专利名称：升压型高频链逆变器的制作方法
技术领域：
本发明所涉及的升压(Boost)型高频链逆变器，属电力电子变换技术。
技术背景Buck (Forward) 、Boost(单端Boost)和Buck-Boost (Flyback)是三种最基本和最常用的变换 器类型，其性能如表l所示。表l充分表明Buck (Forward)变换器虽然能够输出的容量大，但 存在输入电流纹波大、负载短路时变换器可靠性低等缺陷；Buck-Boost (Flyback)变换器虽然 在负载短路时变换器可靠性高，但存在输入电流纹波大、输出容量小等缺陷；Boost (单端Boost) 变换器具有输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、能够输出的容量大等优点。Buck(Forward)、 Buck-Boost (Flyback)变换器的输入电流脉动大，其高次谐波电流不但会以传导和辐射的方式 干扰周围电子设备，而且会产生畸变功率、降低变换效率；而Boost (单端Boost)变换器的储 能电感位于输入侧，输入电流的脉动小、对电源产生的EMI小，输入侧的电流易于控制。表l Buck (Forward) 、 Boost (单端Boost) 、 Buck-Boost (Flyback)变换器的性能比较变换器类型 变换器性能Buck (Forward) (降压型)Boost (单端Boost) (升压型)Buck-Boost (Flyback) (升降压型)易控制的电流输出电流输入电流/输入电流纹波以及对输入电源的EMI大小大负载短路时功率开关电流的上升率增大不变不变fe载短路时允许的保护电路动作时间短长长负载短路时变换器的可靠性低高高能输出的容量大小大大小因此，Boost (单端Boost)变换器兼有Buck (Forward) 、 Buck-Boost (Flyback) 二者之优点， 即输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、输出容量大等，在要求输入电流纹波小、负载短路 时可靠性高、大容量输出的电能变换场合具有显著的优势和重要的地位。高频链逆变技术，是指输出交流负载与输入直流电源间具有高频电气隔离(20kHz以上) 的DC-AC变换技术,是实现DC-AC变换器输出电压与输入电压匹配、高功率密度、运行的安全可靠性和电磁兼容性等的有效途径。电力电子研究人员对Buck、Buck-Boost型各类变换器的研究， 己取得了显著的研究成果。然而，人们对Boost型变换器的研究主要局限于DC-DC变换(如 En-Sung Park等人提出的"A soft-switching active-clamp scheme for isolated full-bridge boost co證rter，，， IEEE APEC, 2004, pp. 1067 1070.)和AC-DC变换(如 Manjing Xie等人提出的"Novel current-loop feed-forward compensation for boost PFC converter", IEEE APEC， 2004， pp. 750 755.)，对Boost型高频链DC-AC变换技术 的研究却尚未见到。以上论述表明，Boost型变换器在DC-DC、 AC-DC电能变换领域已经展现出其优点并发挥着 重要的作用。如何发挥Boost型变换器的优点来实现和改善DC-AC电能变换系统的性能,是一个 很值得深入研究、探索的课题。因此，寻求一类具有输入电流纹波小、负载短路时可靠性高、 输出容量大的新型高频链逆变器巳迫在眉睫。发明内容本发明目的是要提供一种具有输出交流负载与输入直流电源间高频电气隔离、输出与 输入电压匹配能力强、双向功率流、体积小、重量轻、变换效率高、输入电流纹波小、音 频噪音低、负载短路时可靠性高、成本低、输出容量大、应用前景广泛等显著优点的升 压型高频链逆变器。