磁集成三电平双降压式半桥逆变器及其工作模式的制作方法

本发明涉及一种磁集成三电平双降压式半桥逆变器及其工作模式。

背景技术：

多电平逆变器克服了桥式逆变器和推挽式逆变器开关管电压应力的问题，而且电平数的增多会使得输出电压的总谐波畸变率更小，多电平逆变器适宜用于高压大功率变换的场合，但多电平逆变器受限于输入电容均压，多电平调制与输入均压耦合会造成多电平变换器电路结构与控制繁杂、调节速度慢。传统两电平双降压式半桥逆变器由于具有无桥臂直通、开关管无需设置死区时间、有独立的续流二极管可以进行优化设计、可靠性高、输出波形质量好、效率高等优点，但传统的两电平双降压式半桥逆变器输入电压其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电压应力大，直流电压利用率低，正常工作时它需要两个独立的输出滤波电感使得逆变器的体积和重量较大，引入磁集成技术虽然可以减小滤波电感的体积与重量但同时会引入环流的可能，降低电路的可靠性。在三电平双降压式半桥逆变器中引入磁集成技术可以不必担忧电路产生环流，可以确保电路的可靠性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种磁集成三电平双降压式半桥逆变器及其工作模式，克服了现有技术电压利用率低、桥臂输出为双极性PWM调制波、功率器件电压应力大、输出滤波电感体积大的缺陷。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种磁集成三电平双降压式半桥逆变器，其特征在于：包括直流电源Vd1、直流电源Vd2、二极管D1、二极管D2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、由电感L1和电感L2组成的耦合电感、输出滤波电容C和负载R；直流电源Vd1的正极与开关管S1的漏极连接，开关管S1的源极分别与开关管S2的源极、电感L1的同名端连接，电感L1的异名端分别与电感L2的异名端、输出滤波电容C的一端、负载R的一端连接，电感L2的同名端分别与二极管D2的正极、开关管S3的漏极连接，开关管S3的源极与直流电源Vd2的负极连接，开关管S2的漏极与二极管D1的负极连接，二极管D2的负极与开关管S4的源极连接；直流电源Vd1的负极、直流电源Vd2的正极、二极管D1的正极、输出滤波电容C的另一端、负载的另一端及开关管S4的漏极接地。

一种磁集成三电平双降压式半桥逆变器的工作模式，其特征在于：包括

（1）流经负载R的输出电流i_o>0的正半周

工作模式Ⅰ：开关管S1导通，开关管S2、开关管S3、开关管S4与二极管D2截止，电感L1的电流I_L1线性上升，开关管S3与二极管D1支路无电流通过，开关管S1源极的逆变桥输出电平为UA=+Ud，其中，Ud为直流电源Vd1和直流电源Vd2的输出电压；

工作模式Ⅱ：开关管S2与二极管D1导通，开关管S1、开关管S3、开关管S4与二极管D2截止，电感L1的电流I_L1经开关管S3与二极管D1续流线性下降，开关管S1源极的逆变桥输出电平为UA=0；

（2）流经负载R的输出电流i_o由正向负切换

工作模式Ⅲ：开关管S3体二极管导通，开关管S1、开关管S2、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，开关管S2体二极管在电感L2的同名端的感应电动势UB作用下导通，电感L1储能转移到电感L2，电感L2的电流I_L2线性下降，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=-Ud；

（3）流经负载R的输出电流i_o>0的负半周

工作模式Ⅳ：开关管S3导通，开关管S1、开关管S2、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，电感L2的电流I_L2线性上升，开关管S4与二极管D2支路无电流通过，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=-Ud；

工作模式Ⅴ：开关管S4与二极管D2导通，开关管S1、开关管S2、开关管S3与二极管D1截止，电感L2的电流I_L2经开关管S4与二极管D2线性下降，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=0；

（4）流经负载R的输出电流i_o由负向正切换

工作模式Ⅵ：开关管S1体二极管导通，开关管S2、开关管S3、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，开关管S1体二极管在开关管S1的源极的感应电动势UA作用下导通，电感L2储能转移到电感L1，电感L1的电流I_L1线性下降，开关管S1的源极的逆变桥输出电平为UA=+Ud。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：相较于现有的三电平双降压式半桥逆变器，本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器进行了改进，减少了续流二极管的数量，使得电路拓扑结构变得简单，同时引入了磁集成技术，进一步较小了滤波电感的体积与重量。

