CN106655734B - 一种消除特定次谐波的微型逆变器 - Google Patents

一种消除特定次谐波的微型逆变器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种消除特定次谐波的微型逆变器，属于微型逆变技术领域。该微型逆变器包括直流电源、输入电容、原边开关管、辅助开关管、辅助二极管、辅助电容、隔离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、第一逆变桥臂、第二逆变桥臂及滤波电路。本发明在逆变器的直直变换环节加入了由辅助开关管、辅助二极管和辅助电容构成的辅助电路，可以有效的消除直流电源输入侧特定次谐波电流——二次谐波电流，避免采用体积大、可靠性低的电解电容，同时可以为变压器漏感能量提供回馈通路。

Description

一种消除特定次谐波的微型逆变器
技术领域
本发明涉及一种消除特定次谐波的微型逆变器，属于隔离、微型逆变器，其利用增加的辅助电路来实现直流电源输入侧二次谐波电流的消除。
背景技术
在新能源及其它分布式发电***中，为获得负载所需的高压交流电，逆变器一般都带有前级直流变换器。对于这种***，输出功率中含有的两倍输出频率功率脉动分量反馈传输到直流输入侧，致使输入电流中引入了二次谐波电流分量，影响蓄电池、燃料电池等输入源的使用寿命，严重时会影响直流输入电源***的稳定性。传统方法采用大电解电容来平衡功率脉动，从而达到消除二次谐波电流的目的，然而电解电容寿命有限，限制了逆变器的整体寿命。近年来，出现了很多缓冲功率脉动的方法，特别是通过增加额外的辅助电路可以实现直流输入侧二次谐波电流的消除。Fukushima K，Norigoe I，Shoyama M，et al，“Input current-ripple consideration for the pulse-link DC-AC converter forfuel cells by small series LC circuit”，Proceedings of IEEE 24th AnnualApplied Power Electronics Conference and Exposition，2009：447-451提出了通过加入LC串联谐振电路，并将其谐振频率设计为两倍输出频率的方案，如附图1所示，可以有效的消除直流输入侧二次谐波电流，但所需的电感和电容值都比较大，严重降低***的功率密度，且限制了***的使用寿命。Kwon J，Kim E，Kwon B，Nam K，“High-Efficiency FuelCell Power Conditioning System With Input Current Ripple Reduction”，IEEETransaction on Industry Electronics，2009，56(3)：826-834利用电力电子变换器的高频特性，控制主功率管的占空比，在实现电压变换所需的占空比基础上再加上一个变化的占空比量，有效的抑制了输入侧二次谐波电流，这将非常有利于提高燃料电池利用率及使用寿命，如附图2所示，但该方案控制精度要求高，且控制算法复杂。
发明内容
本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种消除特定次谐波的微型逆变器，既实现了电能变换，又消除了直流电源输入侧的二次谐波电流，并为变压器漏感能量提供回馈通路，有效提高了逆变器的可靠性和效率。
本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
本发明的一种消除特定次谐波的微型逆变器，包括直流电源、输入电容、原边开关管、隔离变压器、副边开关管、中间直流母线电容、结构相同的第一逆变桥臂和第二逆变桥臂以及滤波电路；其中隔离变压器原边绕组同名端分别接直流电源的正极和输入电容的输入端，原边开关管的发射极分别接直流电源的负极和输入电容的输出端；每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端；副边开关管的发射极、中间直流母线电容的输入端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容的输出端和隔离变压器副边绕组的同名端连接，隔离变压器副边绕组的异名端接副边开关管的集电极；第一逆变桥臂和第二逆变桥臂的输出端接滤波电路，其特征在于：
还包括由辅助二极管、辅助开关管和辅助电容构成的辅助电路；其中辅助二极管包括两个二极管，辅助开关管包括两个开关管，第一辅助开关管的发射极分别接直流电源的正极和第二辅助二极管的阴极，第一辅助开关管的集电极分别接辅助电容的输入端和第一辅助二极管的阴极，第一辅助二极管的阳极分别接隔离变压器原边绕组的异名端和第二辅助开关管的集电极，第二辅助辅助开关管的发射极、辅助电容的输出端、第二辅助二极管的阳极和原边开关管的集电极相连接。
有益效果：
本发明披露了一种消除特定次谐波的微型逆变器，其消除了直流电源输入侧电流中的特定次谐波分量——二次谐波电流。本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过在反激变换器原边加入有源辅助电路来处理功率脉动，使得辅助电容上电压呈现二倍频波动，而输入电流基本不含有二次谐波电流分量，从而直流输入侧可以避免使用体积大、可靠性低的电解电容，延长了逆变器的使用寿命，并通过回收变压器漏感中的能量进一步提高逆变器的性能和效率。
附图说明
附图1是加入LC串联谐振电路的逆变器电路结构示意图。
附图2是一种抑制二次谐波电流的功率调节***结构示意图。
附图3是本发明的一种消除特定次谐波的微型逆变器电路结构示意图。
附图4是本发明的一种消除特定次谐波的微型逆变器进一步等效电路图。
附图5是本发明的一种消除特定次谐波的微型逆变器主要工作波形示意图。
附图6～附图10是本发明的一种消除特定次谐波的微型逆变器的各开关模态示意图。