本发明的升压(Boost)型高频链逆变器是由输入滤波电路、储能电感、高频逆变器、高频 变压器、周波变换器、输出滤波电路依序级联构成，并且在输出负载与输入直流电源之间联接 有高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路，所述的高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路 由周波变换器、高频储能式变压器、整流器依序级联构成，周波变换器的输入端与输出负载相 连接，整流器的输出端与输入直流电源相连接。本发明的技术方案是充分发挥Boost型变换器的优点来实现和改善DC-AC电能变换系统的 性能，首次提出了升压(Boost)型高频链逆变器新概念、电路结构与拓扑族。本发明的升压(Boost)型高频链逆变器，能够将一种不稳定的直流电压变换成所需电压 大小、稳定的优质正弦交流电压，具有高频电气隔离、输出与输入电压匹配能力强、双向功率 流、变换效率高、体积小、重量轻、输入电流纹波小、负载适应能力强、音频噪音低、负载 短路时可靠性高、成本低、输出容量大、应用前景广泛等优点。升压(Boost)型高频链逆 变器，充份展现了 Boost型变换器的优点，实现和改善了 DC-AC电能变换系统的性能。
图l为本发明升压(Boost)型高频链逆变器的电路结构图。图2为升压(Boost)型高频链逆变器原理波形图。图3为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例一 ——推挽全波式电路原理图。 图4为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例二——推挽桥式电路原理图。 图5为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例三——半桥全波式电路原理图。 图6为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例四——半桥桥式电路原理图。 图7为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例五——全桥全波式电路原理图。 图8为本发明升压(Boost)型高频链逆变器电路实例六——全桥桥式电路原理图。 图9为本发明升压(Boost)型高频链逆变器的电压瞬时值反馈控制框图。 图10为电压瞬时值反馈控制原理波形图。
具体实施方式
本发明所述升压(Boost)型高频链逆变器电路结构，由输入滤波电路、储能电感、高频 逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波电路依序级联构成，并且在输出负载与输入直流 电源之间联接有高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路，所述的高频电气隔离反激式变换器 能量回馈电路由周波变换器、高频储能式变压器、整流器依序级联构成，周波变换器的输入端 与输出负载相连接，整流器的输出端与输入直流电源相连接。所述高频链逆变器电路拓扑为推 挽全波式、推挽桥式、半桥全波式、半桥桥式、全桥全波式或全桥桥式电路。升压(Boost)型高频链逆变器电路结构与电路原理波形分别如图1、图2所示。在任意 时刻逆变器输出的低频正弦交流电压瞬时值的绝对值lu。l与输入直流电压仏、高频变压 器匝比N2/N,、占空比D之间的关系为lu。卜UiN2/[^ (1-D)]，对于不同的占空比D和高 频变压器匝比N2/N"可以获得大于、等于或小于Ui的输出电压瞬时值的绝对值lu。1。由 于0<0<1，所以lu。l〉UiN2/N"也就是说在任意时刻逆变器输出的低频正弦交流电压瞬 时值的绝对值kl总是高于输入直流电压Ui与高频变压器匝比&/%的乘积(UiNz/NJ, 故将这类逆变器称为升压(Boost)型高频链逆变器。该电路结构中的高频逆变器、周波变换 器分别由二象限、四象限高频功率开关构成，且储能电感位于逆变器的输入侧。当输入直流电 源向负载传递功率时,高频逆变器将储能电感的脉动直流电流调制成双极性三态的高频脉冲电 流，周波变换器再将其解调成单极性三态的低频脉冲电流，经输出滤波器后得到优质的低频正 弦交流电压；当负载向输入直流电源回馈能量时，周波变换器将输出低频正弦交流电压调制成 双极性三态的高频脉冲电压，高频逆变器再将其解调成单极性三态的低频脉冲电压，经输入滤 波器后回馈给输入直流电源。