一种单极非隔离三相Cuk逆变器的制作方法

本发明涉及电力电子变换器技术领域的逆变器，具体涉及可应用于升降压场合的一种单极非隔离三相cuk逆变器。

背景技术：

逆变器是将直流电转变为交流电的电能变换装置。相对于主要应用在中小功率场合的单相逆变器，三相逆变器由于其结构特点，更适合应用于大功率场合，包括新能源发电、电机驱动及航空电源等各种工业场合。

关于传统的三相电压型逆变器的相关研究已经非常成熟，且应用也很广泛。但传统三相电压型逆变器逆变侧输出交流电压低于直流侧输入电压，即呈降压输出状态，仅适合应用于交流输出电压幅值小于倍直流输入电压的降压型场合。若应用于升降压型的场合如新能源发电领域，由于其输入侧受外界环境如风力强度、光照强度以及电池表面温度等因素影响，输入电压变化较大，而输出侧无论是并网还是接负载均需要比较稳定的交流输出。这一特性使得传统的三相电压型逆变器需要连接变压器或在其前级配置直流变换器的方式构建两级式逆变器来调节输出电压幅值以使其满足三相负载或电网的电压需求。然而这种两级式三相逆变器存在体积增大，成本增加以及效率降低的问题。针对两级式逆变器存在的问题，一些新型的单极三相逆变器拓扑也相继提出，包括构建升降压无源储能网络实现逆变的三相逆变器以及通过将升降压型dc-dc变换器拓扑进行组合的三相逆变器。但这些新型的单极式三相逆变器需要较多的无源储能元件且升降压能力有限，因而限制了该类逆变器在升降压场合中的应用。因此，需要研制新型三相升降压型逆变器来解决上述问题从而更加符合大功率新能源发电技术的需要。本发明所提出的一种单极非隔离三相cuk逆变器正是满足上述需求的新型逆变方案。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术中的缺点，目的在于提出一种单极非隔离三相cuk逆变器，所述单极非隔离三相cuk逆变器电路结构简单、输出电压范围大、能够适用于升降压场合。

为解决上述存在的技术问题实现上述发明目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种单极非隔离三相cuk逆变器，是由直流电源、六个开关管、三个二极管、四个电感和四个电容组成；第一电感l1下端与直流电源uin“+”端连接；第一电感l1上端分别与第一开关管s1集电极、第三开关管s3集电极、第五开关管s5集电极和第一电容c1上端连接；直流电源uin“-”端分别与第一二极管d1阴极、第二二极管d2阴极和第三二极管d3阴极连接；第一二极管d1阳极分别与第一开关管s1发射极、第二开关管s2集电极和第二电感左端l2连接；第二二极管d2阳极分别与第三开关管s3发射极、第四开关管s4集电极和第三电感l3左端连接；第三二极管d3阳极分别与第五开关管s5发射极、第六开关管s6集电极和第四电感l4左端连接；第一电容c1下端分别于第二开关管s2发射极、第四开关管s4发射极和第六开关管s6发射极连接；第二电感l2右端分别与第二电容c2上端和第一负载r1左端连接；第三电感l3右端分别与第三电容c3上端和第二负载r2左端连接；第四电感l4右端分别与第四电容c4上端和第三负载r3左端连接；第二电容c2下端、第三电容c3下端和第四电容c4下端连接于一点；第一负载r1右端、第二负载r2右端和第三负载r3右端连接于一点。

本发明逆变器电路既能输出峰值高于其直流电压也能输出峰值低于其直流电压的三相输出相电压。

本发明逆变器电路可扩展为三电平逆变器。

本发明逆变器由于三个二极管的加入，直流电源和储能电感只能向输出侧单向提供能量，符合光伏电池与风力发电等新能源发电场合。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明具有cuk电路的工作特性，可实现升降压逆变，电路参数设计简单；

2、本发明逆变器为单极结构，电路结构简单、输出电压范围大、能够适用于升降压场合，逆变效率高；

3、本发明电路中的电感电流通过功率开关管的体二极管续流，减少开关元件数量，提高开关利用率；

4、本发明可拓展为三电平输出的电路，这种逆变器的输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关管所承受的电压应力更小，使其可以应用到中高压场合。

