CN112448605A - 一种基于耦合变压器的逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于耦合变压器的逆变电路，包括正母线、负母钱、第一开关桥臂、第二开关桥臂、耦合变压器及耦合电感，其中，第一开关桥臂和第二开关桥臂并联在正母线和负母钱之间，耦合变压器与耦合电感串联以构成磁性元器件，磁性元器件一端连接于第一开关桥臂和第二开关桥臂的桥臂中点，磁性元器件另一端用于连接交流电网或交流电压源或负载，耦合变压器在耦合变压器的磁芯上的耦合方式为反向耦合，耦合电感在耦合电感的磁芯上的耦合方式为正向耦合，第一开关桥臂的驱动脉冲的相位与第二开关桥臂的驱动脉冲的相位相差180度。本发明能够大幅度减小了磁性元器件的体积，进而降低了磁性元器件的损耗和成本，提升了整机的效率。

Description

一种基于耦合变压器的逆变电路

技术领域

本发明涉及一种逆变电路，尤其涉及一种基于耦合变压器的逆变电路。

背景技术

逆变电路（Inverter Circuit）与整流电路（Rectifier Circuit）相对应，其旨在将直流电变为交流电。近些年来，逆变电路在工业中得到了广泛应用，其中以半桥逆变电路在直流变交流电源中的应用最为突出。

现有技术中，半桥逆变电路主要包括作为桥臂的一路开关支路和作为磁性元器件且与开关支路连接的电感，当半桥逆变电路的功率较大时（如大于20KW），电感的体积较大，进而导致磁性元器件的损耗、成本较高，整机的效率不理想。为了解决半桥逆变电路中存在的上述问题，研发人员尝试对半桥逆变电路的结构进行改变，将原来的一路开关支路分裂为两相交错且并联的两路开关支路，同时在原有的一个电感的基础上增加另一个电感，但是，研发人员发现改变后的半桥逆变电路中两个电感的总体积仍然较大，磁性元器件的损耗、成本与改变前的半桥逆变电路中的磁性元器件的损耗、成本相差无几，整机的效率仍然不理想。

因此，有必要对上述逆变电路的结构进行改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于耦合变压器的逆变电路，解决现有技术中由于磁性元器件的损耗、成本较高所导致的整机效率较低的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

本发明实施例提供一种基于耦合变压器的逆变电路，包括：正母线、负母钱、第一开关桥臂、第二开关桥臂、耦合变压器及耦合电感，所述第一开关桥臂和所述第二开关桥臂并联在所述正母线和所述负母钱之间，所述耦合变压器与所述耦合电感串联以构成磁性元器件，所述磁性元器件一端连接于所述第一开关桥臂和所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述磁性元器件另一端用于连接交流电网或交流电压源或负载；

其中，所述耦合变压器在所述耦合变压器的磁芯上的耦合方式为反向耦合，所述耦合电感在所述耦合电感的磁芯上的耦合方式为正向耦合，所述第一开关桥臂的驱动脉冲的相位与所述第二开关桥臂的驱动脉冲的相位相差180度。

在一些实施例中，所述耦合变压器的原边绕组一端连接于所述第一开关桥臂的桥臂中点，所述耦合变压器的原边绕组另一端连接于所述耦合电感的原边绕组一端，所述耦合变压器的副边绕组一端连接于所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述耦合变压器的副边绕组另一端连接于所述耦合电感的副边绕组一端，所述耦合电感的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

在一些实施例中，所述耦合电感的原边绕组一端连接于所述第一开关桥臂的桥臂中点，所述耦合电感的原边绕组另一端连接于所述耦合变压器的原边绕组一端，所述耦合电感的副边绕组一端连接于所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述耦合电感的副边绕组另一端连接于所述耦合变压器的副边绕组一端，所述耦合变压器的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

