一种抑制功率纹波的隔离型逆变器的制作方法
本发明涉及一种抑制功率纹波的隔离型逆变器，属于隔离型逆变器，其利用增加的辅助电路来抑制输入侧低频功率纹波。
背景技术：
近年来，能源问题和环境问题已成为人类关注的核心问题，大力发展清洁、高效、可持续的新能源已成为当务之急，与此相关的新能源电力技术也引起了学者和工业界的广泛关注，由此提出了一些关于新能源发电的逆变器拓扑及控制方案并且应用于实际产品。例如附图1所示，为一种典型的单相推挽逆变器。对于这种系统，交流输出功率中含有两倍于输出电压基波频率的脉动，此脉动分量必然会反馈到直流输入侧，影响蓄电池、燃料电池等输入源的使用寿命，严重时会干扰直流电源系统的稳定性，因此解决新能源发电系统中的功率纹波问题，提高新能源的利用效率已刻不容缓。虽然使用大电解电容来滤除功率纹波是一种有效的解决方法，但在高温工作条件下，电解电容长时间频繁的充放电会导致其使用寿命下降，从而影响逆变器的使用寿命，并且降低了系统功率密度。在电路中接入LC谐振电路，通过将谐振电路频率设计为两倍输出频率，也可以实现抑制两倍功率纹波的目的，但要滤除低频纹波所需的电感和电容体积都比较大，降低了系统的可靠性和功率密度。在电路中接入有源滤波器，额外增加的电路必然需要额外的控制系统，使整个系统都变的较为复杂。把辅助电路嵌入到原有的变换器中，进而适当改进原有的控制方法实现输入侧功率纹波的抑制，是非常有优势的。
技术实现要素：
本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种抑制功率纹波的隔离型逆变器，该逆变器不仅可以实现电能变换，而且能够抑制直流输入侧的两倍频功率纹波，因此电路中不需要大容值的电容来滤除低频功率纹波。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器，包括直流电源、输入电容、主开关管、隔离变压器、整流电路、滤波电路、极性反转逆变桥及负载，其中主开关管包括两个开关管，隔离变压器包括三个绕组，直流电源的正极、输入电容的输入端、第一绕组的同名端和第二绕组的异名端相连接，直流电源的负极和输入电容的输出端相连接，第一主开关管的发射极和第二主开关管的发射极相连接，第一绕组的异名端接第一主开关管的集电极，第二绕组的同名端接第二主开关管的集电极，整流电路包括四个二极管，第一整流二极管的阳极、第二整流二极管的阴极和第三绕组的同名端相连接，第三整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极和第三绕组的异名端相连接，第一整流二极管和第三整流二极管的阴极连接构成整流电路的正输出端，第二整流二极管和第四整流二极管的阳极连接构成整流电路的负输出端，极性反转逆变桥包括四个开关管，滤波电感的一端接整流电路的正输出端，滤波电感的另一端、滤波电容的输入端、第一开关管的集电极和第三开关管的集电极相连接，滤波电容的输出端、整流电路的负输出端、第二开关管的发射极和第四开关管的发射极相连接，第一开关管的发射极、第二开关管的集电极和负载的一端相连构成正输出端，第三开关管的发射极、第四开关管的集电极和负载的另一端相连构成负输出端；还包括由四个辅助二极管、两个辅助开关管、辅助电感和辅助电容组成的有源辅助电路，直流电源的正极、辅助电感的一端、第一辅助二极管的阴极和第二辅助开关管的发射极相连接，辅助电感的另一端、第一辅助开关管的集电极和第四辅助二极管的阳极相连接，第四辅助二极管的阴极、辅助电容的输入端和第二辅助开关管的集电极相连接，辅助电容的输出端、第一辅助二极管的阳极和第二辅助二极管的阴极相连接，第二辅助二极管的阳极、第三辅助二极管的阳极和第一主开关管的发射极相连接，第三辅助二极管的阴极、第一辅助开关管的发射极和直流电源的负极相连接。
本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过控制辅助电路将交流输出负载端带来的功率纹波转移到辅助电容上，达到抑制输入侧两倍频功率纹波的目的，并且逆变器中的电容均可采用容值较小的电容。
附图说明
附图1是传统单相推挽逆变器电路结构示意图。
附图2是本发明的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器电路结构示意图。
附图3是本发明的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器主要工作波形示意图。
附图4是本发明的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器输入输出功率关系示意图。
附图5～图12是本发明的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器的各开关模态示意图。
上述附图中的主要符号名称：Vin、电源电压。Sm1、Sm2、Sx1、Sx2、S1～S4、功率开关管。Dx1～Dx4、辅助二极管。Cin、输入电容。Cx、辅助电容。Lx、辅助电感。Tr、隔离变压器。N1、N2、N3、隔离变压器绕组。D1～D4、整流二极管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RL、负载。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