附图说明

图1是现有的三电平双降压式半桥逆变器主电路框图。

图2是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器主电路框图。

图3是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UA“+1”态。

图4是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UA“0”态。

图5是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UB“-1”态。

图6是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UB“-1”态。

图7是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UB“0”态。

图8是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器桥臂输出UA“+1”态。

图9是本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器控制框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

现有三电平双降压式半桥逆变器如图1所示，本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器在图1的基础上进行了改进，减少了两个续流二极管，使得电路拓扑结构变得简单，同时引入的磁集成技术，进一步较小了滤波电感的体积与重量，同时耦合电感可以消除电感电流断续区可能出现高的器件电压尖峰，保证了变换器的高效率和可靠性。

请参照图2，本发明的磁集成三电平双降压式半桥逆变器包括直流电源Vd1、直流电源Vd2、二极管D1、二极管D2、开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4、由电感L1和电感L2组成的耦合电感、输出滤波电容C和负载R；直流电源Vd1的正极与开关管S1的漏极连接，开关管S1的源极分别与开关管S2的源极、电感L1的同名端连接，电感L1的异名端分别与电感L2的异名端、输出滤波电容C的一端、负载R的一端连接，电感L2的同名端分别与二极管D2的正极、开关管S3的漏极连接，开关管S3的源极与直流电源Vd2的负极连接，开关管S2的漏极与二极管D1的负极连接，二极管D2的负极与开关管S4的源极连接；直流电源Vd1的负极、直流电源Vd2的正极、二极管D1的正极、输出滤波电容C的另一端、负载的另一端及开关管S4的漏极接地，所述开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4的栅极连接控制信号。其中，开关管S1、开关管S2与二极管D1依次串联构成第一桥臂;开关管S3、开关S4与二极管D2依次串联构成第二桥臂。开关管S1至S4的控制框图请参照图9。

本发明还提供一种磁集成三电平双降压式半桥逆变器的工作模式，磁集成三电平双降压式半桥在无偏置电流半周期运行模式下电流电流连续式工作时的工作模态：桥臂电压UA输出电压+Ud的“+1态”，桥臂电压UA输出电压为零的“0态”，桥臂电压UB输出电压+Ud的“+1态”，桥臂电压UB输出电压为零的“0态”，桥臂电压UB输出电压-Ud的“-1态”。电路正常工作时有“+1态”和“-1态”及“0态”的三个个工作状态；具体工作模式包括

（1）流经负载R的输出电流i_o>0的正半周

工作模式Ⅰ：请参照图3，开关管S1导通，开关管S2、开关管S3、开关管S4与二极管D2截止，电感L1的电流I_L1线性上升，开关管S3与二极管D1支路无电流通过，开关管S1源极的逆变桥输出电平为UA=+Ud，其中，直流电源Vd1的输出电压和直流电源Vd2的输出电压皆为Ud；

工作模式Ⅱ：请参照图4，开关管S2与二极管D1导通，开关管S1、开关管S3、开关管S4与二极管D2截止，电感L1的电流I_L1经开关管S3与二极管D1续流线性下降，开关管S1源极的逆变桥输出电平为UA=0；

（2）流经负载R的输出电流i_o由正向负切换

工作模式Ⅲ：请参照图5，开关管S3体二极管导通，开关管S1、开关管S2、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，开关管S2体二极管在电感L2的同名端的感应电动势UB作用下导通，电感L1储能转移到电感L2，电感L2的电流I_L2线性下降，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=-Ud；

（3）流经负载R的输出电流i_o>0的负半周

工作模式Ⅳ：请参照图6，开关管S3导通，开关管S1、开关管S2、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，电感L2的电流I_L2线性上升，开关管S4与二极管D2支路无电流通过，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=-Ud；

工作模式Ⅴ：请参照图7，开关管S4与二极管D2导通，开关管S1、开关管S2、开关管S3与二极管D1截止，电感L2的电流I_L2经开关管S4与二极管D2线性下降，电感L2的同名端的逆变桥输出电平为UB=0；

（4）流经负载R的输出电流i_o由负向正切换

工作模式Ⅵ：请参照图8，开关管S1体二极管导通，开关管S2、开关管S3、开关管S4与二极管D1、二极管D2截止，开关管S1体二极管在开关管S1的源极的感应电动势UA作用下导通，电感L2储能转移到电感L1，电感L1的电流I_L1线性下降，开关管S1的源极的逆变桥输出电平为UA=+Ud。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。