專利名稱：一種單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種單級(jí)正激式高頻鏈逆變器，屬于電力電子變換器領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
逆變器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件將直流電變換成交流電以供交流負(fù)載使用的功率變換裝置。輸出交流負(fù)載與輸入直流電源間有高頻電氣隔離的逆變器，稱為高頻鏈逆變器，高頻電氣隔離元件在逆變器中主要起如下作用(1)實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出與輸入之間的電器隔離，提高了逆變器運(yùn)行的安全性、可靠性和電磁兼容性；(2)實(shí)現(xiàn)了逆變器輸出電壓與輸入電壓之間的匹配，即允許輸入電壓在寬范圍內(nèi)變化時(shí)保證輸出電壓的質(zhì)量，使其應(yīng)用范圍大大拓寬；(3)高頻變壓器的工作頻率在20kHz以上，其體積、重量及音頻噪聲被大大降低，有效地克服了低頻鏈逆變器的缺陷。因此，在以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽能電池和燃料電池為主直流電源的逆變場合，高頻鏈逆變器具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是對(duì)體積與重量有高要求的逆變場合有更重要的應(yīng)用價(jià)值。
高頻鏈逆變器通常由高頻電氣隔離DC-DC變換器和逆變橋兩級(jí)電路結(jié)構(gòu)級(jí)聯(lián)構(gòu)成，電能經(jīng)過了兩級(jí)變換，其變換效率必定低于單級(jí)高頻隔離DC-DC變換器的效率。
中國專利CN1758521A提出了一組單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，中國專利CN101414791A提出了一組差動(dòng)降壓直流斬波器型高頻鏈逆變器，上述兩個(gè)專利中提到的高頻鏈逆變器基本思想都是由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流直流變換器組合構(gòu)成逆變器，兩個(gè)直流變換器分別輸出正弦波的正半周波形和負(fù)半周波形，因此在輸出正弦波的任意半周，總有一個(gè)直流變換器處于閑置狀態(tài)，因此器件的利用率沒有達(dá)到最大化。在上述兩個(gè)專利中還提到了由正激式變換器構(gòu)成的高頻鏈逆變器，由于正激變換器變壓器磁復(fù)位的特殊問題存在而導(dǎo)致開關(guān)管的最大占空比受到限制，同時(shí)開關(guān)管的電壓應(yīng)力較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)中高頻鏈逆變器存在的缺陷而提出一種變換效率高、可靠性高的單級(jí)正激式高頻鏈逆變器。
本發(fā)明的單級(jí)正激式高頻鏈逆變器，其結(jié)構(gòu)包括原邊電路、第一高頻變壓器、第二高頻變壓器和副邊電路，其中原邊電路包括直流電源、第一分壓電容、第二分壓電容、第一功率開關(guān)管、第二功率開關(guān)管、第三功率開關(guān)管和第四功率開關(guān)管，直流電源的正極分別連
接第一分壓電容的一端、第一功率開關(guān)管的漏極和第二功率開關(guān)管的漏極，直流電源的負(fù)極分別連接第二分壓電容的一端、第四功率開關(guān)管的源極和第三功率開關(guān)管的源極；第一高頻變壓器包括第一原邊繞組和第一副邊繞組，第二高頻變壓器包括第二原邊繞組和第二副邊繞組，第一原邊繞組的同名端分別連接第一功率開關(guān)管的源極和第四功率開關(guān)管的漏極，第一原邊繞組的非同名端分別連接第二原邊繞組的同名端、第一分壓電容的另一端和第二分壓電容的另一端，第二原邊繞組的非同名端分別連接第二功率開關(guān)管的源極和第三功率開關(guān)管的漏極；副邊電路包括第一四象限高頻功率開關(guān)、第二四象限高頻功率開關(guān)、第三四象限高頻功率開關(guān)、濾波電感、濾波電容和負(fù)載，第一四象限高頻功率開關(guān)的一端連接第一副邊繞組的同名端，第一四象限高頻功率開關(guān)的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關(guān)的一端、第三四象限高頻功率開關(guān)的一端和濾波電感的一端，第二四象限高頻功率開關(guān)的另一端連接第二副邊繞組的同名端，第二副邊繞組的非同名端分別連接第一副邊繞組的非同名端、第三四 象限高頻功率開關(guān)的另一端、濾波電容的一端和負(fù)載的一端，濾波電感的另一端分別連接濾波電容的另一端和負(fù)載的另一端。