CN112713795A - 一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法。该逆变器的直流电源DC的正极分别与第一MOSFET管、第三MOSFET管的漏极以及第一二极管的负极相连；直流电源DC的负极与第二MOSFET管、第四MOSFET管的源极以及第二二极管的正极相连；变压器电路的初级线圈第一端分别与第一MOSFET管的源极以及第二MOSFET管的漏极连接；变压器电路的初级线圈第二端分别与第一二极管的正极以及第二二极管的负极连接；变压器电路的初级线圈第三端分别与第三MOSFET管的源极以及第四MOSFET管的漏极连接；变压器电路的次级线圈依次与后级矩阵变换器、输出滤波器及负载构成闭合电路。本发明实现了前级ZVZCS形式软开关，减小后级开关管上电容振荡。

Description

一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法
技术领域
本发明涉及电力电子功率变换器拓扑及其调制领域，特别是涉及一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法。
背景技术
传统的DC-AC的高频链拓扑采用单极性移相调制，这样的拓扑主要实现的软开关形式为ZVS；实现开关管的ZVS开通主要在0状态，即电感续流的过程中实现，但是这样会增加损耗；有学者提出ZVZCS的软开关形式，通常的情况下，采用在单相全桥电路中增加电容，滞后桥臂串联二极管的形式，但是电容这样的无源器件存在使用寿命的问题；所以如何减少无源器件的使用，同时实现ZVZCS，提升单相DC-AC拓扑的效率，成为一个亟待解决的问题。
针对后级开关管关断过程中，该开关管并联的电容会和变压器的漏感产生两倍以上的电压尖峰(如果考虑二极管的反向恢复特性，电压尖峰会达到3倍)。为了解决后级开关管上电容引起的振铃问题，有学者提出在后级变压器两侧采用由两个反激电路组成的箝位电路，但是，采用这样的方法，控制复杂、箝位电路上的开关管为硬开关；有学者提出后级一种由一个全桥电路组成的无损箝位电路，但是这样的电路控制复杂；有学者提出三个半桥和两个开关管组成的前级电路，采用副边侧调制(SSM)，考虑MOSFET管的电容Cds和MOSFET管两端电压Uds非线性的关系，解决电压振铃问题，但是这样的电路计算过于复杂，而且效果不佳。
发明内容
本发明的目的是提供一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法，实现前级ZVZCS形式软开关，减小后级开关管上电容振荡。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种单相高频链矩阵式逆变器，包括：前级单相桥式电路、变压器电路、后级矩阵变换器、输出滤波器及负载；
所述前级单相桥式电路包括第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管、第一二极管以及第二二极管；所述第一MOSFET管以及所述第二MOSFET管构成第一桥臂；所述第一二极管以及所述第二二极管构成第二桥臂；所述第三MOSFET管以及所述第四MOSFET管构成第三桥臂；
直流电源DC的正极分别与所述第一MOSFET管的漏极、所述第三MOSFET管的漏极以及所述第一二极管的负极相连；所述直流电源DC的负极与所述第二MOSFET管的源极、所述第四MOSFET管的源极以及所述第二二极管的正极相连；
所述变压器电路的初级线圈第一端分别与所述第一MOSFET管的源极以及所述第二MOSFET管的漏极连接；所述变压器电路的初级线圈第二端分别与所述第一二极管的正极以及所述第二二极管的负极连接；所述变压器电路的初级线圈第三端分别与所述第三MOSFET管的源极以及所述第四MOSFET管的漏极连接；
所述变压器电路的次级线圈依次与所述后级矩阵变换器、所述输出滤波器及负载构成闭合电路。
可选的，所述变压器电路包括第一变压器以及第二变压器；
所述第一变压器与所述第二变压器串联；
所述所述变压器电路的初级线圈第一端位于所述第一变压器的正极；所述变压器电路的初级线圈第二端位于所述第一变压器与所述第二变压器之间的回路；所述变压器电路的初级线圈第三端位于所述第二变压器的负极。
可选的，所述后级矩阵变换器包括第一双向开关管、第二双向开关管、第三双向开关管以及第四双向开关管；
