专利名称：二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器。
二背景技术：
双降压式逆变器(Dual Buck Inverter~—以下简称DBI)是近年来出现的一种新型 的逆变器拓扑。相对传统的桥式逆变器，DBI具有无桥臂直通的高可靠性和无开关管寄 生二极管反向恢复问题的独特优点；工作于半周模式下的DBI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，是一种具有一定研究价值和发展前景 的拓扑结构。DBI和半桥逆变器有很多相似的地方，下文将两者通称为半桥型逆变器。 半桥型逆变器需^外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，器件电 压应力大，直流i压利用率低；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。以上两点也是半桥型 逆变器的缺点。
近年来，多电平技术得到人们更多的关注和研究。由于器件制造技术的限制，功率 半导体器件的耐压是有一定限度的。在高压变换器中，可将功率管串联使用，但由于器
件参数的不一致和开关瞬态的不同步，很难实现稳态和瞬态过程的均压，导致个别功率 管的过压，降低了电路的可靠性。多电平技术是解决功率管串联问题的一个好办法，它 能保证功率管承受的电压应力在稳态和瞬态过程中箝位于母线电容的电压。引入多电平 技术的三电平双降压式半桥逆变器同时可使桥臂输出变为单极性。
三
发明内容
1、 技术问题.本发明要解决的技术问题是在保留DBI高可靠性和高效率特点的同 时，解决其器件电压应力高，桥臂输出谐波含量大的缺点。
2、 技术方案为了解决上述的技术问题，本发明的二极管箝位三电平双降压式半 桥逆变器包括第一三电平降压电路l、第二三电平降压电路2、第三功率二极管D3。其 中第一三电平降压电路1包括第一功率开关管&、第三功率开关管&、第一功率二极管 A;第二三电平降压电路2包括第二功率开关管&、第四功率开关管&、第二功率二极 管D2。本发明二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一三电平降压电 路1中，第一功率开关管&的漏极与第一外界电源W的正端连接，第一功率开关管& 的源极与第三功率开关管&的源极连接，第三功率开关管&的漏极与第一功率二极管 A的阴极连接，第一功率二极管"i的阳极接地，第一电感&的一端接入第一功率开关 管&的源极与第三功率开关管&的源极之间；第二三电平降压式电路2中，第二功率 开关管&的源极与第二外界电源C/2的负端连接，第二功率开关管&的漏极与第二功率
3二极管"2的阳极-连接，第二功率二极管"2的阴极与第四功率开关管&的漏极连接，第 四功率开关管S4的源极接地，第二电感￡2的一端接入第二功率开关管&的漏极与第二 功率二极管Z)2的阳极之间；第一电感&的另一端与第二电感"的另一端相连接入由滤 波电容Cf和负载及并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电容Cf和负载及的
另一端同时接地。第三功率二极管D3的阳极接入第二功率开关管&的b极与第二功率
二极管"2的阳极之间，第三功率二极管"3的阴极接入第一功率开关管&的源极与第三 功率开关管&的源极之间；第一外界电源W的负端与第二外界电源f/2的正端相连并且 在连接点接地。
本发明采用的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器包含两个三电平降压电路，其 输入侧接电源电路单元，其输出侧接输出滤波电容和负载电路。该电路保留了双降压式 半桥逆变器的特^:电路没有桥式电路桥臂直通的危险；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。二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的桥臂输出
电压为三电平PWM调制波，相对双降压式半桥逆变器的两电平桥臂输出，谐波含量大 为降低，所需滤波器大为减小；虽然增加了器件，但由于器件电压应力的降低，可选用 耐压定额更小的器件，意味着器件导通电阻和寄生电容的降低，整体的通态损耗不一定 增加，并且器件开关频率可以降低，使得器件开关损耗可以减小，再加上滤波器件损耗 的降低，逆变器效率不会降低，但实现了整机体积重量的减小和更优的输出特性。整个
电路结构并不复杂，控制方案也较简单采用滞环电流PWM控制，保证逆变器电路在
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。滞环电流控制 方案还具有内在限流、动态性能快、实现简单等一系列优点。由于第三功率二极管的存
在，将桥臂电压始终箝位在第一外界电源电压tA和第二外界电源电压C/2之间，防止第
一功率开关管&、.第四功率开关管&出现电压尖峰，有效的保护了功率开关器件。
