CN203775069U - 一种有源箝位高增益单级可升压逆变器 - Google Patents

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丁新平
吴苓芝
魏文健
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Abstract

本实用新型属于直流-交流逆变设备技术领域，涉及一种有源箝位高增益单级可升压逆变器，耦合电感的第一绕组与第二绕组互为同名端，整流二极管的阳极与直流电源的正极相连，阴极与耦合电感的第一绕组相连；电容器的正极与第一绕组和第二绕组的公共端相连，负极与直流电源的负极及第一谐振电容的一端相连，第一谐振电容的另一端与第二绕组相连，第一谐振电容与三相电压型桥式逆变电路并联；辅助功率开关管分别与辅助功率开关管的反并联二极管和第二谐振电容并联后再与箝位电容串联相连组成有源箝位电路，有源箝位电路与耦合电感的第二绕组并联；其结构简单，电磁干扰影响小，损耗少，成本低，能量转换效率高，环境友好。

Description

一种有源箝位高增益单级可升压逆变器
技术领域：
本实用新型属于直流-交流逆变设备技术领域，涉及一种直流-交流逆变器，特别是一种有源箝位高增益单级可升压逆变器。
背景技术：
现有的变压器型Z-源逆变器，包括一个整流二极管、一个耦合电感、一个电容器和三相电压型桥式逆变电路，这种变压器型Z-源逆变器可以通过直通占空比和变压器匝比来达到任意调压的目的，调压范围大，但是漏感给系统带来的影响明显，逆变器直流链电压过冲和电磁干扰问题严重；软开关技术是解决开关损耗和电磁干扰问题比较成熟的方案，并且在很多场合都得到了广泛的应用，准谐振软开关Z-源逆变器实现了所有器件工作在软开关环境下，系统效率较之硬开关电路上升了十个百分点，但辅助二极管等器件增加了系统的复杂性。因此，寻求设计一种结构简单、耗能低、电磁干扰小的有源箝位高增益单级可升压逆变器。
发明内容：
本实用新型的发明目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种有源箝位高增益单级可升压逆变器，其功率开关管数量少，损耗低，电磁干扰影响小，能实现高效率能量转换。
为了实现上述目的，本实用新型的主体结构包括直流电源、整流二极管、由第一绕组与第二绕组组成的耦合电感、电容器、辅助功率开关管、辅助功率开关管的反并联二极管、第一谐振电容、第二谐振电容、箝位电容和由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）与反并联二极管组合构成的三相电压型桥式逆变电路；耦合电感的第一绕组与第二绕组互为同名端，整流二极管的阳极与直流电源的正极相连，整流二极管的阴极与耦合电感的第一绕组相连，电容器的正极与第一绕组和第二绕组的公共端相连，电容器的负极与直流电源的负极及第一谐振电容的一端相连，第一谐振电容的另一端与耦合电感的第二绕组相连，第一谐振电容与三相电压型桥式逆变电路并联；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管（IGBT）和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出，三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；辅助功率开关管分别与辅助功率开关管的反并联二极管和第二谐振电容并联后再与箝位电容串联相连组成有源箝位电路，有源箝位电路与耦合电感的第二绕组并联。
