一种全波式差分输出的逆变器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种全波式差分输出的逆变器，包括两个隔离型DC-DC变换电路；DC-DC变换电路的原边为全桥电路结构，副边为全波整流电路结构；两个DC-DC变换电路副边的输出端分别接于负载两端以构成差分结构。本发明逆变器工作时没有占空比丢失现象，从而在根本上消除了死区带来的电压波形畸变；逆变器采用差分输出的结构，进一步消除由于实际电路的非理想特性带来的波形畸变，同时还具有很高的共模干扰抑制能力，从而得到波形畸变率极低的输出电压。此外，本发明逆变器输出与输入之间用高频变压器相互隔离，降低了输入端对负载的电磁干扰。
【专利说明】一种全波式差分输出的逆变器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，具体涉及一种全波式差分输出的逆变器。
【背景技术】
[0002]随着现代科技的进步，各行各业出现了越来越多的精密仪器与设备，如临床医学上所用的床旁机械臂系统(俗称达芬奇手术机器人)，晶圆半导体芯片生产线设备，以及各种精密加工机械。精密仪器设备对电源提出了很高的要求，不仅要求供电电压稳定、频率偏差小、波形畸变率低，同时还要求供电设备对仪器的电磁干扰小。因此，精密仪器设备的供电不能直接采用市电，而需要专门设计的可靠稳定的并且波形畸变率达到要求的逆变电源。
[0003]另一方面，随着生活水平的提高，高品质音响设备在人们的生活中越来越常见。在音响设备中，音频功率放大电路是关键的组成部分。高品质音频功放不仅要失真度小，音频噪声低，而且要求频率响应带宽范围大，对频带宽、输出波形畸变率低的电路提出了需求。与之类似的是在水下探测以及军事领域里被广泛应用的声呐设备。主动型声呐通过水声换能器发出一定频率的水声信号并检测回声来探测水下目标，水声换能器要求供电电源的波形畸变率极低，对传统的变频电源提出了严峻挑战。
[0004]传统的桥式逆变器结构简单、技术成熟，广泛应用于常规的交流电源装置。但是在上述需要高精度逆变电源的应用场合，桥式逆变器遇到了难以克服的困难。桥式逆变电路在工作时为了避免桥臂的直通，必须在上下开关管的开关信号之间加入死区时间。死区时间的引入会导致输出基波电压减小，低次谐波电压增加，波形畸变严重。为了解决死区带来的波形畸变问题，Seon-Hwan.H and K.Jang-Mok 在标题为 Dead Time CompensationMethod for Voltage-Fed PffM Inverter.Energy Conversion (IEEE Transactionson, 2010.25(1):p.1-10.)的文献中提出了在控制中加入死区补偿机制，但是该做法需要对输出电流进行检测，通过判断电流的极性来决定占空比的增减。而实际中在电流过零点附近对电流极性的检测是很难做到精准的。
[0005]Lihua.C and Ζ.P.Fang 在标题为 Dead-Time Elimination for Voltage SourceInverters.Power Electronics (IEEE Transactions on, 2008.23 (2):p.574-580)的文献中提出了采用无死区时间的控制策略，该控制策略中为了避免桥臂的直通，需要准确的判断开关管的开关状态，实际应用中一般通过检测滤波电感电流或开关管反并二极管的导通状态来判断开关管的开关状态；但由于电感电流存在纹波，再加上各种干扰因素的影响，使得方法的有效性大打折扣，装置的可靠性也大大降低。总之，现有各种方案由于需要对电路中的某些变量进行精确的检测，因而很难在实际装置中应用。
[0006]此外，传统的桥式逆变器是一种非隔离型的结构，工作时输出端很容易受到来自输入端的电磁干扰的影响；且开关管难以实现软开关，这限制了电路实现高频化。
【发明内容】
[0007]针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提出了一种全波式差分输出的逆变器，该逆变器工作过程中由死区带来的占空比丢失很小，通过简单的补偿方式就可得到解决，从而根本上解决了传统逆变器的难题；同时采用差分输出的结构能够进一步消除由于实际电路的非理想特性带来的波形畸变，同时还具有很高的共模干扰抑制能力，从而得到波形畸变率极低的输出电压。
[0008]一种全波式差分输出的逆变器，由两个子电路组成，所述的子电路为隔离型DC-DC变换电路；所述的DC-DC变换电路的原边为全桥电路结构，副边为全波整流电路结构；
[0009]两个子电路副边的输出端分别接于逆变器负载两端以构成差分输出结构；