所述第一双向开关管、所述第二双向开关管、所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管组成两个桥式结构；其中，所述第一双向开关管以及所述第二双向开关管位于一个桥臂，所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管位于另一桥臂。
可选的，所述双向开关管为共源极反串联结构。
可选的，所述输出滤波器包括第一电感、第二电感以及电容；
所述第一电感的第一端分别与所述第一双向开关管的漏极以及所述第三双向开关管的漏极连接，所述第一电感的第二端分别与所述电容的第一端以及所述第二电感的第一端连接；所述电容的第二端分别与所述第二双向开关管的漏极、所述第四双向开关管的漏极以及所述负载的第一端连接，所述负载的第二端与所述第二电感的第二端连接。
可选的，所述负载为电阻。
一种单相高频链矩阵式逆变器的调制方法，所述调制方法应用于所述的一种单相高频链矩阵式逆变器；所述调制方法包括：
采用移相调制得到第一MOSFET管和第二MOSFET管的驱动信号；所述第一MOSFET管和第二MOSFET管的驱动信号互补且占空比为50％的高频交流方波；
获取调制波和载波；所述调制波为取绝对值后的正弦波；所述载波为高频锯齿波；
根据所述调制波和所述载波得到SPWM波；
根据所述SPWM波的下降沿得到第三MOSFET管的驱动信号；
对所述第三MOSFET管的驱动信号取反得到第四MOSFET管的驱动信号。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法，通过辅助电路结构在移相全桥电路下，实现ZVZCS的单相高频链矩阵式逆变器拓扑和调制方法，所述拓扑由前级单相桥式电路、变压器电路、后级矩阵变换器、输出滤波器及负载。采用变压器电路进行磁耦合及功率传递，采用变压器电路可以在移相全桥电路中实现一个桥臂ZVS开通，一个桥臂ZCS关断即ZVZCS的软开关，减少了原边电流的环流，提升变换器的整体效率。另外前级单相桥式电路的二极管可以有效抑制变压器漏感存在而产生的电压尖峰。并对调制原理和主电路工作状态进行了详细的模态分析。
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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器的电路拓扑图；
图2为本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器的调制图；
图3为本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器的高频周期的工作状态图；
图4为本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器的模态图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种单相高频链矩阵式逆变器及调制方法，实现前级ZVZCS形式软开关，减小后级开关管上电容振荡。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器的电路拓扑图，如图1所示，本发明所提供的一种单相高频链矩阵式逆变器，包括：前级单相桥式电路、变压器电路、后级矩阵变换器、输出滤波器及负载R。
所述前级单相桥式电路包括第一MOSFET管S1、第二MOSFET管S2、第三MOSFET管SX、第四MOSFET管SY、第一二极管D3以及第二二极管D4；所述第一MOSFET管S1以及所述第二MOSFET管S2构成第一桥臂；所述第一二极管D3以及所述第二二极管D4构成第二桥臂；所述第三MOSFET管SX以及所述第四MOSFET管SY构成第三桥臂。
直流电源DC的正极分别与所述第一MOSFET管S1的漏极、所述第三MOSFET管SX的漏极以及所述第一二极管D3的负极相连；所述直流电源DC的负极与所述第二MOSFET管S2的源极、所述第四MOSFET管SY的源极以及所述第二二极管D4的正极相连。
所述变压器电路的初级线圈第一端a分别与所述第一MOSFET管S1的源极以及所述第二MOSFET管S2的漏极连接；所述变压器电路的初级线圈第二端n分别与所述第一二极管D3的正极以及所述第二二极管D4的负极连接；所述变压器电路的初级线圈第三端b分别与所述第三MOSFET管SX的源极以及所述第四MOSFET管SY的漏极连接。