在一些实施例中，所述第一开关桥臂包括两个第一开关管，两个所述第一开关管串联以构成所述第一开关桥臂；

所述第二开关桥臂包括两个第二开关管，两个所述第二开关管串联以构成所述第二开关桥臂；

其中，所述第一开关管及所述第二开关管均以PWM正弦脉宽调制方式发送所述驱动脉冲。

在一些实施例中，所述第一开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅整流器中任一种或某几种的组合；

所述第二开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅整流器中任一种或某几种的组合。

在一些实施例中，所述耦合变压器的磁芯为高频软磁磁芯，所述高频软磁磁芯包括铁氧体磁芯、非晶合金磁芯和取向硅钢磁芯中任一种。

在一些实施例中，所述耦合电感的磁芯为具有气隙的高频软磁磁芯，所述具有气隙的高频软磁磁芯包括铁硅粉芯、铁硅铝粉芯和铁粉芯中任一种。

在一些实施例中，所述耦合变压器的原边绕组与副边绕组的匝比为N:N，其中，N为正整数。

在一些实施例中，所述耦合电感的原边绕组与副边绕组的匝比为M:M，其中，M为正整数。

在一些实施例中，所述基于耦合变压器的逆变电路还包括：电池组、第一电容、第二电容、第三电容及零电位结点，所述电池组的正极连接于所述正母线，所述电池组的负极连接于所述负母线，所述第一电容与所述第二电容串联以构成串联支路，所述串联支路连接在所述正母线和所述负母线之间，并分别与所述电池组、所述第一开关桥臂及所述第二开关桥臂并联，所述第一电容与所述第二电容的公共接点、所述第三电容一端分别连接于所述零电位结点，所述第三电容另一端连接于所述磁性元器件用于连接交流电网或交流电压源或负载的一端。

从上述描述可知，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

采用并联的第一开关桥臂和第二开关桥臂两个开关桥臂，并设置第一开关桥臂的驱动脉冲的相位与第二开关桥臂的驱动脉冲的相位相差180度，即第一开关桥臂和第二开关桥臂交错发送驱动脉冲至磁性元器件，而磁性元器件由串联的耦合变压器和耦合电感构成，在此磁性元器件中，耦合变压器在耦合变压器的磁芯上的耦合方式为反向耦合，耦合电感在耦合电感的磁芯上的耦合方式为正向耦合，使得耦合电感的感量大幅度减小，从而大幅度减小了磁性元器件的体积，进而降低了磁性元器件的损耗和成本，提升了整机的效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的基于耦合变压器的逆变电路的一种电路结构示意图；

图2为本发明实施例提供的基于耦合变压器的逆变电路的另一种电路结构示意图；

图3为本发明实施例提供的耦合变压器与耦合电感的连接点对零电位结点的电压波形图；

图4为本发明实施例提供的耦合电感的其中一个绕组的电压波形图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明的各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1，图1为本发明实施例提供的基于耦合变压器的逆变电路的一种电路结构示意图。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于耦合变压器的逆变电路，包括正母线BUS+、负母钱BUS-、第一开关桥臂X、第二开关桥臂Y、耦合变压器T1及耦合电感L1，其中，第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y并联在正母线BUS+和负母钱BUS-之间，耦合变压器T1与耦合电感L1串联以构成磁性元器件，磁性元器件一端连接于第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y的桥臂中点（A和B），磁性元器件另一端用于连接交流电网或交流电压源或负载。应当说明的是，本发明实施例所提供的此基于耦合变压器的逆变电路是一种可以并网也可以离网的电路，当磁性元器件另一端连接交流电网时，通常还需要连接一些EMC滤波电路，比如共模电感，交流电容等，或者还需要带有继电器，保险等元器件。

具体的，耦合变压器T1的原边绕组与副边绕组的匝比为N:N（N为正整数），且耦合变压器T1在耦合变压器T1的磁芯上的耦合方式为反向耦合，即以电流i1和i2为正方向，i1和i2在耦合变压器T1的磁芯上产生的磁通相互抵消；耦合电感L1的原边绕组与副边绕组的匝比为M:M（M为正整数），且耦合电感L1在耦合电感L1的磁芯上的耦合方式为正向耦合，即以电流i1和i2为正方向，i1和i2在耦合电感L1的磁芯上产生的磁通相互加强。

