本發(fā)明涉及電力電子變換器，具體涉及一種基于高頻鏈的單級式逆變器。

背景技術：

電力電子變換器是利用功率開關器件通過特定的組合方式而構(gòu)成的電能變換裝置，主要分為交流變直流、直流變交流、直流變直流、交流變交流四大類。其中將直流電轉(zhuǎn)換為交流電的變換器稱為逆變器，隨著電力電子技術的發(fā)展，逆變器作為一種電能轉(zhuǎn)換裝置已廣泛應用于航空航天、軌道交通、感應加熱、新能源發(fā)電系統(tǒng)等領域。

逆變器按照功率變換的級數(shù)分類，可分為單級式變換和多級式變換兩種拓撲方案；單級式逆變器只有一級能量轉(zhuǎn)換，因此相對于多級式變換，單級式逆變器具有電路簡單、可靠性高、和高效低功耗等優(yōu)點。按照是否含有變壓器及其變壓器的類型，可分為無變壓器型、工頻變壓器型和高頻隔離變壓器型，無變壓器型逆變器輸入輸出之間無電氣隔離。目前普遍應用的逆變器為多級逆變器、工頻變壓器型逆變器和無變壓器型逆變器，因此均存在損耗高或體積大等缺點。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術問題是：提供一種基于高頻鏈的單級式逆變器，其提高了逆變器的磁芯利用率，減少了逆變器的體積。

本發(fā)明的解決方案是這樣實現(xiàn)的：一種基于高頻鏈的單級式逆變器，包括依次連接的前級高頻鏈逆變電路、高頻隔離變壓器、后級吸收電路、后級逆變電路和輸出濾波電路，其中，

所述前級高頻逆變電路將直流電源轉(zhuǎn)換為高頻交流電后，傳輸?shù)礁哳l隔離變壓器的原邊繞組；優(yōu)選的是，所述高頻交流電的占空比為0.01-0.99之間，并且，當高頻交流電的占空比為0.5時，其轉(zhuǎn)換效率最高。

