CN118017861B - 一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器 - Google Patents
一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，包括包括输入电压U in ，耦合电感L p ，半导体开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 ，S 8 ，S 9 ，S 10 ，S 11 ，滤波电容C 1 和C 2 ，输出负载R；输入电压U in 的正极分别连接S 1 的漏极、S 6 的漏极和C 2 的正极；输入电压U in 的负极分别连接S 3 的源极，S 4 的源极和C 1 的负极。本发明可以实现宽范围交流输出，消除交流侧高频共模电压，由直流共模电压引起的漏电流可忽略不计，另外耦合电感减小了变换器体积，功率密度高，准单级结构，效率高，开关器件电压应力低，成本低，可广泛应用于各种需要直流交流变换的场合。
Description
技术领域
本发明用于电学技术领域，主要涉及到低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器。
背景技术
逆变器在工业用电领域中被广泛应用，如太阳能光伏，铁路交通，工业生产等，目前逆变器主要包括三种结构：基于工频变压器的逆变器，高频隔离型逆变器，无变压器型逆变器，前两种逆变器的体积重量大，成本高，效率低，无变压器型逆变器具有较小的体积，重量轻，效率高，但其存在共模电压大，漏电流大的情况，降低了系统可靠性。另外传统的无变压器型逆变器难以应用于直流输入宽范围变化的场合，如基于双Buck结构的全桥逆变器，只能实现降压输出；基于传统Buck-Boost变换结构的逆变器虽然可以实现升降压输出，但受到电路寄生参数影响，其输出交流电压调节范围有限。为满足宽范围输入电压要求，传统方法需要在逆变器前级加入升压变换器，但两级式结构使系统体积重量变大，效率降低，且系统复杂，成本高。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器。
为了实现以上目的，本发明通过以下技术方案进行实现：
一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，包括耦合电感L p ，耦合电感L p 的第一同名端电连接第一半导体开关器件S 1 的源极和第二半导体开关器件S 2 的漏极，耦合电感L p 的第二异名端电连接第二半导体开关器件S 2 的源极和第三半导体开关器件S 3 的漏极；耦合电感L p 的第一异名端电连接连接第四半导体开关器件S 4 的漏极和第五半导体开关器件S 5 的源极，耦合电感L p 的第二同名端电连接第六半导体开关器件S 6 的源极和第七半导体开关器件S 7 的漏极；第五半导体开关器件S 5 的漏极电连接连接第一滤波电容C 1 的正极、第八半导体开关器件S 8 的漏极和第十半导体开关器件S 10 的漏极；第七半导体开关器件S 7 的源极电连接第二滤波电容C 2 的负极、第九半导体开关器件S 9 的源极和第十一半导体开关器件S 11 的源极；第八半导体开关器件S 8 的源极电连接输出负载R的一端和第九半导体开关器件S 9 的漏极；第十半导体开关器件S 10 的源极连接输出负载R的另一端和第十一半导体开关器件S 11 漏极；第一滤波电容C 1 的负极电连接输入电压U in 的负极和第三半导体开关器件S 3 的源极并接地，第二滤波电容C 2 的正极电连接输入电压U in 的正极和第一半导体开关器件S 1 的漏极；第一同名端和第一异名端分别为耦合电感L p 中一个线圈的两端，第二同名端和第二异名端分别为耦合电感L p 中另一个线圈的两端。
进一步的改进，所述第一半导体开关器件S 1 、第二半导体开关器件S 2 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 、第五半导体开关器件S 5 、第六半导体开关器件S 6 、第七半导体开关器件S 7 、第八半导体开关器件S 8 、第九半导体开关器件S 9 、第十半导体开关器件S 10 和第十一半导体开关器件S 11 为MOSFET或IGBT。
进一步的改进，所述第八半导体开关器件S 8 、第九半导体开关器件S 9 、第十半导体开关器件S 10 和第十一半导体开关器件S 11 为低频MOSFET，工作频率与逆变器的输出电压U o 的频率f o 相同。
进一步的改进，所述第一半导体开关器件S 1 和第三半导体开关器件S 3 开关信号相同并与第二半导体开关器件S 2 互补，当第二半导体开关器件S 2 导通时，第一半导体开关器件S 1 和第三半导体开关器件S 3 两端电压为输入电压U in ，当第一半导体开关器件S 1 和第三半导体开关器件S 3 关闭时，第二半导体开关器件S 2 两端电压为输入电压U in ；第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 开关信号相同并与第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 互补，当第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 导通时，第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半，当第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通时，第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半；第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 开关信号相同并与第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 互补，当第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 导通时第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 两端电压为输出电压U o ，当第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 导通时，第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 两端电压为输出电压U o 。
进一步的改进，当输出电压处于正半周，即逆变器的输出电压U o ＞0时，逆变器依次工作于模式1、模式2、模式3、模式4；
