专利名称：一种正激式单级隔离逆变器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种正激式单级隔离逆变器，属于电力电子变换器领域。
背景技术：
能源的潜在危机和生态环境的恶化，使世界各国积极开发包括燃料电池发电在内的新能 源及可再生能源。随着可再生能源的开发利用，适用于太阳能阵列的逆变器和燃料电池用逆 变器得到了广泛地研究。由于太阳能电池和燃料电池每个单元的输出电压较低，所以在串联 数量很少的情况下，并网逆变器的输入电压较低，但输出电压为市电220Vac，这样逆变器就 需要具有直流电压的提升和逆变的功能。
通常逆变器依照级数可以划分为单级式逆变器和多级式逆变器。具有电气隔离功能的单 级式逆变器的基本形式就是高频链逆变技术，国内外学者对其做了大量研究，取得了不少有 价值的研究成果。1995年WalkerJim提出了一种单四象限反激逆变器，反激逆变器的变压器有 四组绕组， 一个原边绕组， 一个回馈绕组和两个整流绕组，该逆变器由三只MOSFET和四只 二极管组成，可以四象限工作，并具有电气隔离，输入输出变化范围宽的特点；文献"梁永 春，孙林,龚春英,严仰光,反激逆变器研究,中国电机工程学报,2005, voL25(24): 85-89"中研究 了一种新颖的反激逆变器，其拓扑结构简单，由两路双向反激变换器组合得到，共有四只 MOSFET及其体二极管组成四象限功率开关，该拓扑每个周期仅有一只功率管高频斩波，开 关、导通损耗小，而且每一种开关模式都可以等效为反激变换器，简化了控制和驱动电路， 可靠性高。但是，由于上述单级式逆变器其基本拓扑采用反激变换器，因此仅适合应用于小 功率场合。中国发明专利"CN1761140"和"CN1758521"分别提出了单级双向升压直流变 换器型高频环节逆变器、单级双向降压直流变换器型高频环节逆变器的电路结构，这两种电 路结构的基本思想是由两个相同的、输出反相低频正弦脉动直流电压的高频电气隔离双向功 率流直流变换器以差动电路构成，包括单管正激式、推挽式、推挽正激式、双管正激式、半 桥式、全桥式电路，因此在输出正弦波的任意半周，总有一个直流变换器处于闲置状态，器 件的利用率没有达到最大化，变压器磁芯的利用率较低。
发明内容
本发明针对背景技术中高频链逆变技术存在的缺陷而提出一种电路结构简单、变换效率 及可靠性高、适用于中小功率场合的正激式单级隔离逆变器。
本发明的正激式单级隔离逆变器，其结构包括原边电路、主功率变压器和副边电路， 其中原边电路包括直流电源和第一至第四功率开关管，直流电源的正极分别连接第一功率 开关管的漏极和第三功率开关管的漏极，直流电源的负极分别连接第二功率开关管的源极和 第四功率开关管的源极；主功率变压器包括原边绕组和副边绕组，原边绕组的同名端分别连 接第一功率开关管的源极和第二功率开关管的漏极，原边绕组的非同名端分别连接第三功率 开关管的源极和第四功率开关管的漏极；副边电路包括第一和第二四象限高频功率开关、滤 波电感和滤波电容，第一四象限高频功率开关的一端连接副边绕组的同名端，第一四象限高 频功率开关的另一端分别连接第二四象限高频功率开关的一端和滤波电感的一端，第二四象
限高频功率开关的另一端分别连接副边绕组的非同名端、滤波电容的一端和输出负载的一端， 滤波电感的另一端分别连接滤波电容的另一端和输出负载的另一端。 本发明具有如下有益效果(1) 输入输出端高频电气隔离，输出与输入电压匹配能力强；
(2) 原边开关管的电压应力为输入电压，因此适用于中高压输入场合；
(3) 保留了双管正激变换器原边开关管电压应力低、不存在桥臂直通、可靠性高等优点；
(4) 原边由两路双管正激变换器并联构成，并进一步简化，其原边不需要磁复位二极管，利用功率开关管的体二极管实现磁复位功能，实现了开关管的复用，简化了电路结构；
(5) 双向功率流，单级功率变换，变压器原副边高频电气隔离，变压器在半个市电周期双向磁化，提高了变压器磁芯的利用率，减小了整体体积，并具有高功率密度，高效率及高可靠性，特别适合于太阳能以及燃料电池的并网发电。
图1是本发明正激式单级隔离逆变器的电路原理图。图2 (a) ~ (d)分别是四种四象限高频功率开关的电路示意图。图3是本发明采用图2 (a)所示的四象限高频功率开关时的实施例电路原理图。图4是图3所示的实施例电路在四种工作模式(D-A-B-C)下的主要波形图，图中ve