由于Boost变换器本质上是升压型变换器，在每个高频开关周期内总存在lu。l〉UiN2/N,，故当输出正弦电压下降且lu。l《UiN2M期间(图2所示电路原理波形 中t4, t2、 t3 t4区间)u。波形的形成，需要通过增添一个由周波变换器、高频储能式变压器、 整流器依序级联构成的小功率的高频电气隔离反激式Flyback变换器能量回馈电路来实现。由于升压(Boost)型高频链逆变器的储能电感位于输入侧，输入侧的电流易于控制，电感 电流连续模式吋其输入电流L是连续的，输入电流脉动量小，对电源产生的电磁干扰(EMI)小， 输入直流电流ii的纹波小。当负载短路时，由于升压(Boost)型高频链逆变器的储能电感可 以起到限流作用，因而其功率开关电流的上升率不变、允许的保护电路动作时间长，故升压(Boost)型高频链逆变器在负载短路时的可靠性高。由于升压(Boost)型高频链逆变器中的 电气隔离元件为高频变压器，磁芯工作在双向对称磁化状态，故升压(Boost)型高频链逆变器 能够输出的功率大。因此，升压(Boost)型高频链逆变器在要求电源侧纹波小、负载短路时可 靠性高的大容量电能变换场合，具有显著的优势和重要的地位。升压(Boost)型高频链逆变器电路拓扑族的实施例，如图3、 4、 5、 6、 7、 8所示。图3 为推挽全波式电路，图4为推挽桥式电路，图5为半桥全波式电路，图6为半桥桥式电路， 图7全桥全波式电路，图8为全桥桥式电路。该电路拓扑族适用于将一种不稳定的直流电变 换成所需要的稳定的优质正弦交流电，可用来实现具有优良性能和广泛应用前景的新型大 功率逆变电源(如24VDC/220V50HzAC 、 48VDC/220V50HzAC )和静止变流器(如 27VDC/115V400HzAC、 270VDC/115V400HzAC)。从输入侧高频逆变器看，推挽式、半桥式电路高 频功率开关S'、 S2承受的最大电压应力为折算到原边的输出交流电压幅值的两倍(21LN,/N2)， 前者变压器原边绕组利用率低，而后者变压器原边绕组利用率高；全桥式电路高频功率开关 SJS/)、 S2(S/)承受的最大电压应力为折算到原边的输出交流电压幅值(U。具/N2)，变压器原边 绕组利用率高。从输出侧的周波变换器看，全波式电路高频功率开关S3、 S4承受的最大电压应 力为输出交流电压幅值的两倍(2U。J，变压器副边绕组利用率低；桥式电路高频功率开关 S3(S/)、 S4(S/)承受的最大电压应力为输出交流电压的幅值(U。m)，变压器副边绕组利用率高。 故推挽全波式、半桥全波式、全^^全波式电路适用于低压大电流、大容量输出逆变场合，推挽 桥式、半桥桥式、全桥桥式电路适用于高压小电流、大容量输出逆变场合。该电路拓扑族中均设置了一个小功率的高频电气隔离反激式Flyback变换器能量回馈电 路，它是由一个四象限功率开关Sa、具有副边绕组中心抽头的高频储能式变压器L和两个单向电流功率开关(Sd与DM反串、Sa2与Da2反串)构成。四象限功率开关Sa将输出正弦电压下降且kl《u凡/U期间(图2所示电路原理波形中tan t3 "区间)输出过多的能量调制成高频脉动电流并储存在高频储能式变压器Ta中，当Sa截止、Sd或Sa2导通时，储存在高频储能 式变压器Ta中的能量释放到输入直流电源侧。因此，专门设置的小功率高频电气隔离反激式Flyback变换器的作用是，将输出正弦电压下降且ki《UiN2M期间输出过多的能量回馈到输入 直流电源侧，确保在输出端获得高质量的输出正弦电压波形。升压(Boost)型高频链逆变器采用电压瞬时值反馈控制原理，如图9和图10所示。该控制原理中，图9为控制框图、图10为控制原理波形。在输出正弦电压t=0 ti、 t2 t3区间，逆变器功率电路处于工作状态，而能量回馈电路处于停止工作状态，控制原理可简述为将逆 变器输出正弦交流电压反馈信号u。