一种LC串联谐振高频链矩阵式半桥逆变器拓扑及调制方法与流程

本发明涉及电力电子功率变换器调制及控制领域，尤其是一种单相lc串联谐振型高频链矩阵式逆变器的半桥谐振电流型调制方法。

背景技术：

逆变器是一种把直流电能转换成交流电能的拓扑装置。高频链逆变器采用高频变压器替代工频变压器克服了传统变压器体积大、噪声大、成本高等缺点。高频链矩阵式逆变器的变换过程有dc/hfac/lfac三种功率特征，其中，hfac：高频交流，lfac：低频交流。可知此类逆变器中出现了dc/ac即直流/交流逆变环节，该环节位于变压器原边，又出现了ac/ac即交流/交流变换环节，该环节也常称为周波变换器或矩阵变换器环节，位于变压器副边。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。

由于高频变压器漏感的存在，高频链矩阵式逆变器换流时，在变压器副边矩阵变换器的功率管上产生较大的电压过冲，因此变压器副边矩阵/周波变换器的安全换流一直是制约高频链逆变器实现大范围推广的技术难点。目前主要有以下几种安全换流策略：①通过加入有源箝位来抑制电压过冲，可以实现软开关，但引入的箝位电路增加了成本，增加的可控功率管也使控制更为复杂；②单极性和双极性移相控制策略借助周波变换器的换流重叠实现了电感电流的自然换流，并且实现了功率管的zvs，但存在换流重叠时间不易控制等问题；③在前级逆变器引入串联谐振电路来实现功率管的软换流，此时要求功率管切换发生在零电流时刻，且控制输出能量需要判断谐振电路谐振工作状态，使得控制方式复杂；④半桥谐振型逆变器与全桥谐振型逆变器相比较而言，功率开关管少，能量损耗少，而且半桥谐振电流型调制方法的逻辑组合简单易懂。

然而，上述策略虽然能够实现安全换流，但造成逆变器的调制和控制更为复杂，导致系统可靠性降低以致影响了该类变换器的推广使用。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种功率变换等级少、调制简单的lc串联谐振高频链矩阵式半桥逆变器半桥谐振电流型调制方法。

为实现上述目的，采用了以下技术方案：本发明所述拓扑由半桥lc串联谐振逆变器、高频变压器t、矩阵变换器、cl型滤波器依次连接构成；

其中，半桥lc串联谐振逆变器由直流输入电压ui、可控开关管s1、可控开关管s2、电感lr、电容cr组成；

矩阵变换器由可控开关管sp1、可控开关管sp2、可控开关管sp3、可控开关管sp4、可控开关管sn1、可控开关管sn2、可控开关管sn3、可控开关管sn4组成；

cl型滤波器由电感lf、电容cf和负载r组成；

所述拓扑中，直流输入电压ui的正极与可控开关管s1的集电极相连，可控开关管s1的发射极分别与电感lr的一端、可控开关管s2的集电极相连；直流输入电压ui的负极分别与可控开关管s2的发射极、高频变压器t原边的一端相连；电感lr的另一端与电容cr的一端连接，电容cr的另一端与高频变压器t原边的另一端相连；

高频变压器t副边的一端分别与可控开关管sp1的集电极、可控开关管sp3的集电极相连，可控开关管sp1的发射极与可控开关管sn2的发射极相连，可控开关管sn2的集电极分别与可控开关管sp2的集电极、电感lf的一端、电容cf的一端相连，可控开关管sp2的发射极与可控开关管sn1的发射极相连；可控开关管sp3的发射极与可控开关管sn4的发射极相连，可控开关管sn4的集电极分别与可控开关管sp4的集电极、电容cf的另一端、负载r的一端相连，负载r的另一端与电感lf的另一端相连；可控开关管sp4的发射极与可控开关管sn3的发射极相连，高频变压器t副边的另一端分别与可控开关管sn1的集电极、可控开关管sn3的集电极相连。