模式1的工作区间为D1 T s ，模式2的工作区间为1-D1 T s ，模式3工作区间定义为D2 T s， 模式4工作区间为1-D2 T s ；D1为第一半导体开关器件S 1 和第三半导体开关器件S 3 的占空比、D2为第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 的占空比，T s 为第一半导体开关器件S 1 、第二半导体开关器件S 2 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 、第五半导体开关器件S 5 、第六半导体开关器件S 6 和第七半导体开关器件S 7 的开关周期；第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 始终导通，第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 始终关闭；
逆变器工作于模式1时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，第二半导体开关器件S 2 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭；此时输入电压U in 经第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 和第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 向耦合电感L p 充电，以及对输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 形成充放电回路，进行能量交换，耦合电感L p 储能；
逆变器工作于模式2时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭，第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，此时，耦合电感L p 经第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 向输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 形成充放电回路，进行能量交换，耦合电感L p 释放能量；
逆变器工作于模式3时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 导通，第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 关闭，输入电压U in 经开关器件第一半导体开关器件S 1 、第四半导体开关器件S 4 和第三半导体开关器件S 3 、第六半导体开关器件S 6 向耦合电感L p 充电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能；
逆变器工作于模式4时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，第二半导体开关器件S 2 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭，输入电压U in 和耦合电感L p 经第一半导体开关器件S 1 、第五半导体开关器件S 5 、第三半导体开关器件S 3 和第七半导体开关器件S 7 对输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
进一步的改进，当输出电压处于负半周，即逆变器的输出电压U o ＜0时，逆变器依次工作于模式5、模式6、模式7、模式8；
模式5的工作区间为D1 T s ，模式6的工作区间为1-D1 T s ，模式7工作区间定义为D2 T s ，模式8工作区间为1-D2 T s ；第八半导体开关器件S 8 和第十一半导体开关器件S 11 始终关闭，第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 始终导通；
逆变器工作于模式5时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，第二半导体开关器件S 2 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭，输入电压U in 经第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 向耦合电感L p 充电，以及对输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能；
逆变器工作于模式6时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭，第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，耦合电感L p 经第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 向输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量；
逆变器工作于模式7时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 导通，第二半导体开关器件S 2 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 关闭，输入电压U in 经第一半导体开关器件S 1 、第四半导体开关器件S 4 、第三半导体开关器件S 3 进而第六半导体开关器件S 6 向耦合电感L p 充电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能；
逆变器工作于模式7时，第一半导体开关器件S 1 、第三半导体开关器件S 3 、第五半导体开关器件S 5 和第七半导体开关器件S 7 导通，第二半导体开关器件S 2 、第四半导体开关器件S 4 和第六半导体开关器件S 6 关闭，输入电压U in 和耦合电感L p 经开关器件第一半导体开关器件S 1 、第五半导体开关器件S 5 、第三半导体开关器件S 3 和、第七半导体开关器件S 7 对输出负载R供电，同时第一滤波电容C 1 、第二滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过第九半导体开关器件S 9 和第十半导体开关器件S 10 形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
本发明与现有方法相比，具有以下优点：
本发明可以实现宽范围交流输出，消除交流侧高频共模电压，由直流共模电压引起的漏电流可忽略不计，另外耦合电感减小了变换器体积，功率密度高，准单级结构，效率高，开关器件电压应力低，成本低，可广泛应用于各种需要直流交流变换的场合。
附图说明
图1为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器电路拓扑图；
图2为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器控制方法示意图；
