零电压软开关单相升压逆变器及控制方法

摘要

本发明属于逆变器技术领域，公开了一种零电压软开关单相升压逆变器及控制方法，该逆变器包括互补导通的两个辅助开关管、第一电感L1、第一桥臂、第二桥臂和由第一直流母线电容Cdc1、第二直流母线电容Cdc2与第二电感L2构成电流可双向流通的辅助支路。正半工频周期，第一桥臂工作在SPWM方式下，第二桥臂工作在PWM方式下；负半工频周期，第一桥臂和第二桥臂工作状态对调。该逆变器实现了两个桥臂下管和一个桥臂上管的零电压软开关，并有效解决了传统集成式逆变器中防反二极管反向恢复损耗严重的问题，提高了变换效率。

说明书

技术领域

本发明属于逆变器技术领域，具体涉及一种零电压软开关单相升压逆变器及控制方法。

背景技术

为了应对传统化石能源危机和环境污染问题，近年来可再生能源分布式发电系统得到了各国的大力发展。在这些电源系统中，输入侧通常为光伏电池、燃料电池或蓄电池，其输出电压较低，且波动范围较大。因此，分布式发电系统普遍采用DC/DC升压变换器(如Boost)级联电压源型逆变器的两级式结构，以满足电网或交流负载设备的电压要求。两级式升压逆变方案能较好的适应输入电压的宽变化范围，且控制较为简单，但器件数量多、成本较高，且整体效率难以进一步提升。为此，有学者提出通过复用开关管，实现了两级式升压逆变器中的Boost变换器与全桥逆变器的集成，如图1所示。与传统两级式升压逆变器相比，图1所示的传统集成式升压逆变器通过一级功率变换，同时实现了升压和逆变功能，具有较高的变换效率；而且，其减少了一个开关管及其驱动装置，降低了系统成本。但是，该集成式升压逆变器的所有功率管均处于高频硬开关状态，开关损耗严重。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种零电压软开关单相升压逆变器，该逆变器可实现两个桥臂下管和一个桥臂上管的零电压软开关，并有效解决传统集成式逆变器中防反二极管反向恢复损耗严重的问题，提高变换效率。

为了实现上述目的，本发明提出的技术方案如下：

一种零电压软开关单相升压逆变器，包括第一直流母线电容C

所述第一桥臂包括第一开关管S

所述第二桥臂包括第三开关管S

所述直流电源U

所述第一电感L

所述第一辅助开关管S

所述第二辅助开关管S

所述交流负载R的另一端与所述滤波电感L

所述直流电源U

所述第二直流母线电容C

所述第一直流母线电容C

所述第一桥臂和所述第二桥臂中的所有开关管可以为自带体二极管的金氧半场效晶体管，也可为不带体二极管的开关管与二极管反向并联而成。

进一步的，第一辅助开关管S

进一步的，所述第一电感L

上式中，当所述逆变器工作于正半工频周期时，D为第四开关管S4控制信号的占空比，当逆变器工作于负半工频周期时，D为第二开关管S2控制信号的占空比，M为调制比，U

本发明还提供了一种上述的零电压软开关单相升压逆变器的控制方法，该控制方法为：当逆变器工作于正半工频周期时，所述逆变器的第一桥臂工作在SPWM方式下，第二桥臂工作在PWM方式下；当逆变器工作于负半工频周期时，所述逆变器的第一桥臂工作在PWM方式下，第二桥臂工作在SPWM方式下。

进一步的，所述控制方法具体为：

直流调制信号u

正弦交流调制信号u

所述正弦交流调制信号u

将所述SPWM2信号取反后与SPWM1信号经过或门得到SPWM3信号；

所述正弦交流调制信号u

所述正负极性判定信号PD与所述SPWM3信号经过第一与非门NAND1得到SPWM4信号；

所述正负极性判定信号PD取反后与所述SPWM3信号经过第二与非门NAND2得到SPWM5信号；

所述SPWM4信号与所述PWM信号经过第一与非门AND1得到第三开关管S

所述SPWM5信号与所述PWM信号经过第二与非门AND2得到第一开关管S

进一步的，所述零电压软开关单相升压逆变器的电压增益

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明提出的零电压软开关单相升压逆变器用两个双向可控硅(互补导通，且每个工频周期开关一次)替换传统集成式升压逆变器中的两个防反二极管，并采用第一直流母线电容C