[0010]所述的子电路用于将直流输入电压变换为带有交流分量的直流输出电压，两个子电路对应的两组直流输出电压在逆变器负载两端作差得到交流输出电压。两组直流输出电压中的交流分量的初始相位分别进行独立的控制。
[0011]优选地，两个子电路的原边共用一个桥臂；这样不仅减少了两个功率开关管，使原边电路得到简化，并且有利于逆变器实现原边电路所有开关管的软开关。
[0012]所述的子电路原边包括一原边绕组和两个并联的桥臂，每个桥臂由两个带反并二极管的开关管S1?S2串联组成；原边绕组的同名端与其中一桥臂的中间节点相连，异名端与另一桥臂的中间节点相连。
[0013]优选地，所述的原边绕组的任一端通过隔直电容与对应桥臂的中间节点相连；可以改善高频变压器的磁偏问题，可以在不改变电路工作状态的情况下极大的提高变压器磁芯的抗饱和能力。
[0014]省去所述的子电路原边的隔直电容，可使逆变器适用于变压器磁偏问题已得到很好解决的场合；此外省去隔直电容，能够得到更好的输出波形。
[0015]优选地，两个开关管S1?S2的源极与漏极两端均并联有缓冲电容，所述的缓冲电容为开关管内部的寄生电容或为在寄生电容的基础上外加的一个外置电容；此缓冲电容有利于开关管实现软开关，避免了因开关管硬开关带来的各种电磁干扰问题。
[0016]所述的子电路副边包括两个带反并二极管的开关管S3?S4、一滤波电感L1、两个副边绕组N1?N2和一滤波电容Ctjl ;其中:滤波电感L1的一端与滤波电容Ctjl的一端相连于所述的输出端，滤波电感L1的另一端与副边绕组N1的异名端和副边绕组N2的同名端相连，副边绕组N1的同名端与开关管S3的漏极相连，副边绕组N2的异名端与开关管S4的漏极相连，滤波电容Ctjl的另一端与开关管S3的源极和开关管S4的源极相连并接地，两个开关管S3?S4的栅极均接收外部控制电路提供的控制信号，两个副边绕组N1?N2的匝数相同。
[0017]根据实际情况，所述的逆变器负载两端并联有滤波电容Ct53 ;滤波电容(；3工作在交流状态下，配合两个DC-DC变换电路副边的滤波电容Ctjl工作可以得到更好的输出波形。
[0018]作为另一种实施方案:所述的子电路副边包括两个带反并二极管的开关管S3?S4和两个副边绕组N1?N2 ;其中:副边绕组&的异名端与副边绕组N2的同名端相连于所述的输出端，副边绕组N1的同名端与开关管S3的漏极相连，副边绕组N2的异名端与开关管S4的漏极相连，开关管S3的源极与开关管S4的源极相连并接地，两个开关管S3?S4的栅极均接收外部控制电路提供的控制信号，两个副边绕组N1?N2的匝数相同，所述的逆变器负载两端并联有滤波电容Ctj3，逆变器负载的任一端通过滤波电感Ltl与对应子电路副边的输出端相连。此副边电路拓扑得到简化，减少了滤波电容的使用数量，可以提高装置的可靠性；同时滤波电感个数减少，有利于减小磁芯元件的损耗。
[0019]本发明逆变器相对现有技术具有以下优点:
[0020](I)本发明逆变器在工作过程中占空比丢失经差分输出结构后变得非常小，采用简单的控制策略即可到一个畸变率超低的交流输出波形。
[0021](2)本发明逆变器中的功率开关管易于实现软开关，避免了由于开关管硬开关带来的各种电磁干扰问题，易于实现电路的闻频化，同时有利于电路效率的提闻。
[0022](3)本发明逆变器原副边电路由高频变压器相互隔离，抑制了输入端对输出端的干扰。
[0023](4)本发明逆变器建立在成熟的技术基础之上，子电路是传统的DC-DC电路，原边为全桥结构，副边为全波整流结构；电路采用传统的移相全桥PWM调制方法，该方法原理简单、技术成熟。
[0024]本发明逆变器可以用来给精密仪器供电，或者用作高品质音响的功率放大器。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明逆变器第一种实施方式的结构示意图。
[0026]图2为本发明逆变器第二种实施方式的结构示意图。
[0027]图3为本发明逆变器第三种实施方式的结构示意图。
[0028]图4为本发明逆变器第四种实施方式的结构示意图。
[0029]图5为本发明逆变器第五种实施方式的结构示意图。
[0030]图6为本发明逆变器第六种实施方式的结构示意图。
[0031]图7为本发明逆变器输出电压的波形示意图。
[0032]图8为本发明逆变器输出电压波形的THD分析示意图。
【具体实施方式】
[0033]为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明的技术方案及其相关原理进行详细说明。
