一種倍流式差分輸出的逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種倍流式差分輸出的逆變器，包括兩個隔離型DC-DC變換電路；DC-DC變換電路的原邊為全橋電路結構，副邊為倍流整流電路結構；兩個DC-DC變換電路副邊的輸出端分別接于負載兩端以構成差分結構。本發(fā)明逆變器工作時沒有占空比丟失現象，從而在根本上消除了死區(qū)帶來的電壓波形畸變；逆變器采用差分輸出的結構，進一步消除由于實際電路的非理想特性帶來的波形畸變，同時還具有很高的共模干擾抑制能力，從而得到波形畸變率極低的輸出電壓。此外，本發(fā)明逆變器輸出與輸入之間用高頻變壓器相互隔離，降低了輸入端對負載的電磁干擾。
【專利說明】一種倍流式差分輸出的逆變器
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子【技術領域】，具體涉及一種倍流式差分輸出的逆變器。
【背景技術】
[0002]隨著現代科技的進步，各行各業(yè)出現了越來越多的精密儀器與設備，如臨床醫(yī)學上所用的床旁機械臂系統(俗稱達芬奇手術機器人)，晶圓半導體芯片生產線設備，以及各種精密加工機械。精密儀器設備對電源提出了很高的要求，不僅要求供電電壓穩(wěn)定、頻率偏差小、波形畸變率低，同時還要求供電設備對儀器的電磁干擾小。因此，精密儀器設備的供電不能直接采用市電，而需要專門設計的可靠穩(wěn)定的并且波形畸變率達到要求的逆變電源。
[0003]另一方面，隨著生活水平的提高，高品質音響設備在人們的生活中越來越常見。在音響設備中，音頻功率放大電路是關鍵的組成部分。高品質音頻功放不僅要失真度小，音頻噪聲低，而且要求頻率響應帶寬范圍大，對頻帶寬、輸出波形畸變率低的電路提出了需求。與之類似的是在水下探測以及軍事領域里被廣泛應用的聲吶設備。主動型聲吶通過水聲換能器發(fā)出一定頻率的水聲信號并檢測回聲來探測水下目標，水聲換能器要求供電電源的波形畸變率極低，對傳統的變頻電源提出了嚴峻挑戰(zhàn)。
[0004]傳統的橋式逆變器結構簡單、技術成熟，廣泛應用于常規(guī)的交流電源裝置。但是在上述需要高精度逆變電源的應用場合，橋式逆變器遇到了難以克服的困難。橋式逆變電路在工作時為了避免橋臂的直通，必須在上下開關管的開關信號之間加入死區(qū)時間。死區(qū)時間的引入會導致輸出基波電壓減小，低次諧波電壓增加，波形畸變嚴重。為了解決死區(qū)帶來的波形畸變問題，Seon-Hwan.H and K.Jang-Mok 在標題為 Dead Time CompensationMethod for Voltage-Fed PffM Inverter.Energy Conversion (IEEE Transactionson, 2010.25(1):p.1-10.)的文獻中提出了在控制中加入死區(qū)補償機制，但是該做法需要對輸出電流進行檢測，通過判斷電流的極性來決定占空比的增減。而實際中在電流過零點附近對電流極性的檢測是很難做到精準的。
[0005]Lihua.C and Ζ.P.Fang 在標題為 Dead-Time Elimination for Voltage SourceInverters.Power Electronics (IEEE Transactions on, 2008.23 (2):p.574-580)的文獻中提出了采用無死區(qū)時間的控制策略，該控制策略中為了避免橋臂的直通，需要準確的判斷開關管的開關狀態(tài)，實際應用中一般通過檢測濾波電感電流或開關管反并二極管的導通狀態(tài)來判斷開關管的開關狀態(tài)；但由于電感電流存在紋波，再加上各種干擾因素的影響，使得方法的有效性大打折扣，裝置的可靠性也大大降低?？傊?，現有各種方案由于需要對電路中的某些變量進行精確的檢測，因而很難在實際裝置中應用。
[0006]此外，傳統的橋式逆變器是一種非隔離型的結構，工作時輸出端很容易受到來自輸入端的電磁干擾的影響；且開關管難以實現軟開關，這限制了電路實現高頻化。

