CN115037181A - 基于非谐振软开关的两级式升压逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器，该逆变器包括：输入电源、第一电感、第一开关管、第一电容、第一二极管、第二电感、第二电容、第二二极管、第三二极管、第三电容、第二开关管、第三开关管、第四开关管和第五开关管，其中，输入电源与第一电感、第一电容、第一开关管和第二二极管相连；第一电感与第一开关管、第一二极管和第二电容相连；第一电容与第二电感相连；第一二极管与第三二极管和第二电感相连；第三二极管与第二开关管、第三开关管和第三电容相连；第二二极管与第二电容、第四开关管和第五开关管相连；第二开关管与第四开关管相连；第三开关管与第五开关管相连。该逆变器在提高功率密度的同时保证了转换效率。

Description

基于非谐振软开关的两级式升压逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器。
背景技术
目前，能源利用逐渐从化石燃料等传统能源向太阳能和风能等清洁能源转型。在光伏发电中，由于光伏电池的输出电压比较低，一般为20～50V，因此需要将光伏电池输出的低压直流电变换到400V直流电后，再进行逆变，以实现新能源并网的功能，即进行光伏发电需要在系统中设置逆变器。
相关技术中，通常是将光伏电池板串联来提高输出电压，然而该方式在实际应用中处于组件局部被遮挡等场景下可能会出现热斑，进而会影响光伏系统的安全性和可靠性。并且，相关技术中为了保证光伏并网逆变器的变换效率，开关频率一般选在16kHz左右，会导致其体积、重量和料成本较高，且功率密度较低。且相关技术中的逆变器通常选用硬开关，而在高频情况下的硬开关会带来高开关损耗，开关过程中的电压和电流尖峰也会导致对环境的电磁干扰和音频噪声。
因此，如何在光伏发电系统中逆变器应用软开关技术并提高逆变器的功率密度和效率成为目前亟需解决问题。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种非谐振软开关的两级式升压逆变器，该两级式升压逆变器具有升压功能，并且可以实现逆变器输出为升压模式下高频的开关管的零电流开通，以及全部二极管的零电流关断，提高了逆变器的功率密度和效率，能够适用于光伏发电领域，实现光伏发电并网。
为实现上述目的，本发明提出了一种非谐振软开关的两级式升压逆变器，包括：输入电源Vin、第一电感L、第一开关管S1、第一电容C1、第一二极管D1、第二电感La、第二电容C2、第二二极管D2、第三二极管D3、第三电容C3、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第三电感Lf、第四电容Cf和负载R，
其中，所述输入电源Vin的第一端分别与所述第一电感L的第一端和所述第一电容C1的第一端相连，所述输入电源Vin的第二端分别与所述第一开关管S1的第二端和所述第二二极管D2的第二端相连；
所述第一电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的第一端、所述第一二极管D1的第一端和所述第二电容C2的第一端相连；
所述第一电容C1的第二端与第二电感La的第一端相连；
所述第一二极管D1的第二端分别与所述第三二极管D3的第一端和所述第二电感La的第二端相连；
所述第三二极管D3的第二端分别与所述第二开关管S2的第一端、所述第三开关管S3的第一端和所述第三电容C3的第一端相连；
所述第二二极管D2的第一端分别与所述第二电容C2的第二端、所述第四开关管S4的第二端、所述第五开关管S5的第二端和所述第三电容C3的第二端相连；
所述第二开关管S2的第二端分别与所述第三电感Lf的第一端和所述第四开关管S4的第一端相连；
所述第三开关管S3的第二端分别与所述第五开关管S5的第一端、所述第四电容Cf的第二端和所述负载R的第二端相连；
所述第三电感Lf的第二端分别与所述第四电容Cf的第一端和所述负载R的第一端相连。
另外，根据本发明上述实施例的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器还可以具有如下附加的技术特征：
可选的，根据本发明的一个实施例，所述输入电源Vin、所述第一电感L、所述第一开关管S1、所述第一电容C1、所述第一二极管D1、所述第二电感La、所述第二电容C2、所述第二二极管D2、所述第三二极管D3和所述第三电容C3组成电容升压直流变换器作为所述逆变器的前级；所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5组成全桥结构作为所述逆变器的后级；所述第一电感L、所述第一电容C1、所述第一二极管D1、所述第二电容C2、所述第二二极管D2和所述第二电感La组成非谐振软开关结构。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述基于非谐振软开关的两级式升压逆变器具有升压模式和降压模式，在所述逆变器工作于所述升压模式时，所述第一开关管S1用于进行正弦脉冲宽度调制SPWM高频调制，所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5用于进行工频调制，以实现翻转电压；在所述逆变器工作于所述降压模式时，所述第一开关管S1为关断状态，所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5用于对输入电压进行正弦脉冲宽度调制SPWM高频调制。