本發(fā)明是由兩個(gè)雙向功率流正激變換器單元在輸入端交錯(cuò)串聯(lián)、輸出端交錯(cuò)并聯(lián)構(gòu)成， 功率開關(guān)管的體二極管實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)高頻變壓器的磁復(fù)位，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)管的復(fù)用，大大減少了 開關(guān)管的數(shù)量，兩個(gè)正激單元始終交錯(cuò)工作，輸入端交錯(cuò)串聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得輸入分壓電容為高 頻電容，大大減小了分壓電容的體積和大小，輸出端交錯(cuò)并聯(lián)的結(jié)構(gòu)提高了等效開關(guān)頻率和 等效占空比，大大減小了電感電流紋波和輸出電壓紋波，同時(shí)降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力。綜 上所述，本發(fā)明具有如下有益效果(1) 輸入、輸出端高頻電氣隔離，輸出與輸入電壓匹配能力強(qiáng)；(2) 高頻變壓器通過開關(guān)管的體二極管完成磁復(fù)位，不需要額外的磁復(fù)位繞組或磁復(fù)位電路， 也不需要常規(guī)雙管正激變換器的磁復(fù)位二極管，電路結(jié)構(gòu)簡單；(3) 變壓器在高頻開關(guān)周期內(nèi)單向磁化，在整個(gè)輸出電壓周期內(nèi)雙向磁化，提高了磁芯利用 率；(4) 輸入分壓電容為高頻電容，大大減小了分壓電容的體積和大??；(5) 副邊交錯(cuò)并聯(lián)輸出，提高了等效占空比及電感電流脈動(dòng)頻率，有利于減小輸出濾波器體 積，減小輸出電壓紋波，提高功率密度，降低成本。


圖1是本發(fā)明單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的電路原理圖。 圖2 (a) ~ (d)分別是四種四象限高頻功率開關(guān)的電路示意圖。 圖3是本發(fā)明采用圖2 (a)所示的四象限高頻功率開關(guān)時(shí)的實(shí)施例電路原理圖。 圖4是在空載時(shí)圖3所示的實(shí)施例電路在四種工作模式(A-D-C-B)下的主要波形圖，圖中r^ F^。分別為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Vc—控制電壓；V,—三角波電壓；V。一輸出電壓；Z。一輸出電流。圖5 (a)是在空載時(shí)圖3所示的實(shí)施例電路在工作模式A和D下的等效電路原理圖，圖5 (b)是在空載時(shí)圖3所示的實(shí)施例電路在工作模式C和B下的等效電路原理圖。 圖6是單級(jí)正激式半橋型高頻鏈逆變器的電路原理圖。圖1、圖3、圖5、圖6中的標(biāo)號(hào)名稱10—原邊電路；20—副邊電路；&~&分別是第 一、第二、第三、第四功率開關(guān)管；r;、 72分別是第一、第二高頻變壓器；Ww、 iVw分別是 第一、第二原邊繞組；Ww、 iVfo分別是第一、第二副邊繞組；C" G分別是第一、第二分壓 電容；&廣1^3分別是第一、第二、第三四象限高頻功率開關(guān)；&~&。均是構(gòu)成四象限高頻功 率開關(guān)的MOSFET開關(guān)管；直流電源(輸入電壓)；丄。一濾波電感；C。一濾波電容；i 。 一負(fù)載。
具體實(shí)施方式