所述变压器电路的次级线圈依次与所述后级矩阵变换器、所述输出滤波器及负载R构成闭合电路。
所述变压器电路包括第一变压器T1以及第二变压器T2。采用双变压器可以在移相全桥电路中实现一个桥臂ZVS开通，一个桥臂ZCS关断即ZVZCS的软开关，减少了原边电流的环流，提升变换器的整体效率。
所述第一变压器T1与所述第二变压器T2串联。
所述所述变压器电路的初级线圈第一端位于所述第一变压器T1的正极；所述变压器电路的初级线圈第二端位于所述第一变压器T1与所述第二变压器T2之间的回路；所述变压器电路的初级线圈第三端位于所述第二变压器T2的负极。
如图1所示，两个串联变压器的引出点a、n、b分别与前级三桥臂的中点A、N、B相连。
所述后级矩阵变换器包括第一双向开关管、第二双向开关管、第三双向开关管以及第四双向开关管。
所述第一双向开关管、所述第二双向开关管、所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管组成两个桥式结构；其中，所述第一双向开关管以及所述第二双向开关管位于一个桥臂，所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管位于另一桥臂。
所述双向开关管为共源极反串联结构。
开关管Sp1、Sn2反串联组成第一双向开关管；开关管Sp3、Sn4反串联组成第三双向开关管；开关管Sp2、Sn1反串联组成第二双向开关管；开关管Sp4、Sn3组成第四双向开关管。Sn2与Sp2的漏极相连；Sn4的漏极与Sp4的漏极相连；第一变压器T1的引出点c与后级第一桥臂Sn2的漏极桥臂的中点C相连，第二变压器T2的引出点d与后级第二桥臂的中点D相连。
所述输出滤波器包括第一电感L1、第二电感L2以及电容C。
所述第一电感L1的第一端分别与所述第一双向开关管的漏极以及所述第三双向开关管的漏极连接，所述第一电感L1的第二端分别与所述电容C的第一端以及所述第二电感L2的第一端连接；所述电容C的第二端分别与所述第二双向开关管的漏极、所述第四双向开关管的漏极以及所述负载R的第一端连接，所述负载R的第二端与所述第二电感L2的第二端连接。
所述负载R为电阻。
如图2所示，一种单相高频链矩阵式逆变器的调制方法，所述调制方法应用于所述的一种单相高频链矩阵式逆变器；所述调制方法包括：
S101，采用移相调制得到第一MOSFET管S1和第二MOSFET管S2的驱动信号；所述第一MOSFET管S1和第二MOSFET管S2的驱动信号互补且占空比为50％的高频交流方波。
S102，获取调制波和载波；所述调制波为取绝对值后的正弦波；所述载波为高频锯齿波。
S103，根据所述调制波和所述载波得到SPWM波。
S104，根据所述SPWM波的下降沿得到第三MOSFET管SX的驱动信号。
S105，对所述第三MOSFET管SX的驱动信号取反得到第四MOSFET管SY的驱动信号。
如图3和图4所示：
图4(a)为模态1：在t0时刻，前级开关管S1和SY开通，由于变压器变比带来的差异，所以二极管D4导通；后级开关管Sn2、Sp1、Sn3、Sp4开通，其中Sp1、Sp4工作在同步整流模式，这段时间内，电路处于正向能量的传递过程。
图4(b)为模态2：在t1时刻，开关管SY关闭，此时前级电路中，变压器中的漏感能量通过Sx的反并联二极管、S1、D4进行续流，在后级电路中，漏感上的电压为-2DC，此时后级开关管Sn2、Sp1、Sn1、Dp2、Dp3、Sn4、Sp4、Sn3导通，即此时后级开关管处于直通的状态。
图4(c)为模态3：在t2时刻，开关管Sx开通，此时Sx为ZVS开通，由于变压器漏感中的能量并没有续流完成，所以电路中的电流流通路径和模态2相同。
图4(d)为模态4：在t3时刻，开关管S1关闭，由于漏感上反压为-2DC，所以原边电流在S1关闭前很快为0。在t4时刻前电流为0，此时开关管S1为ZCS关断。
图4(e)为模态5：在t4时刻，开关管S2开通，此时前级电流通过S2、D3、SX流通，后级通过Sn4、Sp3、Sp2、Sn1流通。此时电路处于正向能量传输的状态。
图4(f)为模态6：在t5时刻，开关管SX关闭，此时，漏感中的电流经过S2、D4、SY的反并联二极管DY。漏感上的电压为-2DC，此时后级开关管Sn2、Dp1、Sn1、Sp2、Sp3、Sn4、Dp4、Sn3导通，即此时后级开关管处于直通的状态。