可选的，根据本发明的一个实施例，在所述逆变器工作于所述升压模式时，所述第一开关管S1用于实现零电流开通，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2和所述第三二极管D3用于实现零电流关断。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第一电容C1和所述第一二极管D1构成升降压Buck-Boost单元，所述第二电容C2和所述第二二极管D2构成升压Boost单元。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第二电感La的电感值小于预设的电感阈值，所述电容升压直流变换器的输出电压等于所述输入电源Vin、所述第一电容C1和所述第二电容C2的电压的和，通过以下公式表示所述电容升压直流变换器的电压增益：
Figure BDA0003638868400000031
其中，M为所述高增益升压变换器的电压增益，Vout为所述负载R两端的电压，Vin为所述输入电源Vin的电压，D为所述第一开关管S1的占空比。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述逆变器的输出电压为正弦波形，所述正弦波形包括正极性正弦半波和负极性正弦半波，所述逆变器具有十二种工作模态，在所述输出电压为所述正极性正弦半波时，所述逆变器的工作模态包括第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态和第六工作模态，在所述输出电压为所述负极性正弦半波时，所述逆变器的工作模态包括第七工作模态至第十二工作模态，所述逆变器在正半周的工作模态与在负半周的工作模态对称。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第一工作模态，包括：所述第一开关管S1开通且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5和所述第一二极管D1导通，所述输入电源Vin通过所述第一开关管S1对所述第一电感L充电，同时所述第一电感L向所述第一电容C1和所述第二电感La充电，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第二工作模态，包括：所述第一开关管S1开通且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5和所述第三二极管D3导通，所述输入电源Vin通过所述第一开关管S1对所述第一电感L充电，同时所述输入电源Vin、所述第一电容C1和所述第二电容C2串联后向所述负载R供电。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第三工作模态，包括：所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5、所述第二二极管D2和所述第三二极管D3导通，所述第一开关管S1所处支路的电流转移至所述第二电容C2和所述第二二极管D2所处的支路，所述输入电源Vin和所述第一电容C1串联后向所述负载R供电。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第四工作模态，包括：所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5、所述第一二极管D1和所述第二二极管D2导通，所述输入电源Vin和所述第一电感L向所述第二电容C2充电，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第五工作模态，包括：所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2和所述第五开关管S5导通，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电。
可选的，根据本发明的一个实施例，所述第六工作模态，包括：所述第一开关管S1关断，并且所述第二开关管S2的反并联二极管和所述第五开关管S5导通，以向负载电流续流。
