CN208797849U - 400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂等，所述开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，二极管D₁的另一端连接有升压电感L_in的一端，升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in、输入电源U_in的一端，输入电源U_in的另一端分别连接有均压电容C₁的一端、开关管S₁的另一端，压电容C₁的另一端分别连接有均压电容C₂的一端、滤波电容C_o的一端，压电容C₂的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的另一端、开关管S₂的另一端，滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

Description

400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路

技术领域

本实用新型涉及电力电子变换器技术领域的逆变器，尤其涉及400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路。

背景技术

在航海以及航空设备中，除了有50Hz交流配电网为普通用电器供电外，还有相当一部分如雷达，通信交换机等设备需要使用400Hz的交流电。400Hz中频电源属于特种电源范畴，通常依靠中频机组或旋转变流器获取。然而，这类装置体积庞大，且极其笨重，同时在运行过程中会产生巨大的噪声，缺点颇多。随着功率半导体器件的发展，20世纪70年代，静止变流器开始取代旋转变流器。静止变流器的输入侧是直流电压，且电压等级较低，传统做法是采用两级式结构进行升压逆变。这种做法实质上是在半桥或全桥逆变器的前级增加了一级直流升压变换器，大大提高了系统的复杂程度，同时还降低了系统的整体效率。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，该变换器具备超过两倍的升压能力；将原本由两级式功率变换实现的功能简化为一级功率变换实现，降低了成本，提高了系统集成度；升压回路与逆变回路共用开关管，相比于传统两级式逆变结构，明显减少了开关管的数量，降低了控制的复杂程度。

技术方案：本实用新型所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的另一端连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in、输入电源U_in的一端，所述输入电源U_in的另一端分别连接有均压电容C₁的一端、开关管S₁的另一端，所述均压电容C₁的另一端分别连接有均压电容C₂的一端、滤波电容C_o的一端，所述均压电容C₂的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的另一端、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

进一步的，所述二极管D₁的阳极与节点a连接，二极管D₁的阴极连接有升压电感L_in的一端。

进一步的，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的正极、输入电源U_in的负极。

进一步的，所述均压电容C₁的一端为正极，均压电容C₁的另一端为负极；所述均压电容C₂的一端为正极，所述均压电容C₂的另一端为负极。

本实用新型还公开了另一种高增益单相半桥逆变器拓扑电路，包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的另一端连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in、输入电源U_in的一端，所述升压滤波电容C_in的另一端分别连接有均压电容C₁的一端、开关管S₁的另一端，所述压电容C₁的另一端分别连接有均压电容C₂的一端、滤波电容C_o的一端，所述压电容C₂的另一端分别连接有输入电源U_in的另一端、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

进一步的，所述极管D₁的阴极与节点a连接，二极管D₁的阳极连接有升压电感L_in的一端。

进一步的，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的负极、输入电源U_in的正极。

进一步的，所述均压电容C₁的一端为正极，均压电容C₁的另一端为负极；所述均压电容C₂的一端为正极，所述均压电容C₂的另一端为负极。

有益效果：本实用新型的400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，该变换器具备超过两倍的升压能力；将原本由两级式功率变换实现的功能简化为一级功率变换实现，降低了成本，提高了系统集成度；升压回路与逆变回路共用开关管，相比于传统两级式逆变结构，明显减少了开关管的数量，降低了控制的复杂程度。

附图说明

图1为本实用新型的第一种拓扑结构示意图；

图2为本实用新型的另一种拓扑结构示意图；

图3为本实用新型的第一种拓扑结构不同开关模态的一种等效电路图；

图4为本实用新型的第一种拓扑结构不同开关模态的另一种等效电路图；

图5为本实用新型的另一种拓扑结构不同开关模态的一种等效电路图；

图6为本实用新型的另一种拓扑结构不同开关模态的另一种等效电路图；

图7为本实用新型的第一种拓扑结构在一个开关周期内的等效波形图；

图8为本实用新型所采用的双极性SPWM调制的载波，调制波波形图；

图9为本实用新型在双极性SPWM调制下的输出仿真波形图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁的一端、开关管S₂的一端、二极管D₁的阳极、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的阴极连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的正极、输入电源U_in的负极，所述输入电源U_in的正极分别连接有均压电容C₁的正极、开关管S₁的另一端，所述压电容C₁的负极分别连接有均压电容C₂的正极、滤波电容C_o的一端，所述压电容C₂的负极分别连接有升压滤波电容C_in的负极、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

实施例2

如图2所示，另一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁的一端、开关管S₂的一端、二极管D₁的阴极、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的阳极连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的负极、输入电源U_in的正极，所述升压滤波电容C_in的正极分别连接有均压电容C₁的正极、开关管S₁的另一端，所述压电容C₁的负极分别连接有均压电容C₂的正极、滤波电容C_o的一端，所述压电容C₂的负极分别连接有输入电源U_in的负极、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

上述两个逆变器电路采用双极性SPWM调制，其具体实现过程如图8所示。首先，将正弦调制信号和三角载波信号分别接入比较器的同相输入端和反相输入端，将比较器的输出信号作为开关管S₁的驱动信号，再对比较器的输出信号进行取反，得到的信号作为开关管S₂的驱动信号。

下面详细分析该新型单相半桥高增益逆变器的工作原理和运行特性。为了简化分析过程，先作如下基本假设：①所有功率管和滤波元件均为理想器件；②均压电容C₁、C₂足够大且完全相同，其纹波忽略不计，故有U_c1＝U_c2；③O点的电位为0。

