CN106655866A - 一种基于高频链的单级式逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于高频链的单级式逆变器，其包括依次连接的前级高频链逆变电路、高频隔离变压器、后级吸收电路、后级逆变电路和输出滤波电路。所述单级式逆变器转换级数较少，提高了高频隔离变压器的磁芯利用率和***效率，实现了变换器的电气隔离，减小输出滤波体积和重量。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子变换器，具体涉及一种基于高频链的单级式逆变器。
背景技术
电力电子变换器是利用功率开关器件通过特定的组合方式而构成的电能变换装置，主要分为交流变直流、直流变交流、直流变直流、交流变交流四大类。其中将直流电转换为交流电的变换器称为逆变器，随着电力电子技术的发展，逆变器作为一种电能转换装置已广泛应用于航空航天、轨道交通、感应加热、新能源发电***等领域。
逆变器按照功率变换的级数分类，可分为单级式变换和多级式变换两种拓扑方案；单级式逆变器只有一级能量转换，因此相对于多级式变换，单级式逆变器具有电路简单、可靠性高、和高效低功耗等优点。按照是否含有变压器及其变压器的类型，可分为无变压器型、工频变压器型和高频隔离变压器型，无变压器型逆变器输入输出之间无电气隔离。目前普遍应用的逆变器为多级逆变器、工频变压器型逆变器和无变压器型逆变器，因此均存在损耗高或体积大等缺点。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于高频链的单级式逆变器，其提高了逆变器的磁芯利用率，减少了逆变器的体积。
本发明的解决方案是这样实现的：一种基于高频链的单级式逆变器，包括依次连接的前级高频链逆变电路、高频隔离变压器、后级吸收电路、后级逆变电路和输出滤波电路，其中，
所述前级高频逆变电路将直流电源转换为高频交流电后，传输到高频隔离变压器的原边绕组；优选的是，所述高频交流电的占空比为0.01-0.99之间，并且，当高频交流电的占空比为0.5时，其转换效率最高。
所述高频隔离变压器将原边绕组高频电压以变比为1：N的方式传输到高频隔离变压器的两个副边绕组，产生两路同幅同相的高频电；
所述后级吸收电路跨接于所述高频隔离变压器的两个副边绕组之间，用于吸收变压器尖峰和给后级逆变电路提供续流通道；
所述后级逆变电路将所述高频隔离变压器两个副边绕组的高频交流电转换为SPWM交流电，并传输到输出滤波电路；
所述输出滤波电路将SPWM交流电进行滤波后，为负载供电。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述前级高频链逆变电路包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)；第一开关管(S1)与第二开关管(S2)构成一个半桥，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)构成一个半桥；第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号相同，第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号相同，第一开关管(S1)驱动信号与第二开关管(S2)驱动信号互补。优选的是，所述驱动信号的占空比为0.01-0.99之间，并且，当驱动信号的占空比为0.5时，所述前级高频链逆变电路的转换效率最高。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)由IGBT和与其反并联的二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第一开关管(S1)的集电极、第三开关管(S3)的集电极和直流电源的正极相连接，所述第二开关管(S2)的发射极、第四开关管(S4)的发射极和直流电源的负极相连接。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述高频隔离变压器包括第一原边绕组(N1)、第一副边绕组(N2)和第二副边绕组(N3)，所述第一原边绕组(N1)与第一副边绕组(N2)的匝数比和第一原边绕组(N1)与第二副边绕组(N3)的匝数比相同。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述高频隔离变压器的第一原边绕组(N1)的同名端与所述第三开关管(S3)的发射极和第四开关管(S4)的集电极相连接，所述高频隔离变压器的第一原边绕组N1的异名端与所述第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极相连接。