f的绝对值信号与基准正弦信号u f的绝对值信号比较，经误差放大器后得到了误差放大信号Ue，该误差放大信号Ue与锯齿载波信号He比较得到了 SPWM信号ife，锯齿载波信号Ue经下降沿二分频电路后得到脉冲信号ukl，化经非门电路得到脉冲信号 uk2， SPWM信号Uk3分别与脉冲信号Uk,、 Uk2相或、再分别与变换器的选通信号Usy (Ue经过零比较 器得到)相与、经驱动电路后得到四象限高频功率开关SJS/)、 S2(S/)的驱动信号，即 & (S;)=( + "h) "砂、S2 (S2) = (Mi2 + "*3). ~ = + "43) ~ ' SPWM信号Uk3分别与脉冲信号ukl、化经或门、非门电路后的信号分别作为四象限高频功率开关S4(S/)在输出电压正、负半周 时的驱动信号和四象限高频功率开关S3(S/)在输出电压负、正半周时的驱动信号，即S4(S/^(Uk3+UH.UkO+Uk3+Uk2'Uk。).","S3(S3') = (Uk3 +Ukl 'Uk。 +11^ .Uk。)-"Jy ;而在此区间Ue>0、 -Ue<0、 -Ue与Uc无交截，变换器的选通信号Us尸l、 ^=0，故功率开关Sa、 Sa!和Sa2的驱 动信号均被封锁。在输出正弦电压t二^ t2、t3 t4区间，逆变器功率电路处于停止工作状态，而能量回馈电路处于工作状态，控制原理可简述为由于变换器的选通信号Us,= l、 :=0，故四象限高频功率开关S,(S/)、 S2(S2')、 S"S3')、 S4(S/)的驱动信号均被封锁;而在此区间化<0、-Ue>0，-Ue与仏经比较器、驱动电路后得到了四象限功率开关Sa的驱动信号，将-Ue与U。经比较器、非门后的信号与变换器的选通信号:相与再经输出电压正、负半周选择信号Uk。、 ^后得到了Sa。 Sa2的驱动信号。能量回馈电路工作期间，四象限功率开关Sa将t1广t2、 t3 t4区 间输出过多的能量调制成高频脉动电流并储存在高频储能式变压器L中，当Sa截止、S^或Sa2导通时，储存在L中的能量释放到输入直流电源侧，从而完成了输出过多能量的回馈。对于图3 图8所示推挽、半桥、全桥式电路来说，输入侧高频逆变器的二象限高频功率开关St (S/)与S2(S/)的驱动信号相差180。且占空比大于0. 5，在Ts/2内其共同导通时间为1^ = (Ts/2) 6 /180。(Ts为高频开关周期、(Xe <180°为共同导通时间所对应的角度)，占空比D二Tc^/ (Ts/2) =9/180°。通过改变输入侧高频逆变器的共同导通角，就可调节双极性三态高频脉冲电流L的占空比D (改变驱动信号的占空比)，从而可以实现当输入电压或负载变化时升压 (Boost)型高频链逆变器输出电压的稳定与调节。
权利要求
1.一种升压型高频链逆变器，其特征在于由输入滤波电路、储能电感、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波电路依序级联构成，并且在输出负载与输入直流电源之间联接有高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路，所述的高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路由周波变换器、高频储能式变压器、整流器依序级联构成，周波变换器的输入端与输出负载相连接，整流器的输出端与输入直流电源相连接。
2. 根据权利要求1所述的升压型高频链逆变器，其特征在于所述高频链逆变器电路拓 扑为推挽全波式、推挽桥式、半桥全波式、半桥桥式、全桥全波式或全桥桥式电路。
全文摘要
本发明涉及一种升压型高频链逆变器，其电路结构由输入滤波电路、储能电感、高频逆变器、高频变压器、周波变换器、输出滤波电路依序级联而成，并且在输出负载与输入直流电源之间联接有由周波变换器、高频储能式变压器、整流器依序级联构成的高频电气隔离反激式变换器能量回馈电路，能够将一种不稳定的直流电压变换成所需要的稳定的优质正弦交流电压，具有高频电气隔离、输出与输入电压匹配能力强、双向功率流、变换效率高、体积小、重量轻、输入电流纹波小、负载适应能力强、音频噪音低、负载短路时可靠性高、成本低、输出容量大、应用前景广泛等优点，为新型大容量逆变电源和静止变流器奠定了关键技术。
文档编号H02M7/42GK101267167SQ200810070429
公开日2008年9月17日 申请日期2008年1月9日 优先权日2008年1月9日
发明者陈艳慧, 陈道炼 申请人:福州大学