CN112821797B - 一种升降压型断路自适应开关电容逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，包括全桥逆变模块、电容充放电模块、飞桥自适应模块和直流输入电源Vin；当遇电容串联放电，通过开关控制策略灵活构造新的工作电流通路短路故障电容或其所在支路，保持系统稳定运行，具有结构清晰，控制灵活多变，适用范围广泛等特点。

Description

一种升降压型断路自适应开关电容逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子应用技术领域，具体是一种升降压型断路自适应开关电容逆变器。

背景技术

化石能源作为人类生存和发展的重要物质基础，煤炭、石油、天然气等支撑了19世纪到20世纪近200年来人类文明的进步和经济社会发展。然而，化石能源的不可再生性和人类对其的巨大消耗，使化石能源正在逐渐走向枯竭，从另一方面看，化石能源的使用过程中会新增大量温室气体CO2，加剧温室效应，热污染，同时可能产生一些有污染的烟气，威胁全球生态，因而人们迫切寻求储量丰富、清洁无污染的可再生能源，在分布式可再生能源发电领域中，逆变技术因其具有快速启动，转化效率高，安全性好及稳定性强等优点，近年来得到了广泛的应用。逆变器在新能源的开发和利用领域有着至关重要的地位。

随着电力电子技术的发展，逆变电源的应用越来越广泛，因其具有电气隔离、可靠性高、效率高等优点备受青睐，但是传统基于逆变器的分布式发电在应用上有一个缺陷，其输出侧电压总是低于输入侧电压值。

在新能源并网发电系统中，传统Boost变换器是最常见的升压拓扑之一，但由于受元器件的寄生参数以及变换器本身的非线性特性的影响，占空比的工作范围受到限制。因此，在实际应用中，传统升压变换器的输出电压增益有限，往往不能满足高升压的需求，同时Boost变换器存在纹波大，效率低等问题。

为了提高高增益变换器的电压增益和工作性能，许多国内外专家学者们致力于高增益变换器的研究工作，开关电容技术近年来被应用到多电平逆变器结构中。开关电容结构是一种典型的无磁性结构，其由一定数量的开关器件和分压电容组成，通过开关控制电容的工作状态，实现电能的变换与传输，具有体积小、效率高、功率密度大等优点。开关电容升压变换器是实现高增益升压的一种拓扑实现，利用电容与电源并充串放的放电机制，可以得到数倍于输入源的输出电压。由于电容总是在一个周期的特定阶段被充电至固定电压，因此无需考虑复杂的电压平衡问题，调制策略简单。

但在开关电容串联放电过程中，考虑串联关系，中间任一电容或其所在支路发生断路故障，系统整体都将停止运转被迫关停，在很多工程领域往往不想发生此类问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：逆变器输出侧电压可自主升降压调节，当遇电容串联放电过程，电容或其所在支路发生断路故障，系统整体可正常平稳运行。为了解决上述问题，本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，在传统开关电容“并充串放”机制基础上设计简易电路结构，结合开关控制策略达到自主升降压效果。系统引入飞桥自适应模块，结合开关控制策略，能在结构简易，控制灵活多变的基础上有效解决电容串联放电过程中，因电容或其所在支路发生断路故障所带来的系统无法稳定运行问题。

本发明采用的技术方案为：本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，包括全桥逆变模块、电容充放电模块、飞桥自适应模块和直流输入电源Vin；

所述全桥逆变模块，用于将直流电转换成交流电，包括Mos管S1、Mos管S2、Mos管S3和Mos管S4，所述Mos管S1和Mos管S3串联后再并联至串联的Mos管S2和Mos管S4，所述Mos管S1和Mos管S3的连接端、所述Mos管S2和Mos管S4的连接端之间连接电阻R1；

所述电容充放电模块，用于输出侧电压可自主升降压调节，包括串联成回路的二极管D1、电容C1和Mos管S21、二极管D2、电容C2和Mos管S22、......二极管Dn、电容Cn和Mos管S2n,其中n为正整数，所述Mos管S21-S2n的漏极分别连接所述电容C1-Cn的阴极，所述二极管D1-Dn的负极分别连接C1-Cn的阳极，所述Mos管S31-S3n的源极分别与C1-Cn的阴极相连，所述Mos管S41-S4n的漏极分别与C1-Cn的阳极相连；

