专利名称：三电平双降压式全桥逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三电平双降压式全桥逆变器，属电能变换装置中的逆变器。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，电源变换器朝着高频化和高效率的方向发展，同时很多应用场合如航空航天、UPS等对电源可靠性提出了很高的要求。传统桥式逆变器电路由于开关管直接串联，存在桥臂直通的隐患，需另加控制死区，而这个死区将造成输出电压波形畸变失真。同时桥式电路中开关管的体二极管参与工作。对MOS型器件而言，提高MOSFET性能的措施往往会导致体二极管性能变差，很难兼顾两者的优化。研究表明随着开关频率的提高，开关器件体二极管的反向恢复问题趋于严重，反向恢复损耗在变换器总损耗中所占比例大幅增长。
针对以上问题，双降压式半桥逆变器(Dual Buck Half Bridge Inverter——以下简称DBHBI)是近年来得以提出并大量研究的一种新颖的逆变器拓扑。相对推挽、半桥、全桥等传统逆变器，DBHBI具有无桥臂直通和无开关管寄生二极管反向恢复问题的独特优点，尤其适合对电源可靠性要求高的场合；工作于半周控制模式下的DBHBI无环流存在，为同时实现逆变器的高频化和高效率提供了一种简洁的途径。
DBHBI和半桥逆变器(下文将两者通称为半桥型逆变器)也存在以下缺点器件电压应力为输入电压的两倍，在高压输入场合应用较困难；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形谐波含量大，需要高的开关频率和大的滤波器；直流侧需大电容对母线电压进行均分，或者要求输入电压本身就提供正负母线电压和地，而这在大部分应用场合都是不满足的。
发明内容
本发明的目的在于提出一种能克服双降压式半桥逆变器不足之处的三电平双降压式全桥逆变器。
本发明采用的三电平双降压式全桥逆变器包括单一电源构成外接输入电源电路，在逆变器输出正极性电流的半周期时调理工作的第一降压式电路包括第一功率二极管的阴极分别连于第一功率开关管的源极和第一滤波电感的一端，且第一功率开关管的漏极接电源电路的正极，第一功率二极管的阳极接电源电路的负极；在逆变器输出负极性电流的半周期时调理工作的第二降压式电路包括第二功率开关管的漏极分别连于第二功率二极管的阳极和第二滤波电感的一端，且第二功率开关管的源极接电源电路的负极，第二功率二极管的阴极接电源电源电路的正极，第一滤波电感的另一端和第二滤波电感的另一端相连接，并连接到由滤波电容和外接负载并联构成的滤波电容和负载电路的正端，其特征在于，还包括工频开关电路，该工频电路的构成是第三功率开关管的漏极与第四功率开关管的源极连接，该连接点与滤波电容和负载电路的负端相连，第三功率开关管的源极接电源电路的负极，第四功率开关管的漏极接电源电路的正极。该电路保留了双降压式半桥逆变器的优点无桥臂直通可能；续流电流从功率二极管通过，无开关器件体二极管反向恢复问题。在传统的双降压式半桥逆变器的基础上进行了以下改进将滤波电容的原接地处通过两个开关管分别接直流母线电压的正极和负极，且外接的直流母线电压由原来的2Ud降为Ud，即得到本发明提出的三电平双降压式全桥逆变器电路。
四
附图1是本发明的三电平双降压式全桥逆变器电路结构示意图。附图1中的标号名称1.电源电路。2.第一降压电路。3.第二降压电路。4.滤波电容及负载电路。5.工频开关电路。
附图2为双降压式半桥逆变器电路结构示意图。
附图3是本发明的三电平双降压式全桥逆变器各开关模态示意图。
附图4是本发明的三电平双降压式全桥逆变器的主要波形示意图。
附图5是本发明的三电平双降压式全桥逆变器采用的控制框图。
上述附图中的主要符号名称Cf——输出滤波电容。D1~D2——功率二极管。ir——电压环输出即电流基准。iL1——滤波电感L1电流波形。iL2——滤波电感L2电流波形。L1~L2——滤波电感。R——负载阻抗。S1~S4——功率开关管。Ud——逆变器输入端直流母线电压。Uo——逆变器输出电压。
具体实施例方式