所述高頻隔離變壓器將原邊繞組高頻電壓以變比為1：N的方式傳輸?shù)礁哳l隔離變壓器的兩個副邊繞組，產(chǎn)生兩路同幅同相的高頻電；

所述后級吸收電路跨接于所述高頻隔離變壓器的兩個副邊繞組之間，用于吸收變壓器尖峰和給后級逆變電路提供續(xù)流通道；

所述后級逆變電路將所述高頻隔離變壓器兩個副邊繞組的高頻交流電轉(zhuǎn)換為SPWM交流電，并傳輸?shù)捷敵鰹V波電路；

所述輸出濾波電路將SPWM交流電進行濾波后，為負載供電。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述前級高頻鏈逆變電路包括第一開關管(S1)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)和第四開關管(S4)；第一開關管(S1)與第二開關管(S2)構(gòu)成一個半橋，第三開關管(S3)與第四開關管(S4)構(gòu)成一個半橋；第一開關管(S1)與第四開關管(S4)的驅(qū)動信號相同，第二開關管(S2)與第三開關管(S3)的驅(qū)動信號相同，第一開關管(S1)驅(qū)動信號與第二開關管(S2)驅(qū)動信號互補。優(yōu)選的是，所述驅(qū)動信號的占空比為0.01-0.99之間，并且，當驅(qū)動信號的占空比為0.5時，所述前級高頻鏈逆變電路的轉(zhuǎn)換效率最高。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述第一開關管(S1)、第二開關管(S2)、第三開關管(S3)和第四開關管(S4)由IGBT和與其反并聯(lián)的二極管組成，其中二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極與IGBT的集電極相連。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述第一開關管(S1)的集電極、第三開關管(S3)的集電極和直流電源的正極相連接，所述第二開關管(S2)的發(fā)射極、第四開關管(S4)的發(fā)射極和直流電源的負極相連接。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述高頻隔離變壓器包括第一原邊繞組(N1)、第一副邊繞組(N2)和第二副邊繞組(N3)，所述第一原邊繞組(N1)與第一副邊繞組(N2)的匝數(shù)比和第一原邊繞組(N1)與第二副邊繞組(N3)的匝數(shù)比相同。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述高頻隔離變壓器的第一原邊繞組(N1)的同名端與所述第三開關管(S3)的發(fā)射極和第四開關管(S4)的集電極相連接，所述高頻隔離變壓器的第一原邊繞組N1的異名端與所述第一開關管(S1)的發(fā)射極和第二開關管(S2)的集電極相連接。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述后級吸收電路包括第五開關管(S5)、第六開關管(S6)、第一二極管(D1)、第一電容(C1)、第二電容(C2)、第三電容(C3)和第四電容(C4)；所述第六開關管(S6)的發(fā)射極、第一電容(C1)的一端和第一副邊繞組(N2)的同名端相連接，第一電容(C1)的另一端、第二電容(C2)的一端和第二副邊繞組(N3)的同名端相連接，第二電容(C2)的另一端和第五開關管(S5)的集電極相連接，第五開關管(S5)的發(fā)射極、第一二極管(D1)的陽極、第三電容(C3)的一端和第二副邊繞組(N3)的異名端相連接，第三電容(C3)的另一端、第四電容(C4)的一端和第一副邊繞組(N2)的異名端相連接，第四電容(C4)的另一端、第一二極管(D1)的陰極和第六開關管(S6)的集電極相連接。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述后級逆變電路包括第七開關管(S7)、第八開關管(S8)、第九開關管(S9)和第十開關管(S10)；所述第七開關管(S5)和第八開關管(S8)構(gòu)成一個半橋；所述第九開關管(S9)和第十開關管(S10)構(gòu)成一個半橋；所述第七開關管(S7)的發(fā)射極與第一副邊繞組(N2)的異名端相連接，所述第七開關管(S7)的集電極與第八開關管(S8)的發(fā)射極相連接，所述第八開關管(S8)的集電極與第二副邊繞組(N3)的同名端相連接，所述第九開關管(S9)的集電極與第二副邊繞組(N3)的異名端相連接，所述第九開關管(S9)的發(fā)射極與第十開關管(S10)的集電極相連接，所述第十開關管(S10)的發(fā)射極與第一副邊繞組(N2)的同名端相連接，其中所述第七開關管(S7)和第十開關管的驅(qū)動信號相同(S10)，所述第八開關管(S8)和第九開關管(S9)的驅(qū)動信號相同。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述第五開關管(S5)和第六開關管(S6)由IGBT和反并聯(lián)二極管組成，其中二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極與IGBT的集電極相連；或者，所述第七開關管(S7)、第八開關管(S8)、第九開關管(S9)和第十開關管(S10)由IGBT和反并聯(lián)二極管組成，其中二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極與IGBT的集電極相連。

本發(fā)明的另一技術方案在于在上述基礎之上，所述輸出濾波電路包括輸出濾波電感(Lf)和輸出濾波電容(Cf)，所述輸出濾波電感(Lf)的一端與第九開關管(S9)的發(fā)射極和第十開關管(S10)的集電極相連接，所述輸出濾波電感(Lf)的另一端與輸出濾波電容(Cf)的一端連接，所述輸出濾波電容的另一端與第八開關管(S8)的發(fā)射極和第七開關管(S7)的集電極相連接。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明所述的基于高頻鏈的單級式逆變器，其包括依次連接的前級高頻鏈逆變電路、高頻隔離變壓器、后級吸收電路、后級逆變電路和輸出濾波電路。所述單級式逆變器轉(zhuǎn)換級數(shù)較少，提高了高頻隔離變壓器的磁芯利用率和系統(tǒng)效率，實現(xiàn)了變換器的電氣隔離，減小輸出濾波體積和重量。

附圖說明

構(gòu)成本發(fā)明的一部分的附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當限定。

圖1為本發(fā)明一種實施方式涉及的單級式逆變器的電路拓撲結(jié)構(gòu)圖；

圖2和圖3為圖1中高頻隔離變壓器在不同狀態(tài)下的后級等效電路圖。

圖中：

1前級高頻逆變電路 2高頻隔離變壓器 3后級吸收電路

4后級逆變器邊路 5輸出濾波電路

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進行詳細描述，本部分的描述僅是示范性和解釋性，不應對本發(fā)明的保護范圍有任何的限制作用。此外，本領域技術人員根據(jù)本文件的描述，可以對本文件中實施例中以及不同實施例中的特征進行相應組合。

