CN106329973A - 一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法，将两个滤波电感的绕组耦合到同一个磁芯上，有效地减小了磁件的体积和损耗，且在每个开关管上各串联了一个二极管，防止电感电流过零时开关管体二极管的误导通，以实现无环流工作模式。本发明所提出的一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法，对传统双降压式半桥逆变器进行了改进和创新，在保留了传统双降压式半桥逆变器原有的优点之外，同时减小了输出滤波电感的体积和重量，从而减小了整个逆变器的体积和重量，而且实现了无环流工作模式，保证了***的可靠性。

Description

一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器及控制方法，特别是一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法。

背景技术

随着电力电子技术的发展，逆变器作为一种将直流电转变为交流电的电力电子变换装置，在新能源并网发电***、交流电动机变频调速***、不间断电源***、柔性直流输电***等诸多领域起着关键作用。传统双降压式半桥逆变器由于具有无桥臂直通、开关管无需设置死区时间、有独立的续流二极管可以进行优化设计、可靠性高、输出波形质量好、效率高等优点得到了广泛的应用，但传统的双降压式半桥逆变器正常工作时它需要两个独立的输出滤波电感使得逆变器的体积和重量较大，而磁集成技术可以有效的减小滤波电感的体积，但同时也会使电路产生环流。现有的磁集成技术主要包括图2、3、4所示的三种，它们有一个共同的缺陷就是没有考虑当开关管对应的独立续流二极管正常工作时，电感电流过零附近使开关管的体二极管误导通，因此还是会产生环流。图3的双磁芯四绕组磁集成技术在实际情况下很难使线圈匝数达到原来的，且两个磁芯的工作状态随着温度的变化也很难达到一致。图4针对对EE型磁芯，虽然提高了磁芯的使用率，但实际情况下很难将绕组平均分配到两个磁芯的边柱上，而且所需的磁芯的型号加大并没有真正的减小电感的体积和重量。本发明提出了一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，既保留了传统双降压式半桥逆变器的优点，减小了滤波电感的体积和重量同时实现了无环流工作模式。

发明内容

本发明的目的在于提供一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法，以克服现有技术中存在的缺陷。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，包括：第一直流电压源、第二直流电压源、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出滤波电容C、第一电感L1、第二电感L2以及负载R；所述第一直流电压源的负极与所述第二直流电压源的正极相连，并接地；所述第一直流电压源的正极分别与所述第一开关管S1的漏极以及所述第二二极管D2的阴极相连；所述第二直流电压源的负极分别与所述第一二极管D1的阳极以及所述第二开关管S2的源极相连；所述第一二极管D1的阴极分别与所述第三二极管D3的阴极以及所述第一电感L1的同名端相连；所述第三二极管的阳极与所述第一开关管S1的源极相连；所述第二二极管D2的阳极分别与所述第四二极管D4的阳极以及所述第二电感L2的异名端相连；所述第四二极管D4阴极与所述第二开关管S2的漏极相连；所述第一开关管S1以及所述第二开关管S2的栅极分别接入控制信号；所述第一电感L1的异名端与所述第二电感L2的同名端相连，并分别与所述输出滤波电容C一端以及所述负载R一端相连；所述输出滤波电容C另一端以及所述负载R另一端相连，并接地。

在本发明一实施例中，所述第一开关管S1以及所述第二开关管S2为功率开关管。

在本发明一实施例中，所述第一二极管D1以及所述第二二极管D2位续流二极管。

进一步的，还提供一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器的控制方法，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3以及所述第一二极管D1构成第一桥臂，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述第二二极管D2构成第二桥臂；

通过工作于第一开关模态组以及第二开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的正半周期电流输出；通过工作于第三开关模态组以及第四开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的负半周期电流输出；

通过工作于所述第一至第四开关模态组，实现在无偏置电流半周期运行模式下电流连续式工作时，所述无环流磁集成双降压式半桥逆变器处于所述第一桥臂电压UA输出电压+Ud的第一工作状态或所述第二桥臂电压UB输出负电压-Ud的第二工作状态。