[0034]一种全波式差分输出的逆变器，包括两个隔离型DC-DC变换电路；DC_DC变换电路的原边为全桥电路结构，副边为全波整流电路结构；两个DC-DC变换电路的原边共用一个桥臂，两个DC-DC变换电路副边的输出端分别接于负载两端以构成差分结构。
[0035]如图1所示，原边电路包括:
[0036](I)与输入电源并联的第一原边支路，由带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1，带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2，第一缓冲电容Csi，第二缓冲电容Cs2组成；其中带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1的漏极与电源的正极相连，带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1的源极和带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2的漏极相连于A点，带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2的源极与电源的负极相连，第一缓冲电容Csi的两端分别与带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1的漏极和源极相连，第二缓冲电容Cs2的两端分别与带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2的漏极和源极相连；
[0037](2)与输入电源并联的第二原边支路，由带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3，带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4，第三缓冲电容Cs3，第四缓冲电容Cs4组成；其中带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4的漏极与电源的正极相连，带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4的源极和带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3的漏极相连于B点，带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3的源极与电源的负极相连，第四缓冲电容Cs4的两端分别与带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4的漏极和源极相连，第三缓冲电容Cs3的两端分别与带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3的漏极和源极相连；
[0038](3)与输入电源并联的第三原边支路，由带反并联二极管Ds5的第五功率开关管
S5,带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6,第五缓冲电容CS5，第六缓冲电容Cs6组成；其中带反并联二极管Ds5的第五功率开关管S5的漏极与电源的正极相连，带反并联二极管Ds5的第五功率开关管S5的源极和带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6的漏极相连于C点，带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6的源极与电源的负极相连，第五缓冲电容Cs5的两端分别与带反并联二极管Ds5的第五功率开关管S5的漏极和源极相连，第六缓冲电容Cs6的两端分别与带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6的漏极和源极相连；
[0039](4)第一隔离变压器T1的原边绕组N11,第一隔直电容Cpl ;其中第一隔离变压器T1的原边绕组N11的同名端和带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1的源极以及带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2的漏极共接于A点，第一隔离变压器T1的原边绕组N11的另一端与第一隔直电容Cpl的一端相连,第一隔直电容Cpl的另一端和带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4的源极以及带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3的漏极共接于B点；
