單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的制造方法
【專利摘要】一種單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器屬電力電子變換技術(shù)，其電路結(jié)構(gòu)由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流降壓直流交換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，它能夠?qū)⒅绷麟娮儞Q成所需要的正弦交流電，具有電路拓?fù)浜?jiǎn)潔、交流負(fù)載與直流電源高頻電氣隔離、雙向功率流、單級(jí)功率變換、體積小、重量輕、變換率高、輸出電壓紋波小、音頻噪音低、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)，為新型逆變電流與靜止變流器奠定了關(guān)鍵技術(shù)。
【專利說明】單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所涉及的單級(jí)雙向降壓(Buck)直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，屬電力電子變換技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]逆變器是應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，將直流電變換成交流電的一種靜止變流裝置，供交流負(fù)載使用。輸出交流負(fù)載與輸入直流電源間有高頻電氣隔離的逆變器，稱為高頻環(huán)節(jié)逆變器。高頻環(huán)節(jié)逆變器，由于用來實(shí)現(xiàn)輸出與輸入電氣隔離和電壓匹配功能的變壓器的工作頻率在20kHz以上，其體積、重量和音頻噪音大大降低了，克服了低頻環(huán)節(jié)逆變器的缺點(diǎn)，在以直流發(fā)電機(jī)、蓄電池、太陽(yáng)能電池和燃料電池為主直流電源的逆變場(chǎng)合，具有廣泛的應(yīng)用前景，特別是在對(duì)體積與重量有高要求的逆變場(chǎng)合有更重要的應(yīng)用價(jià)值。
[0003]人們對(duì)高頻環(huán)節(jié)逆變器的研究，僅僅局限于單向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器、單向Buck型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器、雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器、雙向Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)逆變器、兩級(jí)Buck或Buck-Boost直流交換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器等電路結(jié)構(gòu)。
[0004]S.R.Narayana Prakash等人提出的“單向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”(IEEE PESC,1990，pp.723-728)，由高頻電氣隔離DC-DC變換器和Buck型逆變橋級(jí)聯(lián)而成，具有單向功率流、兩級(jí)功率交換(直流-直流-低頻交流)、變換效率較高、采用傳統(tǒng)PWM技術(shù)時(shí)功率器件的高頻開關(guān)損耗大、成本高等特點(diǎn)。陳道煉博士等提出的“單向Buck型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)逆變器”(IEEE Trans, on Power Electronics, 2004,pp.971-978),由高頻電氣隔離脈沖直流環(huán)節(jié)電路與Buck型逆變橋級(jí)聯(lián)而成，前級(jí)輸出的高頻脈沖直流電壓波為后級(jí)逆變橋?qū)崿F(xiàn)ZVS創(chuàng)造了條件，具有單向功率流、兩級(jí)功率變換(直流-高頻脈沖直流-低頻交流)、功率開關(guān)實(shí)現(xiàn)了 ZVS、變換效率較高、逆變橋采用三態(tài)DPM電流滯環(huán)控制、輸出濾波器音頻噪音偏高、成本高等特點(diǎn)。1.Yamato等人提出的“雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”(IEEE PESC,1998，pp.658-663)，由高頻電氣隔離逆變器與Buck型周波變換器級(jí)聯(lián)而成，由四象限功率開關(guān)構(gòu)成的周波變換器在任何導(dǎo)通期間均有兩個(gè)或四個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通、總的導(dǎo)通損耗較大，具有雙向功率流、準(zhǔn)兩級(jí)功率變換(直流-高頻脈沖交流-低頻交流)、變換效率較高、周波變換器換流時(shí)存在固有的電壓過沖、工程實(shí)現(xiàn)難度大、成本高等特點(diǎn)。浙江大學(xué)黃敏超博士等提出的“雙向Buck-Boost型高頻環(huán)節(jié)逆變器” (IEEE PESC, 1998, pp.1867-1871)，由高頻電氣隔離逆變器與Buck-Boost型周波變換器級(jí)聯(lián)而成，由四象限功率開關(guān)構(gòu)成的周波變換器在任何導(dǎo)通期間均有兩個(gè)功率器件同時(shí)導(dǎo)通、電流應(yīng)力大、總的導(dǎo)通損耗大，具有雙向功率流、準(zhǔn)兩級(jí)功率變換(直流-高頻脈沖交流-低頻交流)、變換效率較高、功率開關(guān)電流應(yīng)力大、容量小、成本較高等特點(diǎn)。