CN115441768A - 一种变拓扑的宽输入电压逆变系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，包括依序级联构成的输入直流源、模式选择开关、储能电感、单相高频组合调制开关、单相滤波器、交流负载或电网负载；相较于传统逆变器，具有宽输入电压范围、效率高、由于共用升降压电感，体积成本有效缩减等优点，适用于中小容量逆变场合。在工作模式二时，它的输入输出电压关系与前级直流母线电压采用Boost电路升压，后级进行降压的逆变系统的前级升压电路相同，相对于正激式逆变系统或是反激式逆变系统其占空比可调范围广，且不存在高频变压器饱和问题。

Description

一种变拓扑的宽输入电压逆变系统
技术领域
本发明涉及一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，属于电力电子变换技术领域。
背景技术
目前在中小功率的逆变系统应用场合，常采用Buck降压型的逆变系统拓扑结构，但该类型逆变系统要求直流母线侧电压要高于交流侧相电压峰值，存在输入范围受到限制的问题。对于前级直流母线电压采用Boost电路升压，后级进行降压的逆变系统虽然能有效提高输入电压的范围，但是占空比可调范围有限，导致电压增益受限制，且两极系统结构复杂、系统体积大、成本较高。对于正激式逆变系统或是反激式逆变系统，虽然有很好的电压增益，但由于磁芯饱和问题，其占空比调整范围受到限制，不具备宽输入电压范围的要求。
现有技术主要存在如下缺点：
1.Buck降压型的逆变系统拓扑结构要求直流母线侧电压要高于交流侧相电压峰值，存在输入范围受到限制的问题。
2.对于前级直流母线电压采用Boost电路升压，后级进行降压的逆变系统虽然能有效提高输入电压的范围，但是占空比可调范围有限，导致电压增益受限制，且两极系统结构复杂、系统体积大、成本较高。
3.对于正激式逆变系统或是反激式逆变系统，虽然有很好的电压增益，但由于磁芯饱和问题，其占空比调整范围受到限制，不具备宽输入电压范围的要求。
4.针对中小功率的逆变系统应用场合，现有技术存在的传统逆变系统电压增益、输入电压范围、电气隔离的问题，提出一种变拓扑的宽输入电压逆变系统。本发明具有宽输入电压范围、效率高、由于共用升降压电感，体积成本有效缩减等优点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，以解决上述背景技术中提出的：变拓扑的宽输入电压逆变系统的拓扑设计以及变拓扑的宽输入电压逆变系统控制方法的研究的问题。
本发明的技术方案如下：
一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，包括依序级联构成的输入直流源、模式选择开关、储能电感、单相高频组合调制开关、单相滤波器、交流负载或电网负载。
优选的，所述模式选择开关包括两个模式选择功率开关S1、S2；
所述输入直流源的参考正极性端与模式选择功率开关S1的一端相连接；输入直流源的参考负极性端与模式选择功率开关S2的一端、单相高频组合调制开关的负母线端相连接。
优选的，还包括输入稳压电容Ci，其两端分别与输入直流源的参考正极性端、参考负极性端连接。
优选的，所述储能电感包括储能电感L1；所述储能电感L1的参考正极性端与模式选择功率开关S1的另一端、模式选择功率开关S2的另一端相连接；所述储能电感L1的参考负极性端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接。
优选的，所述单相高频组合调制开关包括四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关S11、S12、S13、S14，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路。
优选的，所述单相滤波器包括输出滤波电容Cf依次级联构成。
一种变拓扑的宽输入电压逆变系统的升压逆变方法，包括两种工作模式，在每种工作模式下，储能电感在一个高频开关周期Ts内各充磁和去磁一次，设Ui1为输入直流电压，uoref为输出参考电压；
工作模式一：当Ui1≥|uoref|，S11、S14常通，S12、S13常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D1Ts对应开关管S1导通、S2关断，储能电感L1储存能量，输入直流源直接向交流负载提供能量；去磁周期(1-D1)Ts，对应开关管S1关断、S2导通，储能电感L1释放能量，储能电感L1向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；
