一种双并联Buck-Boost逆变器的制作方法

一种双并联buck
‑
boost逆变器
技术领域
1.本实用新型涉及逆变器技术领域，具体涉及一种双并联buck
‑
boost逆变器。


背景技术：

2.逆变器是一种将直流输入的电压或电流变换为交流输出的电压或电流的变换器，被广泛地应用于新能源发电系统、电力驱动系统、交流不间断电源、感应加热、有源电力滤波器和静态无功补偿器等场合。
3.传统电压源型逆变器(voltage
‑
source inverter，vsi)的拓扑结构如图1所示。桥臂的4 个开关管反并联二极管，使其具有双向电流流动和单向电压阻断能力。缺点在于：一方面，传统电压源型逆变器(vsi)属于降压型变换器，输出的交流电压低于直流母线电压。因此，对于输入直流电压较低，又需要输出较高交流电压的功率变换场合，如新能源发电系统，需要在逆变桥前级增加一个额外的dc
‑
dc升压变换器，将母线电压升到大于交流输出电压幅值，以输出期望的交流电压。但增加的一级功率变换器增加了系统的成本，降低了变换效率和可靠性。另一方面，常规的电压源逆变器同一桥臂的开关管不能同时导通，否则将会发生直通短路而损坏开关器件，使变换器不能可靠工作。为防止桥臂直通，通常采用插入死区的方法，但死区时间会引起输出谐波电压的增大和控制的复杂性。


技术实现要素：

4.为解决上述技术缺陷，本实用新型采用的技术方案在于，提供一种双并联buck
‑
boost逆变器，包括直流侧端口、第一交错斩波单元、第一开关单元、第二交错斩波单元、第二开关单元及交流侧端口。
5.所述第一交错斩波单元的第一端部、第二交错斩波单元的第一端部分别与直流侧端口的正极电连接，所述第一交错斩波单元的第二端部连接第一开关单元后与直流侧端口的负极电连接，所述第二交错斩波单元的第二端部连接第二开关单元后与直流侧端口的负极电连接，所述第一开关单元的第一端部、第二开关单元的第一端部与交流侧端口的两端电连接。
6.进一步地，所述第一交错斩波单元包括第三开关单元、第四开关单元、第一单向导通器件、第二单向导通器件、第一储能元件及第二储能元件，所述第三开关单元、反接的第一单向导通器件、第二单向导通器件及第四开关单元依次连接后形成第一回路，所述第三开关单元的第一端部、第四开关单元的第一端部分别与直流侧端口的正极电连接，所述第一单向导通器件的正极、第二单向导通器件的正极分别通过第一开关单元与直流侧端口的负极电连接，所述第一开关单元的第一端部、第二开关单元的第一端部与交流侧端口的两端电连接；所述第一储能元件的第一端部、第二储能元件的第一端部分别与第一单向导通器件的负极、第二单向导通器件的负极一一对应电连接，所述第一储能元件的第二端部、第二储能元件的第二端部分别与直流侧端口的负极、第一开关单元的连接处电连接。
7.所述第二交错斩波单元包括第五开关单元、第六开关单元、第三单向导通器件、第
四单向导通器件、第三储能元件及第四储能元件；所述第五开关单元、反接的第三单向导通器件、第四单向导通器件及第六开关单元依次连接后形成第二回路，所述第五开关单元的第一端部、第六开关单元的第一端部分别与直流侧端口的正极电连接，所述第三单向导通器件的正极、第四单向导通器件的正极分别通过第二开关单元与直流侧端口的负极电连接；第三储能元件的第一端部及第四储能元件的第一端部分别与第三单向导通器件的负极、第四单向导通器件的负极一一对应电连接，所述第三储能元件的第二端部、第四储能元件的第二端部分别与直流侧端口的负极、第一开关单元的连接处电连接。
8.进一步地，所述第一开关单元、第二开关单元、第三开关单元、第四开关单元、第五开关单元及第六开关单元为双向可控开关元件，或两个反向并联且不带体二极管的单向可控开关元件，或两个反向串联的带有体二极管的单向可控开关元件。
9.进一步地，所述第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件及第四单向导通器件为二极管或开关管。
10.进一步地，所述第一储能元件、第二储能元件、第三储能元件及第四储能元件为电感。
11.进一步地，所述直流侧端口设有直流电源，所述交流侧端口设有并联的交流侧滤波单元和交流侧负载，所述交流侧滤波单元的两端分别与第一开关单元的第一端部、第二开关单元的第一端部电连接，此时双并联buck
‑
boost逆变器工作于逆变模态。
12.进一步地，所述直流侧端口设有并联的直流侧滤波单元和直流侧负载，所述交流侧端口设有交流电源及并联在交流电源两端的交流侧滤波单元，所述直流侧滤波单元的第一端部与第三开关单元、第四开关单元、所述第五开关单元、第六开关单元电连接，所述直流侧滤波单元的第二端部与第一电感的第二端部电连接，所述交流侧滤波单元的两端分别与第一开关单元的第一端部、第二开关单元的第一端部电连接，此时双并联buck
‑
boost逆变器工作于整流模态。
13.进一步地，所述交流侧滤波单元、直流侧滤波单元为滤波电容或lc电路或lcl电路。
14.与现有技术比较本实用新型技术方案的有益效果为：
15.本实用新型提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器，通过设置两组交错并联的buck
‑
boost 电路组成交错斩波单元，实现了逆变器的升压或降压变换，通过单向导通器件的反向阻断效果，使得交错斩波单元上的任意两个开关单元没有直通的可能性，因此可以同时导通，并且电感在充放电的过程中进行缓冲后，避免了桥臂直通的危险，进而克服了插入死区时间引起的输出谐波电压增大和控制复杂的问题，实现能量的双向流动；通过使两个交错斩波单元在一个工频周期内交替工作，提高了开关频率和变换效率；且在相同的输出电感电流纹波下，仅需要较小的电感量，同时还可以减小高频开关管的电流应力和损耗；不需要在逆变桥前级增加一个额外的dc
‑
dc升压变换器，进而降低了系统的成本，减少了电路的复杂性，提升了变换的可靠性。
附图说明
16.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实