应当说明的是，耦合变压器T1的磁芯采用高频软磁磁芯，如铁氧体磁芯。当然，耦合变压器T1的磁芯并不限于采用铁氧体磁芯，在其他实施方式中，耦合变压器T1的磁芯可以采用非晶合金磁芯和取向硅钢磁芯中任一种，或者是其他形式的高频软磁磁芯，本发明实施例对此不做限定。

更具体的，第一开关桥臂X的驱动脉冲的相位与第二开关桥臂Y的驱动脉冲的相位相差180度，即第一开关桥臂X的驱动脉冲与第二开关桥臂Y的驱动脉冲180度交错，此时，第一开关桥臂X的桥臂中点A和第二开关桥臂Y的桥臂中点B处会产生交变的三电平电压。由此可以看出，在实际应用中，第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y会交错发送驱动脉冲至由串联的耦合变压器T1和耦合电感L1构成的磁性元器件。

应当说明的是，耦合电感L1的磁芯采用具有气隙的高频软磁磁芯，如铁硅粉芯。当然，耦合电感L1的磁芯并不限于采用铁硅粉芯，在其他实施方式中，耦合电感L1的磁芯可以采用铁硅铝粉芯和铁粉芯中任一种，或者是其他形式的具有气隙的高频软磁磁芯。实质上，耦合电感L1的磁芯也可以采用诸如铁氧体磁芯、非晶合金磁芯和取向硅钢磁芯等高频软磁磁芯，但是，此时需要在耦合电感L1的磁芯的磁路中增加气隙。应当理解，耦合电感L1的磁芯具体采用何种形式的磁芯是根据实际应用场景确定的，本发明实施例对此不做限定。

本发明实施例所提供的上述基于耦合变压器的逆变电路采用并联的第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y两个开关桥臂，并设置第一开关桥臂X的驱动脉冲的相位与第二开关桥臂Y的驱动脉冲的相位相差180度，即第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y交错发送驱动脉冲至磁性元器件，而磁性元器件由串联的耦合变压器T1和耦合电感L1构成，在此磁性元器件中，耦合变压器T1在耦合变压器T1的磁芯上的耦合方式为反向耦合，耦合电感L1在耦合电感L1的磁芯上的耦合方式为正向耦合，使得耦合电感L1的感量大幅度减小，从而大幅度减小了磁性元器件的体积，进而降低了磁性元器件的损耗和成本，提升了整机的效率。

请进一步参阅图2、图3以及图4，图2为本发明实施例提供的基于耦合变压器的逆变电路的另一种电路结构示意图，图3为本发明实施例提供的耦合变压器与耦合电感的连接点对零电位结点的电压波形图，图4为本发明实施例提供的耦合电感的其中一个绕组的电压波形图。

作为一种可行的实施方式，如图2所示，第一开关桥臂X可以包括两个第一开关管Q1和Q2，两个第一开关管Q1和Q2串联以构成第一开关桥臂X，而第二开关桥臂Y同样可以包括两个第二开关管Q3和Q4，两个第二开关管Q3和Q4串联以构成第二开关桥臂Y。

具体的，在第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y交错发送驱动脉冲至磁性元器件的过程中，第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4均可以以PWM正弦脉宽调制方式发送所述驱动脉冲，如按照传统的半桥逆变电路的PWM正弦脉宽调制方式发送所述驱动脉冲。

更具体的，第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4中任一个开关管均可以采用金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET）。当然，第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4中任一个开关管并不限于采用MOSFET，在其他实施方式中，也可以采用绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）和可控硅整流器（Silicon ControlledRectifier，SCR）中任一种，或者是其他类似的元器件，再或者是某几种元器件的组合。应当理解，第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4具体采用何种形式的开关管是根据实际应用场景确定的，本发明实施例对此不做限定。