图3a为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式1工作的示意图；
图3b为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式2工作的示意图；
图3c为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式3工作的示意图；
图3d为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式4工作的示意图；
图3e为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式5工作的示意图；
图3f为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式6工作的示意图；
图3g为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式7工作的示意图；
图3h为本发明所提出的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式8工作的示意图；
图4为考虑电感寄生电阻Rp的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器拓扑图；
图5为低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器的增益随占空比变化的曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明提出的一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，包括输入电压U in ，耦合电感Lp，半导体开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 ，S 8 ，S 9 ，S 10 ，S 11 ，滤波电容C 1 和C 2 ，输出负载R；输入电压Uin的正极分别连接S 1 的漏极、S 6 的漏极和C 2 的正极；输入电压U in 的负极分别连接S 3 的源极，S 4 的源极和C 1 的负极；耦合电感Lp的第一端分别连接S 1 的源极和S 2 的漏极；耦合电感Lp的第二端分别连接S 2 的源极和S 3 的漏极；耦合电感Lp的第三端分别连接S 4 的漏极和S 5 的源极；耦合电感Lp的第四端分别连接S 6 的源极和S 7 的漏极；S 5 的漏极分别连接C 1 的正极、S 8 的漏极和S 10 的漏极；S 7 的源极分别连接C 2 的负极、S 9 的源极和S 11 的源极；S 8 的源极连接输出负载R的一端和S 9 的漏极；S 10 的源极连接输出负载R的另一端和S 11 的漏极；耦合电感Lp的第一端和第二端互为异名端。
本实施例中所述半导体开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 ，S 8 ，S 9 ，S 10 ，S 11 均为MOSFET或IGBT。
本实施例提供一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器控制方法，应用于上述低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器拓扑，方法包括以下步骤：
如图2所示，低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器的共有8种工作模式，输出电压U o ＞0，逆变器工作于模式1、模式2、模式3、模式4；输出电压U o ＜0，逆变器工作于模式5、模式6、模式7、模式8。开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 为高频开关管，在高频工作时的开关频率为f s ，开关周期为T s ，f s 和T s 的关系为T s =1/f s 。S 8 ，S 9 ，S 10 ，S 11 为低频开关管，其工作频率与输出电压U o 的频率f o 相同。S 1和S 3开关信号相同并与S 2互补，S 4和S 6开关信号相同并与S 5和S 7互补，S 8和S 11开关信号相同并与S 9和S 10互补。
输出电压正半周，即输出电压U o ＞0，S 8和S 11始终导通，S 9和S 10始终关闭；在降压区间，即Vo＜Vin，S 1 、S 2 和S 3 高频工作，S 4 ，S 6 始终关闭，S 5 ，S 7 始终导通，模式1工作区间定义为D1 T s ，则模式2工作区间为（1-D1）T s ；在升压区间，即Vo＞Vin，S 1 、S 2 始终导通，S 3 始终关闭，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 高频工作，模式3工作区间定义为D2 T s ，则模式4工作区间为（1-D2）T s ；
输出电压负半周，即输出电压U o ＜0，S 8和S 11始终关闭，S 9和S 10始终导通；在降压区间和升压区间，高频开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 的工作模式与输出电压正半周相同，即模式5对应模式1，模式6对应模式2，模式7对应模式3，模式8对应模式4。
其中D1为高频开关器件S 1 和S 3 的占空比，其中D2为高频开关器件S 4 和S 6 的占空比，D1和D2大于0并且小于1。
模式1:如图3a所示，高频开关器件S 1、S 3、S 5和S 7导通，高频开关器件S 2、S 4和S 6关闭，低频开关器件S 8和S 11导通，低频开关器件S 9和S 10关闭，输入电压U in 经开关器件S 1、S 5和S 3、S 7向耦合电感L p 充电，以及对输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 8和S 11形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能。
模式2:如图3b所示，高频开关器件S 1、S 3、S 4和S 6关闭，高频开关器件S 2、S 5和S 7导通，低频开关器件S 8和S 11导通，低频开关器件S 9和S 10关闭，耦合电感L p 经开关器件S 2、S 5和S 7向输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 8和S 11形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
模式3:如图3c所示，高频开关器件S 1、S 3、S 4和S 6导通，高频开关器件S 2、S 5和S 7关闭，低频开关器件S 8和S 11导通，低频开关器件S 9和S 10关闭，输入电压U in 经开关器件S 1、S 4和S 3、S 6向耦合电感L p 充电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 8和S 11形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能。