工作模式二：|uoref|≥Ui1时，S1、S11常通，S2、S12常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D2Ts对应开关管S13导通，S14关断，储能电感L1储能，输出滤波电容Cf向交流负载提供能量；去磁周期(1-D2)Ts，对应开关管S14导通，S13关断，储能电感L1释能，储能电感L1和输入直流源向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似。
本发明具有如下有益效果：
相较于传统逆变器，具有宽输入电压范围、效率高、由于共用升降压电感，体积成本有效缩减等优点，适用于中小容量逆变场合。
相较于传统逆变器本发明工作在模式一时，它的输入输出电压关系与传统Buck型逆变系统相同，在工作模式二时，它的输入输出电压关系与前级直流母线电压采用Boost电路升压，后级进行降压的逆变系统的前级升压电路相同，相对于正激式逆变系统或是反激式逆变系统其占空比可调范围广，且不存在高频变压器饱和问题。
相较于传统逆变器本发明的双模式单级控制的方式使其具有较高的功率密度，在每个高频开关周期内只有两个开关管进行斩波，拥有较低的开关损耗，传输效率高。
附图说明
图1为本发明电路结构图；
图2为本发明电路拓扑实例；
图3为本发明原理波形图；
图4为本发明工作模式一时，在一个高频开关周期内充磁等效电路图；
图5为本发明工作模式一时，在一个高频开关周期内去磁等效电路图；
图6为本发明工作模式二时，在一个高频开关周期内充磁等效电路图；
图7为本发明工作模式二时，在一个高频开关周期内去磁等效电路图；
图8为本发明控制原理波形；
图9为本发明控制原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例来对本发明进行详细的说明。
如图1-3所示，由输入直流源、模式选择开关、储能电感、单相高频组合调制开关、单相滤波器和交流负载或电网负载依序级联构成；相较于传统逆变器，具有宽输入电压范围、效率高、由于共用升降压电感，体积成本有效缩减等优点，适用于中小容量逆变场合；
模式选择开关是由两个模式选择功率开关S1、S2构成。输入直流源的参考正极性端与输入稳压电容Ci的参考正极性端、模式选择功率开关S1的一端相连接；输入直流源的参考负极性端与输入稳压电容Ci的参考负极性端相连接、与模式选择功率开关S2的一端相连接，与单相高频组合调制开关的负母线端相连接；
储能电感L1的参考正极性端与模式选择功率开关S1的另一端相连接、与模式选择功率开关S2的另一端相连接；储能电感L1的参考负极性端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接；单相高频组合调制开关是由四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关构成，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路；单相滤波器是由输出滤波电容Cf依次级联构成。
具有两种工作模式，在每种工作模式下，储能电感在一个高频开关周期Ts内各充磁和去磁一次，设Ui1为输入直流电压，uoref为输出参考电压，在工作模式一时，当Ui1≥|uoref|时，S11、S14常通，S12、S13常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D1Ts对应开关管S1导通、S2关断，储能电感L1储存能量，输入直流源直接向交流负载提供能量。去磁周期(1-D1)Ts，对应开关管S1关断、S2导通，储能电感L1释放能量，储能电感向负载提供能量。如图4、图5所示，为处于工作模式一时，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，所述的变拓扑的宽输入电压逆变系统的充磁等效电路图和去磁等效电路图；
设输出滤波电容Cf两端电压在一个高频开关周期内不变化，由图4和图5等效电路可得：
Figure BDA0003864527880000051
Figure BDA0003864527880000052
根据状态空间平均法，令
Figure BDA0003864527880000061
式(1.0)×D1+式(1.1)×(1-D1)，可得，变拓扑的宽输入电压逆变系统在模式一时的输入输出电压关系为：
Uo＝D1 Ui1 (2.0)
在工作模式二时，当|uoref|≥Ui1时，以输出电压正半周为例，S1、S11常通，S2、S12常断，在一个高频开关周期内，充磁周期D2Ts对应开关管S13导通，S14关断，储能电感L1储能，输出滤波电容Cf向交流负载提供能量。去磁周期(1-D2)Ts，对应开关管S14导通，S13关断，储能电感L1释能，储能电感L1和输入直流源向负载提供能量。如图6、图7所示，为工作模式二时，在一个高频开关周期内，所述的变拓扑的宽输入电压逆变系统的充磁等效电路图和去磁等效电路图；
由图6和图7等效电路可得,
