CN1929279B - 磁集成双降压式半桥逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种磁集成双降压式半桥逆变器，包括逆变器第一桥臂(2)、逆变器第二桥臂(4)，还包括磁集成耦合电感(3)，磁集成耦合电感(3)包括第一耦合滤波电感(A)和第二耦合滤波电感(B)。本发明采用磁集成技术将分离的磁件集中绕制在共用磁芯上，通过合理的耦合方式和参数设计，有效地减小磁件体积和损耗。本发明是对传统双降压式半桥逆变器进行改进和创新的，磁集成双降压式半桥逆变器在保留了原有的特点之外，减小了输出滤波电感的磁芯体积大小，从而减小了整个逆变器的体积和重量，并提高了系统的效率。

Description

磁集成双降压式半桥逆变器

一、技术领域

本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种双降压式半桥逆变器。

二、背景技术

随着电力电子技术发展，电源正在向着更小体积、更高效率、更高功率密度的方向发展。现有研究表明，在开关电源中磁性元件的体积重量及损耗占有相当大的比例。据统计，磁件的重量一般要占到变换器总重的20％～30％，这个比例随着开关频率的提升还将进一步加大。要减小开关电源体积重量，提高功率密度，必须对减小磁件体积、重量及损耗的相关技术开展研究。传统的双降压式半桥逆变器的结构如图1所示，它需要两个独立的输出滤波电感使得逆变器的体积和重量较大，限制了其自身实际应用的范围。

三、发明内容

1、发明目的：本发明的目的是提供一种可以解决现有的双降压式半桥逆变器体积和重量较大的技术问题的双降压式半桥逆变器。

2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明第一种技术方案的磁集成双降压式半桥逆变器包括逆变器第一桥臂、逆变器第二桥臂，还包括磁集成耦合电感，磁集成耦合电感包括第一耦合滤波电感和第二耦合滤波电感，逆变器第一桥臂中第一功率开关管与第一续流二极管的串接点与第一耦合滤波电感的原边同名端连接，半桥逆变器第二桥臂中第二功率开关管与第二续流二极管的串接点与第一耦合滤波电感的副边的同名端连接；磁集成耦合电感中，第一耦合滤波电感的原边和第二耦合滤波电感的原边串联组成磁集成耦合电感的原边，第一耦合滤波电感的副边与第二耦合滤波电感的副边串联组成磁集成耦合电感的副边；其中，磁集成耦合电感的原边中，第一耦合滤波电感的原边的异名端与第二耦合滤波电感的原边的同名端连接；磁集成耦合电感的副边中，第一耦合滤波电感的副边的异名端与第二耦合滤波电感的副边的异名端连接；第二耦合滤波电感的原边的异名端与副边的同名端相连接，并连接至滤波电容的正极，滤波电容的负极接地。

本发明第二种技术方案的磁集成双降压式半桥逆变器包括逆变器第一桥臂、逆变器第二桥臂，还包括磁集成耦合电感，磁集成耦合电感包括第一耦合滤波电感和第二耦合滤波电感，逆变器第一桥臂中第一功率开关管与第一续流二极管的串接点与第一耦合滤波电感的原边同名端连接，半桥逆变器第二桥臂中第二功率开关管与第二续流二极管的串接点与第一耦合滤波电感的副边的同名端连接；磁集成耦合电感中，第一耦合滤波电感的原边和第二耦合滤波电感的原边串联组成磁集成耦合电感的原边，第一耦合滤波电感的副边与第二耦合滤波电感的副边串联组成磁集成耦合电感的副边；其中，第一耦合滤波电感的原边的异名端与第二耦合滤波电感的原边的异名端连接；磁集成耦合电感的副边中，第一耦合滤波电感的副边的异名端与第二耦合滤波电感的副边的同名端连接；第二耦合滤波电感的原边的同名端与副边的异名端相连接，并连接至滤波电容的正极，滤波电容的负极接地。

上述的两种技术方案中，半桥逆变器第一桥臂包括相串联的第一功率开关管和第一续流二极管，半桥逆变器第二桥臂包括相串联的第二功率开关管和第二续流二极管；第一功率开关管的阴极与第一续流二极管的阴极串联，其串接点连于第一滤波电感原边同名端；第二功率开关管的阳极与第二续流二极管的阳极串联，其串接点连于第一滤波电感副边的同名端。

本发明针对传统的双降压式半桥逆变器需要两个独立的输出滤波电感使得逆变器的体积和重量较大的问题，将两个滤波电感集成到两个体积和重量较小的磁芯上，通过一定的绕组连接方式实现无偏置电流工作模式，提高系统效率，最终达到减小逆变器的体积和重量的目的。

