耦合电感双降压式全桥逆变器

摘要

一种耦合电感双降压式全桥逆变器，属电力电子逆变器。该逆变器由两个降压式电路组成，一个降压式电路由第一、第二两个功率开关管(S1、S2)、第一、第二两个续流二极管(D1、D2)、第一耦合电感原边绕组(L1A)和副边绕组(L2A)、滤波电容(Cf)及负载(RL)组成；另一个降压式电路由第三、第四两个功率开关管(S3、S4)、第三、第四两个续流二极管(D3、D4)、第二耦合电感原边绕组(L1B)和副边绕组(L2B)、滤波电容(Cf)及负载(RL)组成。该逆变电路采用耦合电感有效地减小了磁件体积和损耗，提高了变换效率；解决了桥式逆变器桥臂的功率管直通问题，提高了可靠性。

说明书

技术领域

本发明的耦合电感双降压式全桥逆变器，属电力电子变换拓扑。

背景技术

随着对逆变器性能要求的不断提高，如何提高变换器的可靠性，怎样提高变换器的功率密度和效率，已经成为当前研究的关键问题。双降压式半桥逆变器，由于不存在传统桥式逆变器的桥臂功率管直通问题，提高了系统的可靠性，尤其适用于航空航天、UPS等对可靠性要求高的场合。但其存在输入直流电压利用率低的缺点，即桥臂输出最高电压只有输入直流电压的一半。对于高压输出的场合，则要求更高的输入直流电压，增加了开关管的电压应力。例如：当输出电压为220VAC时，输入直流电压要700V左右，则选取的开关管的电压定额将大于700V，因此对于开关管的选取非常困难。而对于全桥逆变器来说，其输入直流电压利用率高，当输出电压为220VAC时，输入直流电压只要350V左右，开关管容易选取。但是全桥存在桥臂开关管直通问题，降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于针对双降压式半桥逆变器和全桥逆变器的缺陷，从提高系统的可靠性和效率的角度出发，研制一种无偏置电流，输入直流母线电压利用率高，不存在传统桥式逆变器桥臂功率管的直通问题，高效率和高可靠运行的耦电感双降压式全桥逆变器(Coupled Inductor Dual-Buck Full Bridge Inverter)。一种耦合电感双降压式全桥逆变器，其特征在于，包括两个降压式电路，第一降压式电路的组成是，由电源正极连于第一功率开关管漏极，第一功率开关管源极连于第一耦合电感原边绕组同名端，第一耦合电感原边绕组异名端连于滤波电容正极，滤波电容负极连于第一耦合电感副边绕组同名端，第一耦合电感副边绕组异名端连于第二功率开关管漏极，第二功率开关管源极连于电源负极组成一路串联回路，以及第一续流二极管阴极连于第一功率开关管源极、阳极连于电源负极，第二续流二极管阴极连于电源正极，阳极连于第二功率开关管漏极；第二降压式电路的组成是，由电源正极连于第三功率开关管漏极，第三功率开关管源极连于第二耦合电感原边绕组同名端，第二耦合电感原边绕组异名端连于滤波电容负极，滤波电容正极连于第二耦合电感副边绕组同名端，第二耦合电感副边绕组异名端连于第四功率开关管漏极，第四功率开关管源极连于电源负极组成另一路串联回路以及第三续流二极管阴极连于第三功率开关管源极、阳极连于电源负极，第四续流二极管阴极连于电源正极、阳极连于第四功率开关管漏极，所述的滤波电容并联负载两端并接“地”。

与现有技术相比，本发明的主要技术特点是：没有传统逆变器桥臂的功率管直通问题，大大提高了系统的可靠性，二极管可以得到优化设计，各开关管不需要设死区时间；提高了输入直流母线电压的利用率；耦合电感的原边绕组与副边绕组顺向串联绕在一个铁心上，采用全耦合，减小了磁件的体积和损耗，提高了变换效率。