上述附图中的主要符号名称：Vi、电源电压。Ci、输入电容。Sp、Sp1、Sp2、原边开关管。Ss、副边开关管。Sx1、Sx2、均为辅助开关管。Dsp、Dsp1、Dsp2、Dsx1、Dsx2、Ds1～Ds4、体二极管。Dx1、Dx2、均为辅助二极管。D1、D2、均为整流二极管。Cx、Cx1、Cx2、辅助电容。C1、C2、升压电容。T、隔离变压器。N1、Np1、Np2、隔离变压器原边绕组。N2、隔离变压器副边绕组。Lb、Boost升压电感。L1、L2均为辅助电感。Lm、隔离变压器激磁电感。Llk、隔离变压器漏感。Cdc、中间直流母线电容。S1～S4、均为功率开关管。Lf、滤波电感。Cf、滤波电容。RL、负载。Vdc、中间直流母线电容电压。vx、辅助电容电压。Grid、电网。vo、输出电压。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
附图3是一种消除特定次谐波的微型逆变器结构示意图。由直流电源Vi、输入电容1、原边开关管2、隔离变压器3、副边开关管4、中间直流母线电容5、两个逆变桥臂6和7、滤波电路8、辅助二极管9、辅助开关管10及辅助电容11组成。Sp是原边开关管，Ci是输入电容，Sx1、Sx2是辅助开关管，Dx1、Dx2是辅助二极管，Cx是辅助电容，T是隔离变压器，Ss是副边开关管，Cdc是中间直流母线电容，S1～S4是功率开关管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容，RL为负载。由于隔离变压器类似于一个具有特定激磁电感的理想变压器，为了便于分析，可将附图3等效为附图4所示的电路。本逆变器由加入辅助电路的反激式直流变换器和传统的单相全桥逆变器构成，单相全桥逆变器采用SPWM控制，开关管S1和S3组成全桥逆变器的第一逆变桥臂，开关管S2和S4组成全桥逆变器的第二逆变桥臂。
下面以附图4所示的等效后的主电路结构，结合附图5～附图10叙述本发明的具体工作原理，其中只对直流变换器工作模态进行分析，而单相全桥逆变器的工作原理不再赘述。由于直流电源提供的输入功率是恒定的，而输出功率是包含二次纹波的脉动量，根据输入功率与瞬时输出功率的大小把电路的工作模式分为两种，当输入功率大于瞬时输出功率时，电路工作于模式I状态，当输入功率小于瞬时输出功率时，电路工作于模式II状态。由附图5可知逆变器工作于模式I或者模式II时，一个开关周期均有4种开关模态，模式I时：[tI0-tI1]、[tI1-tI2]、[tI2-tI3]、[tI3-tI4]，模式II时：[tII0-tII1]、[tII1-tII2]、[tII2-tII3]、[tII3-tII4]。下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。
在分析之前，先作如下假设：①中间直流母线电容电压Vdc为定值；②所有功率器件均为理想的；③隔离变压器原副边匝比为：N1∶N2＝1∶n。
下面对模式I下各开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[tI0-tI1][对应于附图6]
tI0时刻，开通原边开关管Sp和辅助开关管Sx2，变压器激磁电感Lm开始储能，原边电流ip从零开始线性上升。此阶段，i1＝ip。tI1时刻，电流i1到达电流参考值I1-ref，此时同时关断开关管Sp和辅助开关管Sx2，该模态结束。电流i1的高频分量流过输入电容Ci，所以输入电流Ii为一直流量。
2.开关模态2[tI1-tI2][对应于附图7]
tI1时刻，同时关断开关管Sp和辅助开关管Sx2，变压器激磁电感电流经辅助二极管Dx1、辅助电容Cx及辅助二极管Dx2续流，将变压器激磁电感中多余的能量储存到辅助电容中。由于变换器的开关频率高，在一个开关周期内辅助电容电压可看作为定值，原边电流ip线性下降，当其下降到电流参考值ip-ref时(ip-ref＝ni2-ref)，副边开关管Ss开通，辅助二极管Dx1、Dx2因承受反向电压而截止，此模态结束。
3.开关模态3[tI2-tI3][对应于附图9]
tI2时刻，开通副边开关管Ss，由于变压器副边折算到原边的电压小于辅助电容上的电压，辅助二极管承受反向电压截止，变压器激磁电感向负载提供能量，同时直流母线电容Cdc储能。此阶段内，电流i2由副边电流参考值i2-ref线性下降到零。
4.开关模态4[tI3-tI4][对应于附图10]
tI3时刻，电流i2下降到零。此阶段内，副边开关管Ss依然导通，但已没有电流流过，中间直流母线电容Cdc提供输出功率。tI4时刻，副边开关管Ss关断，此工作模态结束，并且该开关周期结束，进入下一个开关周期。
下面对模式II下各开关模态的工作情况进行具体分析。
1.开关模态1[tII0-tII1][对应于附图6]
此过程与模式I下的开关模态1相同，变压器激磁电感储存能量。
2.开关模态2[tII1-tII2][对应于附图8]
tII1时刻，开通辅助开关管Sx1，同时辅助开关管Sx2继续导通，辅助电容两端电压vx正向加在隔离变压器原边绕组上，变压器激磁电感储能，因而原边电流ip继续线性上升，当其上升到参考值ip-ref时，辅助开关管Sx1和Sx2同时关断，此模态结束。
3.开关模态3[tII2-tII3][对应于附图9]
此过程与模式I下的开关模态3类似，储存在隔离变压器中的能量向后级传递。
4.开关模态4[tII3-tII4][对应于附图10]
此过程与模式I下的开关模态4一致，中间直流母线电容维持负载所需的能量。
从以上的描述可以得知，本发明提出的一种消除特定次谐波的微型逆变器具有以下几方面的优点：
1)所增加辅助电路可以有效消除输出脉动功率引起的直流电源侧二次谐波电流，逆变器输入端仅需采用小容值的电容滤除开关纹波分量，输入电流则为恒定的直流量，避免使用体积大、可靠性低的电解电容。
2)辅助电路简单，同时逆变器中的电容均可采用小容值的薄膜电容，不仅提高了逆变器功率密度，还延长了逆变器使用寿命。
3)隔离变压器漏感中能量能够回馈到辅助电容中，进一步提高了逆变器的性能和效率。