一误差电压； +—正向三角波电压；v。一输出电压；/。一输出电流；vgW为开关管&、 &、 &
的驱动电压；&,2为开关管&、 &、 5V的驱动电压；V^—开关管5V的驱动电压；&「开关管
&的驱动电压；f为时间。
图5 (a)是图3所示的实施例电路在工作模式A和D下的等效电路原理图，图5 (b)
是图3所示的实施例电路在工作模式B和C下的等效电路原理图。
图1、图3、图5中的标号名称10—原边电路；20—副边电路；P^—直流电源(输入电压)；&~&分别是第一至第四功率开关管；"广Z^分别是第一至第四功率开关管的体二极管；&7、 &2分别是第一和第二四象限高频功率开关；&~&均是构成四象限高频功率开关的MOSFET开关管；历~历分别是& &的体二极管；r一主功率变压器；％、 iV5分别是主功率变压器r的原边绕组和副边绕组；丄「滤波电感；C/"滤波电容；V。一输出电压；/。一输出电流。
具体实施例方式
如图i所示，本发明正激式单级隔离逆变器的结构包括原边电路io、主功率变压器r
和副边电路20，其中原边电路10包括直流电源^和第一至第四功率开关管&、 &、 &、&，直流电源P^的正极分别连接第一功率开关管&的漏极和第三功率开关管&的漏极，直流电源R 的负极分别连接第二功率开关管&的源极和第四功率开关管&的源极；主功率变
压器r包括原边绕组A^和副边绕组m，原边绕组的同名端分别连接第一功率开关管&的
源极和第二功率开关管&的漏极，原边绕组iVp的非同名端分别连接第三功率开关管&的源极和第四功率开关管&的漏极；副边电路20包括第一和第二四象限高频功率开关SW、 &2
和滤波电感丄/及滤波电容C/，第一四象限高频功率开关Sw的一端连接副边绕组iV,的同名端，
第一四象限高频功率开关SW的另一端分别连接第二四象限高频功率开关&2的一端和滤波电
感々的一端，第二四象限高频功率开关5^的另一端分别连接副边绕组m的非同名端、滤波电容C/的一端和输出负载的一端，滤波电感Z/的另一端分别连接滤波电容C/的另一端和输
出负载的另一端。
在具体实施过程中，根据原边电路的功率开关管及副边电路的四象限高频功率开关的实
现方式不同而具有多种实施方式，其中原边电路中功率开关管可以采用MOSFET或者带有体二极管的普通IGBT，图2 (a) ~ (d)给出了副边电路中四象限高频功率开关的四种实现方式，其中图2 (a)是由两个MOSFET或者普通IGBT采用共集电极式结构构成的四象限高频功率开关；图2 (b)是由两个MOSFET或者普通IGBT采用共射极式结构构成的四象限高频功率开关；图2 (c)是由两个逆阻式IGBT采用反并联结构构成的四象限高频功率开关；图2 (d)是由逆阻式IGBT与二极管桥式结构构成的四象限高频功率开关。
如图3所示是副边电路的四象限高频功率开关采用如图2 (a)所示的两个MOSFET共
集电极式结构、所有开关管均采用MOSFET的正激式单级隔离逆变器的实施例电路原理图。下面以图3所示的电路为例来说明该正激式单级隔离逆变器的控制原理及工作过程该电路通过控制实现当 >0时，由开关管&、 &、 &、 &和开关管&、 &的体二极管
"2、 ￡)3作为的磁复位二极管及主功率变压器7\滤波电感丄/、滤波电容Q组成的双向正激式
变换器工作；当V。0时，由开关管&、 &、 &、 &和开关管&、 &的体二极管￡ 7、 iM乍为
的磁复位二极管及主功率变压器T、滤波电感Z/、滤波电容Q"组成的双向正激式变换器工作。由于逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性、容性、阻性和整流性负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式分别对应四个象限的工作，每一种工作模式的拓扑结构都相当于一个双向正激式变换器，而且不同的负载条件下逆变器的工作模式顺序也不同。图4是图3所示的实施例电路在四种工作模式(D-A-B-C)下的主要波形图。下面结合图4和图5来说明图3所示的实施例电路在四种工作模式下的详细工作过程
1、 能量输出模式(A、 C)
模式A (v。>0， /。>0)