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述后级吸收电路包括第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第一二极管(D1)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；所述第六开关管(S6)的发射极、第一电容(C1)的一端和第一副边绕组(N2)的同名端相连接，第一电容(C1)的另一端、第二电容(C2)的一端和第二副边绕组(N3)的同名端相连接，第二电容(C2)的另一端和第五开关管(S5)的集电极相连接，第五开关管(S5)的发射极、第一二极管(D1)的阳极、第三电容(C3)的一端和第二副边绕组(N3)的异名端相连接，第三电容(C3)的另一端、第四电容(C4)的一端和第一副边绕组(N2)的异名端相连接，第四电容(C4)的另一端、第一二极管(D1)的阴极和第六开关管(S6)的集电极相连接。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述后级逆变电路包括第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)；所述第七开关管(S5)和第八开关管(S8)构成一个半桥；所述第九开关管(S9)和第十开关管(S10)构成一个半桥；所述第七开关管(S7)的发射极与第一副边绕组(N2)的异名端相连接，所述第七开关管(S7)的集电极与第八开关管(S8)的发射极相连接，所述第八开关管(S8)的集电极与第二副边绕组(N3)的同名端相连接，所述第九开关管(S9)的集电极与第二副边绕组(N3)的异名端相连接，所述第九开关管(S9)的发射极与第十开关管(S10)的集电极相连接，所述第十开关管(S10)的发射极与第一副边绕组(N2)的同名端相连接，其中所述第七开关管(S7)和第十开关管的驱动信号相同(S10)，所述第八开关管(S8)和第九开关管(S9)的驱动信号相同。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述第五开关管(S5)和第六开关管(S6)由IGBT和反并联二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连；或者，所述第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)由IGBT和反并联二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
本发明的另一技术方案在于在上述基础之上，所述输出滤波电路包括输出滤波电感(Lf)和输出滤波电容(Cf)，所述输出滤波电感(Lf)的一端与第九开关管(S9)的发射极和第十开关管(S10)的集电极相连接，所述输出滤波电感(Lf)的另一端与输出滤波电容(Cf)的一端连接，所述输出滤波电容的另一端与第八开关管(S8)的发射极和第七开关管(S7)的集电极相连接。
本发明的有益效果：
本发明所述的基于高频链的单级式逆变器，其包括依次连接的前级高频链逆变电路、高频隔离变压器、后级吸收电路、后级逆变电路和输出滤波电路。所述单级式逆变器转换级数较少，提高了高频隔离变压器的磁芯利用率和***效率，实现了变换器的电气隔离，减小输出滤波体积和重量。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明一种实施方式涉及的单级式逆变器的电路拓扑结构图；
图2和图3为图1中高频隔离变压器在不同状态下的后级等效电路图。
图中：
1前级高频逆变电路 2高频隔离变压器 3后级吸收电路
4后级逆变器边路 5输出滤波电路
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。此外，本领域技术人员根据本文件的描述，可以对本文件中实施例中以及不同实施例中的特征进行相应组合。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本发明实施例如下，请参见图1和图2，一种基于高频链的单级式逆变器，包括依次连接的前级高频链逆变电路1、高频隔离变压器2、后级吸收电路3、后级逆变电路4和输出滤波电路5五个部分。
所述前级高频逆变电路1包括四个开关管S1、S2、S3和S4组成的单相全桥逆变结构，由直流电源向前级高频逆变电路1供电；高频隔离变压器2包括第一原边绕组N1、第一副边绕组N2和第二副边绕组N3组成的单原边双副边结构；后级吸收电路3包括电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、开关管S5和开关管S6；后级逆变级电路4包括四个开关管S7、S8、S9和S10组成的单相全桥式结构；输出滤波电路5包括电感Lf和电容Cf组成的LC滤波器结构。