本发明能够在无需变压器的情况下应用到升降压型场合，既能在输入电压较低，也能在直流电压变化范围较大的情况下正常完成逆变功能，并有稳定的交流输出。本发明具有体积小、效率高、成本低、电路结构简单、控制容易、输出电压范围大、谐波含量低等优点。

附图说明

图1是本发明的电路结构示意图；

图2是本发明工作于储能电感储能模态的一种开关状态示意图；

图3是本发明工作于储能电感释能模态的开关状态示意图；

图4是本发明的三相输出相电压波形图；

图5是本发明的储能电感电流波形图；

图6是本发明的储能电容电压波形图；

图7是本发明的控制电路原理图；

图8是本发明拓展到三电平输出的电路结构示意图；

图9是本发明输出三电平波形和相电压波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

本发明的一种单极非隔离三相cuk逆变器，如图1所示，是由直流电源、六个开关管、三个二极管、四个电感和四个电容组成；第一电感l1下端与直流电源uin“+”端连接；第一电感l1上端分别与第一开关管s1集电极、第三开关管s3集电极、第五开关管s5集电极和第一电容c1上端连接；直流电源uin“-”端分别与第一二极管d1阴极、第二二极管d2阴极和第三二极管d3阴极连接；第一二极管d1阳极分别与第一开关管s1发射极、第二开关管s2集电极和第二电感左端l2连接；第二二极管d2阳极分别与第三开关管s3发射极、第四开关管s4集电极和第三电感l3左端连接；第三二极管d3阳极分别与第五开关管s5发射极、第六开关管s6集电极和第四电感l4左端连接；第一电容c1下端分别于第二开关管s2发射极、第四开关管s4发射极和第六开关管s6发射极连接；第二电感l2右端分别与第二电容c2上端和第一负载r1左端连接；第三电感l3右端分别与第三电容c3上端和第二负载r2左端连接；第四电感l4右端分别与第四电容c4上端和第三负载r3左端连接；第二电容c2下端、第三电容c3下端和第四电容c4下端连接于一点；第一负载r1右端、第二负载r2右端和第三负载r3右端连接于一点。

由于本发明是基于cuk电路的逆变器，输入电感电流与输出电感电流保持同步变化。为了解除输入侧电感与输出侧电感的耦合关系，使输出侧电感电流在输入侧电流发生断续时仍能保持连续状态，本拓扑在输入侧加入三个二极管，达到减小输出电压过零畸变的目的。

所述逆变器具有cuk电路的工作特性，所以对逆变器的分析可以简化为对cuk电路的分析。为简化分析做如下假设：(1)电路中所有元件都为理想器件；(2)变换器工作于稳定状态。

当上桥臂的三个功率开关管s1，s3，s5中任意一个、两个或全部开通时，直流电源uin向储能电感l1释放能量，其中一种开关状态时的电路工作模式如图2所示；当上桥臂的三个功率开关管s1，s3，s5同时关断时，直流电源uin和储能电感l1向储能电容c1释放能量，该开关状态下的电路工作模式如图3所示。

采取三相spwm调制方式可得到三相输出相电压如图4所示，储能电感l1电流波形如图5所示，储能电容c1电压波形如图6所示。

如图7所示，本发明采用传统的单闭环输出电压控制方案，采样三相输出相电压，乘以一定系数后与三相给定电压比较，三相误差信号经过clark变换为两相误差信号，经调节器调节后通过clark^-1变换为三相调制信号，然后与三角载波比较决定六个功率开关的开通与关断。该控制结构简单，动态响应快，跟踪性能好，且使逆变器在输入电源电压波动较大或负载突变时仍能得到质量较好的输出电压。

本发明电路可扩展为三电平输出的电路如图8所示，其输出波形如图9所示具有更好的谐波频谱，每个开关管所承受的电压应力更小，可以应用到中高压场合。