专利名称：全桥变形缓冲spwm波dc/ac逆变电路的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种全桥变形缓冲SPWM波的DC/AC逆变电路，更具体地说涉及一种将直流电功率通过SPWM波变换后使直流电功率能顺利地馈送至市电电网的电路。
背景技术：
常见的SPWM波DC/AC变换电路既可以用半桥电路实现，也可以用全桥电路实现。就SPWM波的全桥变换电路而言，也还有单极性SPWM波变换和双极性SPNM波变换等不同的工作方式，以上这些常见的SPWM波变换电路，在UPS电源中，已普遍被采用，而UPS的使用场合，已遍及各行各业。
常用的全桥SPWM波逆变电路的电原理图，如图1所示，它也是在UPS电源中最常用的主电路之一，图中GT1、GT2、GT3、GT4为主控管，其组成的全桥接在外加直流电源E的正负两端点A及B上，GT1和GT2组成一个桥臂为左半桥，其中点为M，GT3和GT4组成第二个桥臂为右半桥，其中点为N，在第一桥臂的中点M与第二桥臂的中点N之间接有一个SPWM波所需的L0、C0串联组成的滤波器，而负载ZR就接在滤波电容C0的两端点P和Q上。
主控管的触发信号如图2a、2b所示，它是一个工作频率大于20KHZ的SPWM波触发信号，其中图2a是GT1和GT4的栅极G1和G4的触发信号，图2b是GT2和GT3栅极G2、G3的触发信号，主控管GT1、GT2、GT3、GT4按照上述的触发信号开通和关断，则施加在L0、C0滤波器M、N两端点上的脉冲电压将如图2c所示。这是一个双极性SPWM波的脉冲电压，在此脉冲电压作用下，电容C0两端就可形成一个正弦波电压，如图2c中所示。如果SPWM波的基波锁定在50HZ频率上，或与市电同步锁相，则ZR上可以得到工频的正弦波工作电压。如图3所示，实际上图3所示之正弦波电压即图2c中C0上的正弦电压。现在常用的UPS电源，其主电路很多是采用这种电路拓扑。
如果要将直流电功率输送到电网中去，则首先要进行DC/AC的SPWM波变换，然后将得到的正弦波电压与市电并网，才能将上述直流电功率馈送到电网中去，图1所示的常用UPS电路仅完成了直流电压向交流工频正弦波电压的变换，但不能与市电并网，这是因为它无法避免因相位抖动或锁相偏差在市电和逆变电路之间形成的巨大环流，这种环流一旦出现，通常会使逆变电路颠覆并使主控器件烧毁，这是不能容忍的，虽然UPS行业正大力研究UPS的并联运行技术，但目前仍在探索阶段，其控制方法既繁锁，又昂贵，而且还很不成熟。即使它解决了UPS之间的并联运行技术，但这项技术也并不能完成UPS和市电并联运行的要求。如果要想将直流电功率馈送至市电电网，则上述常用的各种SPWM波逆变电路都难以顺利地完成这一任务。
发明内容
本实用新型的目的是为了克服现有全桥SPWM波DC/AC逆变电路难以将直流电功率馈送至市电电网，而提供一种全桥变形缓冲SPWM波的DC/AC逆变电路，能可靠的实现这一能量转换。
本实用新型是这样实现的一种全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，其主电路如图4所示，它由四个主控器件GT1、GT2、GT3、GT4组成一个全桥，但与图1相比，有着完全不同的电路拓扑结构。
一种全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，包括GT1、GT2组成的左半桥和GT3、GT4组成的右半桥，在左半桥上管GT1的发射极与左半桥下管GT2的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L01，在右半桥的上管GT3的发射极与右半桥下管GT4的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L02，在左半桥上管GT1的发射极M点与地之间接有一个续流二极管D01，D01正极接地，负极接M点，在右半桥上管GT3的发射极N点与地之间接有一个续流二极管D02，D02正极接地，负极接N点，在左半桥下管GT2的集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C01，在右半桥下管GT4集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C02，左半桥的输出点为P，右半桥输出点为Q，P点和Q点通过电感LT分别与市电X点和Y点相连接。
GT1管和GT3管分别用SPWM波进行触发，GT2管和GT4管分别用方波进行触发。
L01作为左半桥的缓冲电感，同时又作为滤波电感与C01组成左半桥单极性SPWM波的滤波器，L02作为右半桥的缓冲电感，同时又作为滤波电感与C02组成右半桥单极性SPWM波的滤波器。
逆变电路输出端P点和Q点，与市电X点和Y点之间串入一个非饱和电感LT，可对差模干扰进行抑制，LT又是一个限制环流的电抗器。
在全桥与电源之间设置隔离二极管D，隔离二极管D的正极接在电源的正极端，隔离二极管D的负极接在GT1管的集电极上。