本发明的实施例提供的技术方案至少带来以下有益效果：本发明的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器能够实现升压模式下高频开关管零电流开通和二极管零电流关断，有助于在提高逆变器功率密度的同时保证效率，且相对于传统SPWM调制的逆变器输出电压高频分量少，更有利于滤波器设计，因此能够为光伏发电领域提供一种简单实用的拓扑结构。并且，本发明的非谐振软开关两级式升压逆变器，通过电容升压单元串联输出来提高前级直流变换器电压增益，再通过加入辅助电感构建出非谐振软开关结构，可以实现逆变器输出升压模式下高频开关管的零电流开通和所有二极管的零电流关断，以减少损耗并提高逆变器的转换效率，从而提高了该逆变器在光伏发电领域的适用性，更加有利于实现光伏发电并网。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的信号传输参考方向和符号定义的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器在升压模式和降压模式下各开关管的调制驱动波形及主要工作波形的示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第一工作模态的运行示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第二工作模态的运行示意图；
图6为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第三工作模态的运行示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第四工作模态的运行示意图；
图8为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第五工作模态的运行示意图；
图9为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第六工作模态的运行示意图；
图10为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器在升压模式下电路的主要工作波形示意图；
图11为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的相关部件的输出电压仿真结果示意图；
图12为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第一开关管在升压模式阶段实现零电流开通的仿真结果示意图；
图13为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的第一二极管、第二二极管和第三二极管在升压模式阶段实现零电流关断的仿真结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，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。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图来描述根据本发明实施例提出的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器。
图1为本发明实施例提供的一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器包括输入电源Vin、第一电感L、第一开关管S1、第一电容C1、第一二极管D1、第二电感La、第二电容C2、第二二极管D2、第三二极管D3、第三电容C3、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第三电感Lf、第四电容Cf和负载R。
其中，该逆变器中上述部件的连接方式是：输入电源Vin的第一端分别与第一电感L的第一端和第一电容C1的第一端相连，输入电源Vin的第二端分别与第一开关管S1的第二端和第二二极管D2的第二端相连；第一电感L的第二端分别与第一开关管S1的第一端、第一二极管D1的第一端和第二电容C2的第一端相连；第一电容C1的第二端与第二电感La的第一端相连；第一二极管D1的第二端分别与所述第三二极管D3的第一端和所述第二电感La的第二端相连；第三二极管D3的第二端分别与第二开关管S2的第一端、第三开关管S3的第一端和第三电容C3的第一端相连；第二二极管D2的第一端分别与第二电容C2的第二端、第四开关管S4的第二端、第五开关管S5的第二端和第三电容C3的第二端相连；第二开关管S2的第二端分别与第三电感Lf的第一端和第四开关管S4的第一端相连；第三开关管S3的第二端分别与第五开关管S5的第一端、第四电容Cf的第二端和负载R的第二端相连；第三电感Lf的第二端分别与第四电容Cf的第一端和负载R的第一端相连。
其中，上述各部件的第一端和第二端具体指代的各端如图1所示，在本发明实施例中，将各二极管的阳极和其他部件的正极对应的一端作为第一端，将各二极管的阴极和其他部件的负极对应的一端作为第二端。各开关管可以为如图1所示的开关三极管。该基于非谐振软开关的两级式升压逆变器中各类信号的传输方向和信号的符号定义如图2所示，可按照图2进行理论分析。
在本发明一个实施例中，将输入电源Vin、第一电感L、第一开关管S1、第一电容C1、第一二极管D1、第二电感La、第二电容C2、第二二极管D2、第三二极管D3和第三电容C3组成电容升压直流变换器，以该电容升压直流变换器作为本发明的逆变器的前级。将第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5组成全桥结构作为本发明的逆变器的后级，由此，实现本发明的逆变器的两级设置。并且，第一电感L、第一电容C1、第一二极管D1、第二电容C2、第二二极管D2和第二电感La组成非谐振软开关结构。
