CN104300802A - 一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器 - Google Patents

一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，包括直流电源（1）、单级升压网络（2）以及逆变电路（3），其特征在于：所述直流电源（1）包括电源以及电感L3，所述单级升压逆变器采用集成磁件（7）作为磁集成变压器，所述磁集成磁件（7）包括相对设置的磁芯，该相对设置的磁芯上分别绕有原边绕组（n1）与副边绕组（n2）以及电感L3的绕组（n3），所述原边绕组（n1）的输入端接原边电路，副边绕组（n2）输出端接入副边电路；所述电感L3的绕组（n3）连接在电源的正极上，另一端连接单级升压网络（2）；所述原边绕组（n1）和副边绕组（n2）由耦合电感或抽头电感构成；所述相对设置的磁芯各磁柱间有气隙；该逆变器既能减小磁件的体积，又能使得漏感容易控制，减小绕组的铜损。

Description

一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器
技术领域
本发明属于电力电子装置领域，涉及一种磁集成变换器，具体涉及一种用耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器。
背景技术
用耦合电感或抽头电感构建的单级升压逆变器（CL-SSBI或TL-SSBI），是在输入电源和逆变桥间***包括电容和电感的无源网络，形成的阻抗源逆变器。它们运用传统电压源逆变器所不允许的“直通零矢量”状态，并调节耦合电感或抽头电感的匝比，实现升降压功能。它们的优点集中体现在：
（1）通过控制桥臂直通时间，实现单级升降压变换功能，交流侧电压可低于或高于输入直流侧电压，提供电压跌落时的度越能力；
（2）由于逆变桥臂直通成为逆变器的一种正常工作模式，不会出现开关管的误导通或误关断而损坏逆变桥，提高了整机的可靠性；
（3）由于不需死区补偿（电压源型）的时间，从根本上避免了输出电压波形的畸变。
近年来，针对直流母线需由低压升压供电的电机驱动***和适应较大输入电压变化范围的新能源发电逆变场合提出多种单级升压逆变器，包括：黄文新，胡育文，杨奇，“单级可升压逆变器”（发明专利：ZL 2009 1 0181639.3）；周玉斐，黄文新，“一种单级升压逆变器”（发明专利：ZL 2011 1 0046688.3）；周玉斐，黄文新，胡育文，“带抽头电感的单级升压逆变器”（发明专利：201110203219.8）；周玉斐，黄文新，“单级升压逆变器”（发明专利：201310283970.2）；李春杰，黄文新，“一种单级升压逆变器”（发明专利：201310358565.2）。这些专利均采用了耦合电感或抽头电感构成，补充了单级升压逆变器的拓扑族。但它们均采用分立磁件，需要的磁芯数量较多、体积较大，导致***的成本高，功率密度低。
发明内容
所要解决的技术问题：
针对采用耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器分立磁件体积较大的特点，提供一种磁集成的CL-SSBI或磁集成的TL-SSBI，该变换器将原电路中的耦合电感或抽头电感和电感设计成集成磁件，该变换器能减小磁件的体积，提高功率密度。
技术方案： 
为了实现以上功能，本发明提供了一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，包括直流电源1、单级升压网络2以及逆变电路3，其特征在于：所述直流电源1包括电源以及电感L3，所述单级升压逆变器采用集成磁件7作为磁集成变压器，所述磁集成磁件7包括相对设置的磁芯，该相对设置的磁芯上分别绕有原边绕组n1与副边绕组n2以及电感L3的绕组n3，所述原边绕组n1的输入端接原边电路，副边绕组n2输出端接入副边电路；所述电感L3的绕组n3连接在电源的正极上，另一端连接单级升压网络2；所述原边绕组n1和副边绕组n2由耦合电感或抽头电感构成；所述相对设置的磁芯各磁柱间有气隙。所述原边绕组n1、副边绕组n2以及电感L3的绕组n3采用平面型绕组或者卷绕式绕组。
所述相对设置的磁芯为一副或者是两副并联。
作为优选设计，所述相对设置的磁芯为相对设置的EE磁芯，原边绕组n1和副边绕组n2分别绕在EE磁芯的两个中柱上，电感L3的绕组n3绕在磁芯任一侧的边柱上。
作为优选设计，还包括一个I型磁芯，所述相对设置的磁芯为开口相对的UU磁芯，I型磁芯设置在UU磁芯的中间位置，原边绕组n1和副边绕组n2绕在同一个U型磁芯上，电感L3的绕组n3绕在另一个U型磁芯上。
作为优选设计，所述对设置的磁芯为EI磁芯，E型磁芯朝向I型磁芯设置，所述原边绕组n1和副边绕组n2绕在E型磁芯的中柱上，电感L3的绕组n3绕在E型磁芯任一侧的边柱上。
有益效果：
本发明针对现有的单级升压逆变器的磁件体积较大的缺点，提供一种适用于耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器，该变换器将原电路中的变压器和电感的设计成集成磁件，采用EE磁芯、EI磁芯以及UU磁芯加一个公共磁柱三种集成方式，该变换器既能减小磁件的体积，又能使得漏感容易控制，提高功率密度。
采用EI磁芯的集成磁件的实施方式，除具有EE磁芯集成磁件的优点外，还可在一定程度上减小绕组的铜损。