进一步的，如图2所示，本发明实施例所提供的上述基于耦合变压器的逆变电路还可以包括电池组DC、第一电容Cp、第二电容Cn、第三电容C1及零电位结点N，其中，电池组DC的正极连接于正母线BUS+，电池组DC的负极连接于负母线BUS-，第一电容Cp与第二电容Cn串联以构成串联支路，此串联支路连接在正母线BUS+和负母线BUS-之间，并分别与电池组DC、第一开关桥臂X及第二开关桥臂Y并联，第一电容Cp与第二电容Cn的公共接点、第三电容C1一端分别连接于零电位结点N，第三电容N另一端连接于磁性元器件用于连接交流电网或交流电压源或负载的一端。

在此基础上，经过一系列实验表明，耦合变压器T1的电压的波形为高频交变的波形，此高频交变的波形的变化频率为第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4中任一个开关管的开关频率fs，幅值近似为±Vbus，且时间在0到10ms时，耦合变压器T1的电压的波形的有效占空比从50%下降到最小值，然后又从最小值上升至50%，此时，耦合变压器T1的电压的波形以10ms为一个周期进行周期性变化。

由于耦合变压器T1的电压的波形具备上述特性，使得本发明实施例所提供的上述基于耦合变压器的逆变电路产生了一些有益的变化，尤其是在耦合电感L1的电压波形方面：耦合电感L1的电压的频率相对于第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4中任一个开关管的开关频率fs增加了一倍；耦合电感L1的电压的波形相对于传统的半桥逆变电路，由两电平的电压波形变为了三电平的电压波形；第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y中的电流自然均流。又由于这些有益变化，使得在第一开关桥臂X中的两个第一开关管Q1和Q2，以及第二开关桥臂Y中的两个第二开关管Q3和Q4的开关频率fs不变的情况下，耦合电感L1的感量相对于传统的半桥逆变电路大幅减小，从而大幅度减小了磁性元器件的体积，进而降低了磁性元器件的损耗和成本，提升了整机的效率。从图3以及图4中也可以佐证这些有益变化。

此外，在上述磁性元器件中，耦合电感L1可以在连接耦合变压器T1后，再由耦合变压器T1连接第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y，此时，耦合变压器T1的原边绕组一端连接于第一开关桥臂X的桥臂中点A，耦合变压器T1的原边绕组另一端连接于耦合电感L1的原边绕组一端，耦合变压器T1的副边绕组一端连接于第二开关桥臂Y的桥臂中点B，耦合变压器T1的副边绕组另一端连接于耦合电感L1的副边绕组一端，耦合电感L1的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

具体的，当耦合变压器T1直接连接第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y时，耦合变压器T1的原边绕组的同名端连接于第一开关桥臂X的桥臂中点A，耦合变压器T1的原边绕组的异名端连接于耦合电感L1的原边绕组的同名端，耦合变压器T1的副边绕组的异名端连接于第二开关桥臂Y的桥臂中点B，耦合变压器T1的副边绕组的同名端连接于耦合电感L1的副边绕组的同名端，耦合电感L1的副边绕组和原边绕组的同名端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

当然，耦合电感L1及耦合变压器T1与第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y的连接形式也并不限于上文所描述的形式，在其他实施方式中，耦合变压器T1可以在连接耦合电感L1后，再由耦合电感L1连接第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y，此时，耦合电感L1的原边绕组一端连接于第一开关桥臂X的桥臂中点A，耦合电感L1的原边绕组另一端连接于耦合变压器T1的原边绕组一端，耦合电感L1的副边绕组一端连接于第二开关桥臂Y的桥臂中点B，耦合电感L1的副边绕组另一端连接于耦合变压器T1的副边绕组一端，耦合变压器T1的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

具体的，当耦合电感L1直接连接第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y时，耦合电感L1的原边绕组的异名端连接于第一开关桥臂X的桥臂中点A，耦合电感L1的原边绕组的同名端连接于耦合变压器T1的原边绕组的异名端，耦合电感L1的副边绕组的异名端连接于第二开关桥臂Y的桥臂中点B，耦合电感L1的副边绕组的同名端连接于耦合变压器T1的副边绕组的同名端，耦合变压器T1的原边绕组的同名端和副边绕组的异名端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

