一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路的制作方法

本实用新型涉及一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，属于电学领域。

背景技术：

在高频链单级逆变器(High frequency link single stage inverter,HFL-SSI)周波变换器换流死区期间，滤波电感电流与漏感电流的通路被强行阻断，导致周波变换器开关管两端产生非常高的电压尖峰。传统电路采用电阻-电容-二极管(Resistor-Capacitor-Diode,RCD)钳位电路限制周波变换器两端电压，无法实现漏感能量回收，输出电压波形质量也不高。

技术实现要素：

技术问题：为了解决现有技术的缺陷，本实用新型提供了一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路。

技术方案：本实用新型提供的一种半桥有源钳位高频链单级逆变电路，包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；

所述半桥逆变电路包括开关管Sa、开关管Sb、电容Ca、电容Cb、直流输入电源Vdc；所述开关管Sa的源极和开关管Sb的漏极连接，并与电容Ca和电容Cb的串联电路并联，并联电路两端分别与直流输入电源Vdc的正极和负极连接；

所述漏感电流续流电路包括续流二极管DC1、续流二极管DC2、续流二极管DC3、续流二极管DC4、钳位电容C1、钳位电容C2、续流二极管D1、续流二极管D2、钳位开关管SC1、钳位开关管SC2；所述续流二极管DC1的阳极和钳位二极管DC2的阴极连接，所述续流二极管DC3的阳极和钳位二极管DC4的阴极连接，所述续流二极管D1的阳极和钳位二极管D2的阴极连接，所述钳位电容C1和钳位电容C2连接；所述钳位开关管SC1的源极和钳位开关管SC2的漏极连接；所述二极管Dc1的阴极、二极管Dc2的阴极、二极管D1的阴极、电容C1、钳位开关管SC1的漏极连接；所述二极管Dc2的阳极、二极管c4的阳极、二极管D2的阳极、电容C2、钳位开关管SC2的源极连接；

所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接；

所述副边整流电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4；所述开关管S1的源极和开关管S2的源极连接形成双向开关管S1-S2；所述开关管S3的源极和开关管S4的源极连接形成双向开关管S3-S4；

所述变压器包括一个初级线圈、两个次级线圈以及副边漏感Lk1和副边漏感Lk2，初级线圈一端连接于开关管Sa的源极和开关管Sb的漏极之间，另一端连接于电容Ca和电容 Cb之间，变压器的第一次级线圈、副边漏感Lk1、双向开关管S1-S2、双向开关管S3-S4、副边漏感Lk2、第二次级线圈依次连接成环；开关管S2的漏极与开关管S4的漏极连接，连接处与滤波电感Lf的一端连接；滤波电感Lf的另外一端与滤波电容Cf和负载电阻R 所形成的并联电路连接；滤波电容Cf和负载R所形成的并联电路另外一端与参考地连接；

副边漏感Lk1和开关管S1的漏极之间与续流二极管DC1的阳极和钳位二极管DC2的阴极之间连接，副边漏感Lk2和开关管S3的漏极之间与续流二极管DC3的阳极和钳位二极管DC4的阴极之间连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极之间、钳位开关管SC1的源极和钳位开关管SC2的漏极之间与开关管S2的漏极和开关管S4的漏极之间连接。

有益效果：本实用新型提供的电路采用半桥有源钳位(Half bridge active clamp, HBAC)方法，可实现周波变换器可靠换流、回收滤波电感与漏感的能量，并钳位周波变换器开关管两端电压。该电路具有单级功率转换，漏感能量回收，低压应力低，输出电压波形质量好的优点。

附图说明

图1为RCD钳位高频链单级逆变电路图；

图2为RCD钳位电容两端并联电阻消耗吸收的能量图；

图3为本实用新型半桥有源钳位高频链单级逆变电路图；

图4为本实用新型电路调制波形图；

图5为本实用新型电路HBAC-HFL-SSI换流时序波形图；

图6为本实用新型电路HBAC-HFL-SSI周波变换器换流过程图；其中，(a)模态1 [t0～t1]；(b)模态2[t1～t2]；(c)模态3[t3～t4]。

图7为RCD钳位高频链单级逆变电路实验波形。可以看到PWM电压VP存在尖峰电压，导致电压应力增大，此外RCD钳位导致能量消耗，影响系统效率。

图8为本实用新型电路HBAC-HFL-SSI实验波形。可以看到PWM电压VP不存在尖峰电压，电压应力降低，此外滤波电感能量被回收，有效提高了系统效率。

具体实施方式

下面对本实用新型半桥有源钳位高频链单级逆变电路作出进一步说明。

半桥有源钳位高频链单级逆变电路，见图3，包括半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路、变压器；

所述半桥逆变电路包括开关管Sa、开关管Sb、电容Ca、电容Cb、直流输入电源Vdc；所述开关管Sa的源极和开关管Sb的漏极连接，并与电容Ca和电容Cb的串联电路并联，并联电路两端分别与直流输入电源Vdc的正极和负极连接；