附图2所示的是一种抑制功率纹波的隔离型逆变器电路结构示意图。由直流电源、输入电容1、主开关管2、隔离变压器3、整流电路4、滤波电路5、极性反转逆变桥6、负载7及辅助电路8组成。Sm1、Sm2、Sx1、Sx2是四只功率开关管，Lx是辅助电感，Cx是辅助电容，Dx1～Dx4是辅助二极管，Tr是隔离变压器，D1～D4是整流二极管，Lf是滤波电感，Cf是滤波电容，S1～S4是逆变开关管，RL为负载。
结合附图3～附图12叙述本发明的具体工作原理。由附图3可知整个逆变器工作在两种模式下，模式1下一个开关周期有4种开关模态，分别是[tI0-tI1]、[tI1-tI2]、[tI2-tI3]、[tI3-tI4]，模式2下一个开关周期有6种开关模态，分别是[tII0-tII1]、[tII1-tII2]、[tII2-tII3]、[tII3-tII4]、[tII4-tII5]、[tII5-tII6]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，先作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②忽略隔离变压器的漏感。
模式1中，直流电源端提供的输入功率大于输出功率，此时输出功率则由直流电源端直接提供，而多余的输入功率则通过辅助电路最终储存在辅助电容上，见附图4所示，区域A和区域B分别表示模式1中输出所需的功率和多余的功率。模式2中，直流电源端提供的输入功率小于输出功率，此时直流电源端输入功率经推挽电路传递给副边，其中不足的部分则由在模式1中已储能的辅助电容提供，区域C和区域D分别表示模式2中直流输入功率和辅助电容释放的功率。通过控制辅助电路将负载侧产生的功率纹波转移到辅助电容上，使得直流电源端基本上只提供直流功率，达到抑制直流输入侧功率纹波的目的。
下面对模式1下各开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[tI0-tI1][对应于附图5]
主开关管Sm1开通，直流电源端输入功率的一部分A传递到变压器副边，同时辅助开关管Sx1具有控制信号，将另一部分功率B储存到辅助电容Cx，其中Sx1的控制是独立于逆变器的，因此附图3中没有给出Sx1的驱动信号。
2.开关模态2[tI1-tI2][对应于附图6、附图7]
tI1时刻关断Sm1，辅助电路仍继续工作，将多余的功率B继续转移到辅助电容Cx上，如附图6所示；当多余的功率B全部转移到辅助电容Cx上时，辅助电路停止工作，如附图7所示。附图6和附图7两者相同的是隔离变压器副边滤波电感电流均通过整流二极管续流。
3.开关模态3[tI2-tI3][对应于附图8]
由于在推挽电路中，隔离变压器原边两个绕组对应的主开关管在一个开关周期内是交替工作的，所以此阶段，Sm2开通，直流电源端输入功率的一部分A仍传递到变压器副边，另一部分功率B则流向辅助电路。
4.开关模态4[tI3-tI4][对应于附图6、附图7]
此模态与模式1下开关模态2一样。
下面对模式2下各开关模态的工作情况进行具体分析。在该模式下，辅助电路中Sx1未开通。
1.开关模态1[tII0-tII1][对应于附图9]
主开关管Sm1开通，直流电源端输入功率C全部传递到变压器副边。
2.开关模态2[tII1-tII2][对应于附图10]
tII1时刻开通辅助开关管Sx2，由于辅助电容电压vx大于直流电源电压，辅助二极管Dx1和Dx3均承受反压而截止，此时辅助电容Cx向变压器副边传递输出功率大于输入功率的部分D，即直流电源端输入功率不足以提供输出所需的全部功率，不足的部分由在模式1下已充电的辅助电容提供。
3.开关模态3[tII2-tII3][对应于附图7]
tII2时刻同时关断主开关管Sm1和辅助开关管Sx2。此模态与模式1下开关模态2一样，隔离变压器副边滤波电感电流通过整流二极管续流。
4.开关模态4[tII3-tII4][对应于附图11]
此阶段，Sm2开通，同模式2下开关模态1一样，直流电源端输入功率C全部传递到 变压器副边。
5.开关模态4[tII4-tII5][对应于附图12]
辅助开关管Sx2开通，辅助电容Cx补充输入功率不足以提供给输出功率的部分D。6.开关模态4[tII5-tII6][对应于附图7]
tII5时刻同时关断Sm2和辅助开关管Sx2，隔离变压器副边滤波电感电流通过整流二极管续流。
从以上的描述可以得知，本发明提出的一种抑制功率纹波的隔离型逆变器具有以下几方面的优点：
1)由于增加了有源辅助电路，使输出带来的两倍频脉动功率从辅助电路中通过，从而达到抑制直流电源输入侧功率纹波的效果。
2)该逆变器中的电容均可采用容值和体积较小的薄膜电容，大大的延长了逆变器的使用寿命。
3)系统的开关频率高，并且隔离变压器双向磁化，提高了系统的功率密度。
4)极性反转逆变桥开关管的电压应力低且为零电压零电流开关，提高了逆变器的效率。
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