[0040](5)第二隔离变压器T2的原边绕组N21，第二隔直电容Cp2 ;其中第二隔离变压器T2的原边绕组N21的异名端端和带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4的源极以及带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3的漏极共接于B点，第二隔离变压器T2的原边绕组N21的同名端与第二隔直电容Cp2的一端相连 ，第二隔直电容Cp2的另一端和带反并联二极管Ds5的第五功率开关管S5的源极以及带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6的漏极共接于C点；
[0041]副边电路包括:
[0042](I)位于输出端口正端D与地之间的第一全波电路，由带反并联二极管Ds7的第七功率开关管S7,带反并联二极管Ds8的第八功率开关管S8,第一隔离变压器T1的第一副边绕组N12，第一隔离变压器T1的第二副边绕组N13，第一滤波电感L1组成；其中第一滤波电感L1的一端与输出端口正端D相连,第一滤波电感L1的另一端和第一隔离变压器T1的第一副边绕组N12的异名端以及第一隔离变压器T1的第二副边绕组N13的同名端共接，第一隔离变压器!\的第一副边绕组N12的同名端与带反并联二极管Ds7的第七功率开关管S7的漏极相连，带反并联二极管Ds7的第七功率开关管S7的源极与地相接，第一隔离变压器T1的第二副边绕组N13的异名端与带反并联二极管Ds8的第八功率开关管S8的漏极相连，带反并联二极管Ds8的第八功率开关管S8的源极与地相接；
[0043](2)位于输出端口负端E与地之间的第二全波电路，由带反并联二极管Ds9的第九功率开关管S9，带反并联二极管Dsitl的第十功率开关管Sltl，第二隔离变压器T2的第一副边绕组N22，第二隔离变压器T2的第二副边绕组N23，第二滤波电感L2组成；其中第二滤波电感L2的一端与输出端口负端E相连，第二滤波电感L2的另一端和第二隔离变压器T2的第一副边绕组N22的同名端以及第二隔离变压器T2的第二副边绕组N23的异名端共接，第二隔离变压器T2的第一副边绕组N22的异名端与带反并联二极管Ds9的第九功率开关管S9的漏极相连，带反并联二极管Ds9的第九功率开关管S9的源极与地相接，第二隔离变压器T2的第二副边绕组N23的同名端与带反并联二极管Dsitl的第十功率开关管Sltl的漏极相连，带反并联二极管Dsi9的第十功率开关管Sltl的源极与地相接；
[0044](3)第一滤波电容Ctjl，第二滤波电容Ctj2 ;其中第一滤波电容Ctjl跨接在输出端口正端D与地之间，第二滤波电容Ctj2跨接在输出端口的负端E与地之间。
[0045]图1中第一缓冲电容Cs1、第二缓冲电容Cs2、第三缓冲电容Cs3、第四缓冲电容CS4、第五缓冲电容Cs5、第六缓冲电容Cs6由单独的电容器构成，或者由带反并二极管Dsi的第一功率开关管S1漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管Ds2的第二功率开关管S2漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管Ds3的第三功率开关管S3漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管Ds4的第四功率开关管S4漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管Ds5的第五功率开关管S5漏极与源极间的寄生电容、带反并二极管Ds6的第六功率开关管S6漏极与源极间的寄生电容构成。
[0046]作为另一种实施方式，如图2所示，逆变器的原边电路可以简化。图1中的第一隔直电容Cpi与第二隔直电容Cp2可以被省去。同时逆变器的副边电路保持不变。
[0047]作为另一种实施方式，如图3所示，逆变器的副边电路和图1所示的第一种实施方式相比,在输出端口的D、E两端并接了第三滤波电容Ctj3，原边电路和图1所示的原边电路相同。
[0048]作为另一种实施方式，如图4所示，逆变器的副边电路和图2所示的第二种实施方式相比,在输出端口的D、E两端并接了第三滤波电容(:。3，原边电路和图2所示的原边电路相同。