现分析本实用新型提供的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路的主要功能如果要求逆变器的输出能与市电并网，首先要能防止因市电相位抖动或因锁相偏差而形成的环流，为达到此目的，最好能使逆变器的输出波形有一个“死区”，在“死区”内，逆变电路中所有主控器件均处于休止状态，只有当逆变电路输出电压与市电同相后，主控器件才投入工作，这样就彻底避免了环流的发生，为此SPWM波的输出波形应如图5所示，图中0°，180°分别为市电电压过零点，逆变电路在市电0°和180°为中心的ab区间内应无输出电压，为达到此目的，图4中各主控管的触发波形应如图6所示其中UG1为SPWM波触发信号，其始终点距市电0°及180°可安排为0.3ms，而UG4为方波触发信号，其始终点距市电0°及180°也为0.3ms；UG3为SPWM波触发信号，其始终点距市电180°及360°(0°)为0.3ms，UG2为方波触发信号，其始终点距市电180°及360°(0°)也为0.3ms。触发信号按照上述方式给定，则在图4的P点和Q点之间就可以方便的得到图5所示的带有死区的工频正弦波输出电压，死区宽度±0.3ms，约合±5.4°，只要安排此正弦波输出电压略高于市电，则直流电源E的电功率就可以顺利送入市电电网。电抗器LT除可以抑制差模高频杂波之外，还可以作为一个电抗器限制di/dt值，有利于对系统进行短路保护。
如果再看一看图1的常用UPS主电路，由于其L0、C0是一种谐振槽路，L0、C0又工作在双极性SPWM波的电压驱动情况，如图2c所示，因而很难形成如图5所示的带有死区的正弦波，难以用於与市电并网并向市电输送能量。
本实用新型除能顺利地与市电并网并向市电输送能量之外，另一个突出的优点是具有缓冲性质。众所周知，全桥电路虽然得到普遍应用，但它最大的缺点是在干扰严重或其他原因出现了误触发信号时，容易形成桥臂的直通，从而出现灾难性后果。这是全桥电路天生的最终难以避免的一个隐患，本实用新型将全桥电路变形，将电感L0插入到桥臂的GT1与GT2之间，同样能完成对SPWM波的滤波作用，但同时又可对桥臂的直通效应起到明显的缓冲效果，由于L0是非饱和电感，能有效的抑制di/dt增长率，则一但出现直通情况，其短路浪涌电流因L0的存在而上升减慢，使得保护电路有足够长的时间将全桥的触发信号封闭，从而防止了直通对主控器件的伤害。进一步的分析表明，对于那些短暂的瞬间即逝的误触发信号，由于L0的限流作用，在未形成足够大的浪涌电流之前，误触发信号已经消失，因而本电路的工作状态可以不受任何影响，因而大大增强了本电路的抗干扰能力。而对于图1所示的全桥电路，L0不在桥臂之中，即使是瞬间的误触发，也会在桥臂中形成很大的电流，甚至损坏器件，由于L0具有抑制di/dt的作用，具有明显的缓冲性质，所以本实用新型称此全桥电路为“全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路”。
此外，必须指出本实用新型全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路的另一优点是GT2与GT4管的工作频率大大下降了，它在图1中工作频率在20KHZ以上，而在本电路中，其工作频率下降到50HZ，而且通过GT2或GT4的电流又是一个工频的正弦波，由于其di/dt值及dv/dt很低，所以几乎不存在被误导通的可能性。此外GT2及GT4还可选用价廉的低速低导通压降的器件。
图1为常用的全桥SPWM波逆变电路图2a是图1中GT1和GT4栅极G1及G4的SPWM波触发信号，图2b是图1中GT2和GT3栅极G2及G3的SPWM波触发信号，图2c是图1中施加在L0、C0上的双极性SPWM波电压，图中正弦波是C0上的电压波形。
图3是图1的全桥SPWM波逆变电路在P、Q端点上输出的工频正弦波电压波形。图中的0°及180°应分别对准市电0°及市电180°。
图4为本实用新型的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路。
图5为本实用新型输出的带有“休止区”的正弦波电压波形。
图6为本实用新型各主控管的触发信号波形。
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型的具体实施作一说明。
本实用新型全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路的工作过程和实施方法如下一种全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，由GT1、GT2、GT3、GT4组成的一个全桥，在全桥与电源之间设置隔离二极管D，隔离二极管D的正极接在电源的正极端，隔离二极管D的负极接在GT1管的集电极上，在左半桥上管GT1的发射极与左半桥下管GT2的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L01，在右半桥的上管GT3的发射极与右半桥下管GT4的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L02，在左半桥上管GT1的发射极M点与地之间接有一个续流二极管D01，D01正极接地，负极接M点，在右半桥上管GT3的发射极N点与地之间接有一个续流二极管D02，D02正极接地，负极接N点，在左半桥下管GT2的集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C01，在右半桥下管GT4集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C02，左半桥的输出点为P，与右半桥输出点为Q，P点和Q点通过电感LT分别与市电X点和Y点相连接。图4提供了主电路的电路拓补，其中GT1与GT3系工作在SPWM波状态下，所以应选用MOS管或IGBT管；中小功率时，可用MOS管，大功率情况下可用IGBT管；GT2与GT4则工作在50Hz方波情况，而且通过管子的电流又是工频的正弦波，因此对GT2及GT4两管而言，对它的dv/dt耐量和di/dt耐量基本上没有要求，因此可以选用低速低导通压降的IGBT管或GTR管，不仅整机效率可以提高，而且整机成本也可下降，因而有一举两得的效果。