本发明的磁集成双降压式半桥逆变器，直流输入电压经功率开关管和续流二极管连于磁集成耦合电感，通过将两个耦合电压的绕组一侧同名端相连，另一侧同名端和异名端相连，使得耦合电感一侧流过电流时，另一侧感应电势相互抵消，使逆变器工作在无偏置电流模式下，保持半桥逆变器的高效率。磁集成耦合电感是由两个耦合滤波电感构成，每个磁芯上面分别有两个匝数相等的绕组，且两个耦合电感气隙相等，这样保证四个电感大小相等，具体连接方式为原边同名端相互连接，则副边同名端和异名端相连；原边同名端与异名端相连接，则副边同名端相连接，保证一侧工作时，另一侧的感应电势相互抵消，逆变器工作在无偏置电流模式下。

3、有益效果：本发明采用磁集成技术将分离的磁件集中绕制在共用磁芯上，通过合理的耦合方式和参数设计，有效地减小磁件体积和损耗。本发明是对传统双降压式半桥逆变器进行改进和创新的，磁集成双降压式半桥逆变器在保留了原有的优点之外，减小了输出滤波电感的磁芯体积大小，从而减小了整个逆变器的体积和重量，并提高了系统的效率。

四、附图说明

图1是传统双降压式半桥逆变器的主电路框图；

图2是本发明磁集成双降压式半桥逆变器的主电路框图；

图2中的标号名称：1输出正负母线电压(±Ud)，2逆变器第一桥臂，3.磁集成耦合电感，4.逆变器第二桥臂；

图3是电流滞环控制型半桥逆变器工作模态图，图中，(M1)、(M2)是电感电流iL＞0，第一桥臂调制工作模态，其中(M1)为“+1”态，(M2)为“-1”态；(M3)、(M4)是电感电流iL＜0，第二桥臂调制工作，其中(M3)为“+1”态，(M4)为“-1”态。

图4是磁集成耦合电感结构示意图；图中，A为第一耦合滤波电感，其中LAP为第一耦合电感原边，LAN为第一耦合滤波电感副边；定义B为第二耦合滤波电感，其中LBP为第二耦合滤波电感原边，LBN为第二耦合滤波电感副边。其中(a)给出的是原边第一耦合滤波电感(LAP)同名端与第二耦合电感(LBP)原边异名端相连接，副边则是第一耦合滤波电感(LAN)异名端与第二耦合滤波电感(LBN)异名端相连；(b)给出的连接方式为：第一耦合电感原边(LAP)的异名端与第二耦合滤波电感原边(LBP)的异名端相连，副边连接方式是：第一耦合电感副边(LAN)的异名端与第二耦合电感副边(LBN)的同名端相连。

图5是双降压式半桥逆变器的输出电压与电感电流波形图，图中所对应的A、B、C、D四个区域分别为：A、C是向电源回馈能量，B、D是电源向负载提供能量；图中，Uo为双降压式半桥逆变器的输出电压，il1为电感L1的电流，il2为电感L2的电流.

五、具体实施方式

实施例1：如图2所示，本实施例的磁集成双降压式半桥逆变器，包括逆变器第一桥臂2、逆变器第二桥臂4，还包括磁集成耦合电感3，磁集成耦合电感3包括第一耦合滤波电感A和第二耦合滤波电感B，逆变器第一桥臂2中第一功率开关管S1与第一续流二极管D1的串接点与第一耦合滤波电感A的原边LAP同名端连接，逆变器第二桥臂4中第二功率开关管S2与第二续流二极管D2的串接点与第一耦合滤波电感A的副边LAN的同名端连接；磁集成耦合电感3中，第一耦合滤波电感A的原边LAP和第二耦合滤波电感B的原边LBP串联组成磁集成耦合电感3的原边，第一耦合滤波电感A的副边LAN与第二耦合滤波电感B的副边LBN串联组成磁集成耦合电感3的副边；第二耦合滤波电感B的原边LBP的输出端与副边LBN的输出端相连接，并连接至滤波电容Cf的正极，滤波电容Cf的负极接地，负载R与滤波电容Cf并联连接。

如图4(a)所示，本实施例的磁集成耦合电感的结构为：磁集成耦合电感3的原边中，第一耦合滤波电感A的原边LAP的异名端与第二耦合滤波电感B的原边LBP的同名端连接；磁集成耦合电感3的副边中，第一耦合滤波电感A的副边LAN的异名端与第二耦合滤波电感B的副边LBN的异名端连接。