在本发明一实施例中，当工作于所述第一开关模态组时，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3开通，所述第一二极管D1截止；所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述二极管D2均处于截止状态，向所述负载R供电，所述第一桥臂输出电压UA等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即实现第一工作状态；

当工作于所述第二开关模态组时，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3关断，所述第一二极管D1导通；所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述二极管D2均处于截止状态，并通过所述第一二极管D1向电源回馈能量，所述第一桥臂输出电压UA等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态；

当工作于所述第三开关模态组时，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4开通，所述二极管D2处于截止状态；所述第一开关管Sl、所述第三二极管D3以及所述第一二极管Dl均处于截止状态，向所述负载R供电，所述第二桥臂输出电压UB等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态；

当工作于所述第四开关模态组时，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4截止，所述二极管D2处于导通状态；所述第一开关管Sl、所述第三二极管D3和所述第一二极管Dl均处于截止状态，并通过所述所述二极管D2向电源回馈能量，所述第二桥臂输出电压UB电压等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即实现第一工作状态。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明所提出的一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器及其控制方法，在保留传统双降压半桥逆变器优点的基础上，有效的减小了传统双降压式半桥逆变器的滤波电感的体积和重量，提高了磁性元件利用率，针对传统的双降压式半桥逆变器需要两个独立的输出滤波电感使得逆变器的体积和重量较大的问题，将两个滤波电感绕组耦合到一个磁芯上，且在每个开关管上各串联了一个二极管，防止电感电流过零附近时开关管体二极管的误导通，以实现无环流工作模式，同时也达到减小逆变器的体积和重量的目的，保证了***的可靠性。

附图说明

图1为传统双降压式半桥逆变器主电路框图。

图2为磁集成双降压式半桥逆变器主电路框图。

图3是双磁芯四绕组磁集成双降压式半桥逆变器主电路框图。

图4是共用磁芯完全解耦磁集成双降压式半桥逆变器主电路框图。

图5是本发明一实施例中一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器主电路框图。

图6是本发明一实施例中无环流磁集成双降压式半桥逆变器第一桥臂工作在“+1”态。

图7是本发明一实施例中无环流磁集成双降压式半桥逆变器第一桥臂工作在“-1”态。

图8是本发明一实施例中无环流磁集成双降压式半桥逆变器第二桥臂工作在“-1”态。

图9是本发明一实施例中无环流磁集成双降压式半桥逆变器第二桥臂工作在“+1”态。

图10是本发明一实施例中变换器工作时的波形。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

传统双降压式半桥逆变器如图1所示，双降压式半桥逆变器在整个工作周期需要两个独立的滤波电感，所以在能够保证传统双降压式半桥逆变器的优点同时又尽可能的减小磁性器件的体积与重量是双降压式半桥逆变器研究的一个方向。

环流产生的原因主要分为以下两点：（1）在开关管导通时对应的独立续流二极管误导通；（2）当开关管对应的独立续流二极管正常工作时，开关管的体二极管误导通。

图5是本发明无环流磁集成双降压式半桥逆变器，该变换器不但保留了传统双降压式半桥逆变器无桥臂直通问题、开关管无需设置死区、续流电流流过独立的续流二极管可以进行优化设计等优点，又采用磁集成技术将两个滤波绕组耦合到同一个磁芯上，且在开关管S1、S2处各串联一个二极管D3、D4防止电感电流接近零时开关管体二极管的误导通，实现无环流电流工作模式，保证了***的可靠性，同时也达到减小逆变器的体积和重量的目的。

