一种大功率低压输入逆变器的制作方法

本实用新型属于逆变器技术领域，尤其涉及一种大功率、高性能的低压输入逆变器。

背景技术：

逆变器是将直流电转换为交流电的一种电源装置。随着人们生活及生产水平的不断提高，以及新能源发电及储能技术的迅速发展，低压动力电池在国民生产及生活中的应用越来越广泛。而于此同时，人们对将其直流电转成交流电的低压输入逆变器的要求也越来越高，对于逆变器厂家及相关单位，研究一款大功率、高性能的低压输入逆变器显得很有必要。

低压输入逆变器的输入到输出的电压幅值提升大，对电源拓扑的电压增益要求较高。目前市面上常见的低压逆变器产品都是利用工频变压器将前级逆变单元输出的低压进行放大，来实现工频单相220VAC或三相380VAC隔离输出。所用变压器变比较大、线圈匝数多、漏感大、功率开关管电压应力需求高、电流大、损耗高、效率低，特别是当输出功率需求增加时，输出工频变压器体积和重量随之增大，加上低压大电流使得整机线路等损耗进一步增加，导致逆变器体积和重量进一步增大、效率进一步降低。为解决这一问题，有些逆变器厂家是先通过DC/DC升压拓扑来预升压，再用高频变压器进一步升压并隔离后，再由逆变单元逆变输出所需电压。这样不但可以有效减小变压器匝比，同时较高的开关频率也可以有效降低变压器等磁性元件的体积，非常有利于逆变器整机小型化、轻量化。但是在体积要求较严格、输出功率要求较大时，整机效率以及输出电压动态响应等性能还是难以提高。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于为了克服以上现有技术的不足而提供了一种基于FPGA的多模块并联、大功率、高性能的低压逆变器。

本实用新型的技术方案如下：

一种低压输入逆变器，包括：

缓起电路单元，其输入端连接低压直流电源，输出端连接输入滤波器连接；

输入滤波器，其输入端连接缓起电路单元，输出端连接同步整流boost单元；

同步整流boost单元，用于对输入滤波器输出的直流低压进行升压；其输入端连接输入滤波器，输出端连接全桥LLC隔离升压单元；

全桥LLC隔离升压单元，用于对同步整流boost单元输出的直流低压进行升压和电气隔离；其输入端连接同步整流boost单元，输出端连接全桥逆变单元；

全桥逆变单元，用于对全桥LLC隔离升压单元输出的直流高压逆变输出交流电；其输入端连接全桥LLC隔离升压单元，输出端连接输出滤波器；

输出滤波器，其输入端连接全桥逆变单元，输出端连接单功率模块进行输出。

进一步，所述的低压输入逆变器，所述缓起电路单元包括相互连接的MOS管和水泥电阻，其中MOS管为缓起电阻的旁路开关。

进一步，所述的低压输入逆变器，全桥LLC隔离升压单元包括全桥LLC谐振倍压变换器。

进一步，所述的低压输入逆变器，全桥LLC谐振倍压变换器的变压器为平面变压器。

进一步，所述的低压输入逆变器，还包括控制单元，控制单元与中间处理单元连接。

进一步，所述的低压输入逆变器，控制单元包括相互连接的单片机和FPGA数字逻辑控制单元。

进一步，所述的低压输入逆变器，还包括中间处理单元，中间处理单元包括相互连接的驱动单元、采样单元和保护单元，所述中间处理单元分别与同步整流boost单元、全桥LLC隔离升压单元和全桥逆变单元的输入端和输出端连接，对同步整流boost单元、全桥LLC隔离升压单元和全桥逆变单元进行电流采样、功率开关管驱动和保护。

进一步，所述的低压输入逆变器，全桥逆变单元为三相全桥逆变单元。

本实用新型还提供了一种大功率低压输入逆变器，将以上所述的带有中间处理单元的低压输入逆变器作为组，多个组通过各自的中间处理单元并行连接同一控制单元，形成同一控制单元同时控制的大功率低压输入逆变器。

有益效果

本实用新型采用模块化设计来简化整机结构和电路设计、使用多模块并联实现大功率输出要求，有效提高了电源的可靠性、可维修性，有利于实现标准化、批量化生产，有利于提高生产效率和节约成本。