施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是传统桥式逆变器的电路原理图；
18.图2(a)是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器的电路原理图；
19.图2(b)是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器处于逆变模态的电路原理图；
20.图2(c)是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器处于整流模态的电路原理图；
21.图3是本实用新型实施例提供的各开关单元的实施例1；
22.图4是本实用新型实施例提供的各开关单元的实施例2；
23.图5是本实用新型实施例提供的各开关单元的实施例3；
24.图6
‑
9是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器处于逆变模式下的4种工作模态的电路原理图；
25.图10
‑
13是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器处于整流模式下的4 种工作模态的电路原理图；
26.图14是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器的控制方法中在逆变模式下各开关单元的导通状态与相应模态的对应关系表；
27.图15是本实用新型实施例提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器的控制方法中在整流模式下各开关单元的导通状态与相应模态的对应关系表。
具体实施方式
28.下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
29.实施例1
30.请参阅图2a所示，本实用新型提供的一种双并联buck
‑
boost逆变器，包括直流侧端口 a、第一交错斩波单元、第一开关单元s1、第二交错斩波单元、第二开关单元s2及交流侧端口b；第一交错斩波单元的第一端部、第二交错斩波单元的第一端部分别与直流侧端口a的正极电连接，第一交错斩波单元的第二端部连接第一开关单元s1后与直流侧端口a的负极电连接，第二交错斩波单元的第二端部连接第二开关单元s2后与直流侧端口的负极电连接，第一开关单元s1的第一端部、第二开关单元s2的第一端部与交流侧端口b的两端电连接。
31.第一交错斩波单元包括第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第一单向导通器件、第二单向导通器件、第一储能元件及第二储能元件，第三开关单元s
a
、反接的第一单向导通器件、第二单向导通器件及第四开关单元s
b
依次连接后形成第一回路，第三开关单元s
a
的第一端部、第四开关单元s
b
的第一端部分别与直流侧端口a的正极电连接，第一单向导通器件的正极、第二单向导通器件的正极分别通过第一开关单元s1与直流侧端口a的负极电连接，第一储能元件的第一端部、第二储能元件的第一端部分别与第一单向导通器件的负极、第二单向导通器件的负极一一对应电连接，第一储能元件的第二端部、第二储能元件的第二端部分别与直流侧端口a的负极、第一开关单元s1的连接处电连接。
32.第二交错斩波单元包括第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第三单向导通器件、第四单向导通器件、第三储能元件及第四储能元件；第五开关单元s
c
、反接的第三单向导通器
件、第四单向导通器件及第六开关单元s
d
依次连接后形成第二回路，第五开关单元s
c
的第一端部、第六开关单元s
d
的第一端部分别与直流侧端口a的正极电连接，第三单向导通器件的正极、第四单向导通器件的正极分别通过第二开关单元s2与直流侧端口a的负极电连接，第三储能元件的第一端部及第四储能元件的第一端部分别与第三单向导通器件的负极、第四单向导通器件的负极一一对应电连接，第三储能元件的第二端部、第四储能元件的第二端部分别与直流侧端口a的负极、第一开关单元s1的连接处电连接。
33.优选地，第一开关单元s1、第二开关单元s2、第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
及第六开关单元s
d
为双向可控开关元件，或两个反向并联且不带体二极管的单向可控开关元件，或两个反向串联的带有体二极管的单向可控开关元件。
34.可控开关元件具体采用自控型正向导通器件，如绝缘栅双并联极性晶体管(insulated gatebipolar transistor，igbt)、金属
‑
氧化层
‑
半导体场效应管(metal
‑
oxide
‑
semiconductorfield
‑
effect transistor，mosfet)等。
35.其中，第一开关单元s1、第二开关单元s2、第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
及第六开关单元s
d
的型号可相同可不相同，只要可以实现双向可控功能即可。
36.图3中示出的单向可控开关元件为两个反向并联的导通后功率单向流动的可控开关元件。
37.图4、5中示出的单向可控开关元件为两个反向串联的带有体二极管的导通后功率单向流动的可控开关元件。
38.优选地，第一单向导通器件、第二单向导通器件、第三单向导通器件及第四单向导通器件为二极管或开关管。具体为二极管，为方便对应图进行描述，依次设定为第一二极管d
a
、第二二极管d
b
、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
。
39.优选地，第一储能元件、第二储能元件、第三储能元件及第四储能元件为电感。为方便对应图进行描述，具体设定为第一电感l