Claims (1)

1.一种消除特定次谐波的微型逆变器，包括直流电源(Vi)、输入电容(1)、原边开关管(2)、隔离变压器(3)、副边开关管(4)、中间直流母线电容(5)、结构相同的第一逆变桥臂(6)和第二逆变桥臂(7)及滤波电路(8)；其中隔离变压器(3)原边绕组同名端分别接直流电源(Vi)正极和输入电容(1)的输入端，原边开关管(2)的发射极分别接直流电源(Vi)的负极和输入电容(1)的输出端；每个逆变桥臂都包括二个开关管，第一开关管的集电极作为逆变桥臂的正输入端，第一开关管的发射极与第二开关管的集电极连接构成逆变桥臂的输出端，第二开关管的发射极作为逆变桥臂的负输入端，副边开关管(4)的发射极、中间直流母线电容(5)的输入端和逆变桥臂的正输入端连接，逆变桥臂的负输入端、中间直流母线电容(5)的输出端和隔离变压器(3)副边绕组的同名端连接，隔离变压器(3)副边绕组的异名端接副边开关管(4)的集电极；第一逆变桥臂(6)和第二逆变桥臂(7)的输出端接滤波电路(8)，其特征在于：
还包括由辅助二极管(9)、辅助开关管(10)和辅助电容(11)构成的辅助电路；其中辅助二极管(9)包括两个二极管，辅助开关管(10)包括两个开关管，第一辅助开关管的发射极分别接直流电源(Vi)的正极和第二辅助二极管的阴极，第一辅助开关管的集电极分别接辅助电容(11)的输入端和第一辅助二极管的阴极，第一辅助二极管的阳极分别接隔离变压器(3)原边绕组的异名端和第二辅助开关管的集电极，第二辅助辅助开关管的发射极、辅助电容(11)的输出端、第二辅助二极管的阳极和原边开关管(2)的集电极相连接。
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