J.Jalade等人提出的“兩級(jí)Buck或Buck-Boost直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器”(IEEE PESC, 1980, pp.326-331)由高頻電氣隔Buck或Buck-Boost型DC-DC變換器和工頻逆變橋級(jí)聯(lián)而成，具有單向功率流、兩級(jí)功率變換(直流-低頻正弦半波直流-低頻交流)、變換功率較高、逆變橋功率器件開關(guān)頻率和電壓應(yīng)力低、負(fù)載適應(yīng)能力弱、成本較高等特點(diǎn)。[0005]上述單向Buck型、單向Buck型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)、雙向Buck型、雙向Buck-Boost型、兩級(jí)Buck或Buck-Boost直流交換器型等高頻環(huán)節(jié)逆變器雖然具有較多優(yōu)點(diǎn),但它們均為兩級(jí)或準(zhǔn)兩級(jí)交換器級(jí)聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，仍存在變換功率、功率密度和可靠性偏低、成本偏高等缺陷。因此，尋求一類能夠進(jìn)一步減少功率變換級(jí)數(shù)、提高變換效率、功率密度、可靠性和降低成本的單級(jí)電路結(jié)構(gòu)的高頻環(huán)節(jié)逆變器已迫在眉睫。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的是為實(shí)現(xiàn)具有交流負(fù)載與直流電源高頻電氣隔離、雙向功率流、單級(jí)功率交換、體積小、重量輕、變換效率高、輸出電壓紋波小、音頻噪音低、成本低的新型逆變電源和靜止變流器提供關(guān)鍵技術(shù)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:本發(fā)明的逆變器是由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流降壓直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，所述的每個(gè)高頻電氣隔離雙向功率流降壓直流變換器均由輸入濾波電路、逆變器、高頻變壓器、整流器以及輸出濾波電路依序級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其逆變器和整流器均由兩象限高頻功率開關(guān)構(gòu)成，其輸出濾波電路由交流濾波電感和直流濾波電容構(gòu)成。
[0008]本發(fā)明將傳統(tǒng)的高頻環(huán)節(jié)逆變器中兩級(jí)或準(zhǔn)兩級(jí)變換器的級(jí)聯(lián)電路結(jié)構(gòu)，變?yōu)閮蓚€(gè)單級(jí)高頻電氣隔離雙向直流變換器的差動(dòng)電路結(jié)構(gòu)，首次提出了單級(jí)雙向Buck直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器新概念和電路結(jié)構(gòu)。該逆變器電路結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流Buck直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成。
[0009]本發(fā)明具有交流負(fù)載與直流電源高頻電氣隔離、雙向功率流、單級(jí)功率變換(直流-低頻正弦脈動(dòng)直流)、體積小、重量輕、變換效率高、輸出電壓紋波小、音頻噪音低、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)。單級(jí)雙向Buck直流交換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，能夠?qū)⒅绷麟娔茏儞Q成所需要的正弦交流電能，其綜合性能比傳統(tǒng)的單向Buck型、單向Buxk型高頻脈沖直流環(huán)節(jié)、雙向Buck-Boost型、兩級(jí)Buck或Buck-Boost直流交換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器優(yōu)越。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1，單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路原理方框圖。
[0011]圖2，單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)與原理波形圖，Ca)電路結(jié)構(gòu)、(b)原理波形。
[0012]圖3，單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)渥鍖?shí)例圖(一)，Ca)單管正激式電路、(b)推挽式電路、(c)推挽正激式電路。
[0013]圖4，單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)渥鍖?shí)例圖(二)，Cd)雙管正激式電路、Ce)半橋式電路、Cf)全橋式電路。
【具體實(shí)施方式】
[0014]單級(jí)雙向Buck直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流Buck直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，如圖1、2所不。其中，圖2 (a)為電路結(jié)構(gòu)，圖2 (b)為電路原理波形。由于每個(gè)聞?lì)l電氣隔離雙向功率流Buck直流變換器輸出的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的瞬時(shí)值Utjl和Utj2均低于輸入直流電壓U1與高頻變壓器匝比N2ZiN1的乘積(Ui ^/N1),故稱為單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器。每個(gè)高頻電氣隔離雙向功率流Buck直流變換器均由輸入濾波電路、逆變器、高頻變壓器、整流器以及輸出濾波電路依序級(jí)聯(lián)構(gòu)成；其中逆變器和整流器均由一個(gè)或多個(gè)兩象限高頻功率開關(guān)構(gòu)成，能夠承受單向電壓應(yīng)力和雙向電流應(yīng)力，輸出濾波電路由交流濾波電感和直流濾波電容組成。兩個(gè)雙向Buck直流變換器能夠輸出相位相差180°且疊加有相同直流分量的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓Utjl和U()2，Zl為輸出交流負(fù)載。負(fù)載\上可以獲得高質(zhì)量的低頻正弦交流電壓u。，每個(gè)雙向Buck直流變換器提供的正向能量必大于反向能量。