其中，软开关是指电流或电压先降到零，然后再控制电压或电流再缓慢上升到断态值，以实现功率变换器件的高频化。在本实施例中，该两级式逆变器并网结构的前级采用直流变换器进行升压，后级采用全桥逆变器实现降压逆变，从而实现光伏并网的功能。并且，构成了非谐振软开关结构，极大降低了开关损耗。
在本发明一个实施例中，该基于非谐振软开关的两级式升压逆变器具有升压模式和降压模式，在该逆变器工作于所述升压模式时，其中的第一开关管S1用于进行正弦脉冲宽度调制(Sinusoidal PWM，简称SPWM)高频调制，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5用于进行工频调制，以实现翻转电压。在该逆变器工作于降压模式时，第一开关管S1为关断状态，第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4和第五开关管S5用于对输入电压进行正弦脉冲宽度调制SPWM高频调制。
在本实施例中，在该逆变器工作于升压模式时，高频调制的第一开关管S1用于实现零电流开通，第一二极管D1、第二二极管D2和第三二极管D3中的每一个均可以用于实现零电流关断。
具体实施时，作为实现逆变器升压的一种可能的方式，可以将该逆变器中的第一电容C1和第一二极管D1构成升降压Buck-Boost单元，第二电容C2和第二二极管D2构成升压Boost单元，通过所述输入电源Vin与所述第一电容C1和所述第二电容C2串联输出来达到升压目的。
在本实施例中，该逆变器在升压模式(Boost)和降压模式(Buck)下各开关管的调制驱动波形，以及其他相关主要部件在工作时对应的输出波形如图3所示。图3描绘了多个信号的波形，为便于进行区分通过不同的颜色对应不同的波形，其中，vgs1至vgs6是第一开关管至第六开关管的调制驱动波形，其他的信号波形即对应于图2中所示的相关信号的波形，在本示例中，为便于描述波形的数值变化情况，在vout、vbus和vab的波形中引入输入电源Vin的大小构建坐标系。
在本发明一个实施例中，设置第二电感La的电感值小于预设的电感阈值，其中，预设的电感阈值是第二电感对电容升压直流变换器输出电压增益产生影响的最小感值，本发明设置第二电感La的电感值小于该电感阈值，则使第二电感对电容升压直流变换器输出电压增益产生的影响可以忽略。进而，本实施例中电容升压直流变换器的输出电压等于输入电源Vin、第一电容C1和第二电容C2的电压的和，可以通过以下公式表示电容升压直流变换器的电压增益：
Figure BDA0003638868400000071
其中，M为高增益升压变换器的电压增益，Vout为负载R两端的电压，Vin为输入电源Vin的电压，D为第一开关管S1的占空比。
本发明实施例的逆变器的输出电压为正弦波形，该正弦波形包括正极性正弦半波和负极性正弦半波，即正弦波由正极性正弦半波和负极性正弦半波组合成。相应的，本发明的逆变器具有十二种工作模态，在输出电压为正极性正弦半波时，逆变器的工作模态包括第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态和第六工作模态，在输出电压为负极性正弦半波时，逆变器的工作模态包括第七工作模态至第十二工作模态，逆变器在正半周的工作模态与在负半周的工作模态对称。
下面对第一工作模态至第六工作模态进行详细描述。具体而言，第一工作模态如图4所示，第一工作模态为：第一开关管S1开通且第二开关管S2、第五开关管S5和第一二极管D1导通，即控制第一开关管S1开通时，控制此时的第二开关管S2、第五开关管S5和第一二极管D1也处于开通状态，输入电源Vin通过第一开关管S1对第一电感L充电，同时第一电感L向第一电容C1和第二电感La充电，第三电容C3通过第二开关管S2和第五开关管S5向负载R供电。
第二工作模态如图5所示，第二工作模态为：第一开关管S1开通且第二开关管S2、第五开关管S5和第三二极管D3导通，即控制第一开关管S1开通时，控制此时的第二开关管S2、第五开关管S5和第三二极管D3也处于开通状态，输入电源Vin通过第一开关管S1对第一电感L充电，同时输入电源Vin、第一电容C1和第二电容C2串联后向负载R供电，即输入电源Vin、第一电容C1和第二电容C2形成串联关系并共同向负载R供。
第三工作模态如图6所示，第三工作模态为：第一开关管S1关断且第二开关管S2、第五开关管S5、第二二极管D2和第三二极管D3导通，即控制第一开关管S1关断，并控制此时的第二开关管S2、第五开关管S5、第二二极管D2和第三二极管D处于导通状态，第一开关管S1所处支路的电流转移至第二电容C2和第二二极管D2所处的支路，输入电源Vin和第一电容C1串联后向负载R供电。
第四工作模态如图7所示，第四工作模态为：第一开关管S1关断且第二开关管S2、第五开关管S5、第一二极管D1和第二二极管D2导通，输入电源Vin和第一电感L向第二电容C2充电，第三电容C3通过第二开关管S2和第五开关管S5向负载R供电。