附图说明

图1为传统集成式升压逆变器的电路结构示意图；

图2为本申请实施例的零电压软开关单相升压逆变器的电路结构示意图；

图3为图2所示的零电压软开关单相升压逆变器在所述调制策略下开关管驱动信号产生原理图；

图4(a)到(h)为图2所示的零电压软开关单相升压逆变器在一个开关周期内的8种工作模态等效图；

图5为图2所示的零电压软开关单相升压逆变器在一个开关周期内的主要工作波形图；

图6(a)、(b)为图2所示的零电压软开关单相升压逆变器的仿真波形图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图2示出本申请实施例零电压软开关单相升压逆变器的电路结构示意图。作为示例性而非限定性实施例，该零电压软开关单相升压逆变器包括第一桥臂、第二桥臂、直流电源U

在此实施例中，第一桥臂和第二桥臂中的所有开关管可以为自带体二极管的金氧半场效晶体管，也可为不带体二极管的开关管与二极管反向并联而成。

在此实施例中，第一辅助开关管S

具体的，在此实施例中，第一电感L

上式中，ΔI

下面按照图3所示的调制策略对本申请的零电压软开关单相升压逆变器(如图2所示)的控制方法进行说明。

图3给出了该调制策略下开关管驱动信号产生原理原理图。图3中，直流调制信号u

上述调制策略下，有：

式中，U

式中，U

因此，该软开关升压逆变器的电压增益为：

其中，

M＜D (4)

下面按照图2的电路连接方式以及图3的调制策略对本申请的零电压软开关单相升压逆变器工作过程进行说明。

一个开关周期内，本发明的逆变器的工作过程可分为8种模态，图2中规定了第一电感的电流i

当零电压软开关单相升压逆变器处于工频正半周期工作状态时，第一桥臂为逆变桥臂，第二桥臂为升压桥臂，各模态的等效电路分别如图4(a)～图4(h)所示；一个开关周期内的主要波形示意图，如图5所示。

分述如下：

t

模态1：[t

t

模态2：[t

t

模态3：[t

t

模态4：[t

t

模态5：[t

t

模态6：[t

t

模态7：[t

t

模态8：[t

t

t

当零电压软开关单相升压逆变器处于工频负半周期工作状态时，第一桥臂为升压桥臂，第二桥臂为逆变桥臂，逆变器各模态过程与工频正半周期工作状态下类似，两个桥臂下管和升压桥臂上管亦能实现零电压软开关。

基于以上对本发明的逆变器的工作原理的分析，下面对其软开关条件进行分析。

由模态分析可知，为了实现第三开关管S

式中，I

设第一电感L

式中I

将式(10)、(11)代入式(9)，可得软开关条件：

下面对本发明的逆变器进行参数设计。

根据以下系统参数对变换器电感电容进行参数设计，输入电压U

若电感L

若滤波电感L

将式(13)和式(14)代入式(12)可得：

即要求：

由于单级式升压逆变器的瞬时输入、输出功率不平衡，导致直流母线电压呈二倍频脉动。直流母线电压二倍频纹波率为：

式中，直流母线电压U

要求直流母线低频纹波脉动的峰峰值Δu

基于以上对本发明的逆变器进行了模态分析、软开关条件分析以及参数设计，下面对其进行仿真验证：

为了验证理论分析的正确性，根据上述参数设计，使用Saber仿真软件对所提软开关升压逆变器进行仿真验证。主电路参数设置如下：第一电感L

仿真实验波形图如图6所示。图6(a)给出了升压逆变器输入电压、直流母线电压、输出电压电流，第一辅助开关管S

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想，而非对其限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明的保护范围内。