应当理解，耦合电感L1及耦合变压器T1与第一开关桥臂X和第二开关桥臂Y具体采用何种连接形式是根据实际应用场景确定的，本发明实施例对此不做限定。

需要说明的是，本发明内容中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

还需要说明的是，在本发明内容中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明内容。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本发明内容中所定义的一般原理可以在不脱离本发明内容的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明内容将不会被限制于本发明内容所示的这些实施例，而是要符合与本发明内容所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，包括：正母线、负母钱、第一开关桥臂、第二开关桥臂、耦合变压器及耦合电感，所述第一开关桥臂和所述第二开关桥臂并联在所述正母线和所述负母钱之间，所述耦合变压器与所述耦合电感串联以构成磁性元器件，所述磁性元器件一端连接于所述第一开关桥臂和所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述磁性元器件另一端用于连接交流电网或交流电压源或负载；

其中，所述耦合变压器在所述耦合变压器的磁芯上的耦合方式为反向耦合，所述耦合电感在所述耦合电感的磁芯上的耦合方式为正向耦合，所述第一开关桥臂的驱动脉冲的相位与所述第二开关桥臂的驱动脉冲的相位相差180度。

2.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合变压器的原边绕组一端连接于所述第一开关桥臂的桥臂中点，所述耦合变压器的原边绕组另一端连接于所述耦合电感的原边绕组一端，所述耦合变压器的副边绕组一端连接于所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述耦合变压器的副边绕组另一端连接于所述耦合电感的副边绕组一端，所述耦合电感的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

3.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合电感的原边绕组一端连接于所述第一开关桥臂的桥臂中点，所述耦合电感的原边绕组另一端连接于所述耦合变压器的原边绕组一端，所述耦合电感的副边绕组一端连接于所述第二开关桥臂的桥臂中点，所述耦合电感的副边绕组另一端连接于所述耦合变压器的副边绕组一端，所述耦合变压器的原边绕组另一端和副边绕组另一端的公共接点用于连接交流电网或交流电压源或负载。

4.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述第一开关桥臂包括两个第一开关管，两个所述第一开关管串联以构成所述第一开关桥臂；

所述第二开关桥臂包括两个第二开关管，两个所述第二开关管串联以构成所述第二开关桥臂；

其中，所述第一开关管及所述第二开关管均以PWM正弦脉宽调制方式发送所述驱动脉冲。

5.如权利要求4所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述第一开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅整流器中任一种或某几种的组合；

所述第二开关管为金属-氧化物半导体场效应晶体管、绝缘栅双极型晶体管和可控硅整流器中任一种或某几种的组合。

6.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合变压器的磁芯为高频软磁磁芯，所述高频软磁磁芯包括铁氧体磁芯、非晶合金磁芯和取向硅钢磁芯中任一种。

7.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合电感的磁芯为具有气隙的高频软磁磁芯，所述具有气隙的高频软磁磁芯包括铁硅粉芯、铁硅铝粉芯和铁粉芯中任一种。

8.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合变压器的原边绕组与副边绕组的匝比为N:N，其中，N为正整数。

9.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，所述耦合电感的原边绕组与副边绕组的匝比为M:M，其中，M为正整数。

10.如权利要求1所述的基于耦合变压器的逆变电路，其特征在于，还包括：电池组、第一电容、第二电容、第三电容及零电位结点，所述电池组的正极连接于所述正母线，所述电池组的负极连接于所述负母线，所述第一电容与所述第二电容串联以构成串联支路，所述串联支路连接在所述正母线和所述负母线之间，并分别与所述电池组、所述第一开关桥臂及所述第二开关桥臂并联，所述第一电容与所述第二电容的公共接点、所述第三电容一端分别连接于所述零电位结点，所述第三电容另一端连接于所述磁性元器件用于连接交流电网或交流电压源或负载的一端。

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