本發(fā)明的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于區(qū)別類似的對象，而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數(shù)據(jù)在適當情況下可以互換，以便這里描述的本發(fā)明的實施例，例如能夠以除了在這里圖示或描述的那些以外的順序?qū)嵤?。此外，術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形，意圖在于覆蓋不排他的包含，例如，包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統(tǒng)、產(chǎn)品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元，而是可包括沒有清楚地列出的或?qū)τ谶@些過程、方法、產(chǎn)品或設備固有的其它步驟或單元。

本發(fā)明實施例如下，請參見圖1和圖2，一種基于高頻鏈的單級式逆變器，包括依次連接的前級高頻鏈逆變電路1、高頻隔離變壓器2、后級吸收電路3、后級逆變電路4和輸出濾波電路5五個部分。

所述前級高頻逆變電路1包括四個開關管S1、S2、S3和S4組成的單相全橋逆變結(jié)構(gòu)，由直流電源向前級高頻逆變電路1供電；高頻隔離變壓器2包括第一原邊繞組N1、第一副邊繞組N2和第二副邊繞組N3組成的單原邊雙副邊結(jié)構(gòu)；后級吸收電路3包括電容C1、電容C2、電容C3、電容C4、開關管S5和開關管S6；后級逆變級電路4包括四個開關管S7、S8、S9和S10組成的單相全橋式結(jié)構(gòu)；輸出濾波電路5包括電感Lf和電容Cf組成的LC濾波器結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明所述的基于高頻鏈的單級式逆變器，其中，各開關管可以由IGBT和反并聯(lián)二極管組成，其中二極管的陽極與IGBT的發(fā)射極相連，二極管的陰極與IGBT的集電極相連。開關管S1的集電極、開關管S3的集電極和直流電源單元的正極相連接，開關管S2的發(fā)射極、開關管S4的發(fā)射極和直流電源單元的負極相連接。所述高頻隔離變壓器的第一原邊繞組N1同名端與開關管S3的發(fā)射極和開關管S4的集電極相連接，高頻隔離變壓器的第一原邊繞組N1異名端與開關管S1的發(fā)射極和開關管S2的集電極相連接；開關管S6的發(fā)射極、開關管S10的發(fā)射極、電容C1的一端和第一副邊繞組N2的同名端相連接，電容C1的另一端和電容C2的一端、開關管S8的集電極和第二副邊繞組N3的同名端相連接，電容C2的另一端和開關管S5的集電極相連接，開關管S5的發(fā)射極、開關管S9的集電極、二極管D1的陽極、電容C3的一端和第二副邊繞組N3的異名端相連接，電容C3的另一端、電容C4的一端、開關管S7的發(fā)射極和第一副邊繞組N2的異名端相連接，電容C4的另一端、二極管D1的陰極和開關管S6的集電極相連接；開關管S9的發(fā)射極、開關管S10的集電極和輸出濾波電感Lf的一端相連接，輸出濾波電感Lf的另一端與輸出濾波電容Cf的一端連接，輸出濾波電容的另一端和開關管S7的集電極、開關管S8的發(fā)射極相連接。

在上述實施例的基礎上，本發(fā)明另一實施例中，所述前級高頻逆變電路中的開關管S1和開關管S4的驅(qū)動電路相同，開關管S2和開關管S3的驅(qū)動電路相同，開關管S1的驅(qū)動信號與開關管S2的驅(qū)動信號互補，開關管S1、S2、S3和S4的驅(qū)動信號的占空比為0.01-0.99之間，將直流電源轉(zhuǎn)換為占空比為0.01-0.99之間的高頻交流電傳輸?shù)礁哳l隔離變壓器的原邊，使高頻隔離變壓器工作磁通關于原點對稱，以提高高頻隔離變壓器的利用率。優(yōu)選的是，所述開關管S1、S2、S3和S4的驅(qū)動信號的占空比為0.5，將直流電源轉(zhuǎn)換為占空比為0.5的高頻交流電傳輸?shù)礁哳l隔離變壓器的原邊，使高頻隔離變壓器工作磁通關于原點對稱，以提高高頻隔離變壓器的利用率。

