CN1758521A

CN1758521A - 单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器

Info

Publication number: CN1758521A
Application number: CNA2005100198013A
Authority: CN
Inventors: 陈道炼
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2006-04-12
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: CN100456617C

Abstract

一种单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器属电力电子变换技术，其电路结构由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流降压直流变换器以差动电路构成，它能够将直流电变换成所需要的正弦交流电，具有电路拓扑简洁、交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换、体积小、重量轻、变换效率高、输出电压纹波小、音频噪音低、成本低、应用前景广泛等优点，为新型逆变电源和静止变流器奠定了关键技术。

Description

单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器

技术领域

本发明所涉及的单级双向降压(Buck)直流变换器型高频环节逆变器，属电力电子变换技术。

背景技术

逆变器是应用功率半导体器件，将直流电变换成交流电的一种静止变流装置，供交流负载使用。输出交流负载与输入直流电源间有高频电气隔离的逆变器，称为高频环节逆变器。高频环节逆变器，由于用来实现输出与输入电气隔离和电压匹配功能的变压器的工作频率在20kHz以上，其体积、重量和音频噪音大大降低了，克服了低频环节逆变器的缺点，在以直流发电机、蓄电池、太阳能电池和燃料电池为主直流电源的逆变场合，具有广泛的应用前景，特别是在对体积与重量有高要求的逆变场合有更重要的应用价值。

人们对高频环节逆变器的研究，仅仅局限于单向Buck型高频环节逆变器、单向Buck型高频脉冲直流环节逆变器、双向Buck型高频环节逆变器、双向Buck-Boost型高频环节逆变器、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器等电路结构。

S.R.Narayana Prakash等人提出的“单向Buck型高频环节逆变器”(IEEEPESC，1990，pp.723-728)，由高频电气隔离DC-DC变换器和Buck型逆变桥级联而成，具有单向功率流、两级功率变换(直流-直流-低频交流)、变换效率较高、采用传统PWM技术时功率器件的高频开关损耗大、成本高等特点。陈道炼博士等提出的“单向Buck型高频脉冲直流环节逆变器”(IEEE Trans.on Power Electronics，2004，pp.971-978)，由高频电气隔离脉冲直流环节电路与Buck型逆变桥级联而成，前级输出的高频脉冲直流电压波为后级逆变桥实现ZVS创造了条件，具有单向功率流、两级功率变换(直流-高频脉冲直流-低频交流)、功率开关实现了ZVS、变换效率较高、逆变桥采用三态DPM电流滞环控制、输出滤波器音频噪音偏高、成本高等特点。I.Yamato等人提出的“双向Buck型高频环节逆变器”(IEEE PESC，1988，pp.658-663)，由高频电气隔离逆变器与Buck型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通期间均有两个或四个功率器件同时导通、总的导通损耗较大，具有双向功率流、准两级功率变换(直流-高频脉冲交流-低频交流)、变换效率较高、周波变换器换流时存在固有的电压过冲、工程实现难度大、成本高等特点。浙江大学黄敏超博士等提出的“双向Buck-Boost型高频环节逆变器”(IEEE PESC，1998，pp.1867-1871)，由高频电气隔离逆变器与Buck-Boost型周波变换器级联而成，由四象限功率开关构成的周波变换器在任何导通期间均有两个功率器件同时导通、电流应力大、总的导通损耗大，具有双向功率流、准两级功率变换(直流-高频脉冲交流-低频交流)、变换效率较高、功率开关电流应力大、容量小、成本较高等特点。J.Jalade等人提出的“两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器”(IEEE PESC，1980，pp.326-331)，由高频电气隔Buck或Buck-Boost型DC-DC变换器和工频逆变桥级联而成，具有单向功率流、两级功率变换(直流-低频正弦半波直流-低频交流)、变换效率较高、逆变桥功率器件开关频率和电压应力低、负载适应能力弱、成本较高等特点。

上述单向Buck型、单向Buck型高频脉冲直流环节、双向Buck型、双向Buck-Boost型、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型等高频环节逆变器虽然具有较多优点，但它们均为两级或准两级变换器级联的电路结构，仍存在变换效率、功率密度和可靠性偏低、成本偏高等缺陷。因此，寻求一类能够进一步减少功率变换级数、提高变换效率、功率密度、可靠性和降低成本的单级电路结构的高频环节逆变器已迫在眉睫。

发明内容

本发明目的是为实现具有交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换、体积小、重量轻、变换效率高、输出电压纹波小、音频噪音低、成本低的新型逆变电源和静止变流器提供关键技术。

本发明是将传统的高频环节逆变器中两级或准两级变换器的级联电路结构，变为两个单级高频电气隔离双向直流变换器的差动电路结构，首次提出了单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器新概念和电路结构。该逆变器电路结构，由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流Buck直流变换器以差动电路构成。