所述漏感电流续流电路包括续流二极管DC1、续流二极管DC2、续流二极管DC3、续流二极管DC4、钳位电容C1、钳位电容C2、续流二极管D1、续流二极管D2、钳位开关管SC1、钳位开关管SC2；所述续流二极管DC1的阳极和钳位二极管DC2的阴极连接，所述续流二极管DC3的阳极和钳位二极管DC4的阴极连接，所述续流二极管D1的阳极和钳位二极管D2的阴极连接，所述钳位电容C1和钳位电容C2连接；所述钳位开关管SC1的源极和钳位开关管SC2的漏极连接；所述二极管Dc1的阴极、二极管Dc2的阴极、二极管D1的阴极、电容C1、钳位开关管SC1的漏极连接；所述二极管Dc2的阳极、二极管c4的阳极、二极管D2的阳极、电容C2、钳位开关管SC2的源极连接；

所述半桥逆变电路、漏感电流续流电路、副边整流电路通过变压器连接；

所述副边整流电路包括开关管S1、开关管S2、开关管S3、开关管S4；所述开关管S1的源极和开关管S2的源极连接形成双向开关管S1-S2；所述开关管S3的源极和开关管 S4的源极连接形成双向开关管S3-S4；

所述变压器包括一个初级线圈、两个次级线圈以及副边漏感Lk1和副边漏感Lk2，初级线圈一端连接于开关管Sa的源极和开关管Sb的漏极之间，另一端连接于电容Ca和电容 Cb之间，变压器的第一次级线圈、副边漏感Lk1、双向开关管S1-S2、双向开关管S3-S4、副边漏感Lk2、第二次级线圈依次连接成环；开关管S2的漏极与开关管S4的漏极连接，连接处与滤波电感Lf的一端连接；滤波电感Lf的另外一端与滤波电容Cf和负载电阻R 所形成的并联电路连接；滤波电容Cf和负载R所形成的并联电路另外一端与参考地连接；

副边漏感Lk1和开关管S1的漏极之间与续流二极管DC1的阳极和钳位二极管DC2的阴极之间连接，副边漏感Lk2和开关管S3的漏极之间与续流二极管DC3的阳极和钳位二极管DC4的阴极之间连接，二极管D1的阳极和二极管D2的阴极之间、钳位开关管SC1的源极和钳位开关管SC2的漏极之间与开关管S2的漏极和开关管S4的漏极之间连接。

(1)传统电阻消耗能量平衡方式：

HFL-SSI在副边双向开关管死区时间内的等效电路如图6所示，由于滤波电感与漏感电流流动通路被强行中断，在变压器副边G点、H点以及滤波电感前端P点将会产生非常高的尖峰电压，损坏功率器件。G点、H点和P点电流均为双向流动，需要采用双向续流钳位电路，即每一个节点需要一组正向和负向二极管-电容续流钳位电路，如图6(b)所示。分析G点、H点和P点的特性可知，此三个节点的正负电压值是相同的，因此可以把三组钳位电容合并成一组，如图1所示。通过采用该续流钳位电路，正、负向电流可以经由二极管D1、D3、D5和D2、D4、D6流入钳位电容。

钳位电容C1、C2均只能被充电而不能被放电，如图2所示在钳位电容两端并联电阻消耗吸收的能量，可以实现钳位电容电压平衡，但是会造成较大的损耗，图2给出了R1、 R2取值均取1kΩ时的时域仿真波形。

仿真所采用的电路参数为Vin＝320V，原副边匝比为6:1:1，负载电阻R＝8Ω。电阻 R1、R2取1kΩ时，输出功率115W，消耗的功率为13W，占输出功率的11.3％，效率为85.7％，双向开关管电压应力为165V，按原副边计算，双向开关管的理想电压应力为115V。当电阻R1、R2取5kΩ时，输出功率105.6W，消耗功率为5.6W，电阻消耗功率占输出功率的5.3％，效率为87.8％，双向开关管电压应力为250V。由上述分析可知，基于电阻消耗的钳位电容能量平衡方式总体效率不高，虽然增大消耗电阻能在一定程度上改善效率，但是电压应力显著增大。此外，由图2所示仿真波形图中的VP波形可知，输出PWM波形的高低电平伴随着强烈的振荡过程，对输出电压波形质量也有一定的影响。

(2)本实用新型半桥有源钳位高频链单级逆变电路的工作原理：

见图3和4，二极管DC1～DC4构成漏感电流续流电路。续流二极管D1、D2两端并联开关管SC1和SC2，SC1和SC2在D1、D2关断期间导通，以实现钳位电容电压能量平衡(D1、D2亦可以用SC1和SC2体二极管替代)。SC1和SC2构成一个半桥电路且与周波变换器后端P点相连接，可以钳位电容吸收的能量输出到负载而不需要流经周波变换器开关管S1～S4。

周波变换器换流时序如图5所示，HBAC-HFL-SSI周波变换器换流过程即t0～t3阶段的等效电路如图6所示。

模态1[t0～t1]：在t0～t1期间，开关管S1-S2关断，开关管S3-S4导通，滤波电感电流 iLf的电流流经S3-S4。钳位开关管SC1导通实现钳位电容C1电压VC1平衡。

模态2[t1～t2]：t1时刻，VS3(VS4)由高变低，开关管S3-S4关断，在t1～t2期间，二极管D2导通，为iLf提供续流通路。

模态3[t2～t3]：t2时刻，VS1(VS2)由低变高，开关管S1-S2导通，iLf由D2换流至开关管 S1-S2。钳位开关管SC2导通，实现钳位电容C2电压VC2平衡。