由于本实用新型的主要功能是解决全桥SPWM波DC/AC逆变电路直流电功率向市电电网馈送问题，为了防止因锁相的偏差以及相位抖动引起的环流，本实用新型针对性的设计了一个带有休止区的正弦波电压波形如图5所示。一般来说图1所示的常用UPS电路，由于其L0、C0是串联谐振槽路，同时L0、C0又是工作在双极性脉冲激励情况下，如图2c所示，所以很难形成一个带有休止区的正弦波输出波形，本实用新型中将L0、C0安排为单极性脉冲激励情况，并采用了全桥变形缓冲电路后，图4中的左半桥与右半桥实际上已经完全分离，变成是一个相互独立的SPWM波的斩波器了，所以很容易形成如图5所示的带有死区的正弦波，此外，应该注意到图5中的0°及180°必须是对准市电相位的0°及180°，因此在形成图6的各主控管触发波形时，其前级控制电路的锁相环必须使图6中SPWM波的0°及180°对准市电0°及180°才行。至于对锁相精度的要求，一般总是精度越高越好，但过高的要求往往增加了电路设计的难度，调整也不易，本实用新型输出波形安排了一个休止区之后，锁相精度的要求也可相应的放宽，目前高质量的UPS锁相精度可达到±1°范围以内，在要求不高时，可允许在±2°～±3°之间。在本实用新型中，锁相精度的要求因有休止区的存在，可允许偏差±2°～±3°也不致引起环流的出现，这就使本实用新型的实施变得更简单容易了。
最后需要说明的是图4中隔离二极管D的作用和电抗器LT的构成。
隔离二极管D的作用为图4电路中的电源E，通常是一个整流器的输出端，也可能是DC/DC变换器的输出端，其输出电压往往有一个建立过程，也就是在开机过程中，电源E之值在某一时段内会低于市电电压，此外并联在电源上的CE，其容量很大，如果不设置一个隔离二极管，则一旦出现电源E值较低的情况，市电就会向电容CE倒灌，暂态过程中电源E最低值可能是零伏，则倒灌的峰值电流很大，甚至烧毁器件，电流倒灌的流向为由P点经L01，GT1的内装二极管，CE，，GT4内装二极管至Q点，或是由Q点经L02，GT3的内装二极管，CE，GT2内装二极管至P点，加装隔离二极管D后，这一倒灌回路就不复存在了。
电抗器LT的作用有两点其一是作为一个差模扼流圈用以抑制输出正弦波电压中所含有的高频残余电压，避免对市电电网造成“污染”。其二是如果相位抖动过大，一旦出现环流，由于LT的存在，此环流的di/dt也可得到限制，使保护电路有足够长的时间将图4中的主控器件的触发信号全部封闭，避免主控器件受到伤害。因此LT应该是非饱和高磁感应强度的磁性材料制成。此处是由铁硅铝大功率磁环实现的。
权利要求1.一种全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，包括GT1和GT2组成的左半桥和GT3，GT4组成的右半桥，其特征在于在左半桥上管GT1的发射极与左半桥下管GT2的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L01，在右半桥的上管GT3的发射极与右半桥下管GT4的集电极之间串入了一个缓冲滤波电感L02，在左半桥上管GT1的发射极M点与地之间接有一个续流二极管D01，D01正极接地，负极接M点，在右半桥上管GT3的发射极N点与地之间接有一个续流二极管D02，D02正极接地，负极接N点，在左半桥下管GT2的集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C01，在右半桥下管GT4集电极与发射极之间并联一个SPWM波滤波电容C02，左半桥的输出点为P，右半桥输出点为Q，P点和Q点通过电感LT分别与市电X点和Y点相连接。
2.根据权利要求1所述的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，其特征在于GT1管和GT3管分别用SPWM波进行触发，GT2管和GT4管分别用方波进行触发。
3.根据权利要求1所述的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，其特征在于L01作为左半桥的缓冲电感，同时又作为滤波电感与C01组成左半桥单极性SPWM波的滤波器，L02作为右半桥的缓冲电感，同时又作为滤波电感与C02组成右半桥单极性SPWM波的滤波器。
4.根据权利要求1所述的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，其特征在于逆变电路输出端P点和Q点，与市电X点和Y点之间串入一个非饱和电感LT，LT既是抑制差模干扰的扼流圈，同时又是一个限制环流的电抗器。
5.根据权利要求1所述的全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，其特征在于在全桥与电源E之间设置隔离二极管D，隔离二极管D的正极接在电源的正极端，隔离二极管D的负极接在GT1管的集电极上。
专利摘要本实用新型涉及一种全桥变形缓冲SPWM波DC/AC逆变电路，主电路由GT
文档编号H02M7/5387GK2563830SQ0227857
公开日2003年7月30日 申请日期2002年7月31日 优先权日2002年7月31日
发明者张承志, 张先红 申请人:张承志, 张先红