基于上述假设，稳态时，图1变换器在一个开关周期内的工作过程分为2个模态，每个模态对应的等效电路如图3和图4所示，波形如图7所示。

(1)模态1：[t₀-t₁](等效电路图如图3所示)

t₀时刻，开关管S₁开通，S₂关断，升压电感L_in承受正向电压U_in，电感电流i_Lin线性上升，到t₁时刻，模态1结束。t₀-t₁时间段内，a点电位U_a＝U_C1。

(2)模态2：[t₁-t₂](等效电路图如图4所示)

t₁时刻，开关管S₁关断，S₂开通，升压电感L_in承受反向电压U_in，电感电流i_Lin线性下降，到t₃时刻，模态2结束。t₁-t₂时间段内，a点电位U_a＝U_C2＝-U_C1。

基于同样的假设，下面再分析图2拓扑结构的工作过程。图3和图4所示的控制方案同样适用于图2的拓扑结构。图2拓扑结构具有两个工作模态，每个模态对应的等效电路如图5和图6所示。

(1)模态1：[t₀-t₁](等效电路图如图5所示)

t₀时刻之前，开关管S₁关断，S₂开通，升压电感L_in承受正向电压U_in，电感电流i_Lin线性上升。到t₀时刻，开关管S₁开通，S₂关断，开始进入模态1。此时，升压电感L_in承受反向电压U_in，电感电流i_Lin线性下降。t₀-t₁时间段内，a点电位U_a＝U_C1。

(2)模态2：[t₁-t₂](等效电路图如图6所示)

t₁时刻，开关管S₁关断，S₂开通，升压电感L_in承受正向电压U_in，电源为电感充电，电感电流i_Lin线性上升，到t₃时刻，模态2结束。t₁-t₂时间段内，a点电位U_a＝U_C2＝-U_C1。

仿真验证

为了验证理论分析的正确性，使用saber仿真软件进行仿真验证，其设计指标如下：开关频率为f＝20kHz，直流输入电压U_in＝57V，输出交流电压幅值U_o.peak＝155.9V，升压电感L_in＝8mH，滤波电感L₁＝1.2mH，升压滤波电容C_in＝4700μF，分压电容C₁＝C₂＝2000μF，滤波电容C_o＝100μF，S₁，S₂采用IRFP460，D₁采用IDW30G65C5。

表1逆变器仿真参数

图9为依照上述设计参数搭建仿真的输出波形图。其中，u_dc(u_dc＝U_in+u_Cin)为加在开关管桥臂两端的直流电压，u_dc通过直流输入电源串联升压滤波电容建立而来，从而使得本发明能够实现高增益逆变；i_Lin为直流升压电感电流，它以输出正弦波两倍的频率(即800Hz)上下脉动；u_C1，u_C2为均压电容两端的电压，在理想模型中，均压电容两端的电压应该完全相等，然而，由于控制、驱动、器件等多方面因素，均压电容无法轻易做到完全均压；u_o为本发明的输出电压波形，U_in(U_in＝57V)为输入电压。从波形图中可以看出，依照上述参数设计的变换器在saber仿真软件下仿真输出电压的幅值为155.82V，具有超过两倍的电压增益，有效值为110.17V，频率为400Hz，符合设计要求。

本实用新型的两种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，该变换器具备超过两倍的升压能力；将原本由两级式功率变换实现的功能简化为一级功率变换实现，降低了成本，提高了系统集成度；升压回路与逆变回路共用开关管，相比于传统两级式逆变结构，明显减少了开关管的数量，降低了控制的复杂程度。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，虽然本实用新型已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本实用新型，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本实用新型技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的另一端连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in、输入电源U_in的一端，所述输入电源U_in的另一端分别连接有均压电容C₁的一端、开关管S₁的另一端，所述均压电容C₁的另一端分别连接有均压电容C₂的一端、滤波电容C_o的一端，所述均压电容C₂的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的另一端、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

2.根据权利要求1所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述二极管D₁的阳极与节点a连接，二极管D₁的阴极连接有升压电感L_in的一端。

3.根据权利要求2所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的正极、输入电源U_in的负极。

4.根据权利要求1所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述均压电容C₁的一端为正极，均压电容C₁的另一端为负极；所述均压电容C₂的一端为正极，所述均压电容C₂的另一端为负极。

5.一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：包括开关管S₁、开关管S₂、均压电容C₁、均压电容C₂、升压电感L_in、二极管D₁、滤波电感L₁、滤波电容C_o、升压滤波电容C_in和输入电源U_in，所述开关管S₁、开关管S₂、二极管D₁、滤波电感L₁的一端共同连接至节点a，所述二极管D₁的另一端连接有升压电感L_in的一端，所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in、输入电源U_in的一端，所述升压滤波电容C_in的另一端分别连接有均压电容C₁的一端、开关管S₁的另一端，所述压电容C₁的另一端分别连接有均压电容C₂的一端、滤波电容C_o的一端，所述压电容C₂的另一端分别连接有输入电源U_in的另一端、开关管S₂的另一端，所述滤波电感L₁的另一端连接有滤波电容C_o的另一端，所述滤波电容C_o的两端还连接有负载R₀。

6.根据权利要求5所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述极管D₁的阴极与节点a连接，二极管D₁的阳极连接有升压电感L_in的一端。

7.根据权利要求6所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述升压电感L_in的另一端分别连接有升压滤波电容C_in的负极、输入电源U_in的正极。

8.根据权利要求5所述的一种400Hz高增益单相半桥逆变器拓扑电路，其特征在于：所述均压电容C₁的一端为正极，均压电容C₁的另一端为负极；所述均压电容C₂的一端为正极，所述均压电容C₂的另一端为负极。