如圖1所示，本發(fā)明單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的結(jié)構(gòu)包括原邊電路IO、第一高頻變壓器r;、第二高頻變壓器r2和副邊電路20，其中原邊電路io包括直流電源r,"、第一分壓電容G、第二分壓電容G、第一功率開關(guān)管&、第二功率開關(guān)管&、第三功率開關(guān)管&和第四功率開關(guān)管&，直流電源P^的正極分別連接第一分壓電容C;的一端、第一功率開關(guān)管&的漏極和第二功率開關(guān)管&的漏極，直流電源R 的負(fù)極分別連接第二分壓電容c2的一端、 第四功率開關(guān)管&的源極和第三功率開關(guān)管&的源極；第一高頻變壓器r;包括第一原邊繞組Ww和第一副邊繞組A^;，第二高頻變壓器7^包括第二原邊繞組Afe和第二副邊繞組Afe， 第一原邊繞組7Vw的同名端分別連接第一功率開關(guān)管&的源極和第四功率開關(guān)管&的漏極，第一原邊繞組7VP;的非同名端分別連接第二原邊繞組Afe的同名端、第一分壓電容c7的另一端和第二分壓電容C2的另一端，第二原邊繞組的非同名端分別連接第二功率開關(guān)管&的源極和第三功率開關(guān)管&的漏極；副邊電路20包括第一四象限高頻功率開關(guān)&"第二四象限高頻功率開關(guān)&2、第三四象限高頻功率開關(guān)&3、濾波電感丄。、濾波電容C。和負(fù)載i 。，第一四象限高頻功率開關(guān)5^的一端連接第一副邊繞組A^的同名端，第一四象限高頻功率開關(guān)Sw的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關(guān)&2的一端、第三四象限高頻功率開關(guān)&3的一端和濾波電感丄。的一端，第二四象限高頻功率開關(guān)SM的另一端連接第二副邊繞組Afe的同名端，第二副邊繞組7Vfe的非同名端分別連接第一副邊繞組A^的非同名端、第三四象限高頻功率開關(guān)&3的另一端、濾波電容C。的一端和負(fù)載i 。的一端，濾波電感丄。的另一端分別連接濾波電容C。的另一端和負(fù)載i 。的另一端。
在具體實(shí)施過程中，根據(jù)原邊電路的功率開關(guān)管及副邊電路的四象限高頻功率開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方式不同而具有多種實(shí)施方式，其中原邊電路中功率開關(guān)管可以采用MOSFET或者帶有體二極管的普通IGBT，圖2 (a) ~ (d)給出了副邊電路中四象限高頻功率開關(guān)的四種實(shí)現(xiàn)方式，其中圖2 (a)是由兩個(gè)MOSFET或者普通IGBT采用共射極式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的四象限高頻功率開關(guān)；圖2 (b)是由兩個(gè)MOSFET或者普通IGBT采用共集電極式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的四象限高頻功率開關(guān)；圖2 (c)是由兩個(gè)逆阻式IGBT采用反并聯(lián)結(jié)構(gòu)構(gòu)成的四象限高頻功率開關(guān)；圖2 (d)是由逆阻式IGBT與二極管橋式結(jié)構(gòu)構(gòu)成的四象限高頻功率開關(guān)。
如圖3所示是副邊電路的四象限高頻功率開關(guān)采用如圖2 (a)所示的兩個(gè)MOSFET共射極式結(jié)構(gòu)、所有開關(guān)管均采用MOSFET的單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的實(shí)施例電路原理圖。
下面以圖3所示的電路為例來說明該單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的控制原理及具體工作過
程
開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)由控制電壓與三角波電壓比較得到，開關(guān)管與三角波電壓比較得到的PWM控制信號(hào)經(jīng)分頻得到兩路PWM控制信號(hào)控制交錯(cuò)的兩個(gè)正激單元工作，通過控制，使開關(guān)管的開關(guān)狀態(tài)滿足如下規(guī)律在輸出電壓的正半周，開關(guān)管&與&交錯(cuò)180°高頻斬波工作，&與&的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持為0，開關(guān)管&作為&的同步整流管與&同時(shí)開通與關(guān)斷，&作為&的同步整流管與&同時(shí)開通與關(guān)斷，&作為同步續(xù)流管高頻開關(guān)動(dòng)作，當(dāng)&與^同時(shí)關(guān)斷時(shí)，&導(dǎo)通，否則&關(guān)斷，&、 &、 &0—直導(dǎo)通；在輸出電壓的負(fù)半周，開關(guān)管&與&交錯(cuò)180°高頻斬波工作，&與&的驅(qū)動(dòng)信號(hào)保持為0，開關(guān)管&作為&的同步整流管與&同時(shí)開通與關(guān)斷，&作為&的同步整流管與&同時(shí)開通與關(guān)斷，&0作為同步續(xù)流管高頻開關(guān)動(dòng)作，當(dāng)&與&同時(shí)關(guān)斷時(shí)，S/fl導(dǎo)通，否則&c關(guān)斷，&、 S7、 &一直導(dǎo)通。