UU磁芯窗口面积大，适合绕制较大感值的电感；UU磁芯中间加一个公共磁柱，且气隙的位置决定了气隙处的漏磁通匝链绕组产生的损耗较小。
附图说明
图1~图3为现有的几种采用耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器方案；
图4为本发明涉及采用EE磁芯的集成磁件的实施方式示意图；
图5为本发明涉及的采用EI磁芯的集成磁件的实施方式示意图；
图6为本发明涉及的采用UU磁芯加公共磁柱的集成磁件的实施方式示意图；
图7为采用EE磁芯的集成磁件的一种应用拓扑图；
图8为采用EI磁芯的集成磁件的一种应用拓扑图；
图9为采用UU磁芯加公共磁柱集成磁件的一种应用拓扑图；
上述附图中主要符号名称：U i-直流电源电压；u b-母线电压；T1~T6-功率管；C1、C2-电容；D1~D3、D-二极管；4-原边绕组n1；5-副边绕组n2；L3-电感；6-电感L3的绕组n3；
1-直流电源，2-耦合电感或抽头电感构成的单级升压网络，3-逆变桥，7-集成磁件。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更详细的描述：
本发明为一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，包括直流电源1、单级升压网络2以及逆变电路3，其特征在于：所述直流电源1包括电源以及电感L3，所述单级升压逆变器采用集成磁件7作为磁集成变压器，所述磁集成磁件7包括相对设置的磁芯，该相对设置的磁芯上分别绕有原边绕组n1与副边绕组n2以及电感L3的绕组n3，所述原边绕组n1的输入端接原边电路，副边绕组n2输出端接入副边电路；所述电感L3的绕组n3连接在电源的正极上，另一端连接单级升压网络2；所述原边绕组n1和副边绕组n2由耦合电感或抽头电感构成；所述相对设置的磁芯各磁柱间有气隙。
所述原边绕组n1、副边绕组n2以及电感L3的绕组n3采用平面型绕组或者卷绕式绕组。
所述相对设置的磁芯为一副或者是两副并联。
作为优选设计，所述相对设置的磁芯为相对设置的EE磁芯，原边绕组n1和副边绕组n2分别绕在EE磁芯的两个中柱上，电感L3的绕组n3绕在磁芯任一侧的边柱上。
作为优选设计，还包括一个I型磁芯，所述相对设置的磁芯为开口相对的UU磁芯，I型磁芯设置在UU磁芯的中间位置，原边绕组n1和副边绕组n2绕在同一个U型磁芯上，电感L3的绕组n3绕在另一个U型磁芯上。
作为优选设计，所述对设置的磁芯为EI磁芯，E型磁芯朝向I型磁芯设置，所述原边绕组n1和副边绕组n2绕在E型磁芯的中柱上，电感L3的绕组n3绕在E型磁芯任一侧的边柱上。
原副边绕组和电感L3的绕组交链的磁通在公共磁柱上相抵消，从而使得公共磁柱的体积得以减小。
下面结合附图说明本发明的电路结构及工作原理。
图1~图3为几种采用耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器未集成前的电路图，本发明集成后的变压器是将由耦合电感或抽头电感构成的原边绕组、副边绕组和电感L3的绕组用集成磁件替代。
集成磁件实例一
采用相对设置的EE磁芯的集成磁件的实施方式示意图，如图4所示，耦合电感或抽头电感的原边绕组n1和副边绕组n2绕在中柱上，电感L3的绕组n3绕在任一侧的边柱上。
集成磁件实例二
采用一副EI磁芯的集成磁件的实施方式示意图，如图5所示，耦合电感或抽头电感的原边绕组n1和副边绕组n2绕在中柱上，电感L3的绕组n3绕在任一侧的边柱上。采用该磁芯及绕制方法除具有图6的优点外，可在一定程度上减小绕组的铜损。
集成磁件实例三
采用一副相对设置的UU磁芯加一个公共磁柱的集成磁件的实施方式示意图，如图6所示，原边绕组n1和副边绕组n2绕在一个U型磁芯上，电感L3的绕组n3绕在另个副U型磁芯上，两副磁芯的开口相对放置，并在它们之间***一条I型磁芯作为公共磁柱。公共磁柱柱体本身无气隙。
参照附图7，是采用图4的集成磁件应用于图2的采用磁集成变压器的单级升压逆变器。其中，电感L3的绕组n3连接在电源的正极上，另一端连接二极管D的阳极和第二电容C2的一端，二极管D的阴极连接自耦变压器副边绕组n2的同名端，自耦变压器的原、副边绕组（n1、n2）顺向串联，原边绕组n1的异名端连接第二电容C2的另一端和母线的正极，自耦变压器采用抽头电感，所述抽头连接第一电容C1的一端，第一电容C1的另一端连接电源和母线的负极。集成磁件7中的自耦变压器的原边绕组n1和副边绕组n2分别绕在EE磁芯的中柱上，电感L3的绕组n3绕在任一侧的边柱上，原边绕组n1、副边绕组n2和绕组n3交链的磁通在另一侧边柱上相抵消。
本发明的实施例二，参照附图8，是采用图5的集成磁件应用于图2的单级升压逆变器示意图，以及本发明的实施例三，参照附图9，是采用图6的集成磁件应用于图2的单级升压逆变器示意图。
本发明不局限于上述具体实施方式，本领域的一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其他多种实施方式，例如，采用不同类型的磁芯或材料，或将本发明的集成磁芯方式用于其它耦合电感或抽头电感构成的单级升压逆变器。因此，凡是基于本发明的技术思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。