附图1是三电平双降压式全桥逆变器电路的结构示意图，包括电源电路1的输出接第一降压电路2和第二降压电路3，第一降压电路2和第二降压电路3的输出端连结，接滤波电容及负载电路4，工频开关电路一端接滤波电容和负载端，另外两端分别接输入电源的正、负端。其特征在于，由单一外接电源构成输入电源电路1。在逆变器输出正极性电流的半周期时调理工作的第一降压式电路2，由第一功率开关管D1的阴极、第一功率开关管S1的源极、第一电感L1的一端连接，且第一功率开关管S1的漏极接电源Ud的正极，第一功率二极管D1的阳极接电源Ud的负极。在逆变器输出负极性电流的半周期时调理工作的第二降压式电路3，由第二功率开关管S2的漏极、第二功率二极管D2的阳极、第二电感L2的一端连接，且第二功率开关管S2的源极接电源Ud的负极，第二功率二极管D2的阴极接电源Ud的正极。第一电感L1的一端和第二电感L2的一端连接，并连接到由滤波电容Cf和负载R并联构成的滤波电容和负载电路4的一端，滤波电容Cf和负载R电路4的另一端同时接工频开关电路的一端，构成工频开关电路的第三功率开关管S3的漏极与第四功率开关管S4的源极连接，同时第三功率开关管S3的源极接电源负极，第四功率开关管S4的漏极接电源的正极。
本发明的工作原理是在输出电压大于零的正半周，开关管S3常开，S4常闭，C点电位为0，此时桥臂中点A、B的输出电平为+Ud或0，加在滤波器上的电压桥臂中点电压和C点电位之差，记为uAC、uBC，等于+Ud或0；在输出电压小于零的负半周，开关管S3常闭，S4常开，C点的电位为+Ud，此时加在滤波器上的电压等于-Ud或0。输出电流大于0的正半周，buck电路1调理工作，buck电路2不工作；输出电流小于0的正半周，buck电路2调理工作，buck电路1不工作。进以上改进后的三电路双降压式全桥逆变器滤波前输出包含了+1、0、-1三态电平，且器件电压应力降为输入电压。将S3、S4通称为工频开关电路(5)，则逆变器输出电压为工频开关电路单元(5)输出电压和双buck电路单元(2、3)输出电压的叠加。工频开关电路的输出即C点电压为一个180o导通的工频方波，幅值大小为Ud。这部分电路的功能是提供输出电压的基波分量，降低变换器开关损耗。双buck电路单元则采用PWM调制，以保证输出电压波形。由于滞环电流控制具有内在限流、高精度和快速动态响应的优点，可保证双buck电路单元(2、3)在正常工作时不需任何偏置电流，同时克服电感电流断续造成的电压失真，保证逆变器在较高效率和频率下运行。因而在本发明的三电平双降压式全桥逆变器中对双buck电路单元采用滞环电流PWM控制方案。
下面以附图1为主电路结构，结合附图3来叙述本发明的三电平双降压式全桥逆变器的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图4。
输出电流大于0的正半周，buck电路1调理工作，buck电路2不工作；输出电流小于0的正半周，buck电路2调理工作，buck电路1不工作。此时电路包括八个工作模态1.工作模态I如图3(a)所示，输出电压uo＞0，电感电流iL1＞0，电感电流iL2＝0，功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭，功率开关管S2关断，功率开关管S1开通，电感电流iL1线性上升，变换器输出电平(滤波前)为Ud。
2.工作模态II如附图3(b)所示，输出电压uo＞0，电感电流iL1＞0，电感电流iL2＝0，功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭，功率开关管S2关断， 电感电流iL1从功率二极管D1续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为0。
3.工作模态III如附图3(c)所示，输出电压uo＞0，电感电流iL1＝0，电感电流iL2＞0，功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭，功率开关管S1关断，功率开关管S2开通，电感电流iL2线性上升，变换器输出电平(滤波前)为0。
4.工作模态IV如附图3(d)所示，输出电压uo＞0，电感电流iL1＝0，电感电流iL2＞0，功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭，功率开关管S1关断，功率开关管S2关断，电感电流iL2从功率二极管D2续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为Ud。
5.工作模态V如图3(e)所示，输出电压uo＜0，电感电流iL1＝0，电感电流iL2＞0，功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开，功率开关管S2开通，功率开关管S1关断，电感电流iL2线性上升，变换器输出电平(滤波前)为-Ud。