与图2所示变换器相比，本发明所提出的变换器可以防止电感电流在过零附近体二极管的误导通，实现无环流工作模式；图3是将每个电感绕组平均分绕在两个磁芯上,每个电感的感值为原电感的一半，由于，为磁导率，为线圈匝数，S为磁芯截面积，为电感气隙长度，若将感值变为原来的一半，则线圈匝数要变为原来的，在实际的绕制过程中很难完成。假如两个磁芯任何时候参数与匝数相等（理想情况）的条件下，两个电感可以实现完全解耦，即在一个电感上施加电压，另一个电感上感应的电压值为零。但实际上两个磁芯的工作状态不可能完全一致，而且两个磁芯本身参数磁导率等就不可能完全相同，将造成一个电感的两半绕组分压不同，在非工作的一路电感上感应有电压，还是会产生环流。且磁导率等磁芯参数随着温度等环境条件影响较大，难以保证非工作电感感应电压为零。图4这种方案针对EE型磁芯，把传统双降压式半桥逆变器的电感绕在中柱上，电感绕组则平均分成两部分分别绕在磁芯的两个侧柱上。当其中一个电感上施加电压工作时，另外一个电感由于磁通抵消不会产生感应电压，实现完全解耦。但事实上该磁集成技术并没有减小滤波电感的体积和重量，且在实际过程中并不能完全保证滤波电感的绕组平均分配到两个侧柱上，产生很小的压降也会造成很大的环流，虽然提高了磁芯的利用率，但是所需的磁芯的型号加大并没有真正的减小滤波电感的体积和重量。

如图5所示，本发明所提出的一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，包括：第一直流电压源、第二直流电压源、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出滤波电容C、第一电感L1、第二电感L2以及负载R；第一直流电压源的负极与第二直流电压源的正极相连，并接地；第一直流电压源的正极分别与第一开关管S1的漏极以及第二二极管D2的阴极相连；第二直流电压源的负极分别与第一二极管D1的阳极以及第二开关管S2的源极相连；第一二极管D1的阴极分别与第三二极管D3的阴极以及第一电感L1的同名端相连；第三二极管的阳极与第一开关管S1的源极相连；第二二极管D2的阳极分别与第四二极管D4的阳极以及第二电感L2的异名端相连；第四二极管D4阴极与第二开关管S2的漏极相连；第一开关管S1以及第二开关管S2的栅极分别接入控制信号；第一电感L1的异名端与第二电感L2的同名端相连，并分别与输出滤波电容C一端以及负载R一端相连；输出滤波电容C另一端以及负载R另一端相连，并接地。

进一步的，第一开关管S1以及第二开关管S2为功率开关管，第一二极管D1以及第二二极管D2位续流二极管。

为了让本领域技术人员进一步了解本发明所提出的一种无环流的磁集成双降压式半桥逆变器，下面结合该逆变器的控制方法进行具体说明。

第一开关管S1、第三二极管D3以及第一二极管D1构成第一桥臂，第二开关管S2、第四二极管D4以及第二二极管D2构成第二桥臂；

通过工作于第一开关模态组以及第二开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的正半周期电流输出；通过工作于第三开关模态组以及第四开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的负半周期电流输出；

通过工作于第一至第四开关模态组，实现在无偏置电流半周期运行模式下电流连续式工作时，无环流磁集成双降压式半桥逆变器处于第一桥臂电压UA输出电压+Ud的第一工作状态或第二桥臂电压UB输出负电压-Ud的第二工作状态。也即，无环流磁集成双降压式半桥逆变器在无偏置电流半周期运行模式下电流连续式工作时的第一桥臂电压UA输出电压+Ud的“+l态”，第二桥臂电压UB输出负电压-Ud的“-1态”，电路正常工作时有“+1态”和“-1态”的两个工作状态，分别利用两组开关模态来实现。通过工作于第一以及第二开关模态组，实现逆变器的正半周期电流输出；通过工作于第三以及第四开关模态组，实现逆变器负半周期电流输出。

如图6所示，当工作于第一开关模态组时，第一开关管S1、第三二极管D3开通，第一二极管D1截止；第二开关管S2、第四二极管D4以及二极管D2均处于截止状态，向负载R供电，第一桥臂输出电压UA等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即处于第一工作状态，实现“+1态”；

如图7所示，当工作于第二开关模态组时，第一开关管S1、第三二极管D3关断，第一二极管D1导通；第二开关管S2、第四二极管D4以及二极管D2均处于截止状态，并通过第一二极管D1向电源回馈能量，第一桥臂输出电压UA等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态，实现“-1态”；