Claims (6)

1.一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，包括直流电源（1）、单级升压网络（2）以及逆变电路（3），其特征在于：所述直流电源（1）包括电源以及电感L3，所述单级升压逆变器采用集成磁件（7）作为磁集成变压器，所述磁集成磁件（7）包括相对设置的磁芯，该相对设置的磁芯上分别绕有原边绕组（n1）与副边绕组（n2）以及电感L3的绕组（n3），所述原边绕组（n1）的输入端接原边电路，副边绕组（n2）输出端接入副边电路；所述电感L3的绕组（n3）连接在电源的正极上，另一端连接单级升压网络（2）；所述原边绕组（n1）和副边绕组（n2）由耦合电感或抽头电感构成；所述相对设置的磁芯各磁柱间有气隙。
2.根据权利要求1所述的一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，其特征在于：所述原边绕组（n1）、副边绕组（n2）以及电感L3的绕组（n3）采用平面型绕组或者卷绕式绕组。
3.根据权利要求1所述的一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，其特征在于：所述相对设置的磁芯为一副或者是两副并联。
4.根据权利要求1至3所述的任意一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，其特征在于：所述相对设置的磁芯为相对设置的EE磁芯，原边绕组（n1）和副边绕组（n2）分别绕在EE磁芯的两个中柱上，电感L3的绕组（n3）绕在磁芯任一侧的边柱上。
5.根据权利要求1至3所述的任意一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，其特征在于：还包括一个I型磁芯，所述相对设置的磁芯为开口相对的UU磁芯，I型磁芯设置在UU磁芯的中间位置，原边绕组（n1）和副边绕组（n2）绕在同一个U型磁芯上，电感L3的绕组（n3）绕在另一个U型磁芯上。
6.根据权利要求1至3所述的任意一种采用磁集成变压器的单级升压逆变器，其特征在于：所述对设置的磁芯为EI磁芯，E型磁芯朝向I型磁芯设置，所述原边绕组（n1）和副边绕组（n2）绕在E型磁芯的中柱上，电感L3的绕组（n3）绕在E型磁芯任一侧的边柱上。
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