模式4:如图3d所示，高频开关器件S 1、S 3、S 5和S 7导通，高频开关器件S 2、S 4和S 6关闭，低频开关器件S 8和S 11导通，低频开关器件S 9和S 10关闭，输入电压U in 和耦合电感L p 经开关器件S 1、S 5和S 3、S 7对输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 8和S 11形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
模式5:如图3e所示，高频开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 的工作模式与模式1相同，低频开关器件S 8和S 11关闭，低频开关器件S 9和S 10导通，输入电压U in 经开关器件S 1、S 5和S 3、S 7向耦合电感L p 充电，以及对输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 9和S 10形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能。
模式6:如图3f所示，高频开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 的工作模式与模式2相同，低频开关器件S 8和S 11关闭，低频开关器件S 9和S 10导通，耦合电感L p 经开关器件S 2、S 5和S 7向输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 9和S 10形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
模式7:如图3g所示，高频开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 的工作模式与模式3相同，低频开关器件S 8和S 11关闭，低频开关器件S 9和S 10导通，输入电压U in 经开关器件S 1、S 4和S 3、S 6向耦合电感L p 充电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 9和S 10形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 储能。
模式8:如图3h所示，高频开关器件S 1 ，S 2 ，S 3 ，S 4 ，S 5 ，S 6 ，S 7 的工作模式与模式4相同，低频开关器件S 8和S 11关闭，低频开关器件S 9和S 10导通，输入电压U in 和耦合电感L p 经开关器件S 1、S 5和S 3、S 7对输出负载R供电，同时滤波电容C 1 、滤波电容C 2 、输入电压U in 和输出负载R通过低频开关器件S 9和S 10形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感L p 释放能量。
如图4所示，考虑电感寄生电阻R p 的影响，电感寄生电阻R p 的阻值为，输出负载R的阻值为，根据所述低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器控制方法，降压区间工作时，在D1 T s 区间，耦合电感L a 两端电压为输入电压V in ，耦合电感L p 的结构对称，其自感感量为，互感感量为，i Lp1 =i Lp2 =i Lp ，应用伏秒平衡和安秒平衡原理，有：
在(1-D1)T s 区间，有：
稳态运行时，耦合电感L a 两端电压伏秒平衡，电容C 1 和C 2 充放电安秒平衡，有：
将式（4）代入式（3），得到降压模式下，输出电压U o 与输入电压U in 的增益G1为：
升压区间工作时，在D2 T s 区间，耦合电感L p 两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 的差值，i Lp1 =i Lp2 =i Lp ，应用伏秒平衡和安秒平衡原理，有：
在(1-D2)T s 区间，有：
稳态运行时，耦合电感L p 两端电压伏秒平衡，滤波电容C 1 和滤波C 2 充放电安秒平衡，有：
输出电压U o 与输入电压U in 的增益G2为：
根据所述低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器控制方法，在低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器升降压模式切换点，此时降压模式开关器件占空比D1为1，升压模式开关器件占空比D2为0。
由公式（2）得到，降压模式耦合电感纹波电流di Lp1 ：
由公式（6）得到，升压模式耦合电感纹波电流di Lp2 ：
根据公式（5）和公式（10），得到此时低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在降压模式和升压模式切换点时的增益相等，为：
由公式（11），公式（12），可知此时耦合电感L p 的纹波电流di Lp1 和di Lp2 为零，由公式（13），可知此时输入电压U in 和输出电压U o 转换关系一致，此时电感寄生电阻R p 的阻值不影响耦合电感L p 的纹波电流和输入电压U in 和输出电压U o 转换关系，低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器可实现升降压平滑切换。
使用统一占空比D表示低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器的开关器件在降压模式和升压模式下的占空比，即：
其中，D1和D2变化范围为0到1。
可得考虑寄生电阻R p 的阻值影响时，升降压直流变换器的增益G3为：
考虑不同寄生电阻R p 的阻值 ，低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器的增益G3随占空比D的变化曲线如图5所示，其具有宽范围的升降压能力。
如图1所示，以输入电压U in 的负极做参考地GND，输出电压U o 的共模电压U cm 可表示为：
低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器在模式1至模式8工作期间，滤波电容C 1 和滤波电容C 2 具有相同的充放电工作路径，即滤波电容C 1 的电压U C1 和滤波电容C 2 的电压U C2 相同，即：
滤波电容C 1 的负极连接输入电压U in 负极，滤波电容C 2 的正极连接输入电压U in 正极，根据电路连接方式，得到U o1N 和U o2N 的对参考地GND的电压为：
将式（16）、式（17）、式（18）代入到式（15）中，可以得到输出电压U o 的共模电压U cm 为：