本发明所述调制方法是：半桥lc串联谐振逆变器采用半激励谐振控制，所述可控开关管s1和可控开关管s2交替导通，可控开关管s1和可控开关管s2在谐振正负半周期内的导通占空比按正弦规律变化，即lc串联谐振电路在谐振半周期内的激励谐振工作状态的占空比按正弦规律变化，在未达到谐振半周期时关断可控开关管s1，结束电路激励谐振工作状态；变压器输出面积按正弦规律变化且周期性回归为零的谐振电流；变压器后级的矩阵变换器等效为两组普通的电流型逆变器进行方波控制，依据电流型方波逻辑调制电路对可控开关管sp1～sp4、可控开关管sn1～sn4进行控制，将变压器t输出的高频谐振电流转换低频脉动电流。

进一步的，半桥lc串联谐振逆变器在谐振半周期内可控开关管s导通占空比按正弦规律变换，可控开关管s关断后其激励谐振工作状态结束，谐振电流迅速归为零，在所述零电流输出阶段变压器t后级矩阵变换器进行切换，变压器t副边漏感中无电流流过，避免因打断漏感储存能量流通路径而引起的电压尖峰。

进一步的，变压器t前级的半桥逆变器采用spwpm控制，变压器t后级的矩阵变换器采用电流型方波控制，即将矩阵变换器开关管等效成一组普通电流型逆变器来进行控制。

工作过程大致如下：

变压器前级高频逆变器引入lc串联谐振槽，采用spwpm控制方法，在谐振半周期内使谐振电路激励谐振工作状态按正弦变化，将输入直流电压调制成半正弦断续的高频交流电流。变压器后级的矩阵变换器采用电流型方波调制方法，将变压器输出的高频交流电流转换成单极性的电流。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：能量传输控制方式简单，无需判断电路谐振工作状态，调制复杂度低，原理简单易实现，能够无需借助辅助电路即可实现变压器副边矩阵变换器中所有功率管的零电流开关(zcs)，避免因打断变压器副边漏感储存能量流通路径而引起电压过冲问题，提高电路可靠性和效率。

附图说明

图1为本发明逆变器电路拓扑图。

图2为本发明方法的系统原理框图。

图3为半桥谐振电流型调制方法工作原理波形图。

图4为谐振槽电路的谐振状态等效工作示意图。

图5为lc串联谐振高频链矩阵式半桥逆变器在半桥谐振电流型调制方法下的电路解耦原理图。

图6为高频逆变器的逻辑处理电路图。

图7为本发明方法控制下的单相lc串联谐振型高频链半桥矩阵式逆变器一个高频周期内的模态电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明所述lc串联谐振高频链矩阵式半桥逆变器拓扑由半桥lc串联谐振逆变器、高频变压器t、矩阵变换器、cl型滤波器依次连接构成；变压器前级高频逆变电路引入lc串联谐振槽，输出变为由电流主导，直流输入电压ui转换为谐振电流ip，由高频变压器耦合输出到变压器副边，经变压器后级矩阵变换器调制，由滤波器滤波输出低频正弦电压uo。

半桥lc串联谐振逆变器由直流输入电压ui、可控开关管s1、可控开关管s2、电感lr、电容cr组成；矩阵变换器由可控开关管sp1、可控开关管sp2、可控开关管sp3、可控开关管sp4、可控开关管sn1、可控开关管sn2、可控开关管sn3、可控开关管sn4组成；cl型滤波器由电感lf、电容cf和负载r组成；

如图1所示，直流输入电压ui的正极与可控开关管s1的集电极相连，可控开关管s1的发射极分别与电感lr的一端、可控开关管s2的集电极相连；直流输入电压ui的负极分别与可控开关管s2的发射极、高频变压器t原边的一端相连；电感lr的另一端与电容cr的一端连接，电容cr的另一端与高频变压器t原边的另一端相连；