[0049]作为另一种实施方式，如图5所示，逆变器的副边电路和图1所示的第一种实施方式相比，省去了第一滤波电容Ctjl、第二滤波电容Ctj2，与此同时在输出端口的D、E两端并接了第三滤波电容Ctj3,两滤波电感合并为一个滤波电感L，原边电路和图1所示的原边电路相同。
[0050]作为另一种实施方式，如图6所示，逆变器的副边电路和图2所示的第二种实施方式相比，省去了第一滤波电容Ctjl、第二滤波电容Ctj2，与此同时在输出端口的D、E两端并接了第三滤波电容Ctj3,两滤波电感合并为一个滤波电感L，原边电路和图2所示的原边电路相同。
[0051 ]图中，带反并联二极管Dsi的第一功率开关管S1、带反并联二极管Ds2的第二功率开关管S2、带反并联二极管Ds3的第三功率开关管S3、带反并联二极管Ds4的第四功率开关管S4、带反并联二极管Ds5的第五功率开关管S5、带反并联二极管Ds6的第六功率开关管S6、带反并联二极管Ds7的第七功率开关管S7、带反并联二极管Ds8的第八功率开关管S8、带反并联二极管Ds9的第九功率开关管S9、带反并联二极管Dsitl的第十功率开关管Sltl均可以采用普通的MOSFET实现。
[0052]本发明逆变器采用传统的移相全桥PWM调制方法，副边电路采用差分输出的结构，原副边电路由高频隔离变压器相互隔离。以图1所示的第一种实施方案为例，令输出电压为Vin，两个移相全桥DC-DC电路的占空比分别为屯、d2，变压器匝比为N。则根据全波式DC-DC电路的特点，可以推出D、E两点的电压表达式分别
为ν0=^ψ、νΕ=^ψ,于是输出电压Vp=V13-Vf =⑷—^凡。当d1、d2*均由一个直流量⑶与交流量(幅值为A，角频率为ω，初相角分别为仍、ψ2 )相叠加构成且直流偏置相等时，即
【权利要求】
1.一种全波式差分输出的逆变器，其特征在于:由两个子电路组成，所述的子电路为隔离型DC-DC变换电路；所述的DC-DC变换电路的原边为全桥电路结构，副边为全波整流电路结构； 两个子电路副边的输出端分别接于逆变器负载两端以构成差分输出结构； 所述的子电路用于将直流输入电压变换为带有交流分量的直流输出电压，两个子电路对应的两组直流输出电压在逆变器负载两端作差得到交流输出电压。
2.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于:两个子电路的原边共用一个桥臂。
3.根据权利要求1所述的逆变器，其特征在于:所述的子电路原边包括一原边绕组和两个并联的桥臂，每个桥臂由两个带反并二极管的开关管S1~S2串联组成；原边绕组的同名端与其中一桥臂的中间节点相连，异名端与另一桥臂的中间节点相连。
4.根据权利要求3所述的逆变器，其特征在于:所述的原边绕组的任一端通过隔直电容与对应桥臂的中间节点相连。
5.根据权利要求3或4所述的逆变器，其特征在于:两个开关管S1~S2的源极与漏极两端均并联有缓冲电容，所述的缓冲电容为开关管内部的寄生电容或为在寄生电容的基础上外加的一个外置电容。
6.根据权利要求1~4任一权利要求所述的逆变器，其特征在于:所述的子电路副边包括两个带反并二极管的开关管S3~S4、一滤波电感L1、两个副边绕组N1~N2和一滤波电容Ctjl ;其中:滤波电感1^的一端与滤波电容Ctjl的一端相连于所述的输出端，滤波电感L1的另一端与副边绕组N1的异名端和副边绕组N2的同名端相连，副边绕组N1的同名端与开关管S3的漏极相连，副边绕组N2的异名端与开关管S4的漏极相连，滤波电容Ctjl的另一端与开关管S3的源极和开关管S4的源极相连并接地，两个开关管S3~S4的栅极均接收外部控制电路提供的控制信号，两个副边绕组N1~N2的匝数相同。
7.根据权利要求6所述的逆变器，其特征在于:所述的逆变器负载两端并联有滤波电各 C03°
8.根据权利要求1~4任一权利要求所述的逆变器，其特征在于:所述的子电路副边包括两个带反并二极管的开关管S3~S4和两个副边绕组N1~N2 ;其中:副边绕组N1的异名端与副边绕组N2的同名端相连于所述的输出端，副边绕组N1的同名端与开关管S3的漏极相连，副边绕组N2的异名端与开关管S4的漏极相连，开关管S3的源极与开关管S4的源极相连并接地，两个开关管S3~S4的栅极均接收外部控制电路提供的控制信号，两个副边绕组&~N2的匝数相同，所述的逆变器负载两端并联有滤波电容Ctj3，逆变器负载的任一端通过滤波电感Ltl与对应子电路副边的输出端相连。
【文档编号】H02M7/217GK103683951SQ201310590723
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年11月21日 优先权日:2013年11月21日
【发明者】邓焰, 彭浩, 吕自波, 李楚杉 申请人:浙江大学