a
、第二电感l
b
、第三电感l
c
、第四电感l
d
。
40.如图2b所示，直流侧端口a设有直流电源v
bus
，交流侧端口b设有并联的交流侧滤波单元和交流侧负载，交流侧滤波单元的两端分别与第一开关单元s1的第一端部、第二开关单元 s2的第一端部电连接，此时双并联buck
‑
boost逆变器工作于逆变模态。
41.如图2c所示，直流侧端口a设有并联的直流侧滤波单元和直流侧负载，交流侧端口b设有交流电源v
g
及并联在交流电源v
g
两端的交流侧滤波单元，直流侧滤波单元的第一端部与第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
电连接，交流侧滤波单元的两端分别与第一开关单元s1的第一端部、第二开关单元s2的第一端部电连接，此时双并联buck
‑
boost逆变器工作于整流模态。
42.优选地，交流侧滤波单元、直流侧滤波单元为滤波电容或lc电路或lcl电路。具体为滤波电容，为方便对应图进行描述，依次设定为交流侧滤波电容c
f
、直流侧滤波电容c
bus
。直流电源v
bus
可由电网或交流电机输入经过整流滤波后得到，也可由光伏电池、燃料电池或蓄电池得到。交流侧负载、直流侧负载为负载电阻，为方便对应图进行描述，依次设定为负载 r
l1
、r
l2
。
43.斩波部分由4个相同的buck
‑
boost斩波电路构成：第三开关单元s
a
、第一二极管d
a
、第一电感l
a
组成buck
‑
boost1；第四开关单元s
b
、第二二极管d
b
、第二电感l
b
组成buck
‑
boost2；第五开关单元s
c
、第三二极管d
c
、第三电感l
c
组成buck
‑
boost3；第六开关单元s
d
、第
四二极管d
d
、第四电感l
d
组成buck
‑
boost4。其中，buck
‑
boost1与buck
‑
boost2的第三开关单元s
a
与第四开关单元s
b
的触发信号相差180
°
，构成第一交错斩波单元；buck
‑
boost3与 buck
‑
boost4的第五开关单元s
c
与第六开关单元s
d
的触发信号相差180
°
，构成第二交错斩波单元。在一个工频周期内，第一交错斩波单元、第二交错单元在各自半个周期内交替工作。
44.第一开关单元s1、第二开关单元s2构成定向部分，与交流测的电压方向有关，通过调节第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
的占空比，改变第一开关单元s1、第二开关单元s2的导通状态，实现升压逆变和降压逆变，使输出的交流电压高于或低于直流母线电压。
45.其中，图2、6
‑
13中将第一开关单元s1、第二开关单元s2、第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
及第六开关单元s
d
仅当做一个理想开关进行示意。
46.对第一交错斩波单元中的第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
施加相位差为180度的驱动信号，对第二交错斩波单元中的第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
施加相位差为180度的驱动信号；在一个工频周期内，使第一交错斩波单元、第二交错斩波单元在各自的半个周期内交替工作，通过控制第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
的导通占空比，改变第一开关单元s1、第二开关单元s2的导通状态，对直流侧或交流侧充电，使输出的交流电压高于或低于直流母线电压。
47.对直流侧进行充电时，由电网v
g
供电，对交流侧充电时，由直流电源v
bus
供电，以改变第一开关单元s1、第二开关单元s2通过的电流方向。
48.为简化分析双并联buck
‑
boost逆变器工作模态的难度，提出如下假设：
①
电路中所有器件均为理想模型，即：开关单元、二极管可以在瞬间导通或截止，导通时没有导通压降(导通时电阻为0)，截止时没有漏电流；电感工作在线性区而未饱和，寄生电阻为零；电容的等效串联电阻为零；
②
滤波电容c
f
和滤波电容c
bus
的容量足够大，流经滤波电容c
f
和滤波电容 c
bus
的电流近似为0；
③
电路均处于稳态运行状态。
49.双并联buck
‑
boost逆变器在一个工频周期内包括如下8种工作模态：
50.1)逆变模态a：在交流侧正半周期，第二交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
、第三二极管d
c
、第四二极管 d
d
断开；第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
先后导通且时间间隔为180
°
相角；第一开关单元s1导通或关断，直流侧经第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
向第三电感l
c
、第四电感l
d
充电储能，负载r
l1
由交流侧滤波电容c
f
供电。为减小损耗，此处令第一开关单元s1导通。
51.2)逆变模态b：在交流侧正半周期，第二交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
断开；第一开关单元s1、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
导通；第三电感l
c
、第四电感 l
d
中的能量经第一开关单元s1和第三二极管d
c
、第四二极管d
d
向交流侧续流供电。
52.3)逆变模态c：在交流侧负半周期，第一交错斩波单元工作，第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第一开关单元s1、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