高频变压器t副边的一端分别与可控开关管sp1的集电极、可控开关管sp3的集电极相连，可控开关管sp1的发射极与可控开关管sn2的集电极相连，可控开关管sn2的发射极分别与可控开关管sp2的集电极、电感lf的一端、电容cf的一端相连，可控开关管sp2的发射极与可控开关管sn1的集电极相连；可控开关管sp3的发射极与可控开关管sn4的集电极相连，可控开关管sn4的发射极分别与可控开关管sp4的集电极、电容cf的另一端、负载r的一端相连，负载r的另一端与电感lf的另一端相连；可控开关管sp4的发射极与可控开关管sn3的集电极相连，高频变压器t副边的另一端分别与可控开关管sn1的发射极、可控开关管sn3的发射极相连。

如图2所示，本发明调制方法如下：

图2中包括spwm信息发生环节(1)、半激励谐振调制逻辑处理电路(2)及被控对象单相lc串联谐振型高频链矩阵式半桥逆变器(3)、其中spwm信息发生环节产生两对互补的spwm信号、与期望输出低频正弦波频率相同的低频方波信号u1、u2，并交由半激励谐振调制方法逻辑电路进行信号处理，所得驱动信号可实现变压器前级高频逆变器的半激励谐振工作状态占空比控制，变压器后级矩阵变换器调制成一个普通的电流型逆变器进行方波控制，从而仅依靠控制谐振半周期内激励谐振工作状态的占空比来实现dc/ac变换，在变压器零电流输出期间实现矩阵变换器开关管的零电流开关。

本发明所述的半激励谐振是指变压器前级高频逆变器开关管在lc串联谐振半周期内导通时间占空比按正弦规律变化，开关管关断后谐振电流依靠开关管的反并联二极管续流，迅速结束激励谐振状态，使前级谐振电路输出电流为零。对于本发明所述的电流型方波控制，具体是指将后级矩阵变换器看作是一组普通的电流型逆变器，在前级输出电路为零期间，根据变压器输出电流极性和工频正弦调制信号的极性选择开关管导通。

图3为半激励谐振调制方法工作原理波形图。图中k是spwm环节产生的两对spwm信号产生的中间信号，s1和s2为变压器前级高频逆变器功率管的驱动信号，u1、u2为与期望输出正弦波频率相同的互补低频方波信号，vp、vn为载波频率的互补高频方波信号，sp1～sp4、sn1～sn4为变压器后级矩阵式变换器功率管的驱动信号，谐振电流ip为变压器传递的高频交流电流，电流if为变压器后级矩阵变换器输出的单极性电流波形。由驱动信号可以看出，变压器原边高频逆变器开关管s1和s2在谐振半周期内的驱动信号占空比按正弦规律变化，即变压器前级lc串联谐振逆变器的激励谐振状态在谐振半周期内的导通占空比按正弦规律变化，开关管关断后电路激励谐振状态结束，谐振槽中的谐振电流迅速下降到零，结束向负载侧的能量传递，所以称为半激励谐振调制。变压器后级矩阵变换器中功率管的开通与关断均是在变压器电流为零期间完成的，故可以实现功率管的零电流开关(zcs)。变压器后级矩阵变换器功率管处于方波调制状态，开关切换存在死区时间，防止滤波电容直通，因此本发明可以实现矩阵变换器开关管的零电流开关，且控制方式简单。

图4为谐振槽电路的谐振状态等效工作示意图。其中ui为直流输入电压，ucf/n为输出滤波电容电压等效到变压器原边的电压值，n为变压器变比，ur为谐振网络两端电压，ir为谐振电流。在该调制方式下谐振电路可分为激励谐振、自由谐振和反馈谐振三种状态。(1)当开关管s1导通、s2关断时，电路处于激励谐振状态，直流输入电压ui作为电压激励源，与等效电压ucf/n相减作用于谐振网络，谐振网络两端电压ur和谐振电流ir保持同相位，能量由直流电压经谐振网络向输出侧传递；(2)当开关管全部关断后，谐振电流通过开关管s2的反并联二极管续流，电路处于自由谐振状态，副边等效电压ucf/n反向作用于谐振网络，使谐振电流迅速下降，谐振网络两端电压ur和谐振电流ir保持180度反相，能量由谐振网络向输出侧传递，谐振电流迅速减小；(3)当开关管s1关断、s2开通时，cr在前半个周期存储的能量要释放，谐振网络两端电压ur和谐振电流ir保持同相位，能量由谐振网络向输出侧传递；(4)当开关管s1、s2再次关断时，谐振网络通过开关管s1的反并联二极管向直流电压端反馈能量，同时向输出侧传递能量。