本发明的耦合电感双降压式全桥逆变器可采用SPWM正弦脉宽调制控制，滞环控制等控制策略。

附图说明

图1是耦合电感双降压式全桥逆变器的主电路原理图。

图中符号名称：V_in——电源电压，S₁～S₄——功率开关管，D₁～D₄——续流二极管，L_1A，L_2A——第一耦合电感原边和副边绕组，L_1B，L_2B——第二耦合电感原边和副边绕组，C_f——滤波电容，R_L——负载。v₀——输出电压。

图2是耦合电感双降压式全桥逆变器的主要波形示意图。

图中符号名称：S₁～S₄——功率开关管各自的驱动信号，i_L1A，i_L2A——流过第一耦合电感原边绕组L_1A和副边绕组L_2A的电流，i_L1B，i_L2B——流过第二耦合电感原边绕组L_1B和副边绕组L_2B的电流，i_L——滤波电容电流与负载电流之和，V_o——输出电压。

图3～6是各开关模态的等效电路结构示意图。

具体实施方式

根据附图叙述本发明的具体实施方式。由图1可知，本发明的耦合电感双降压式全桥逆变器由两个降压式电路组成。当滤波电容电流与负载电流之和为正时(参考方向如图1所示)，由电源V_in，功率开关管S₁和S₂，耦合电感A，滤波电容C_f和负载R_L，以及续流二极管D₁和D₂组成一个降压式电路；当滤波电容电流与负载电流之和为负时，由电源V_in，功率开关管S₃和S₄，耦合电感B，滤波电容C_f和负载R_L，以及续流二极管D₃和D₄组成另一个降压式电路。

控制方法如下：定义输出滤波电容电流与负载电流之和为i_L，电压电流参考方向如图1所示。当i_L>0时，功率开关管S₃和S₄关断，功率开关管S₁和S₂同时开关，为斩波管(对应于图3和图4)；当i_L<0，功率开关管S₁和S₂关断，功率开关管S₃和S₄同时开关，为斩波管(对应于图5和图6)。

结合图3～6叙述本发明的具体工作原理，下面对各开关模态的工作情况进行具体分析。

在分析之前，作如下假设：①所有功率开关管和二极管均为理想器件，不考虑开关时间，导通压降；②所有电感、电容均为理想元件。

1.开关模态1[对应于图3]

功率开关管S₁、S₂导通，由电源电压V_in正极通过功率开关管S₁，第一耦合电感原边绕组L_1A，负载R_L和滤波电容C_f，第一耦合电感副边绕组L_2A，功率开关管S₂回到电源电压负极，第一耦合电感电流i_L1A和i_L2A上升。

2.开关模态2[对应于图4]

功率开关管S₁、S₂关断，续流二极管D₁、D₂导通，由电源电压V_in负极通过续流二极管D₁，第一耦合电感原边绕组L_1A，负载R_L和滤波电容C_f，第一耦合电感副边绕组L_2A，续流二极管D₂回到电源电压正极，第一耦合电感电流i_L1A和i_L2A下降。

3.开关模态3  [对应于图5]

功率开关管S₃、S₄导通，由电源电压V_in正极通过功率开关管S₃，第二耦合电感原边绕组L_1B，负载R_L和滤波电容C_f，第二耦合电感副边绕组L_2B，功率开关管S₄回到电源电压负极，第二耦合电感电流i_L1B和i_L2B上升。

4.开关模态4  [对应于图6]

功率开关管S₃、S₄关断，续流二极管D₃、D₄导通，由电源电压V_in负极通过续流二极管D₃，第二耦合电感原边绕组L_1B，负载R_L和滤波电容C_f，第二耦合电感副边绕组L_2B，续流二极管D₄回到电源电压正极，第二耦合电感电流i_L1B和i_L2B下降。

由以上描述可知，本发明提出的耦合电感双降压式全桥逆变器具有如下优点：

①不存在桥式逆变器桥臂功率管的直通问题，开关管不需要设死区时间，系统可靠性高，消除了死区引起的非线性及波形畸变问题；

②输入直流母线电压利用率高；

③功率开关管和续流二极管可以分别得到最优设计，开关损耗低，可实现较高的开关频率；

④采用耦合电感，减小了磁件体积和损耗，提高了变换效率。