在上述實施例的基礎上，本發(fā)明另一實施例中，所述第一原邊繞組N1與第一副邊繞組N2的匝數(shù)比和第一原邊繞組N1與第二副邊繞組N3的匝數(shù)比相同，高頻隔離變壓器將原邊高頻電壓以變比為1：N的方式傳輸?shù)礁哳l隔離變壓器的兩個副邊繞組，在副邊繞組中感應出兩路同幅同相的高頻電。

本發(fā)明所述的基于高頻鏈的單級式逆變器具體工作原理如下，當開關管S2和開關管S3導通，開關管S1和開關管S4關斷時，高頻隔離變壓器的第一副邊繞組N2和第二副邊繞組N3的同名端感應出正電壓，高頻隔離變壓器第一副邊繞組N2和第二副邊繞組N3的異名端感應出負電壓，高頻隔離變壓器后級等效電路如圖2所示；后級吸收電路中開關管S6的驅(qū)動信號保持與第二開關管S2和第三開關管S3的驅(qū)動信號相同，后級吸收電路中電容C1與開關管S10反并聯(lián)二極管、開關管S9反并聯(lián)二極管和第二副邊繞組N3構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C4與開關管S6反并聯(lián)二極管、第一副邊繞組N2構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C3與開關管S10反并聯(lián)二極管、開關管S9反并聯(lián)二極管和第一副邊繞組N2構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C1、電容C4和電容C3各自所在的回路能夠有效的吸收高頻隔離變壓器的尖峰電壓。

當開關管S1和開關管S4導通，開關管S2和開關管S3關斷時，高頻隔離變壓器第一副邊繞組N2和第二副邊繞組N3的同名端感應出負電壓，高頻隔離變壓器第一副邊繞組N2和第二副邊繞組N3的異名端感應出正電壓，高頻隔離變壓器后級等效電路如圖3所示；后級吸收電路中開關管S5驅(qū)動信號保持與開關管S1和開關管S4的驅(qū)動信號相同，后級吸收電路電容C2與開關管S5反并聯(lián)二極管、第二副邊繞組N3構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C3與開關管S7反并聯(lián)二極管、開關管S8反并聯(lián)二極管和第二副邊繞組N3構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C4與二極管D1、開關管S7反并聯(lián)二極管、開關管S8反并聯(lián)二極管和第二副邊繞組N3構(gòu)成回路，后級吸收電路電容C2、電容C4和電容C3各自所在的回路能夠有效的吸收高頻隔離變壓器的尖峰電壓，進而改善輸出波形的質(zhì)量。

在上述實施例的基礎上，本發(fā)明另一實施例中，所述后級逆變電路采用SPWM調(diào)制策略或移相調(diào)制進行調(diào)制，其中開關管S7和開關管S10的驅(qū)動信號相同，開關管S8和開關管S9的驅(qū)動信號相同，開關管S7與開關管S8的驅(qū)動信號互補；高頻隔離變壓器副邊繞組的同名端感應出正電壓時，后級逆變開關管的驅(qū)動信號與高頻隔離變壓器副邊繞組同名端感應出負電壓時后級逆變開關管的驅(qū)動信號互補，使后級逆變電路輸出高頻SPWM，高頻SPWM經(jīng)過輸出濾波電路5后轉(zhuǎn)換為正弦波，為交流負載供電。

經(jīng)過理論分析和實踐經(jīng)驗表明，電氣產(chǎn)品的變壓器、電感和電容的體積重量與供電頻率的平方根成反比，所以當工作頻率從工頻的50Hz提高到高頻20KHZ時，用電設備的體積重量會下降至工頻設計的5-10％。因此相對于工頻變壓器型逆變器，高頻隔離變壓器型逆變器具有體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點。本發(fā)明所述的基于高頻鏈的單級式逆變器，其包括依次連接的前級高頻鏈逆變電路、高頻隔離變壓器、后級吸收電路、后級逆變電路和輸出濾波電路。所述單級式逆變器轉(zhuǎn)換級數(shù)較少，提高了高頻隔離變壓器的磁芯利用率和系統(tǒng)效率，實現(xiàn)了變換器的電氣隔離，減小輸出濾波體積和重量。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。