在輸出正弦波的正半周，變壓器K與72在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分別通過&與&的體二極管完成磁復(fù)位；在輸出正弦波的負(fù)半周，變壓器r;與72在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)分別通過&與&的體二極管完成磁復(fù)位。
由于逆變器具有四象限工作能力，因此可以帶感性、容性、阻性和整流性負(fù)載。在一個(gè)輸出電壓周期中，逆變器有四種工作模式分別對(duì)應(yīng)四個(gè)象限的工作，不同的負(fù)載條件下逆變器的工作模式順序不同。
圖4是在空載時(shí)圖3所示的實(shí)施例電路在四種工作模式(A-D-C-B)下的主要波形圖。下面結(jié)合圖4和圖5來說明圖3所示的實(shí)施例電路在四種工作模式下的工作原理及工作過程
l.能量輸出模式(A、 C)模式A (v。>0， p>0)
在工作模式A，功率開關(guān)管&、 &交錯(cuò)180°高頻斬波工作，&、 57同步整流，&同步續(xù)流，功率開關(guān)管&、 &驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0， &、 &、 &一直導(dǎo)通，變壓器r;通過&的體二極管完
成磁復(fù)位，變壓器r2通過&的體二極管完成磁復(fù)位。直流電源^ 向負(fù)載/ 。傳輸能量，如圖
5 (a)所示。模式C (v。<0， z'。<0)在工作模式C,功率開關(guān)管&、 &交錯(cuò)180°高頻斬波工作，S6、 &同步整流，&。同步續(xù)流，功率開關(guān)管&、 &驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0， &、 s7、 &一直導(dǎo)通，變壓器^通過&的體二極管完成磁復(fù)位，變壓器7^通過&的體二極管完成磁復(fù)位。直流電源^向負(fù)載及。傳輸能量，如 圖5 (b)所示。 2.能量回饋模式(B、 D) 模式B (v。<0， i。>0)在工作模式B，功率開關(guān)管&、 &、 5^高頻斬波工作，&、 &同步整流，功率開關(guān)管&、 &驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0， &、 &、 &一直導(dǎo)通，變壓器乃通過&的體二極管完成磁復(fù)位，變壓器7^ 通過&的體二極管完成磁復(fù)位。負(fù)載i 。向輸入電源回饋能量，如圖5 (b)所示。模式D (v。>0, /。<0)在工作模式D，功率開關(guān)管&、 S7、 &高頻斬波工作，&、 &同步整流，功率開關(guān)管&、 &驅(qū)動(dòng)信號(hào)為0， &、 &、 &。一直導(dǎo)通，變壓器K通過&的體二極管完成磁復(fù)位，變壓器72 通過&的體二極管完成磁復(fù)位。負(fù)載7 。向輸入電源回饋能量，如圖5 (a)所示。當(dāng)逆變器帶感性負(fù)載時(shí)，工作模式的順序?yàn)锳-B-C-D;當(dāng)逆變器帶容性負(fù)載時(shí)，工作模 式的順序?yàn)锳-D-C-B。對(duì)于輸出電壓較低，對(duì)分壓電容沒有特殊要求的應(yīng)用場合，可以應(yīng)用圖6所示的單級(jí)正 激式半橋型高頻鏈逆變器。該逆變器實(shí)際使用了圖1所示的單級(jí)正激式高頻鏈逆變器兩個(gè)雙 向功率流正激變換器單元中的一個(gè)，適用于中低壓輸出場合，由于僅使用了其中的一路，開 關(guān)管的數(shù)量大大減少，極大的降低了成本。由于僅使用了一個(gè)正激單元，因此該逆變器的分壓電容需要濾除輸出電壓頻率的電壓紋 波，相對(duì)于單級(jí)正激式高頻鏈逆變器，其分壓電容的容量及體積要大，此外，在相同的輸出 電壓下，副邊開關(guān)管的電壓應(yīng)力相對(duì)于單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的副邊開關(guān)管要提高一倍， 采用相同的濾波電感及濾波電容時(shí)，電感電流及電容電壓紋波的大小也要提高一倍，但相比 于單極正激式高頻鏈逆變器，半橋型高頻鏈逆變器可以減少將近一半的開關(guān)管和一個(gè)高頻變 壓器，因此大大減小了變換器的成本，除此之外，單級(jí)正激式半橋型高頻鏈逆變器的特性與 單級(jí)正激式高頻鏈逆變器的特性完全一樣。