6.工作模态VI如图3(f)所示，输出电压uo＜0，电感电流iL1＝0，电感电流iL2＞0，功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开，功率开关管S2关断，电感电流iL2从功率二极管D2续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为0。
7.工作模态VII如图3(g)所示，输出电压uo＜0，电感电流iL1＞0，电感电流iL2＝0，功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开，功率开关管S1开通，功率开关管S2关断，电感电流iL1线性上升，变换器输出电平(滤波前)为0。
8.工作模态VIII如图3(h)所示，输出电压uo＜0，电感电流iL1＞0，电感电流iL2＝0，功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开，功率开关管S1关断，功率开关管S2关断，电感电流iL1从功率二极管D1续流，线性下降，变换器输出电平(滤波前)为-Ud。
为实现以上工作原理，采用控制方案如附图5所示图中，ir为电压环输出即电流基准。开管管S3和S4的控制十分简单，采用开环控制，在电压基准大于零的正半周，使功率开关管S3常开，功率开关管S4常闭，电压基准小于零的负半周，使功率开关管S3常闭，功率开关管S4常开即可。功率开关管S3、S4在整个工频周期均只开关一次，死区影响可忽略不计。双buck电路单元2、3采用滞环电流PWM控制，是分别采样两电感L1和L2的电流，进两个滞环比较器后分别得到功率开关管S1和功率开关管S2管的驱动。
由以上描述可知，本发明是一种在双降压式半桥逆变器基础上改进得的三电平逆变器，变换器具有如下优点1.保留了三电平变换器本身输出电压谐波含量小的优点，有助于减小滤波器，同时可以降低PWM调制部分的开关频率，降低开关损耗，提高效率；2.同半桥型逆变器相比，直流侧无需均压大电容，功率器件电压应力低，使得中小功率的开关器件可适用于高压、大功率的场合；3.继承了双buck电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；4.整个电路结构和控制方案均较为简单，易于实现；5.需PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能佳。
权利要求
1.一种三电平双降压式全桥逆变器，包括单一电源构成外接输入电源电路(1)，在逆变器输出正极性电流的半周期时调理工作的第一降压式电路(2)包括第一功率二极管(D1)的阴极分别连于第一功率开关管(S1)的源极和第一滤波电感(L1)的一端，且第一功率开关管(S1)的漏极接电源电路(1)的正极，第一功率二极管(D1)的阳极接电源电路(1)的负极；在逆变器输出负极性电流的半周期时调理工作的第二降压式电路(3)包括第二功率开关管(S2)的漏极分别连于第二功率二极管(D2)的阳极和第二滤波电感(L2)的一端，且第二功率开关管(S2)的源极接电源电路(1)的负极，第二功率二极管(D2)的阴极接电源电源电路(1)的正极，第一滤波电感(L1)的另一端和第二滤波电感(L2)的另一端相连接，并连接到由滤波电容(Cf)和外接负载(R)并联构成的滤波电容和负载电路(4)的正端，其特征在于，还包括工频开关电路(5)，该工频电路(5)的构成是第三功率开关管(S3)的漏极与第四功率开关管(S4)的源极连接，该连接点与滤波电容(Cf)和负载(R)电路(4)的负端相连，第三功率开关管(S3)的源极接电源电路(1)的负极，第四功率开关管(S4)的漏极接电源电路(1)的正极。
全文摘要
一种三电平双降压式全桥逆变器，属电能变换器装置中的逆变器。该逆变器包含电源电路(1)、两个降压电路(2、3)、滤波电容及负载电路(4)和工频开关电路(5)，两个降压电路(2、3)的输入侧接电源电路(1)，其输出侧接输出滤波电容和负载电路(4)。该电路的特点是将滤波电容(C
文档编号H02M1/12GK1967998SQ200610096848
公开日2007年5月23日 申请日期2006年10月20日 优先权日2006年10月20日
发明者洪峰, 於俊, 严仰光, 单任仲, 王慧贞 申请人:南京航空航天大学