Figure BDA0003864527880000062
Figure BDA0003864527880000063
联立式(3.0)、(3.1)得变拓扑的宽输入电压逆变系统在工作模式二时输入输出电压关系为，
Figure BDA0003864527880000064
由式(2.0)、(4.0)可看出变拓扑的宽输入电压逆变系统，工作在模式一时，它的输入输出电压关系与传统Buck型逆变系统相同，在工作模式二时，它的输入输出电压关系与前级直流母线电压采用Boost电路升压，后级进行降压的逆变系统的前级升压电路相同，相对于正激式逆变系统或是反激式逆变系统其占空比可调范围广，且不存在高频变压器饱和问题，由于其双模式单级控制的方式使其具有较高的功率密度，在每个高频开关周期内只有两个开关管进行斩波，拥有较低的开关损耗，传输效率高，变拓扑的宽输入电压逆变系统拓扑结构及控制方式具有创新性和新颖性。
图8所示为一种变拓扑的宽输入电压逆变系统的控制原理波形，图9为一种变拓扑的宽输入电压逆变系统的控制原理框图，一种变拓扑的宽输入电压逆变系统采用输出电压反馈的PWM控制策略，如图9所示输出电压反馈信号uo与输出参考电压uoref进入输出电压PI调节器，PI调节器输出信号ue再分别与两种工作模式下的前馈控制信号us1、us2分别进入比较器1、比较器2后产生两种模式下的储能占空比D1、D2最后经过组合逻辑电路产生各开关管驱动信号。当输入电压或是输出负载容量突变时，通过负反馈控制两种模式下的占空比实现输出电压uo的稳定。因此，所述的变拓扑的宽输入电压逆变系统控制策略具有可行性及可靠性。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：包括依序级联构成的输入直流源、模式选择开关、储能电感、单相高频组合调制开关、单相滤波器、交流负载或电网负载。
2.如权利要求1所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：所述模式选择开关包括两个模式选择功率开关S1、S2；
所述输入直流源的参考正极性端与模式选择功率开关S1的一端相连接；输入直流源的参考负极性端与模式选择功率开关S2的一端、单相高频组合调制开关的负母线端相连接。
3.如权利要求2所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：还包括输入稳压电容Ci，其两端分别与输入直流源的参考正极性端、参考负极性端连接。
4.如权利要求2所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：所述储能电感包括储能电感L1；所述储能电感L1的参考正极性端与模式选择功率开关S1的另一端、模式选择功率开关S2的另一端相连接；所述储能电感L1的参考负极性端与单相高频组合调制开关的正母线端相连接。
5.如权利要求4所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：所述单相高频组合调制开关包括四个承受单相电压应力和双相电流应力的两象限功率开关S11、S12、S13、S14，单相高频组合调制开关可作极性反转电路或高频斩波电路。
6.如权利要求5所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统，其特征在于：所述单相滤波器包括输出滤波电容Cf依次级联构成。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种变拓扑的宽输入电压逆变系统的升压逆变方法，其特征在于：包括两种工作模式，在每种工作模式下，储能电感在一个高频开关周期Ts内各充磁和去磁一次，设Ui1为输入直流电压，uoref为输出参考电压；
工作模式一：当Ui1≥|uoref|，S11、S14常通，S12、S13常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D1Ts对应开关管S1导通、S2关断，储能电感L1储存能量，输入直流源直接向交流负载提供能量；去磁周期(1-D1)Ts，对应开关管S1关断、S2导通，储能电感L1释放能量，储能电感L1向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似；
工作模式二：|uoref|≥Ui1时，S1、S11常通，S2、S12常断，以输出电压正半周为例，在一个高频开关周期内，充磁周期D2Ts对应开关管S13导通，S14关断，储能电感L1储能，输出滤波电容Cf向交流负载提供能量；去磁周期(1-D2)Ts，对应开关管S14导通，S13关断，储能电感L1释能，储能电感L1和输入直流源向负载提供能量；输出电压负半周与输出电压正半周类似。
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