本发明具有交流负载与直流电源高频电气隔离、双向功率流、单级功率变换(直流-低频正弦脉动直流)、体积小、重量轻、变换效率高、输出电压纹波小、音频噪音低、成本低、应用前景广泛等优点。单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器，能够将直流电能变换成所需要的正弦交流电能，其综合性能比传统的单向Buck型、单向Buck型高频脉冲直流环节、双向Buck型、双向Buck-Boost型、两级Buck或Buck-Boost直流变换器型高频环节逆变器优越。

附图说明

图1，单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器电路原理方框图。

图2，单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器电路结构与原理波形图，(a)电路结构、(b)原理波形。

图3，单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑族实例图(一)，(a)单管正激式电路、(b)推挽式电路、(c)推挽正激式电路。

图4，单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑族实例图(二)，(d)双管正激式电路、(e)半桥式电路、(f)全桥式电路。

具体实施方式

单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器电路结构，由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流Buck直流变换器以差动电路构成，如图1、2所示。其中，图2(a)为电路结构，图2(b)为电路原理波形。由于每个高频电气隔离双向功率流Buck直流变换器输出的低频正弦脉动直流电压的瞬时值u_o1和u_o2均低于输入直流电压U_i与高频变压器匝比N₂/N₁的乘积(U_iN₂/N₁)，故称为单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器。每个高频电气隔离双向功率流Buck直流变换器均由逆变器、高频变压器、整流器、以及输入滤波电路和输出滤波电路构成；其中逆变器和整流器均由一个或多个两象限高频功率开关构成，能够承受单向电压应力和双向电流应力，输出滤波电路由交流滤波电感和体积、重量均小的直流滤波电容组成。两个双向Buck直流变换器能够输出相位相差180°且叠加有相同直流分量的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，Z_L为输出交流负载。负载Z_L上可以获得高质量的低频正弦交流电压u_o，每个双向Buck直流变换器提供的正向能量必大于反向能量。

当电源向负载传递功率时，逆变器将输入直流电压U_i逆变成双极性两态或三态的高频交流脉冲电压，经高频变压器T₁、T₂电气隔离、传输和电压匹配后，整流器将高频交流脉冲电压u₁₂、u₂₂整流成正弦脉动的直流脉冲电压，经输出滤波电路后得到优质的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，输入高频脉冲电流i₁₁、i₂₁在部分期间方向的相反性以及经输入滤波电路后可获得平滑的输入直流电流i_i；当负载向电源回馈能量时，整流器工作在逆变状态，而逆变器工作在整流状态。

单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器电路拓扑族实施例，如图3、4所示。该电路拓扑族中，图3(a)为单管正激式电路，图3(a)中的R_C1、C_C1、D_C1和R_C2、C_C2、D_C2分别构成变换器1、2的箝位电路，用于实现高频变压器的磁复位和抑制高频功率开关的关断电压尖峰；图3(b)为推挽式电路，图3(c)为推挽正激式电路，图4(d)为双管正激式电路，图4(e)为半桥式电路，图4(f)为全桥式电路。该电路拓扑族适用于将直流电变换成所需要的正弦交流电，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的新型逆变电源(如24VDC/220V50HzAC、48VDC/220V50HzAC)和静止变流器(如27VDC/115V400HzAC、270VDC/115V400HzAC)。单管正激式、推挽式、推挽正激式电路输入逆变侧高频功率开关承受的电压应力为两倍输入直流电压，适用于低压输入逆变场合；双管正激式、半桥式、全桥式电路输入逆变侧高频功率开关承受的电压应力为单倍输入直流电压，适用于高压输入逆变场合。单管正激式、双管正激式电路适用于小功率逆变场合，半桥式电路适用于中功率逆变场合，推挽式、推挽正激式、全桥式电路适用于大功率逆变场合。

单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器，采用电压瞬时值反馈控制原理。将逆变器输出的正弦交流电压u_o与基准正弦电压进行比较，其误差电压经比例积分调节器后得到了误差电压放大信号，该误差电压放大信号与三角形载波进行交截，就可得到SPWM信号，将该SPWM信号及其反向信号经驱动电路后用来分别驱动高频电气隔离双向Buck直流变换器1(2)的正向、反向(反向、正向)功率流开关器件，则这两个变换器就能够输出相位相差180°、叠加有相同直流分量的低频正弦脉动直流电压u_o1和u_o2，负载Z_L上可以获得高质量的低频正弦交流电压u_o。因此，当输入电压或负载变化时，通过调节SPWM信号的占空比，便可实现单级双向Buck直流变换器型高频环节逆变器输出电压的稳定与调节。

Claims

1、一种单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器，其特征在于：这类逆变器由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功率流降压直流变换器以差动电路构成。

2、根据权利要求1所述的单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器，其特征在于：每个高频电气隔离双向功率流降压直流变换器均由逆变器、高频变压器、整流器、以及输入滤波电路和输出滤波电路构成，其逆变器和整流器均由两象限高频功率开关构成，其输出滤波电路由交流滤波电感和体积、重量小的直流滤波电容组成。

3、根据权利要求1所述的单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器，其特征在于：其电路拓扑族包括单管正激式、推挽式、推挽正激式、双管正激式、半桥式、全桥式电路。