四二极管、逆变器第一桥臂的下开关，电压源对第一电感充电储能，第一电容对第二电感充电储能，放电回路断开，逆变桥的输出电压等于零；
模态四：导通第三二极管、逆变器第一桥臂的下开关以及第二桥臂的上下开关，关断第四二极管、逆变器第一桥臂的上开关，电压源对第一电感充电储能，第一电容对第二电感充电储能，放电回路闭合，逆变桥的输出电压等于负的第二电容电压。
5.权利要求1或2所述一种四开关单相单级式开关升压逆变器电路，采用脉宽调制策略控制该逆变器电路工作于非直通状态时，该变换器依次工作于以下四种模态：
模态五：导通第三二极管、第四二极管、逆变器第一桥臂的上开关及第二桥臂的上开关，电压源经第一电感 L1 给第一电容充电，电压源串联第一电感和第二电感对第二电容充电的同时向滤波电容、负载和滤波电感供电，逆变桥的输出电压等于零；
模态六：导通第三二极管、第四二极管、逆变器第一桥臂的下开关及第二桥臂的上开关，第二电感对第二电容充电，同时第二电容对滤波电容、负载和滤波电感供电，逆变桥的输出电压等于负的第二电容电压；
模态七：导通第三二极管、第四二极管、逆变器第一桥臂的上开关及第二桥臂的下开关，第二电感对第二电容充电，同时，电压源串联第一电感和第二电感对滤波电容、负载和滤波电感供电，逆变桥的输出电压等于正的第二电容电压；
模态八：导通第三二极管、第四二极管、逆变器第一桥臂的下开关及第二桥臂的下开关，第二电感对第二电容充电，同时，滤波电容对负载和滤波电感供电，逆变桥的输出电压等于零。
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