如图8所示，当工作于第三开关模态组时，第二开关管S2、第四二极管D4开通，二极管D2处于截止状态；第一开关管Sl、第三二极管D3以及第一二极管Dl均处于截止状态，向负载R供电，第二桥臂输出电压UB等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态，实现“-1态”；

如图9所示，当工作于第四开关模态组时，第二开关管S2、第四二极管D4截止，二极管D2处于导通状态；第一开关管Sl、第三二极管D3和第一二极管Dl均处于截止状态，并通过二极管D2向电源回馈能量，第二桥臂输出电压UB电压等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即实现第一工作状态，实现“+1态”。

如图10所示，为该无环流磁集成双降压式半桥逆变器工作时的波形图。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，其特征在于，包括：第一直流电压源、第二直流电压源、第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3、第四二极管D4、第一开关管S1、第二开关管S2、输出滤波电容C、第一电感L1、第二电感L2以及负载R；所述第一直流电压源的负极与所述第二直流电压源的正极相连，并接地；所述第一直流电压源的正极分别与所述第一开关管S1的漏极以及所述第二二极管D2的阴极相连；所述第二直流电压源的负极分别与所述第一二极管D1的阳极以及所述第二开关管S2的源极相连；所述第一二极管D1的阴极分别与所述第三二极管D3的阴极以及所述第一电感L1的同名端相连；所述第三二极管的阳极与所述第一开关管S1的源极相连；所述第二二极管D2的阳极分别与所述第四二极管D4的阳极以及所述第二电感L2的异名端相连；所述第四二极管D4阴极与所述第二开关管S2的漏极相连；所述第一开关管S1以及所述第二开关管S2的栅极分别接入控制信号；所述第一电感L1的异名端与所述第二电感L2的同名端相连，并分别与所述输出滤波电容C一端以及所述负载R一端相连；所述输出滤波电容C另一端以及所述负载R另一端相连，并接地。

2.根据权利要求1所述的一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，其特征在于，所述第一开关管S1以及所述第二开关管S2为功率开关管。

3.根据权利要求1所述的一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器，其特征在于，所述第一二极管D1以及所述第二二极管D2位续流二极管。

4.一种基于权利要求1~3任一项所述的一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器的控制方法，其特征在于，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3以及所述第一二极管D1构成第一桥臂，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述第二二极管D2构成第二桥臂；

通过工作于第一开关模态组以及第二开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的正半周期电流输出；通过工作于第三开关模态组以及第四开关模态组，实现该无环流磁集成双降压式半桥逆变器的负半周期电流输出；

通过工作于所述第一至第四开关模态组，实现在无偏置电流半周期运行模式下电流连续式工作时，所述无环流磁集成双降压式半桥逆变器处于所述第一桥臂电压UA输出电压+Ud的第一工作状态或所述第二桥臂电压UB输出负电压-Ud的第二工作状态。

5.根据权利要求4所述的一种无环流磁集成双降压式半桥逆变器的控制方法，其特征在于，当工作于所述第一开关模态组时，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3开通，所述第一二极管D1截止；所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述二极管D2均处于截止状态，向所述负载R供电，所述第一桥臂输出电压UA等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即实现第一工作状态；

当工作于所述第二开关模态组时，所述第一开关管S1、所述第三二极管D3关断，所述第一二极管D1导通；所述第二开关管S2、所述第四二极管D4以及所述二极管D2均处于截止状态，并通过所述第一二极管D1向电源回馈能量，所述第一桥臂输出电压UA等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态；

当工作于所述第三开关模态组时，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4开通，所述二极管D2处于截止状态；所述第一开关管Sl、所述第三二极管D3以及所述第一二极管Dl均处于截止状态，向所述负载R供电，所述第二桥臂输出电压UB等于第二直流电压源输出的负电源电压-Ud，也即实现第二工作状态；

当工作于所述第四开关模态组时，所述第二开关管S2、所述第四二极管D4截止，所述二极管D2处于导通状态；所述第一开关管Sl、所述第三二极管D3和所述第一二极管Dl均处于截止状态，并通过所述所述二极管D2向电源回馈能量，所述第二桥臂输出电压UB电压等于第一直流电压源输出的正电源电压+Ud，也即实现第一工作状态。