3、 有益效果本发明具有如下优点(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，功率器件电压应力降低，使得中小功率 的开关器件可适用于高压、大功率的场合；(3)继承了半桥型逆变器电路无桥臂直通、 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) PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能好。
4
图1是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑示意图；图1中的标号 名称为..1.第一三电平降压电路1; 2.第二三电平降压电路2; 3.外界电源；4.第三 功率二极管￡ 3; 5.外界负载；图2是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑各开关模态示意图； 图3是本发B的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器拓扑的主要波形示意图； 图4是本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器采用的控制框图。 附图中的主要符号名称& &——功率开关管；A 化——功率二极管；&~￡2——
滤波电感；CV——输出滤波电容；及——负载阻抗；" "——外界电源；"。——逆
变器输出电压。V广V4——功率开关管S广&的驱动波形；！'L1——滤波电感A电流波形；
/L2——滤波电感丄2电流波形；
具体实施例方式
如图1所示，本实施例的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一 三电平降压电路l中，第一功率开关管&的漏极与第一外界电源CA的正端连接，第一
功率开关管&的源极与第三功率开关管&的源极连接，第三功率开关管&的漏极与第
一功率二极管i^.的阴极连接，第一功率二极管Z^的阳极接地，第一电感A的一端接入 第一功率开关管&的源极与第三功率开关管&的源极之间；第二三电平降压式电路2 中，第二功率开关管&的源极与第二外界电源f/2的负端连接，第二功率开关管&的漏 极与第二功率二极管￡>2的阳极连接，第二功率二极管D2的阴极与第四功率开关管& 的漏极连接，第四功率开关管&的源极接地，第二电感Z2的一端接入第二功率开关管 &的漏极与第二功率二极管￡>2的阳极之间；第一电感&的另一端与第二电感￡2的另一
端相连接入由滤波电容Cf和负载i 并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电
容Cf和负载i 的另一端同时接地。第三功率二极管￡>3的阳极接入第二功率开关管&
的漏极与第二功率二极管D2的阳极之间，第三功率二极管￡>3的阴极接入第一功率开关
管&的源极与第三功率开关管&的源极之间；第一外界电源W的负端与第二外界电源 "的正端相连并且在连接点接地。
本发明的二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的工作原理是在输出电流大于零 的正半周，第三功率开关管&保持导通，第二功率开关管&、第四功率开关管&截止， 第一功率开关管& PWM调制，此时逆变桥的输出电平为+M或0;在输出电流小于零 的负半周，第一功率开关管&、第三功率开关管&截止，第四功率开关管&导通，第
二功率开关管&PWM调制，此时逆变桥的输出电平为-"或0。 二极管箝位三电平双降 压式半桥逆变器滤波前输出包含了+1、 0、 -1三态电平，且部分器件电压应力降为输入
电压。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，可保证第一三
电平降压电路l、第二三电平降压电路2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较高频率下运行。因而在本发明
的三电平双降压式半桥逆变器采用滞环电流PWM控制方案。下面以图1所示为主电路结构，结合图2来叙述本发明的三电平双降压式半桥逆变 器拓扑的具体工作原理和工作模态，对应的电路关键波形见附图3:
1、 在输出电流/。大于零的正半周[to t山
第一三电平降压电路1工作，第二三电平降压电路2不工作第一功率开关管&
PWM调制，第三功率开关管&保持导通，第二功率开关管&和第四功率开关管&截
止。此阶段电路在以下两个工作模态间切换-
工作模态h如图2 (a)所示，第一功率开关管&导通，第一电感&的电流/u线 性上升，第三功率开关管&和第一功率二极管i^支路无电流通过。逆变桥输出电平为 wA=L/i。
工作模态II:如图2 (b)所示，第一功率开关管&关断，电感电流Z'u从第三功率 开关管&、第一功率二极管Z^支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为WA-O。
2、 输出电流Z'。由正向负切换[t广t2]:
第一三电平降压电路1和第二三电平降压电路2交替工作，包含工作模态I、 II、 III 和工作模态IV、 V、 VI。
