CN113489362B - 一种电容储能的隔离型单级四象限逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容储能的隔离型单级四象限逆变器，属于电能变换装置中的逆变器。采用高频变压器具有升压和电气隔离的功能；原边采用有源钳位电路降低开关管的开关损耗；变压器副边采用全桥混合调制的逆变电路，同时母线储能电容与开关管串联，避免了多余能量回馈至原边直流母线侧，从而减少了能量变换级数，将能量储存在母线储能电容中，在每个工频周期内实现储能电容的能量平衡。不仅实现了四象限运行的功能，而且提高了逆变器的效率，降低了逆变器的体积。
Description
技术领域
本发明涉及一种的具有母线电容储能的单级全桥逆变电路，属于电能变换装置中的逆变器。
背景技术
随着经济的快速发展，电能的需求量也随之越来越大。不管在民用和工业中，电能的需求也越来越广泛，应用的场合也多种多样(例如卫星的电源系统、不间断电源(UPS)、电机驱动等)，而在这些场合中交流电运用最为广泛。这对逆变器的广泛适用性、高效率以及可靠性的要求也越来越高。传统的隔离型四象限逆变器如杂志《电力自动化设备》上的《一种四象限多电平变流器》一文中所描述，是以前级DC/DC、后级DC/AC为基础，以原边储能电容为媒介的两级式逆变器,电路结构较为复杂，能量转换经过多级变换。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种电容储能的隔离型单级四象限逆变器，将能量储存在母线储能电容中，在每个工频周期内实现储能电容的能量平衡，不仅实现了四象限运行的功能，而且提高了逆变器的效率，降低了逆变器的体积。
技术方案
一种电容储能的隔离型单级四象限逆变器，其特征在于：输入电源Ud的正极与钳位电容CC、变压器T的原边上端相连；钳位电容CC的另一端与第二个功率管S2的漏极相连，其源极与第一个功率管S1的漏极和变压器T原边的下端相连，变压器T原边的下端也与第一个功率管S1的漏极相连；第一个功率管S1的源极和输入电源Ud的负极相连；变压器T的副边上端和第一个整流二极管VD1的阳极相连，此整流二极管的阴极和第二个续流二极管VD2的阴极短接后与第三个功率管S3、第四个功率管S4、第六个功率管S6的漏极相连；第二个续流二极管VD2的阳极和变压器T副边的下端相连，第三个功率管S3的源极和母电容Cm的一端相连，母电容Cm的另一端和第五个功率管S5、第七个功率管S7的源极相连，并一起连接到变压器T副边的下端；第六个功率管S6源极和第七个功率管S7的漏极短接后与输出滤波电容C和负载R的下端相连接，第四个功率管S4的源极和第五个功率管S5的漏极相连，另外第四个功率管S4的源极也接到了电感L的一端，电感L的另一端接到了输出滤波电容C和电阻R的一端。
有益效果
本发明所提出电容储能的隔离型单级四象限逆变器采用高频变压器具有升压和电气隔离的功能；原边采用有源钳位电路降低开关管的开关损耗；变压器副边采用全桥混合调制的逆变电路，同时母线储能电容与开关管串联，避免了多余能量回馈至原边直流母线侧，从而减少了能量变换级数，将能量储存在母线储能电容中，在每个工频周期内实现储能电容的能量平衡。不仅实现了四象限运行的功能，而且提高了逆变器的效率，降低了逆变器的体积。本发明具有如下优点：
(1)该逆变器能够适应不同的负载情况；
(2)该逆变器为隔离型逆变器，升压能力明显，可应用于大功率场合；
(3)降低了系统损耗，提高了效率因而降低了对散热器的需求，从而减小了体积。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1是本设计发明的电容储能的隔离型单级四象限逆变器结构示意图；
图2是本发明的电容储能的隔离型单级四象限逆变器各开关模态示意图。
其中：Ud表示输入电源；Uo表示逆变器输出电压；Cc表示钳位电容；T为变压器，n1为变压器原边匝数，n2为变压器副边匝数；Lm表示变压器的励磁电感；S1至S7分别表示存在反并联体二极管D1至D7的功率MOSFET管(漏极和体二极管阴极相连与源极和体二极管阳极相连而得)；VD1表示第一整流二极管；VD2表示第二续流二极管；L表示输出滤波电感；C表示输出滤波电容，R表示负载。
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，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明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。
如图1所示，本设计发明电容储能的隔离型单级四象限逆变器，输入电源Ud的正极与钳位电容CC、变压器T的原边上端相连。钳位电容CC的另一端与第二个功率管S2的漏极相连，其源极与第一个功率管S1的漏极和变压器T原边的下端相连，变压器T原边的下端也与第一个功率管S1的漏极相连。第一个功率管S1的源极和输入电源Ud的负极相连。变压器T的副边上端和第一个整流二极管VD1的阳极相连，此整流二极管的阴极和第二个续流二极管VD2的阴极短接后与第三个功率管S3、第四个功率管S4、第六个功率管S6的漏极相连。第二个续流二极管VD2的阳极和变压器T副边的下端相连，第三个功率管S3的源极和母电容Cm的一端相连，母电容Cm的另一端和第五个功率管S5、第七个功率管S7的源极相连，并一起连接到变压器T副边的下端。第六个功率管S6源极和第七个功率管S7的漏极短接后与输出滤波电容C和负载R的下端相连接，第四个功率管S4的源极和第五个功率管S5的漏极相连，另外第四个功率管S4的源极也接到了电感L的一端，电感L的另一端接到了输出滤波电容C和电阻R的一端。