本实用新型的单个功率模块采用“闭环同步整流boost+开环倍压整流LLC”来实现低压直流输出逆变器的升压功能，既满足了大功率低压直流输入逆变器高电压增益的要求，又满足了输入输出电气隔离要求，同时也具有较高的转换效率以及较快的电压输出动态响应。

Boost电路结构简单、控制技术成熟、电压调整范围宽、输出动态响应相对较快。而在传统boost变换器基础上改进而来的同步整流boost是一种软开关技术，其整流二极管用开关管替代，能够实现两个功率开关管的零电压ZVS开通，能够有效提高转换效率。LLC谐振变换器在谐振状态下转换效率高，能够呈现直流变压器特性，加上倍压整流输出，可以使其输出变压器匝比减半，减少绕组匝数，有利于降低变压器漏感和损耗，从而提高转换效率。开环LLC谐振电路设计使电路结构简单，参数设计方便。

本实用新型LLC谐振变换器采用平面变压器技术设计其高频输出变压器，有效提高了整机功率密度和抗干扰等性能。

本实用新型中多个单功率模块共用一个由STM32和FPGA组成的采样和数字逻辑控制单元，不仅有利于实现多路功率模块的驱动同步，还有利于多模块并联时集中分流控制。特别是三相全桥逆变单元通过运算速率较高的FPGA进行控制，可以实现较高的采样率和数据处理速度，从而使逆变器输出电压动态特性好，电压失真度低，输出正弦波较为纯正。

附图说明

图1为实施例1中所述的低压输入逆变器示意图；

图2为实施例2中所述的大功率低压输入逆变器示意图；

以上图1和图2中，1为缓起电路单元，2为输入滤波器，3为同步整流boost单元，4为全桥LLC隔离升压单元，5为全桥逆变单元，6为输出滤波器，7为中间处理单元，8为控制单元。

具体实施方式：

下面结合附图和具体的实施方式对本实用新型作详细说明。

实施例1

图1是本实施例提供的低压输入逆变器示意图，如图中所示，包括：

缓起电路单元1，其输入端连接低压直流电源，输出端连接输入滤波器2连接；

输入滤波器2，其输入端连接缓起电路单元1，输出端连接同步整流boost单元3；

同步整流boost单元3，用于对输入滤波器2输出的直流低压进行升压；其输入端连接输入滤波器2，输出端连接全桥LLC隔离升压单元4；

全桥LLC隔离升压单元4，用于对同步整流boost单元3输出的直流低压进行升压和电气隔离；其输入端连接同步整流boost单元3，输出端连接全桥逆变单元5；

全桥逆变单元5，用于对全桥LLC隔离升压单元4输出的直流高压逆变输出交流电；其输入端连接全桥LLC隔离升压单元4，输出端连接输出滤波器6；

输出滤波器6，其输入端连接全桥逆变单元5，输出端连接单功率模块进行输出；

还包括中间处理单元7，中间处理单元包括相互连接的驱动单元、采样单元和保护单元，所述中间处理单元7分别与同步整流boost单元3、全桥LLC隔离升压单元4和全桥逆变单元6的输入端和输出端连接，对同步整流boost单元3、全桥LLC隔离升压单元4和全桥逆变单元5进行电流采样、功率开关管驱动和保护；

控制单元8，控制单元8与中间处理单元7连接。

以上提供的低压输入逆变器采用单元模块化设计，低压直流电通过缓起电路的输出接入输入滤波器的输入。

缓起电路单元1用来抑制电源启动瞬间的浪涌电流，由MOS管和水泥电阻组成。为了减小各个单元模块输入电流及降低整机器件成本，各个单元模块最大功率可以限制在1KW左右，这样在由MOS管和电阻组成的缓起电路单元中更有利于MOS管的选型。相对于体积较大的机械触点接触器，用体积较小的无触点开关MOS管来做缓起电阻的旁路开关，不仅有利于模块小型化、轻量化，也有利于提高模块使用寿命。输入滤波器2用来抑制低压输入对电源的干扰，同时也用来抑制电源对低压输入的干扰。通过输入滤波器2将低压输入噪声滤除后，可得到较为纯净的直流低压。

通过输入滤波器2的输出将较为纯净的直流低压接入同步整流boost单元3，进行初步升压；再在经过同步整流boost单元3的输出接入全桥LLC隔离升压单元4，进行二次升压和电气隔离。