[0015]當(dāng)電源向負(fù)載傳遞功率時(shí)，逆變器將輸入直流電壓U1逆變成雙極性兩態(tài)或三態(tài)的高頻交流脈沖電壓，經(jīng)高頻變壓器T1、T2電氣隔離、傳輸和電壓匹配后，整流器將高頻交流脈沖電壓U12、u22整流成正弦脈動(dòng)的直流脈沖電壓，經(jīng)輸出濾波電路后得到優(yōu)質(zhì)的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓Utjl和1!。2，輸入高頻脈沖電流in、I21在部分期間方向的相反性以及經(jīng)輸入濾波電路后可獲得平滑的輸入直流電流ii;當(dāng)負(fù)載向電源回饋能量時(shí)，整流器工作在逆變狀態(tài)，而逆變器工作在整流狀態(tài)。
[0016]單級(jí)雙向Buck直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)渥鍖?shí)施例,如圖3、4所示。該電路拓?fù)渥逯?，圖3(a)為單管正激式電路，圖3(a)中的Ra、Ca、Da和Re2、Ce2、De2分別構(gòu)成變換器1、2的箝位電路，用于實(shí)現(xiàn)高頻變壓器的磁復(fù)位和抑制高頻功率開關(guān)的關(guān)斷電壓尖峰；圖3(b)為推挽式電路，圖3 (c)為推挽正激式電路，圖4(d)為雙管正激式電路，圖4(e)為半橋式電路，圖4(f)為全橋式電路。該電路拓?fù)渥暹m用于將直流電變換成所需要的正弦交流電，可用來實(shí)現(xiàn)具有優(yōu)良性能和廣泛應(yīng)用前景的新型逆變電源(如24VDC/220V50HzAC、48VDC/220V50HzAC)和靜止變流器(如 27VDC/115V400HzAC、270VDC/115V400HzAC)。單管正激式、推挽式、推挽正激式電路輸入逆變側(cè)高頻功率開關(guān)承受的電壓應(yīng)力為兩倍輸入直流電壓，適用于低壓輸入逆變場(chǎng)合；雙管正激式、半橋式、全橋式電路輸入逆變側(cè)高頻功率開關(guān)承受的電壓應(yīng)力為單倍輸入直流電壓，適用于高壓輸入逆變場(chǎng)合。單管正激式、雙管正激式電路適用于小功率逆變場(chǎng)合，半橋式電路適用于中功率逆變場(chǎng)合，推挽式、推挽正激式、全橋式電路適用于大功率逆變場(chǎng)合。
[0017]單級(jí)雙向Buck直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，采用電壓瞬時(shí)值反饋控制原理。將逆變器輸出的正弦交流電壓U。與基準(zhǔn)正弦電壓進(jìn)行比較，其誤差電壓經(jīng)比例積分調(diào)節(jié)器后得到了誤差電壓放大信號(hào)，該誤差電壓放大信號(hào)與三角形載波進(jìn)行交截，就可得到SPWM信號(hào)，將該SPWM信號(hào)及其反向信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后用來分別驅(qū)動(dòng)高頻電氣隔離雙向Buck直流變換器I (2)的正向、反向(反向、正向)功率流開關(guān)器件，則這兩個(gè)變換器就能夠輸出相位相差180°、疊加有相同直流分量的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓Utjl和11。2，負(fù)載&上可以獲得高質(zhì)量的低頻正弦交流電壓U。。因此，當(dāng)輸入電壓或負(fù)載變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)SPWM信號(hào)的占空t匕，便可實(shí)現(xiàn)單級(jí)雙向Buck直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器輸出電壓的穩(wěn)定與調(diào)節(jié)。
【權(quán)利要求】
1.一種單級(jí)雙向降壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，其特征在于:這類逆變器由兩個(gè)相同的、輸出反相低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的高頻電氣隔離雙向功率流降壓直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，所述的每個(gè)高頻電氣隔離雙向功率流降壓直流交換器均由輸入濾波電路、逆變器、高頻變壓器、整流器以及輸出濾波電路依序級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其逆變器和整流器均由兩象限高頻功率開關(guān)構(gòu)成，其輸出濾波電路由交流濾波電感和直流濾波電容組成。
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103840691SQ201210469970
【公開日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2012年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月20日
【發(fā)明者】延匯文, 林華勇, 陳佳 申請(qǐng)人:深圳科士達(dá)科技股份有限公司