第五工作模态如图8所示，第五工作模态为：第一开关管S1关断且第二开关管S2和第五开关管S5导通，第三电容C3通过第二开关管S2和第五开关管S5向负载R供电。
第六工作模态如图9所示，第六工作模态为：第一开关管S1关断，并且第二开关管S2的反并联二极管和第五开关管S5导通，以向负载电流续流。即控制第一开关管S1关断，此时第二开关管S2的反并联二极管、第五开关管S5导通，给负载电流续流。
需要说明的是，在图4至图9中，对于处于关断状态的部件和支路，通过灰度线进行表示，以便于更加直观和清晰的与处于导通状态的部件进行区分，图中虚线表示各类信号的传输方向。并且，由于本发明的逆变器的正半周输出和负半周输出的工作模态对称，负半周输出的工作模态可根据正半周输出的工作模态推导得出，因此负半周输出的工作模态在此不再赘述。
为了更加清楚的描述本发明实施例的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器的工作原理和运行时的工作模态，下面结合一个具体的该逆变器实际运行时的实施例进行分析。
在本实施例中，基于非谐振软开关的两级式升压逆变器在升压模式下电路的主要工作波形如图10所示，包含了主要部件在升压工作时对应的输出波形，图中各坐标系纵轴中的V表示电压，i表示电流，下标表示逆变器中的各部件和信号，与图1和图2所示对应，比如，L为第一电感，iL为第一电感的电流。各坐标系横轴表示工作时间。
如图11所示，电容升压直流变换器输出端电压vbus在升压逆变器处于升压模式时为正弦波趋势，在升压逆变器处于降压模式时保持为输入电压值。全桥结构输出电压vab在升压逆变器处于升压模式时，电压值与电容升压直流变换器输出端电压vbus相同，在升压逆变器处于降压模式时，输出正弦趋势变化的两电平方波。全桥结构输出电压vab经过滤波后得到输出电压vout。本发明实施例的逆变器，相对于全桥全范围输出均为正弦趋势变化方波的逆变器，其高频分量更少，有利于滤波器的设计，即在高频分量更少时有利于设计体积更小、重量更轻且成本较低的逆变器。
如图12所示，本发明实施例中的逆变器的第一开关管S1在开通后，电流以线性的方式逐渐增加直至完全开通，实现了零电流开通，能够有效降低开关管的开关损耗，且软化开关过程，解决开关振荡和开关应力大的问题，降低了开关损耗。
综上所述，本发明实施例的基于非谐振软开关的两级式升压逆变器，能够实现升压模式下高频开关管零电流开通和二极管零电流关断，有助于在提高逆变器功率密度的同时保证效率，且相对于传统SPWM调制的逆变器输出电压高频分量少，更有利于滤波器设计，因此能够为光伏发电领域提供一种简单实用的拓扑结构。并且，本发明的非谐振软开关两级式升压逆变器，通过电容升压单元串联输出来提高前级直流变换器电压增益，再通过加入辅助电感构建出非谐振软开关结构，可以实现逆变器输出升压模式下高频开关管的零电流开通和所有二极管的零电流关断，以减少损耗并提高逆变器的转换效率，从而提高了该逆变器在光伏发电领域的适用性，更加有利于实现光伏发电并网。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。
另外，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于非谐振软开关的两级式升压逆变器，其特征在于，包括：输入电源Vin、第一电感L、第一开关管S1、第一电容C1、第一二极管D1、第二电感La、第二电容C2、第二二极管D2、第三二极管D3、第三电容C3、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4、第五开关管S5、第三电感Lf、第四电容Cf和负载R，其中，
所述输入电源Vin的第一端分别与所述第一电感L的第一端和所述第一电容C1的第一端相连，所述输入电源Vin的第二端分别与所述第一开关管S1的第二端和所述第二二极管D2的第二端相连；
所述第一电感L的第二端分别与所述第一开关管S1的第一端、所述第一二极管D1的第一端和所述第二电容C2的第一端相连；
所述第一电容C1的第二端与第二电感La的第一端相连；
所述第一二极管D1的第二端分别与所述第三二极管D3的第一端和所述第二电感La的第二端相连；
所述第三二极管D3的第二端分别与所述第二开关管S2的第一端、所述第三开关管S3的第一端和所述第三电容C3的第一端相连；
所述第二二极管D2的第一端分别与所述第二电容C2的第二端、所述第四开关管S4的第二端、所述第五开关管S5的第二端和所述第三电容C3的第二端相连；
所述第二开关管S2的第二端分别与所述第三电感Lf的第一端和所述第四开关管S4的第一端相连；
所述第三开关管S3的第二端分别与所述第五开关管S5的第一端、所述第四电容Cf的第二端和所述负载R的第二端相连；
所述第三电感Lf的第二端分别与所述第四电容Cf的第一端和所述负载R的第一端相连。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述输入电源Vin、所述第一电感L、所述第一开关管S1、所述第一电容C1、所述第一二极管D1、所述第二电感La、所述第二电容C2、所述第二二极管D2、所述第三二极管D3和所述第三电容C3组成电容升压直流变换器作为所述逆变器的前级；