全桥LLC隔离升压单元4由转换效率较高的全桥LLC谐振倍压变换器实现。工作在谐振状态的LLC变换器的初级功率开关管可以实现零电压开通ZVS，次级整流管可以实现零电流关断ZCS，从而有效提高电源转换效率。但通过LLC谐振变换器的电压增益特性曲线可知，其调压范围较窄、动态响应慢。故本实用新型先用结构简单、调压范围宽、动态响应相对较快的boost电路进行调压，再用LLC谐振变换器进行电气隔离和最终电压匹配。而全桥LLC谐振倍压变换器是在全桥LLC谐振变换器的基础上将二次整流输出改进成倍压整流输出，提高了变换器的电压增益，使其输出变压变比可以缩小一倍。减少变压器线圈匝数不仅有利于其制作、成本降低，还有利于其效率提高。

本实用新型中，LLC变换器采用印制板型平面变压器做其高频输出变压器，用于其电压放大和实现输入输出电气隔离。相对于传统变压器，平面变压器具有平面绕组电流密度大、漏感低、导热性好、低EMI辐射、体积小、参数可复制性强、加工方便等诸多优点，非常有利于提高整机功率密度和性能。特别是其漏感低，方便人为调整漏感大小，更是满足了LLC谐振变换器对漏感可控性高的要求，而其参数可复制性强则满足了本实用新型模块化设计一致性高的要求。

LLC谐振变换器的功率开关管是通过脉冲频率调制PFM技术进行控制的，其工作时开关频率不固定，这使得变压器等磁性器件和输出电容设计极为复杂。而在谐振状态的LLC变换器能呈现直流变压器特性，即其输出电压增益接近其输出变压器变比，输出电压受负载变化影响非常小。故本实用新型通过给定略低于LLC谐振变换器谐振频率的开关频率对其进行开环控制，使其接近谐振状态下，再加上前级闭环boost调压单元进行调压，便可满足大功率低压输入逆变器的高转换效率、高电压增益以及输入输出电气隔离等要求。在满足功能的前提下，开环控制大大简化了LLC变换器设计，有效提高了其可实现性。

全桥LLC隔离升压单元4输出直流高压接入全桥逆变单元5，本实施例中采用三相全桥逆变单元，由三相全桥逆变单元逆变输出三相正弦交流电，再通过输出滤波器滤波后接入单功率模块输出。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上进行的一种改进，如图2所示，为一种大功率低压输入逆变器，将图1所示的低压输入逆变器作为组，多个组通过各自的中间处理单元并行连接同一控制单元，形成同一控制单元同时控制的大功率低压输入逆变器。

整机由多路相同的组通过并联来实现大功率输出，其控制单元由目前比较流行且成熟的单片机+FPGA数字逻辑控制单元完成。每个组主要由缓起电路单元、输入滤波器、同步整流boost单元、全桥LLC隔离升压单元、全桥逆变单元、输出滤波器以及中间处理单元组成。

每个组中都有一个中间处理单元，用于同步整流boost单元、全桥LLC隔离升压单元以及全桥逆变单元这三个功能单元的输入/输出电压、电流采样，以及各自功率开关管的驱动和保护。多个组共用一个控制单元。所述控制单元主要由功能丰富、开发方便的STM32单片机和具有高运算速度的FPGA及其外围电路组成，主要用于电路电流、电压以及温度等数据的采集和运算，以及风机和以上所述三个功能单元各功率开关管等的控制信号输出。

控制单元、中间处理单元和以上三个功能单元的连接关系为：通过各模块的驱动、保护及采样单元中相应的电流和电压霍尔对三个功能单元的输入/输出电压、电流进行采样，将采样数据通过驱动单元上的调理电路转换成模数转换器ADC的输入信号，再由控制单元上的ADC将数据输入FPGA，由FPGA进行数据运算后，发出功率开关管、风机等的控制或保护信号，这些控制和保护信号再通过驱动、保护及采样单元接入相应功能单元的相应控制对象的控制端，从而完成控制单元对三大功能单元的控制。

本实施例通过将多个组的输入/输出并联，来满足低压直流逆变器的大功率输出要求。同时，把各自驱动单元都接入同一个控制单元来对各功率单元进行集中控制，以实现各模块对应功能单元的同步驱动及多模块并联分流控制。