所述飞桥自适应模块，用于在系统发生断路故障时，及时选择降压、稳压、升压其中一状态，使系统保持平稳运行，包括串联的Mos管S11-S1n，分别与支路上对应的S41-S4n的漏极相连，同时与后一级的Mos管漏极连接，Mos管S11的漏极与Mos管S31的源极相连接，Mos管S1n的源极与Cn的阳极相连；

直流输入电源Vin，用于提供直流输入电压，直流输入电源的正极与二极管D1-Dn的正极相连接，同时与Mos管S31的漏极相连接，直流输入电源的负极与Mos管S21-S2n的源极相连接，同时与Mos管S3、S4的源极相连接，与二极管Da的正极相连接。

所述Mos管S1、Mos管S2、Mos管S3和Mos管S4在工频状态下工作，其余Mos管均在高频状态下工作。考虑电容充放电时间快慢，经计算比较后得出高频状态下输出侧平均电压更高。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，提出了一种高效的自主升降压调节方法，当遇电容串联放电，通过开关控制策略灵活构造新的工作电流通路短路故障电容或其所在支路，保持系统稳定运行。具有结构清晰，控制灵活多变，适用范围广泛等特点。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的系统结构框图；

图2是本发明的电路图；

图3是本发明的逆变器升压模式的工作电流通路图；

图4是本发明的逆变器降压模式的工作电流通路图；

图5是本发明的逆变器断路故障降压输出电流通路图；

图6是本发明的逆变器断路故障稳压输出电流通路图；

图7是本发明的逆变器断路故障升压输出电流通路图；

图8是本发明同时发生n(n＝2)个电容或其所在支路断路故障时电流通路图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1图2所示，本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，包括全桥逆变模块、电容充放电模块、飞桥自适应模块和直流输入电源Vin；

所述全桥逆变模块包括Mos管S1和Mos管S3，所述Mos管S1和Mos管S3串联后再并联串联的Mos管S2和Mos管S4，所述Mos管S1和Mos管S3的连接端、所述Mos管S2和Mos管S4的连接端之间连接电阻R1；

所述电容充放电模块包括串联成回路的二极管D1、电容C1和Mos管S21、二极管D2、电容C2和Mos管S22、......二极管Dn、电容Cn和Mos管S2n,所述Mos管S21-S2n的漏极分别连接所述电容C1-Cn的阴极，所述二极管D1-Dn的负极分别连接C1-Cn的阳极。所述Mos管S31-S3n的源极分别与C1-Cn的阴极相连，所述Mos管S41-S4n的漏极分别与C1-Cn的阳极相连。

所述飞桥自适应模块包括Mos管S11-S1n，为若干Mos管串联，分别与支路上对应的S41-S4n的漏极相连，同时与后一级的Mos管漏极连接，Mos管S11的漏极与Mos管S31的源极相连接，Mos管S1n的源极与Cn的阳极相连。

并联3电容时，当逆变器工作在升压模式时，其具体的工作状态电流通路如图3所示，图中黑色虚线表示逆变器负载电流正向时电流的流通路径，在前级并联充电阶段，三个电容均充电至Vin，下一阶段串联放电，逆变器输出侧电压为4Vin。

在此基础上，当逆变器工作在降压模式时，通过DSP进行脉冲宽度调制控制Mos管导通关断，断开Mos管S33、S43，闭合S42，此时具体的工作状态电流通路如图4所示，图中黑色虚线表示逆变器负载电流正向时电流的流通路径，此时逆变器输出侧电压为3Vin，达到降压效果。

当并联若干电容时，通过合理脉冲宽度调制优化开关控制策略，逆变器输出侧可按倍数自主升降压，灵活多变。

对于所提出的基于开关电容的断路故障自适应模块，当并联4个电容充电时，下一阶段串联放电，如果已充满电的电容发生断路故障时，因串联关系系统整体将停止运转以保护电路，为保障系统从始至终都正常稳定运转，通过DSP进行脉冲宽度调制控制Mos管导通关断，实现电容或其所在支路断路时，系统以三个可选状态模式维持整体平稳运行，模拟要求输出电压3Vin，且C2电容当遇故障时，具体工作状态电流通路分三个部分：