图4(g)为模态7：在t6时刻，开关管SY开通，此时SY为ZVS开通，由于变压器漏感中的能量并没有续流完成，所以电路中的电流流通路径和模态6相同。
本说明书中各个实施例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部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，包括：前级单相桥式电路、变压器电路、后级矩阵变换器、输出滤波器及负载；
所述前级单相桥式电路包括第一MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、第四MOSFET管、第一二极管以及第二二极管；所述第一MOSFET管以及所述第二MOSFET管构成第一桥臂；所述第一二极管以及所述第二二极管构成第二桥臂；所述第三MOSFET管以及所述第四MOSFET管构成第三桥臂；
直流电源DC的正极分别与所述第一MOSFET管的漏极、所述第三MOSFET管的漏极以及所述第一二极管的负极相连；所述直流电源DC的负极与所述第二MOSFET管的源极、所述第四MOSFET管的源极以及所述第二二极管的正极相连；
所述变压器电路的初级线圈第一端分别与所述第一MOSFET管的源极以及所述第二MOSFET管的漏极连接；所述变压器电路的初级线圈第二端分别与所述第一二极管的正极以及所述第二二极管的负极连接；所述变压器电路的初级线圈第三端分别与所述第三MOSFET管的源极以及所述第四MOSFET管的漏极连接；
所述变压器电路的次级线圈依次与所述后级矩阵变换器、所述输出滤波器及负载构成闭合电路。
2.根据权利要求1所述的一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，所述变压器电路包括第一变压器以及第二变压器；
所述第一变压器与所述第二变压器串联；
所述所述变压器电路的初级线圈第一端位于所述第一变压器的正极；所述变压器电路的初级线圈第二端位于所述第一变压器与所述第二变压器之间的回路；所述变压器电路的初级线圈第三端位于所述第二变压器的负极。
3.根据权利要求1所述的一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，所述后级矩阵变换器包括第一双向开关管、第二双向开关管、第三双向开关管以及第四双向开关管；
所述第一双向开关管、所述第二双向开关管、所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管组成两个桥式结构；其中，所述第一双向开关管以及所述第二双向开关管位于一个桥臂，所述第三双向开关管以及所述第四双向开关管位于另一桥臂。
4.根据权利要求3所述的一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，所述双向开关管为共源极反串联结构。
5.根据权利要求4所述的一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，所述输出滤波器包括第一电感、第二电感以及电容；
所述第一电感的第一端分别与所述第一双向开关管的漏极以及所述第三双向开关管的漏极连接，所述第一电感的第二端分别与所述电容的第一端以及所述第二电感的第一端连接；所述电容的第二端分别与所述第二双向开关管的漏极、所述第四双向开关管的漏极以及所述负载的第一端连接，所述负载的第二端与所述第二电感的第二端连接。
6.根据权利要求1所述的一种单相高频链矩阵式逆变器，其特征在于，所述负载为电阻。
7.一种单相高频链矩阵式逆变器的调制方法，所述调制方法应用于权利要求1-6任意一项所述的一种单相高频链矩阵式逆变器；其特征在于，所述调制方法包括：
采用移相调制得到第一MOSFET管和第二MOSFET管的驱动信号；所述第一MOSFET管和第二MOSFET管的驱动信号互补且占空比为50％的高频交流方波；
获取调制波和载波；所述调制波为取绝对值后的正弦波；所述载波为高频锯齿波；
根据所述调制波和所述载波得到SPWM波；
根据所述SPWM波的下降沿得到第三MOSFET管的驱动信号；
对所述第三MOSFET管的驱动信号取反得到第四MOSFET管的驱动信号。
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