所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5组成全桥结构作为所述逆变器的后级；
所述第一电感L、所述第一电容C1、所述第一二极管D1、所述第二电容C2、所述第二二极管D2和所述第二电感La组成非谐振软开关结构。
3.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述基于非谐振软开关的两级式升压逆变器具有升压模式和降压模式，在所述逆变器工作于所述升压模式时，所述第一开关管S1用于进行正弦脉冲宽度调制SPWM高频调制，所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5用于进行工频调制，以实现翻转电压；
在所述逆变器工作于所述降压模式时，所述第一开关管S1为关断状态，所述第二开关管S2、所述第三开关管S3、所述第四开关管S4和所述第五开关管S5用于对输入电压进行正弦脉冲宽度调制SPWM高频调制。
4.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于，在所述逆变器工作于所述升压模式时，所述第一开关管S1用于实现零电流开通，所述第一二极管D1、所述第二二极管D2和所述第三二极管D3用于实现零电流关断。
5.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述第一电容C1和所述第一二极管D1构成升降压Buck-Boost单元，所述第二电容C2和所述第二二极管D2构成升压Boost单元。
6.根据权利要求2所述的逆变器，其特征在于，所述第二电感La的电感值小于预设的电感阈值，所述电容升压直流变换器的输出电压等于所述输入电源Vin、所述第一电容C1和所述第二电容C2的电压的和，通过以下公式表示所述电容升压直流变换器的电压增益：
Figure FDA0003638868390000021
其中，M为所述高增益升压变换器的电压增益，Vout为所述负载R两端的电压，Vin为所述输入电源Vin的电压，D为所述第一开关管S1的占空比。
7.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于，所述逆变器的输出电压为正弦波形，所述正弦波形包括正极性正弦半波和负极性正弦半波，所述逆变器具有十二种工作模态，在所述输出电压为所述正极性正弦半波时，所述逆变器的工作模态包括第一工作模态、第二工作模态、第三工作模态、第四工作模态、第五工作模态和第六工作模态，在所述输出电压为所述负极性正弦半波时，所述逆变器的工作模态包括第七工作模态至第十二工作模态，所述逆变器在正半周的工作模态与在负半周的工作模态对称。
8.根据权利要求7所述的逆变器，其特征在于，所述第一工作模态，包括：
所述第一开关管S1开通且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5和所述第一二极管D1导通，所述输入电源Vin通过所述第一开关管S1对所述第一电感L充电，同时所述第一电感L向所述第一电容C1和所述第二电感La充电，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电；
所述第二工作模态，包括：
所述第一开关管S1开通且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5和所述第三二极管D3导通，所述输入电源Vin通过所述第一开关管S1对所述第一电感L充电，同时所述输入电源Vin、所述第一电容C1和所述第二电容C2串联后向所述负载R供电。
9.根据权利要求7所述的逆变器，其特征在于，所述第三工作模态，包括：
所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5、所述第二二极管D2和所述第三二极管D3导通，所述第一开关管S1所处支路的电流转移至所述第二电容C2和所述第二二极管D2所处的支路，所述输入电源Vin和所述第一电容C1串联后向所述负载R供电；
所述第四工作模态，包括：
所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2、所述第五开关管S5、所述第一二极管D1和所述第二二极管D2导通，所述输入电源Vin和所述第一电感L向所述第二电容C2充电，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电。
10.根据权利要求7所述的逆变器，其特征在于，所述第五工作模态，包括：
所述第一开关管S1关断且所述第二开关管S2和所述第五开关管S5导通，所述第三电容C3通过所述第二开关管S2和所述第五开关管S5向所述负载R供电；
所述第六工作模态，包括：
所述第一开关管S1关断，并且所述第二开关管S2的反并联二极管和所述第五开关管S5导通，以向负载电流续流。
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