由式（19）可知，低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器的共模电压U cm 只包含直流分量，且为输入电压U in 的一半，由共模电压引起的漏电流可以忽略。
根据所述低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器控制方法，在模式1至模式8工作期间，高频开关S 1和S 3开关信号相同并与S 2互补，当S 2导通时，S 1和S 3开关两端电压为输入电压U in ，当S 1和S 3关闭时，S 2开关两端电压为输入电压U in ；高频开关S 4和S 6开关信号相同并与S 5和S 7互补，当S 4和S 6导通时，S 5和S 7开关两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半，当S 5和S 7导通时，S 4和S 6开关两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半；低频开关S 8和S 11开关信号相同并与S 9和S 10互补，当S 8和S 11导通时，S 9和S 10开关两端电压为输出电压U o ，当S 9和S 10导通时，S 8和S 11开关两端电压为输出电压U o 。相比较于传统基于Buck-Boost结构的升降压逆变器，在相同的输入和输出电压下，本发明所提逆变器的开关器件电压应力更低。
使用本发明方法，可以实现宽范围交流输出，消除交流侧高频共模电压，由直流共模电压引起的漏电流可忽略不计，另外耦合电感减小了变换器体积，功率密度高，准单级结构，效率高，开关器件电压应力低，成本低，可广泛应用于各种需要直流交流变换的场合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，包括耦合电感（L p ），耦合电感（L p ）的第一同名端电连接第一半导体开关器件（S 1 ）的源极和第二半导体开关器件（S 2 ）的漏极，耦合电感（L p ）的第二异名端电连接第二半导体开关器件（S 2 ）的源极和第三半导体开关器件（S 3 ）的漏极；耦合电感（L p ）的第一异名端电连接连接第四半导体开关器件（S 4 ）的漏极和第五半导体开关器件（S 5 ）的源极，耦合电感（L p ）的第二同名端电连接第六半导体开关器件（S 6 ）的源极和第七半导体开关器件（S 7 ）的漏极；第五半导体开关器件（S 5 ）的漏极电连接连接第一滤波电容（C 1 ）的正极、第八半导体开关器件（S 8 ）的漏极和第十半导体开关器件（S 10 ）的漏极；第七半导体开关器件（S 7 ）的源极电连接第二滤波电容（C 2 ）的负极、第九半导体开关器件（S 9 ）的源极和第十一半导体开关器件（S 11 ）的源极；第八半导体开关器件（S 8 ）的源极电连接输出负载（R）的一端和第九半导体开关器件（S 9 ）的漏极；第十半导体开关器件（S 10 ）的源极连接输出负载（R）的另一端和第十一半导体开关器件（S 11 ）漏极；第一滤波电容（C 1 ）的负极电连接输入电压（U in ）的负极、第四半导体开关器件（S 4 ）的源极和第三半导体开关器件（S 3 ）的源极并接地，第二滤波电容（C 2 ）的正极电连接输入电压（U in ）的正极、第六半导体开关器件（S 6 ）的漏极和第一半导体开关器件（S 1 ）的漏极；第一同名端和第一异名端分别为耦合电感（L p ）中一个线圈的两端，第二同名端和第二异名端分别为耦合电感（L p ）中另一个线圈的两端。
2.如权利要求1所述的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，所述第一半导体开关器件（S 1 ）、第二半导体开关器件（S 2 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）、第六半导体开关器件（S 6 ）、第七半导体开关器件（S 7 ）、第八半导体开关器件（S 8 ）、第九半导体开关器件（S 9 ）、第十半导体开关器件（S 10 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）为MOSFET或IGBT。
3.如权利要求1所述的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，所述第八半导体开关器件（S 8 ）、第九半导体开关器件（S 9 ）、第十半导体开关器件（S 10 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）为低频MOSFET，工作频率与逆变器的输出电压Uo的频率f o 相同。
4.如权利要求1所述的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，所述第一半导体开关器件（S 1 ）和第三半导体开关器件（S 3 ）开关信号相同并与第二半导体开关器件（S 2 ）互补，当第二半导体开关器件（S 2 ）导通时，第一半导体开关器件（S 1 ）和第三半导体开关器件（S 3 ）两端电压为输入电压U in ，当第一半导体开关器件（S 1 ）和第三半导体开关器件（S 3 ）关闭时，第二半导体开关器件（S 2 ）两端电压为输入电压U in ；第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）开关信号相同并与第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）互补，当第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）导通时，第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半，当第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通时，第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）两端电压为输入电压U in 和输出电压U o 之和的一半；第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）开关信号相同并与第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）互补，当第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）导通时第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）两端电压为输出电压U o ，当第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）导通时，第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）两端电压为输出电压U o 。