權(quán)利要求
1、一種單級(jí)正激式高頻鏈逆變器，其特征在于包括原邊電路(10)、第一高頻變壓器(T1)、第二高頻變壓器(T2)和副邊電路(20)，其中原邊電路(10)包括直流電源(Vin)、第一分壓電容(C1)第二分壓電容(C2)、第一功率開關(guān)管(S1)、第二功率開關(guān)管(S2)、第三功率開關(guān)管(S3)和第四功率開關(guān)管(S4)，直流電源(Vin)的正極分別連接第一分壓電容(C1)的一端、第一功率開關(guān)管(S1)的漏極和第二功率開關(guān)管(S2)的漏極，直流電源(Vin)的負(fù)極分別連接第二分壓電容(C2)的一端、第四功率開關(guān)管(S4)的源極和第三功率開關(guān)管(S3)的源極；第一高頻變壓器(T1)包括第一原邊繞組(NP1)和第一副邊繞組(NS1)，第二高頻變壓器(T2)包括第二原邊繞組(NP2)和第二副邊繞組(NS2)，第一原邊繞組(NP1)的同名端分別連接第一功率開關(guān)管(S1)的源極和第四功率開關(guān)管(S4)的漏極，第一原邊繞組(NP1)的非同名端分別連接第二原邊繞組(NP2)的同名端、第一分壓電容(C1)的另一端和第二分壓電容(C2)的另一端，第二原邊繞組(NP2)的非同名端分別連接第二功率開關(guān)管(S2)的源極和第三功率開關(guān)管(S3)的漏極；副邊電路(20)包括第一四象限高頻功率開關(guān)(SD1)、第二四象限高頻功率開關(guān)(SD2)、第三四象限高頻功率開關(guān)(SD3)、濾波電感(Lo)、濾波電容(Co)和負(fù)載(Ro)，第一四象限高頻功率開關(guān)(SD1)的一端連接第一副邊繞組(NS1)的同名端，第一四象限高頻功率開關(guān)(SD1)的另一端分別連接第二四象限高頻功率開關(guān)(SD2)的一端、第三四象限高頻功率開關(guān)(SD3)的一端和濾波電感(Lo)的一端，第二四象限高頻功率開關(guān)(SD2)的另一端連接第二副邊繞組(NS2)的同名端，第二副邊繞組(NS2)的非同名端分別連接第一副邊繞組(NS1)的非同名端、第三四象限高頻功率開關(guān)(SD3)的另一端、濾波電容(Co)的一端和負(fù)載(Ro)的一端，濾波電感(Lo)的另一端分別連接濾波電容(Co)的另一端和負(fù)載(Ro)的另一端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單級(jí)正激式高頻鏈逆變器，屬電力電子變換器領(lǐng)域。該逆變器結(jié)構(gòu)包括原邊電路、第一高頻變壓器、第二高頻變壓器和副邊電路，原邊電路由電源、兩個(gè)分壓電容、四個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成；第一和第二高頻變壓器均由原邊繞組和副邊繞組構(gòu)成；副邊電路由三個(gè)四象限高頻功率開關(guān)、濾波電感、濾波電容和負(fù)載構(gòu)成。該逆變器是由兩個(gè)雙向功率流正激變換器單元在輸入端交錯(cuò)串聯(lián)、輸出端交錯(cuò)并聯(lián)構(gòu)成，兩個(gè)正激單元始終交錯(cuò)工作，開關(guān)管的體二極管實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的磁復(fù)位。本發(fā)明原副邊開關(guān)管電壓應(yīng)力低、分壓電容容量小、變換效率高、可靠性高，適用于中、高壓輸入場合，尤其在新能源發(fā)電領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。
文檔編號(hào)H02M7/537GK101635530SQ20091018450
公開日2010年1月27日 申請(qǐng)日期2009年8月28日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月28日
發(fā)明者吳紅飛, 犁 張, 巖 邢 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)