本实用新型涉及的有源箝位高增益单级可升压逆变器存在两种换流情况：辅助功率开关管关断与三相电压型桥式逆变电路直通之间的换流和三相电压型桥式逆变电路关断与辅助功率开关管导通之间的换流；其中辅助功率开关管关断，三相电压型桥式逆变电路直通的换流过程：换流之前的电路处于辅助功率开关管与整流二极管导通的稳定工作状态，当辅助功率开关管关断时，耦合电感的漏感能量转移到箝位电容上，由于与辅助功率开关管并联的第二谐振电容的存在，辅助功率开关管两端的电压从零开始上升，辅助功率开关管两端的电压上升并箝位到Vin+Vc时，辅助功率开关管实现零电压关断，三相电压型桥式逆变电路的二极管导通，三相电压型桥式逆变电路两端的电压为零，三相电压型桥式逆变电路的反并联二极管导通后，给出三相电压型桥式逆变电路直通信号，实现三相电压型桥式逆变电路的零电压开通；耦合电感的漏感等效于谐振电感，谐振电感限制流过整流二极管的电流变化率，改善二极管的反向恢复性能，减少反向恢复损坏；在这个过程中，三相电压型桥式逆变电路的反并联二极管导通，耦合电感的能量向电路的输出端转移，电路进入辅助功率开关管关断，三相电压型桥式逆变电路直通，整流二极管关断的稳定运行状态；三相电压型桥式逆变电路关断，辅助功率开关管导通的换流过程为：三相电压型桥式逆变电路关断前，辅助功率开关管和整流二极管处于关断的稳定运行工作状态，三相电压型桥式逆变电路关断时，由于与三相电压型桥式逆变电路并联的第一谐振电容的存在，三相电压型桥式逆变电路两端的电压从零开始上升，三相电压型桥式逆变电路两端的电压上升并箝位到Vin+Vc时，三相电压型桥式逆变电路完全截止；耦合电感的漏感与第二谐振电容谐振，第二谐振电容的能量向耦合电感的漏感转移，辅助功率开关管的电压从Vin+Vc开始下降，当辅助功率开关管的电压下降到零时，辅助功率开关管内的反并联二极管导通，辅助功率开关管内的反并联二极管导通后，给出辅助功率开关管驱动信号，实现功率辅助功率开关管的零电压开通，之后电路进入辅助功率开关管导通，整流二极管导通的稳定运行状态；其中Vin为直流电源两端的电压，Vc为箝位电容两端的电压。
本实用新型工作时，利用耦合电感的第一、第二绕组实现电路的高增益；由于三相电压型桥式逆变电路并联的第一谐振电容和功率开关管并联的第二谐振电容的存在，实现三相电压型桥式逆变电路及辅助功率开关管的零电压开关；箝位电容收集耦合电感的漏感能量，并最终转移到输出端，实现箝位电容能量的无损吸收；在整个开关周期中，通过控制三相电压型桥式逆变电路及功率开关管的驱动信号，使三相电压型桥式逆变电路及辅助功率开关管实现零电压开关。
本实用新型与现有技术相比，能够通过直通占空比和耦合电感的匝比实现直流链电压的任意调节功能，独特的阻抗源网络能够消除直通对逆变器的损坏，增加系统安全性，所有有源器件都工作在软开关环境下（包括辅助开关管和逆变器有源器件），耦合电感的漏感等效于谐振电感，优化整流二极管的反向恢复特性，减少二极管反向恢复损耗，在有源箝位电路的作用下，效率和电磁干扰都得到改善，逆变器直流链的电压过冲得到有效的控制；其结构简单，电磁干扰影响小，损耗少，成本低，能量转换效率高，环境友好。
附图说明：
图1为本实用新型的主体结构工作电路原理示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。
实施例：
本实施例的主体结构包括直流电源Vin、整流二极管D8、由第一绕组La与第二绕组Lb组成的耦合电感、电容器C1、辅助功率开关管S7、辅助功率开关管的反并联二极管D7、第一谐振电容Cr1、第二谐振电容Cr2、箝位电容Cc和由绝缘栅双极型晶体管（IGBT）S1～S6与反并联二极管D1～D6组合构成的三相电压型桥式逆变电路；耦合电感的第一绕组La与第二绕组Lb互为同名端，整流二极管D8的阳极与直流电源Vin的正极相连，整流二极管D8的阴极与耦合电感的第一绕组La相连，电容器C1的正极与第一绕组La和第二绕组Lb的公共端相连，电容器C1的负极与直流电源Vin的负极及第一谐振电容Cr1的一端相连，第一谐振电容Cr1的另一端与耦合电感的第二绕组Lb相连，第一谐振电容Cr1与三相电压型桥式逆变电路并联；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管（IGBT）和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出，三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；辅助功率开关管S7分别与辅助功率开关管的反并联二极管D7和第二谐振电容Cr2并联后再与箝位电容Cc串联相连组成有源箝位电路，有源箝位电路与耦合电感的第二绕组Lb并联。