5.如权利要求1所述的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，当输出电压处于正半周，即逆变器的输出电压Uo＞0时，逆变器依次工作于模式1、模式2、模式3、模式4；
模式1的工作区间为D1 T s ，模式2的工作区间为（1-D1）T s ，模式3工作区间定义为D2 T s， 模式4工作区间为（1-D2）T s ；D1为第一半导体开关器件（S 1 ）和第三半导体开关器件（S 3 ）的占空比、D2为第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）的占空比，T s 为第一半导体开关器件（S 1 ）、第二半导体开关器件（S 2 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）、第六半导体开关器件（S 6 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）的开关周期；第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）始终导通，第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）始终关闭；
逆变器工作于模式1时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭；此时输入电压U in 经第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）和第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）向耦合电感（L p ）充电，以及对输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）形成充放电回路，进行能量交换，耦合电感（L p ）储能；
逆变器工作于模式2时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭，第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，此时，耦合电感（L p ）经第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）向输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）形成充放电回路，进行能量交换，耦合电感（L p ）释放能量；
逆变器工作于模式3时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）关闭，输入电压U in 经开关器件第一半导体开关器件（S 1 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第三半导体开关器件（S 3 ）、第六半导体开关器件（S 6 ）向耦合电感（L p ）充电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）储能；
逆变器工作于模式4时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭，输入电压U in 和耦合电感（L p ）经第一半导体开关器件（S 1 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）对输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）释放能量。
6.如权利要求5所述的低共模电压的宽调压耦合电感型升降压逆变器，其特征在于，当输出电压处于负半周，即逆变器的输出电压Uo＜0时，逆变器依次工作于模式5、模式6、模式7、模式8；
模式5的工作区间为D1 T s ，模式6的工作区间为（1-D1）T s ，模式7工作区间定义为D2 T s ，模式8工作区间为（1-D2）T s ；第八半导体开关器件（S 8 ）和第十一半导体开关器件（S 11 ）始终关闭，第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）始终导通；
逆变器工作于模式5时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭，输入电压U in 经第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）向耦合电感（L p ）充电，以及对输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）储能；
逆变器工作于模式6时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭，第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，耦合电感（L p ）经第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）向输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）释放能量；
逆变器工作于模式7时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）关闭，输入电压U in 经第一半导体开关器件（S 1 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）进而第六半导体开关器件（S 6 ）向耦合电感（L p ）充电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和输出负载（R）通过第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）储能；
逆变器工作于模式7时，第一半导体开关器件（S 1 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）和第七半导体开关器件（S 7 ）导通，第二半导体开关器件（S 2 ）、第四半导体开关器件（S 4 ）和第六半导体开关器件（S 6 ）关闭，输入电压U in 和耦合电感（L p ）经开关器件第一半导体开关器件（S 1 ）、第五半导体开关器件（S 5 ）、第三半导体开关器件（S 3 ）和、第七半导体开关器件（S 7 ）对输出负载（R）供电，同时第一滤波电容（C 1 ）、第二滤波电容（C 2 ）、输入电压U in 和负载（R）通过第九半导体开关器件（S 9 ）和第十半导体开关器件（S 10 ）形成充放电回路，进行能量交换，此时耦合电感（L p ）释放能量。
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