下面以附图1为主电路结构，结合附图2来叙述本发明的具体工作原理和工作模态。
假设该电路中的器件均为理想型元件；当电路工作在第一象限时，il>0，uo>0,此时电路存在五个模态(CCM/DCM)：
(1)当母线电容电压大于输出电压时，即Ucm>Uo，所工作的电路可以看作是一个Buck电路,可以分为如下3个模态，
模态1：此时S1，S2，S5，S6关断；S3，S4，S7导通，如图2(a)所示，母线电容Ucm通过S3的体二极管D3向负载侧供电，iL线性上升，滤波电感L同时给输出电容C和负载R供电，输出电容C处于充电状态。
模态2：此时S1，S2，S3，S4，S5，S6；S7导通，如图2(b)所示，输出电感L通过S7，S5体二极管D5形成续流回路，给输出负载供电。
模态3：随着母线电容不断地给负载供电，Ucm逐渐下降，Uo逐渐上升，Buck会出现断续导电模式(DCM)，如图2(c)所示，此时电路中只有输出电容单独给负载R供电。
(2)当母线电容电压小于等于输出电压时，即Ucm≤Uo，此时D3因承受反向电压而关断，原边电路开始工作，从直流母线上向负载传递提供电能，S4 PWM调制，S7工频信号导通，在此时刻下可以分为两个模态。
模态4：此时S2，S3，S5，S6关断；S1，S4，S7导通；如图2(d)所示，变压器T的励磁电流iLm线性上升，直流源通过变压器向负载供电,滤波电感L电流iL线性上升，滤波电感L同时给电容C和负载R供电。
模态5：此时S1，S3，S4，S5，S6关断；S2，S7导通；如图2(e)所示,变压器原边有源钳位电路对变压器进行磁复位，副边滤波电感通过S7与S5体二极管D5形成续流回路，iL线性下降。
当逆变器工作在第二象限时，iL<0，uo>0；在这个阶段，负载向母线电容供电，S5PWM调制，实现反向boost电路，将输出电容上的一部分电能给电阻R供电，另一部分的电能储存在母线电容上等待下一个象限的到来。在此阶段可分为两个不同的模态。
模态6：此时S1，S2，S3，S4，S6关断；S5，S7导通；如图2(f)所示，-iL线性上升，电容C同时给负载R供电。
模态7：此时S1，S2，S4，S5，S6，S7关断；S3导通；如图2(g)所示，iL线性下降，boost电路给Cm充电。
当逆变器工作在第三象限时，iL<0，uo<0；此时电路存在五个工作模态(CCM/DCM)
(1)母线电容Ucm>-Uo时，处于此工作状态的电路可以看作一个Buck电路(由Cm、S3、S5、S6、L、C、R构成)。
模态8：此时S1，S2，S3，S4，S7关断，S5，S6导通；如图2(h)所示，母线电容Ucm向电感L和负载供电，iL线性上升。
模态9：此时S1，S2，S3，S4，S6，S7关断，S5导通；如图2(i)所示，电感电流通过S5、S7的体二极管D7进行续流，iL线性下降。
模态10：当母线电容电压Ucm接近于-Uo时，电路进行DCM模式；此时S1，S2，S3，S4，S5，S6，S7关断。滤波电容单独给负载供电。
(2)母线电容Ucm≤Uo，母线电容停止给负载供电；此时S3体二极管D3因承受负电压而截止。同时变压器原边电路开始工作，直流源向负载供电，S5工频导通，S6 PWM调制。
模态11：此时S2，S3，S4，S7关断；S1，S5，S6导通；如图2(j)所示，变压器励磁电感iLm线性上升，iL线性上升。
模态12：此时S1，S2，S3，S4，S6关断；S5，S7导通；如图2(k)所示，有源钳位电路对变压器进行磁复位，副边电感电流通过S5、S7的体二极管D7进行续流。
当逆变器工作在第四象限时，iL<0，uo>0；在这个阶段，负载向母线电容供电，S7PWM调制，实现反向boost电路，将输出电容上的一部分电能给电阻R供电，另一部分的电能储存在母线电容上等待下一个象限的到来。在此阶段可分为两个不同的模态。
模态13：此时S1，S2，S4，S5，S6关断；S3，S7导通；iL线性上升，电容C同时给负载R供电。
模态14：此时S1，S2，S4，S5，S6，S7关断；S3导通；如图所示2(l)，iL线性下降，boost电路给Cm充电。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种电容储能的隔离型单级四象限逆变器，其特征在于：输入电源Ud的正极与钳位电容CC、变压器T的原边上端相连；钳位电容CC的另一端与第二个功率管S2的漏极相连，其源极与第一个功率管S1的漏极和变压器T原边的下端相连，变压器T原边的下端也与第一个功率管S1的漏极相连；第一个功率管S1的源极和输入电源Ud的负极相连；变压器T的副边上端和第一个整流二极管VD1的阳极相连，此整流二极管的阴极和第二个续流二极管VD2的阴极短接后与第三个功率管S3、第四个功率管S4、第六个功率管S6的漏极相连；第二个续流二极管VD2的阳极和变压器T副边的下端相连，第三个功率管S3的源极和母电容Cm的一端相连，母电容Cm的另一端和第五个功率管S5、第七个功率管S7的源极相连，并一起连接到变压器T副边的下端；第六个功率管S6源极和第七个功率管S7的漏极短接后与输出滤波电容C和负载R的下端相连接，第四个功率管S4的源极和第五个功率管S5的漏极相连，另外第四个功率管S4的源极也接到了电感L的一端，电感L的另一端接到了输出滤波电容C和电阻R的一端。
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