图5为该单相lc串联谐振型高频链矩阵式半桥逆变器半激励谐振逻辑处理电路。将spwm1与spwm4和spwm2与spwm3的与逻辑输出进行逻辑或运算，得到脉宽按正弦变化的中间信号k，将spwm1和spwm3的或运算结果进行上升沿二分频运算，得到高频正半周期信号vp，对其取反得到高频负半周期信号vn，将信号k和vp进行逻辑与得到开关管s1的驱动信号，将信号k与vn进行逻辑与得到开关管s2的驱动信号，将vp、vn分别与u1、u2进行与逻辑输出进行或运算，得到变压器后级矩阵变换器开关管sp1、sp4、sn2、sn3的驱动信号，对其取反得到变压器后级矩阵变换器开关管sp2、sp3、sn1、sn4的驱动信号。

图6为本发明中半激励谐振调制方法控制下的单相lc串联谐振高频链矩阵式逆变器主要工作原理波形图。其中s1和s2为变压器前级逆变器开关管驱动波形，电流ip为谐振电流波形，sp1、sp2和sn1、sn2为变压器后级矩阵变换器开关管驱动波形，电流if为经矩阵变换器调制后的单极性电流波形。

图7为本发明半激励谐振调制方法控制下的单相lc谐振型高频链矩阵式逆变器各阶段等效电路图。图7中分别为下述工作模态1～6。假定拓扑中的所有元器件均为理想元器件，根据工作原理，在一个高频周期内存在6个工作状态，具体模态分析如下：

(1)工作模态1(t0-t1)：开关管s1导通，直流电压作用于ab两点，谐振电流正弦变化且增大，电路处于激励谐振的状态，能量通过谐振腔及开关管sp1、sn2、sp4、sn3传输到滤波电容和负载端。

(2)工作模态2(t1-t2)：开关管s1关断，s2的反并联二极管为谐振电流提供流通路径，等效到变压器原边的滤波电容电压反作用于谐振腔，谐振电流迅速减小到零，此阶段属于自由谐振状态。

(3)工作模态3(t2-t3)：开关管s1、s2保持关断，前级无电流流动，后级开关管sp2、sn1、sp3、sn4开通，开关管sp1、sn2、sp4、sn3关断，为下一模态变压器输出电流提供流通路径。

(4)工作模态4(t3-t4)：开关管s2导通，谐振电流反向且增大，等效到变压器原边的滤波电容电压反作用于谐振腔，能量从谐振腔传到滤波网络和负载端。此阶段是自由谐振状态。

(5)工作模态5(t4-t5)：开关管s2关断，s1的反并联二极管为谐振电流提供流通路径，此时直流电压和等效到变压器原边的滤波电容电压相加反作用于谐振槽，谐振电流迅速下降为零，能量从谐振槽向直流侧回馈，同时经开关管sp2、sn1、sp3、sn4输出给负载侧。

(6)工作模态6(t5-t6)：开关管s1、s2保持关断，前级无电流流动，后级开关管sp1、sn2、sp4、sn3开通，开关管sp2、sn1、sp3、sn4关断，为下一模态变压器输出电流提供流通路径。

由以上工作过程可以看出，变压器前级谐振电路激励谐振状态的工作占空比可控，即向负载侧传递的能量可调，实现dc/ac变化，谐振电流周期性回零，变压器后级周波变换器开关管在零电流输出期间切换，实现零电流开关，避免打断变压器副边漏感能量的流通路径而引起的电压尖峰，提高电路可靠性和效率。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。