本实施例的磁集成双降压式半桥逆变器工作时，外界的第一电源Ud1与第二电源Ud2串联成电源电路1，且串联点接地，第一电源Ud1的正极与半桥逆变器第一桥臂2中第一功率开关管S1的阳极连接，第一功率开关管S1的阴极与第一续流二极管管D1阴极串联，第一续流二极管管D1的阳极与第二电源Ud2的负极连接；第一电源Ud1的正极与半桥逆变器第二桥臂4中的第二续流二极管D2的阴极连接，第二功率开关管S2的阳极与第二续流二极管D2的阳极连接，第二功率开关管S2的负极与第二电源Ud2的负极连接。

实施例2：本实施例与实施例1的结构基本相同，不同的是本实施例的磁集成耦合电感的结构如图4(b)所示：磁集成耦合电感3的原边中，第一耦合滤波电感A的原边LAP的异名端与第二耦合滤波电感B的原边LBP的异名端连接；磁集成耦合电感3的副边中，第一耦合滤波电感A的副边LAN的异名端与第二耦合滤波电感B的副边LBN的同名端连接。

如图3上述两个实施例的磁集成双降压式半桥逆变器在无偏置电流半周期运行模式下电流连续式工作时的第一桥臂电压UA输出电压+Ud的“+1态”，第二桥臂电压UB输出负电压-Ud的“-1态”，简称为“+1态”和“-1态”的两个工作状态，分别利用两组开关模态(M1、M2)和(M3、M4)来实现，开关模态组(M1、M2)实现逆变器的正半周期电流输出，开关模态组(M3、M4)实现逆变器负半周期电流输出，选择开关模态M1时，第一功率开关管S1开通，第一续流二极管D1截止，第二功率开关管S2和第二续流二极管D2均处于截止状态，第一滤波电感原边LAP的电流流过第二滤波电感原边LBP，向负载R供电，第一桥臂电压UA输出等于正电源电压Ud，即实现“+1态”；选择开关模态M2时，第一功率开关管S1关断，第一续流二极管导通，第二功率开关管S2和第二续流二极管均处于截止状态，第一滤波电感原边LAP的电流流过第二滤波电感原边LBP并通过第一续流二极管D1续流，向电源回馈能量，第一桥臂电压UA等于负输出电压-Ud，即实现“-1态”；当选择开关模态M3时，第二功率开关管S2开通，第二续流二极管D2处于截止状态，第一功率开关管S1和第一续流二极管D1均处于截止状态，第二滤波电感副边LAN的电流流过第二滤波电感副边LBN，向负载供电，第二桥臂电压UB等于正输出电压+Ud，即实现“+1态”；选择开关模态M4时，第二功率开关管S2关断，第二续流二极管D2处于导通状态，第一功率开关管S 1和第一续流二极管D1均处于截止状态，第二滤波电感副边LAN的电流流过第二滤波电感副边LBN并通过第二续流二极管向电源回馈能量，第二桥臂电压UB输出电压等于负电源电压-Ud，即实现“-1态”。

如图5所示，磁集成双降压式半桥逆变器在无偏置电流半周期运行模式两态运行的滞环电流控制方法是，引入电流环给定信号，即电流基准信号ig作为开关模态组M1～M4的转换控制变量之一，来实现电流的内环控制，在电流基准信号ig大于0的区域，选择一组开关模态组M1、M2来实现第一桥臂电压UA输出正电压+Ud的“+1态”，第一桥臂电压UA输出负电压-Ud的“-1态”，以下简称“+1态”、“-1态”的两个工作状态，在回馈能量区的A区：只选择开关模态M2，当选择开关模态M2时，第一功率开关管S1关断，第一续流二极管导通，第二功率开关管S2和第二续流二极管均处于截止状态，第一滤波电感原边LAP的电流流过第二滤波电感原边LBP并通过第一续流二极管D1续流，向电源回馈能量，第一桥臂电压UA等于负输出电压-Ud，即实现“-1态”；在输出能量区的B区：只选择开关模态M1，当选择开关模态M1时，第一功率开关管S1开通，第一续流二极管D1截止，第二功率开关管S2和第二续流二极管均处于截止状态，第一滤波电感原边LAP的电流流过第二滤波电感原边LBP，向负载供电，第一桥臂电压UA输出等于正电源电压Ud，即实现“+1态”得到正电压输出；在电流基准信号ig小于0的区域，选择另一组开关模态组M3、M4来实现“+1态”、“-1态”的两个工作状态，在能量回馈区的C区，只选择开关模态M4，选择开关模态M4时，第二功率开关管S2关断，第二续流二极管D2处于导通状态，第一功率开关管S1和第一续流二极管D1均处于截止状态，第二滤波电感副边LAN的电流流过第二滤波电感副边LBN并通过第二续流二极管D2，向电源回馈能量，第二桥臂电压UB输出电压等于负电源电压-Ud，即实现“-1态”，在输出能量区的D区：只选择开关模态M3，当选择开关模态M3时，第二功率开关管S2开通，第二续流二极管D2处于截止状态，第一功率开关管S1和第一续流二极管D1均处于截止状态，第二滤波电感副边LAN的电流流过第二滤波电感副边LBN，向负载供电，第二桥臂电压UB等于正输出电压+Ud，即实现“+1态”，得到负电压输出；上述电流基准信号ig的正、负，分为两大开关模态组(M1、M2)和(M3、M4)，在两个大模态组中的A区，B区，或C区，D区之间的转换通过设置滞环控制内环基准±h通过转换控制变量ig之一来实现电流内环控制，控制电感电流脉动量在两个滞环±h内，即来实现A区，B区，或C区，D区之间的转换，其具体控制逻辑方法是，采用电流基准信号ig和滞环控制基准±h作为两个开关模态组转换控制变量，由输出能量区B区转为回馈能量C区和输出能量D区转为回馈能量A区的模态组转换由电流基准信号ig的正负来控制，回馈能量A区和输出能量B区之间的模态转换，回馈能量C区和输出能量D区之间的模态组转换由电流误差信号ie与两个滞环控制基准±h之差来控制；开关模态组(M1～M2)的转换和(M3～M4)的转换由电流误差信号ie和滞环控制内环基准±h之差来控制。