本实施例涉及的有源箝位高增益单级可升压逆变器存在两种换流情况：辅助功率开关管S7关断与三相电压型桥式逆变电路直通之间的换流和三相电压型桥式逆变电路关断与辅助功率开关管S7导通之间的换流；其中辅助功率开关管S7关断，三相电压型桥式逆变电路直通的换流过程：换流之前的电路处于辅助功率开关管S7与整流二极管D8导通的稳定工作状态，当辅助功率开关管S7关断时，耦合电感的漏感能量转移到箝位电容Cc上，由于与辅助功率开关管S7并联的第二谐振电容Cr2的存在，辅助功率开关管S7两端的电压从零开始上升，辅助功率开关管S7两端的电压上升并箝位到Vin+Vc时，辅助功率开关管实现零电压关断，三相电压型桥式逆变电路的二极管D1～D6导通，三相电压型桥式逆变电路两端的电压为零，三相电压型桥式逆变电路的反并联二极管D1～D6导通后，给出三相电压型桥式逆变电路直通信号，实现三相电压型桥式逆变电路的零电压开通；耦合电感的漏感等效于谐振电感，谐振电感限制流过整流二极管D8的电流变化率，改善二极管的反向恢复性能，减少反向恢复损坏；在这个过程中，三相电压型桥式逆变电路的反并联二极管D1～D6导通，耦合电感的能量向电路的输出端转移，电路进入辅助功率开关管S7关断，三相电压型桥式逆变电路直通，整流二极管D8关断的稳定运行状态；三相电压型桥式逆变电路关断，辅助功率开关管S7导通的换流过程为：三相电压型桥式逆变电路关断前，辅助功率开关管S7和整流二极管D8处于关断的稳定运行工作状态，三相电压型桥式逆变电路关断时，由于与三相电压型桥式逆变电路并联的第一谐振电容Cr1的存在，三相电压型桥式逆变电路两端的电压从零开始上升，三相电压型桥式逆变电路两端的电压上升并箝位到Vin+Vc时，三相电压型桥式逆变电路完全截止；耦合电感的漏感与第二谐振电容Cr2谐振，第二谐振电容Cr2的能量向耦合电感的漏感转移，辅助功率开关管S7的电压从Vin+Vc开始下降，当辅助功率开关管S7的电压下降到零时，辅助功率开关管S7内的反并联二极管D7导通，辅助功率开关管S7内的反并联二极管D7导通后，给出辅助功率开关管S7驱动信号，实现功率辅助功率开关管S7的零电压开通，之后电路进入辅助功率开关管S7导通，整流二极管D8导通的稳定运行状态；其中Vin为直流电源两端的电压，Vc为箝位电容Cc两端的电压。

Claims (1)

1.一种有源箝位高增益单级可升压逆变器，其特征在于主体结构包括直流电源、整流二极管、由第一绕组与第二绕组组成的耦合电感、电容器、辅助功率开关管、辅助功率开关管的反并联二极管、第一谐振电容、第二谐振电容、箝位电容和由绝缘栅双极型晶体管与反并联二极管组合构成的三相电压型桥式逆变电路；耦合电感的第一绕组与第二绕组互为同名端，整流二极管的阳极与直流电源的正极相连，整流二极管的阴极与耦合电感的第一绕组相连，电容器的正极与第一绕组和第二绕组的公共端相连，电容器的负极与直流电源的负极和第一谐振电容的一端相连，第一谐振电容的另一端与耦合电感的第二绕组相连，第一谐振电容与三相电压型桥式逆变电路并联；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出，三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；辅助功率开关管分别与辅助功率开关管的反并联二极管和第二谐振电容并联后再与箝位电容串联相连组成有源箝位电路，有源箝位电路与耦合电感的第二绕组并联。
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CN117526684A (zh) * 2024-01-08 2024-02-06 湖南大学 一种基于有源钳位的低电流应力软开关Boost电路

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