在工作模式A，开关管&、 &高频斩波工作，开关管&同步整流，57同步续流，开关管
&、 &长通，&、 &关断；当主功率变压器r磁复位时，磁化电流流过开关管&和&的体二
极管￡ 2和￡>3。开关管&、 &、 &、 57和开关管&、 &的体二极管￡ 2、 ￡)3及主功率变压器7\滤波电感丄/、滤波电容C/构成一个双向正激式变换器，直流电源F,"向负载传输能量，如图5
(a) 所示。
模式C (v。<0， z。<0)
在工作模式C，开关管&、 &高频斩波工作，开关管&同步整流，&同步续流，开关管
&、 &长通，&、 &关断；当主功率变压器磁r复位时，磁化电流流过开关管&和&的体二极管A和i^。开关管&、 &、 &、 &和开关管&、 &的体二极管历、D4及主功率变压器r、滤波电感丄/、滤波电容c,构成一个双向正激式变换器，直流电源rm向负载传输能量，如图5
(b) 所示。
2、 能量回馈模式(B、 D)
模式B (v。<0， /^0)
在工作模式B，开关管&、 &高频斩波工作，开关管&、 &同步整流，开关管&、 &长通，&、 &关断；当开关管&关断，&导通时，滤波电感々储能；当开关管56导通，&关断
时，滤波电感丄/上的能量通过主功率变压器r从电网传递到直流电源。开关管&、 &、 &、
&和开关管&、 &的体二极管￡)/、 /)￥及主功率变压器7\滤波电感々、滤波电容C,构成一个双向正激式变换器，负载向直流电源R"传输能量，如图5 (b)所示。模式D (v。>0， /。<0)
在工作模式D，开关管&、 57高频斩波工作，开关管&、 &同步整流，开关管&、 &长通，&、 &关断；当开关管&关断，&导通时，滤波电感々储能；当开关管&导通，SV关断
时，滤波电感丄/上的能量通过主功率变压器r从电网传递到直流电源。开关管&、 &、 &、&和开关管&、 &的体二极管/)2、 ^及主功率变压器r、滤波电感丄/、滤波电容c,构成一
个双向正激式变换器，负载向直流电源F,n传输能量，如图5 (a)所示。
当逆变器带感性负载时，工作顺序为A-B-C-D;当逆变器带容性负载时，工作顺序为A—D-C—B。
权利要求
1、一种正激式单级隔离逆变器，其特征在于包括原边电路(10)、主功率变压器(T)和副边电路(20)，其中原边电路(10)包括直流电源(Vin)和第一至第四功率开关管(S1、S2、S3、S4)，直流电源(Vin)的正极分别连接第一功率开关管(S1)的漏极和第三功率开关管(S3)的漏极，直流电源(Vin)的负极分别连接第二功率开关管(S2)的源极和第四功率开关管(S4)的源极；主功率变压器(T)包括原边绕组(Np)和副边绕组(Ns)，原边绕组(Np)的同名端分别连接第一功率开关管(S1)的源极和第二功率开关管(S2)的漏极，原边绕组(Np)的非同名端分别连接第三功率开关管(S3)的源极和第四功率开关管(S4)的漏极；副边电路(20)包括第一和第二四象限高频功率开关(Sb1、Sb2)、滤波电感(Lf)和滤波电容(Cf)，第一四象限高频功率开关(Sb1)的一端连接副边绕组(Ns)的同名端，第一四象限高频功率开关(Sb1)的另一端分别连接第二四象限高频功率开关(Sb2)的一端和滤波电感(Lf)的一端，第二四象限高频功率开关(Sb2)的另一端分别连接副边绕组(Ns)的非同名端、滤波电容(Cf)的一端和输出负载的一端，滤波电感(Lf)的另一端分别连接滤波电容(Cf)的另一端和输出负载的另一端。
全文摘要
本发明公开了一种正激式单级隔离逆变器，属电力电子变换器。该逆变器结构包括原边电路、主功率变压器和副边电路，其中原边电路包括直流电源和四个功率开关管，主功率变压器由原边绕组和副边绕组构成，副边电路由两个四象限高频功率开关、滤波电感和滤波电容构成。该逆变器双向功率流，单级功率变换，原副边高频电气隔离，变压器在半个市电周期双向磁化，复用开关管的体二极管作为磁复位二极管。本发明电路结构简单，功率密度高，变换效率高，可靠性高，适用于中、小功率场合，特别适合于太阳能以及燃料电池等新能源发电。
文档编号H02M7/48GK101635528SQ20091018450
公开日2010年1月27日 申请日期2009年8月28日 优先权日2009年8月28日
发明者吴红飞, 犁 张, 岩 邢 申请人:南京航空航天大学