Claims (3)

1.一种磁集成双降压式半桥逆变器，包括逆变器第一桥臂(2)、逆变器第二桥臂(4)，其特征在于，还包括磁集成耦合电感(3)，磁集成耦合电感(3)包括第一耦合滤波电感(A)和第二耦合滤波电感(B)，逆变器第一桥臂(2)中第一功率开关管(S1)与第一续流二极管(D1)的串接点与第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)同名端连接，逆变器第二桥臂(4)中第二功率开关管(S2)与第二续流二极管(D2)的串接点与第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)的同名端连接；磁集成耦合电感(3)中，第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)和第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)串联组成磁集成耦合电感(3)的原边，第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)与第二耦合滤波电感(B)的副边(LBN)串联组成磁集成耦合电感(3)的副边；第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)和副边(LAN)、第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)和副边(LBN)四个电感大小相等；磁集成耦合电感(3)的原边中，第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)的异名端与第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)的同名端连接；磁集成耦合电感(3)的副边中，第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)的异名端与第二耦合滤波电感(B)的副边(LBN)的异名端连接；第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)的异名端与副边(LBN)的同名端相连接，并连接至滤波电容(Cf)的正极，滤波电容(Cf)的负极接地。

2.一种磁集成双降压式半桥逆变器，包括逆变器第一桥臂(2)、逆变器第二桥臂(4)，其特征在于，还包括磁集成耦合电感(3)，磁集成耦合电感(3)包括第一耦合滤波电感(A)和第二耦合滤波电感(B)，逆变器第一桥臂(2)中第一功率开关管(S1)与第一续流二极管(D1)的串接点与第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)同名端连接，逆变器第二桥臂(4)中第二功率开关管(S2)与第二续流二极管(D2)的串接点与第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)的同名端连接；磁集成耦合电感(3)中，第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)和第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)串联组成磁集成耦合电感(3)的原边，第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)与第二耦合滤波电感(B)的副边(LBN)串联组成磁集成耦合电感(3)的副边；第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)和副边(LAN)、第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)和副边(LBN)四个电感大小相等；磁集成耦合电感(3)的原边中，第一耦合滤波电感(A)的原边(LAP)的异名端与第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)的异名端连接；磁集成耦合电感(3)的副边中，第一耦合滤波电感(A)的副边(LAN)的异名端与第二耦合滤波电感(B)的副边(LBN)的同名端连接；第二耦合滤波电感(B)的原边(LBP)的同名端与副边(LBN)的异名端相连接，并连接至滤波电容(Cf)的正极，滤波电容(Cf)的负极接地。

3.如权利要求1或2所述的磁集成双降压式半桥逆变器，其特征在于，逆变器第一桥臂(2)包括相串联的第一功率开关管(S1)和第一续流二极管(D1)，逆变器第二桥臂(4)包括相串联的第二功率开关管(S2)和第二续流二极管(D2)；第一功率开关管(S1)的阴极与第一续流二极管管(D1)阴极连接，其连接点连于第一耦合滤波电感原边(LAP)同名端；第二功率开关管(S2)的阳极与第二续流二极管(D2)的阳极串联，其串接点连于第一耦合滤波电感副边(LAN)的同名端。

Images