1.C2断路故障，系统整体降压运行：串联放电过程，故障发生第一时间，电容负极性端所接Mos管S32第一时间断开，飞桥自适应模块Mos管S12闭合，系统以2Vin电压降压输出，如图5所示。

2.C2断路故障，系统整体稳压运行：串联放电过程，故障发生第一时间，电容负极性端所接Mos管S32第一时间断开，飞桥自适应模块Mos管S12闭合，电容正极性端所接Mos管S42断开，所接Mos管S33、S43闭合，系统以3Vin电压稳压输出，如图6所示。

3.C2断路故障，系统整体升压运行：串联放电过程，故障发生第一时间，电容负极性端所接Mos管S32第一时间断开，电容正极性端所接Mos管S42断开，飞桥自适应模块Mos管S12闭合，所接Mos管S33、S34、S44闭合，系统以4Vin电压升压输出。如图7所示。

电容或其所在支路同时发生断路故障的个数可为n个，对应每个断路电容正极性端所接前级(左侧)飞桥自适应模块Mos管，第一时间闭合导通，系统通过开关控制策略结合输出侧电压需求，降压、稳压、升压，选择三状态之一稳定运行。

若同时发生断路故障个数为n＝2时，假设故障电容为C1、C3，工作电流通路如图8所示。

本发明提供的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，在传统开关电容“并充串放”机制基础上设计简易电路结构，通过DSP进行脉冲宽度调制控制Mos管导通关断，达到自主升降压效果。系统引入飞桥自适应模块，通过DSP进行脉冲宽度调制控制Mos管导通关断，能在结构简易，控制灵活多变的基础上有效解决电容串联放电过程中，因电容或其所在支路发生断路故障所带来的系统无法稳定运行问题。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (2)

1.一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，其特征在于：包括全桥逆变模块、电容充放电模块、飞桥自适应模块和直流输入电源Vin；

所述全桥逆变模块，用于将直流电转换成交流电，包括Mos管S1、Mos管S2、Mos管S3和Mos管S4，Mos管S1和Mos管S3串联，Mos管S2和Mos管S4串联，Mos管S1和S3的串联支路与Mos管S2和S4的串联支路并联；所述Mos管S1和Mos管S3的公共连接端、所述Mos管S2和Mos管S4的公共连接端之间连接电阻R1；

所述电容充放电模块，用于自主升降压调节输出侧电压，包括串联成回路的二极管D1、电容C1和Mos管S21、二极管D2、电容C2和Mos管S22、......二极管Dn、电容Cn和Mos管S2n；其中n为大于2的正整数，所述Mos管S21-S2n的漏极分别连接所述电容C1-Cn的阴极，所述二极管D1-Dn的负极分别连接电容C1-Cn的阳极；Mos管S31-S3n的源极分别与电容C1-Cn的阴极相连，Mos管S41-S4n的漏极分别与电容C1-Cn的阳极相连；

所述飞桥自适应模块，用于在系统发生断路故障时，及时选择降压、稳压、升压其中一状态，使系统保持平稳运行，包括串联的Mos管S11-S1n，Mos管S11-S1n的源极分别与支路上对应的S41-S4n的漏极相连，串联的Mos管S11-S1n中前一级的Mos管的源极还与后一级的Mos管漏极连接，Mos管S11的漏极与Mos管S31的源极相连接，Mos管S1n的源极与电容Cn的阳极相连；Mos管S32-S3n的漏极分别与Mos管S12-S1n的漏极相连；

直流输入电源Vin，用于提供直流输入电压，直流输入电源的正极与二极管D1-Dn的正极相连接，同时与Mos管S31的漏极相连接，直流输入电源的负极与Mos管S21-S2n的源极相连接，同时与Mos管S3、S4的源极和二极管Da的正极相连接；二极管Da的负极与电感L1的一端和Mos管S41-S4n的源极连接；电感L1的另一端与Mos管S1和Mos管S2的公共连接端连接。

2.根据权利要求1所述的一种升降压型断路自适应开关电容逆变器，其特征在于：所述Mos管S1、Mos管S2、Mos管S3和Mos管S4在工频状态下工作，其余Mos管均在高频状态下工作。

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