工作模态III:如图2 (c)所示，第一功率开关管&在此前已关断，当第三功率开 关管&也关断，由于电感电流/u对功率器件寄生结电容的抽流作用，桥臂电压WA快速
下降，当减小到"A《t/2，第二功率开关管&的寄生体二极管在感应电势"B作用下导通， 第一电感A的电流/u通过第三功率二极管Z)3和第二功率开关管&的寄生体二极管续 流，线性下降，桥臂输出电平为地=-"。
3、 在输出电流Z'。小于零的负半周[t2 t3]:
第一三电平降压电路1不工作，第二三电平降压电路2工作第二功率开关管& PWM调制，第四功率开关管&保持导通，第一功率开关管&和第三功率开关管&截 止。此阶段电路在以下两个工作模态间切换
工作模态IV:如图2 (d)所示，第二功率开关管&)导通，第二电感Z2的电流/u 线性上升，第四5!j率开关管&和第二功率二极管"2支路无电流通过。逆变桥输出电平 为WB=-f/2。
工作模态V:如图2 (e)所示，第二功率开关管&关断，电感电流/L2从第四功率 开关管&、第二功率二极管i)2支路续流，线性下降。逆变桥输出电平为"B二O。
4、 输出电流f。由负向正切换[t广t4]:
第一三电平降压电路1和第二三电平降压电路2交替工作，包含工作模态IV、
v、 vi和工作模态i、 n、 m。
工作模态VI:如图2 (f)所示，第二功率开关管&在此前已关断，当第四功率开
6关管&也关断，由于电感电流Z'u对功率器件寄生结电容的抽流作用，桥臂电压"B快速 上升，当增大到"B〉W，第一功率开关管&的寄生体二极管在感应电势"A作用下导通， 第二电感Z2的电流Zb通过第三功率二极管D3和第一功率开关管&的寄生体二极管续 流，线性下降，桥臂输出电平为"A二CA。
为实现以上工作原理，采用控制方案如附图4所示图中，ZV为电压环输出即电流 基准。第三功率开关管&和第四功率开关管S4的控制十分简单，采用开环控制，在电 流基准大于零的正半周，使第三功率开关管&一直导通，第四功率开关管S4—直截止， 电流基准小于零的负半周，使第三功率开关管&一直截止，第四功率开关管S4—直导 通。第三功率开关管&和第四功率开关管&在整个工频周期均只开关一次，死区影响 可忽略不计。第一功率开关管&和第二功率开关管&采用滞环电流PWM控制，是分 别采样两电感&和丄2的电流，经两个滞环比较器后分别得到第一功率开关管&和第二 功率开关管&管的驱动。
权利要求
1. 一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器，包括第一三电平降压电路(1)、第二三电平降压电路(2)、第三功率二极管(D3)。其中第一三电平降压电路(1)中包括第一功率开关管(S1)、第三功率开关管(S3)、第一功率二极管(D1)；第二三电平降压电路(2)中包括第二功率开关管(S2)、第四功率开关管(S4)、第二功率二极管(D2)。本发明二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器的特征在于，第一三电平降压电路(1)中，第一功率开关管(S1)的漏极与第一外界电源(U1)的正端连接，第一功率开关管(S1)的源极与第三功率开关管(S3)的源极连接，第三功率开关管(S3)的漏极与第一功率二极管(D1)的阴极连接，第一功率二极管(D1)的阳极接地，第一电感(L1)的一端接入第一功率开关管(S1)的源极与第三功率开关管(S3)的源极之间；第二三电平降压式电路(2)中，第二功率开关管(S2)的源极与第二外界电源(U2)的负端连接，第二功率开关管(S2)的漏极与第二功率二极管(D2)的阳极连接，第二功率二极管(D2)的阴极与第四功率开关管(S4)的漏极连接，第四功率开关管(S4)的源极接地，第二电感(L2)的一端接入第二功率开关管(S2)的漏极与第二功率二极管(D2)的阳极之间；第一电感(L1)的另一端与第二电感(L2)的另一端相连接入由滤波电容(Cf)和负载(R)并联构成的滤波电容和负载电路3的一端，滤波电容(Cf)和负载(R)的另一端同时接地。第三功率二极管(D3)的阳极接入第二功率开关管(S2)的漏极与第二功率二极管(D2)的阳极之间，第三功率二极管(D3)的阴极接入第一功率开关管(S1)的源极与第三功率开关管(S3)的源极之间；第一外界电源(U1)的负端与第二外界电源(U2)的正端相连并且在连接点接地。
全文摘要
一种二极管箝位三电平双降压式半桥逆变器，包括第一三电平降压电路和第二三电平降压电路，并通过第三功率二极管箝位桥臂电压。本发明的优点是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，降低了PWM调制部分的开关频率和开关损耗，提高效率；功率器件电压应力低，使中小功率的开关器件可适用于高压、大功率的场合；继承了半桥型逆变器电路无桥臂直通、无开关管体二极管反向恢复问题的优点；结构和控制方案较为简单，易于实现；PWM调制电路单元采用滞环电流控制方案，逆变器动态性能好。
文档编号H02M7/48GK101483397SQ20091002467
公开日2009年7月15日 申请日期2009年2月26日 优先权日2009年2月26日
发明者峰 洪, 王成华, 颉 郑 申请人:南京航空航天大学