本发明所述的基于高频链的单级式逆变器，其中，各开关管可以由IGBT和反并联二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。开关管S1的集电极、开关管S3的集电极和直流电源单元的正极相连接，开关管S2的发射极、开关管S4的发射极和直流电源单元的负极相连接。所述高频隔离变压器的第一原边绕组N1同名端与开关管S3的发射极和开关管S4的集电极相连接，高频隔离变压器的第一原边绕组N1异名端与开关管S1的发射极和开关管S2的集电极相连接；开关管S6的发射极、开关管S10的发射极、电容C1的一端和第一副边绕组N2的同名端相连接，电容C1的另一端和电容C2的一端、开关管S8的集电极和第二副边绕组N3的同名端相连接，电容C2的另一端和开关管S5的集电极相连接，开关管S5的发射极、开关管S9的集电极、二极管D1的阳极、电容C3的一端和第二副边绕组N3的异名端相连接，电容C3的另一端、电容C4的一端、开关管S7的发射极和第一副边绕组N2的异名端相连接，电容C4的另一端、二极管D1的阴极和开关管S6的集电极相连接；开关管S9的发射极、开关管S10的集电极和输出滤波电感Lf的一端相连接，输出滤波电感Lf的另一端与输出滤波电容Cf的一端连接，输出滤波电容的另一端和开关管S7的集电极、开关管S8的发射极相连接。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述前级高频逆变电路中的开关管S1和开关管S4的驱动电路相同，开关管S2和开关管S3的驱动电路相同，开关管S1的驱动信号与开关管S2的驱动信号互补，开关管S1、S2、S3和S4的驱动信号的占空比为0.01-0.99之间，将直流电源转换为占空比为0.01-0.99之间的高频交流电传输到高频隔离变压器的原边，使高频隔离变压器工作磁通关于原点对称，以提高高频隔离变压器的利用率。优选的是，所述开关管S1、S2、S3和S4的驱动信号的占空比为0.5，将直流电源转换为占空比为0.5的高频交流电传输到高频隔离变压器的原边，使高频隔离变压器工作磁通关于原点对称，以提高高频隔离变压器的利用率。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述第一原边绕组N1与第一副边绕组N2的匝数比和第一原边绕组N1与第二副边绕组N3的匝数比相同，高频隔离变压器将原边高频电压以变比为1：N的方式传输到高频隔离变压器的两个副边绕组，在副边绕组中感应出两路同幅同相的高频电。
本发明所述的基于高频链的单级式逆变器具体工作原理如下，当开关管S2和开关管S3导通，开关管S1和开关管S4关断时，高频隔离变压器的第一副边绕组N2和第二副边绕组N3的同名端感应出正电压，高频隔离变压器第一副边绕组N2和第二副边绕组N3的异名端感应出负电压，高频隔离变压器后级等效电路如图2所示；后级吸收电路中开关管S6的驱动信号保持与第二开关管S2和第三开关管S3的驱动信号相同，后级吸收电路中电容C1与开关管S10反并联二极管、开关管S9反并联二极管和第二副边绕组N3构成回路，后级吸收电路电容C4与开关管S6反并联二极管、第一副边绕组N2构成回路，后级吸收电路电容C3与开关管S10反并联二极管、开关管S9反并联二极管和第一副边绕组N2构成回路，后级吸收电路电容C1、电容C4和电容C3各自所在的回路能够有效的吸收高频隔离变压器的尖峰电压。
当开关管S1和开关管S4导通，开关管S2和开关管S3关断时，高频隔离变压器第一副边绕组N2和第二副边绕组N3的同名端感应出负电压，高频隔离变压器第一副边绕组N2和第二副边绕组N3的异名端感应出正电压，高频隔离变压器后级等效电路如图3所示；后级吸收电路中开关管S5驱动信号保持与开关管S1和开关管S4的驱动信号相同，后级吸收电路电容C2与开关管S5反并联二极管、第二副边绕组N3构成回路，后级吸收电路电容C3与开关管S7反并联二极管、开关管S8反并联二极管和第二副边绕组N3构成回路，后级吸收电路电容C4与二极管D1、开关管S7反并联二极管、开关管S8反并联二极管和第二副边绕组N3构成回路，后级吸收电路电容C2、电容C4和电容C3各自所在的回路能够有效的吸收高频隔离变压器的尖峰电压，进而改善输出波形的质量。
在上述实施例的基础上，本发明另一实施例中，所述后级逆变电路采用SPWM调制策略或移相调制进行调制，其中开关管S7和开关管S10的驱动信号相同，开关管S8和开关管S9的驱动信号相同，开关管S7与开关管S8的驱动信号互补；高频隔离变压器副边绕组的同名端感应出正电压时，后级逆变开关管的驱动信号与高频隔离变压器副边绕组同名端感应出负电压时后级逆变开关管的驱动信号互补，使后级逆变电路输出高频SPWM，高频SPWM经过输出滤波电路5后转换为正弦波，为交流负载供电。
经过理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积重量与供电频率的平方根成反比，所以当工作频率从工频的50Hz提高到高频20KHZ时，用电设备的体积重量会下降至工频设计的5-10％。因此相对于工频变压器型逆变器，高频隔离变压器型逆变器具有体积小、重量轻、成本低等优点。本发明所述的基于高频链的单级式逆变器，其包括依次连接的前级高频链逆变电路、高频隔离变压器、后级吸收电路、后级逆变电路和输出滤波电路。所述单级式逆变器转换级数较少，提高了高频隔离变压器的磁芯利用率和***效率，实现了变换器的电气隔离，减小输出滤波体积和重量。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种基于高频链的单级式逆变器，其特征在于，包括依次连接的前级高频链逆变电路、高频隔离变压器、后级吸收电路、后级逆变电路和输出滤波电路，其中，