、第三二极管d
c
、第四二极管 d
d
断开；第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
先后导通且时间间隔为180
°
相角；第二开关单元s2导通或关断，直流侧经第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
向第一电感l
a
、第二电感l
b
充电储能，负载r
l1
由交流侧滤波电容c
f
供电。为减小损耗，此处令第二开关单元s2导通。
53.4)逆变模态d：在交流侧负半周期，第一交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四
开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第一开关单元s1、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
断开；第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
导通；第一电感l
a
、第二电感 l
b
中的能量经第二开关单元s2和第一二极管d
a
、第二二极管d
b
向交流侧续流供电；
54.5)整流模态a：在交流侧正半周期，第一交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第一开关单元s1、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
断开；第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
导通；交流侧经第二开关单元 s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
向第一电感l
a
、第二电感l
b
充电储能，负载r
l2
由直流侧滤波电容c
bus
供电。
55.6)整流模态b：在交流侧正半周期，第一交错斩波单元工作，第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第一开关单元s1、第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
断开；第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
先后导通且时间间隔为180
°
相角；第一电感l
a
、第二电感l
b
中的能量经第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
向负载r
l2
供电，同时向直流侧滤波电容c
bus
充电储能。
56.7)整流模态c：在交流侧负半周期，第二交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
、第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
断开；第一开关单元s1、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
导通；交流侧经第一开关单元 s1、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
向第三电感l
c
、第四电感l
d
充电储能，负载r
l2
由直流侧滤波电容c
bus
供电。
57.8)整流模态d：在交流侧负半周期，第二交错斩波单元工作，第三开关单元s
a
、第四开关单元s
b
、第一开关单元s1、第二开关单元s2、第一二极管d
a
、第二二极管d
b
、第三二极管d
c
、第四二极管d
d
断开；第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
先后导通且时间间隔为180
°
相角；第三电感l
c
、第四电感l
d
中的能量经第五开关单元s
c
、第六开关单元s
d
向负载r
l2
供电，同时向直流侧滤波电容c
bus
充电储能。
58.由以上可知，在逆变模式下，可以根据第一交错斩波单元、第二交错斩波单元的运行情况将电路模式分为4种模态，图6
‑
图9为逆变模式下4种模态的等效电路。各开关单元的导通状态与相应模态的对应关系如图14所示。
59.图14中，s
a
、s
b
、s
c
、s
d
、s1、s2代表相应开关处于导通状态，代表相应开关处于导通状态，代表相应开关处于关断状态，标注为“\”的模态及未列出模态均代表该模态为无效模态。
60.当电路工作在逆变模态时，通过控制第一开关单元s1、第二开关单元s2的导通状态，可以使得交流侧输出不同极性(正、负)的电压。在交流侧正半周期，第二开关单元s2不工作，在交流侧负半周期，第一开关单元s1不工作。
61.由以上可知，在整流模式下，可以根据第一交错斩波单元、第二交错斩波单元的运行情况将电路模式分为4种模态，图10
‑
图13为整流模式下4种模态的等效电路。各开关单元的导通状态与相应模态的对应关系如图15所示。
62.图15中，s
a
、s
b
、s
c
、s
d
、s1、s2代表相应开关处于导通状态，代表相应开关处于关断状态，标注为“\”的模态及未列出模态均代表该模态为无效模态。
63.当电路工作在整流模态时，需根据交流侧电压极性(正、负)，判断第一开关单元s1、第二开关单元s2的导通状态。在交流侧正半周期，第一开关单元s1不工作，在交流侧负
半周期，第二开关单元s2不工作。
64.以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，本实用新型的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。