所述前级高频逆变电路将直流电源转换为高频交流电后，传输到高频隔离变压器的原边绕组；
所述高频隔离变压器将原边绕组高频电压以变比为1：N的方式传输到高频隔离变压器的两个副边绕组，产生两路同幅同相的高频电；
所述后级吸收电路跨接于所述高频隔离变压器的两个副边绕组之间，用于吸收变压器尖峰和给后级逆变电路提供续流通道；
所述后级逆变电路将所述高频隔离变压器两个副边绕组的高频交流电转换为SPWM交流电，并传输到输出滤波电路；
所述输出滤波电路将SPWM交流电进行滤波后，为负载供电。
2.根据权利要求1所述的单级式逆变器，其特征在于，所述前级高频链逆变电路包括第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)；第一开关管(S1)与第二开关管(S2)构成一个半桥，第三开关管(S3)与第四开关管(S4)构成一个半桥；第一开关管(S1)与第四开关管(S4)的驱动信号相同，第二开关管(S2)与第三开关管(S3)的驱动信号相同，第一开关管(S1)驱动信号与第二开关管(S2)驱动信号互补。
3.根据权利要求2所述的单级式逆变器，其特征在于，所述第一开关管(S1)、第二开关管(S2)、第三开关管(S3)和第四开关管(S4)由IGBT和与其反并联的二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
4.根据权利要求2所述的单级式逆变器，其特征在于，所述第一开关管(S1)的集电极、第三开关管(S3)的集电极和直流电源的正极相连接，所述第二开关管(S2)的发射极、第四开关管(S4)的发射极和直流电源的负极相连接。
5.根据权利要求1所述的单级式逆变器，其特征在于，所述高频隔离变压器包括第一原边绕组(N1)、第一副边绕组(N2)和第二副边绕组(N3)，所述第一原边绕组(N1)与第一副边绕组(N2)的匝数比和第一原边绕组(N1)与第二副边绕组(N3)的匝数比相同。
6.根据权利要求5所述的单级式逆变器，其特征在于，所述高频隔离变压器的第一原边绕组(N1)的同名端与所述第三开关管(S3)的发射极和第四开关管(S4)的集电极相连接，所述高频隔离变压器的第一原边绕组N1的异名端与所述第一开关管(S1)的发射极和第二开关管(S2)的集电极相连接。
7.根据权利要求5所述的单级式逆变器，其特征在于，所述后级吸收电路包括第五开关管(S5)、第六开关管(S6)、第一二极管(D1)、第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)和第四电容(C4)；所述第六开关管(S6)的发射极、第一电容(C1)的一端和第一副边绕组(N2)的同名端相连接，第一电容(C1)的另一端、第二电容(C2)的一端和第二副边绕组(N3)的同名端相连接，第二电容(C2)的另一端和第五开关管(S5)的集电极相连接，第五开关管(S5)的发射极、第一二极管(D1)的阳极、第三电容(C3)的一端和第二副边绕组(N3)的异名端相连接，第三电容(C3)的另一端、第四电容(C4)的一端和第一副边绕组(N2)的异名端相连接，第四电容(C4)的另一端、第一二极管(D1)的阴极和第六开关管(S6)的集电极相连接。
8.根据权利要求7所述的单级式逆变器，其特征在于，所述后级逆变电路包括第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)；所述第七开关管(S5)和第八开关管(S8)构成一个半桥；所述第九开关管(S9)和第十开关管(S10)构成一个半桥；所述第七开关管(S7)的发射极与第一副边绕组(N2)的异名端相连接，所述第七开关管(S7)的集电极与第八开关管(S8)的发射极相连接，所述第八开关管(S8)的集电极与第二副边绕组(N3)的同名端相连接，所述第九开关管(S9)的集电极与第二副边绕组(N3)的异名端相连接，所述第九开关管(S9)的发射极与第十开关管(S10)的集电极相连接，所述第十开关管(S10)的发射极与第一副边绕组(N2)的同名端相连接，其中所述第七开关管(S7)和第十开关管的驱动信号相同(S10)，所述第八开关管(S8)和第九开关管(S9)的驱动信号相同。
9.根据权利要求7或8所述的单级式逆变器，其特征在于，所述第五开关管(S5)和第六开关管(S6)由IGBT和反并联二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连；或者，所述第七开关管(S7)、第八开关管(S8)、第九开关管(S9)和第十开关管(S10)由IGBT和反并联二极管组成，其中二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的单级式逆变器，其特征在于，所述输出滤波电路包括输出滤波电感(Lf)和输出滤波电容(Cf)，所述输出滤波电感(Lf)的一端与第九开关管(S9)的发射极和第十开关管(S10)的集电极相连接，所述输出滤波电感(Lf)的另一端与输出滤波电容(Cf)的一端连接，所述输出滤波电容的另一端与第八开关管(S8)的发射极和第七开关管(S7)的集电极相连接。
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