【發(fā)明內容】
[0007]針對現有技術所存在的上述技術問題，本發(fā)明提出了一種倍流式差分輸出的逆變器，該逆變器在工作中死區(qū)時間不會造成占空比丟失，因而從根本上解決了傳統逆變器所遇到的困難；同時由于其采用差分輸出的結構，因此能夠進一步消除由于實際電路的非理想特性帶來的波形畸變，同時還具有很高的共模干擾抑制能力，從而得到波形畸變率極低的輸出電壓。
[0008]一種倍流式差分輸出的逆變器，由兩個子電路組成，所述的子電路為隔離型DC-DC變換電路；所述的DC-DC變換電路的原邊為全橋電路結構，副邊為倍流整流電路結構；
[0009]兩個子電路副邊的輸出端分別接于逆變器負載兩端以構成差分輸出結構；
[0010]所述的子電路用于將直流輸入電壓變換為帶有交流分量的直流輸出電壓，兩個子電路對應的兩組直流輸出電壓在逆變器負載兩端作差得到交流輸出電壓。兩組直流輸出電壓中的交流分量的初始相位分別進行獨立的控制。
[0011]優(yōu)選地，兩個子電路的原邊共用一個橋臂；這樣不僅減少了兩個功率開關管，使原邊電路得到簡化，并且有利于逆變器實現原邊電路所有開關管的軟開關。
[0012]所述的子電路原邊包括一原邊繞組和兩個并聯的橋臂，每個橋臂由兩個帶反并二極管的開關管S1~S2串聯組成；原邊繞組的同名端與其中一橋臂的中間節(jié)點相連，異名端與另一橋臂的中間節(jié)點相連。
[0013]優(yōu)選地，所述的原邊繞組的任一端通過隔直電容與對應橋臂的中間節(jié)點相連；可以改善高頻變壓器的磁偏問題，可以在不改變電路工作模式的前提下大大加快隔離變壓器漏感電流在電路換流過程中的下降速度，降低對隔離變壓器漏感的要求，從而降低了隔離變壓器的工藝要求。
[0014]省去所述的子電路原邊的隔直電容，可使逆變器適用于變壓器制作工藝很高且變壓器磁偏問題已得到很好解決的場合；省去隔直電容，能夠得到更好的輸出波形。
[0015]優(yōu)選地，兩個開關管S1~S2的源極與漏極兩端均并聯有緩沖電容，所述的緩沖電容為開關管內部的寄生電容或為在寄生電容的基礎上外加的一個外置電容；此緩沖電容有利于開關管實現軟開關，避免了因開關管硬開關帶來的各種電磁干擾問題。
[0016]所述的子電路副邊包括兩個帶反并二極管的開關管S3~S4、兩個濾波電感L1~L2、一副邊繞組和一濾波電容Ctjl ;其中:濾波電感1^的一端與濾波電感L2的一端和濾波電容C01的一端相連于所述的輸出端，濾波電感L1的另一端與副邊繞組的異名端和開關管S3的漏極相連，濾波電感L2的另一端與副邊繞組的同名端和開關管S4的漏極相連，濾波電容C01的另一端與開關管S3的源極和開關管S4的源極相連并接地，兩個開關管S3~S4的柵極均接收外部控制電路提供的控制信號。
[0017]根據實際情況，所述的逆變器負載兩端并聯有濾波電容Ct53 ;濾波電容(；3工作在交流狀態(tài)下，配合兩個DC-DC變換電路副邊的濾波電容Ctjl工作可以得到更好的輸出波形。
[0018]作為另一種實施方案:所述的子電路副邊包括兩個帶反并二極管的開關管S3~S4、兩個濾波電感L1~L2和一副邊繞組；其中:濾波電感L1的一端與濾波電感L2的一端相連于所述的輸出端，濾波電感L1的另一端與副邊繞組的異名端和開關管S3的漏極相連，濾波電感L2的另一端與副邊繞組的同名端和開關管S4的漏極相連，開關管S3的源極與開關管S4的源極相連并接地，兩個開關管S3~S4的柵極均接收外部控制電路提供的控制信號，所述的逆變器負載兩端并聯有濾波電容(；3。此副邊電路拓撲得到簡化，減少了濾波電容使用量，可以提高裝置的可靠性。
[0019]本發(fā)明逆變器相對現有技術具有以下優(yōu)點:
[0020](I)本發(fā)明逆變器在工作過程中不存在占空比丟失，不需要采取任何的死區(qū)補償策略就可以得到一個畸變率超低的交流輸出波形。
[0021](2)本發(fā)明逆變器中的功率開關管易于實現軟開關，避免了由于開關管硬開關帶來的各種電磁干擾問題，易于實現電路的聞頻化，同時有利于電路效率的提聞。
[0022](3)本發(fā)明逆變器原副邊電路由高頻變壓器相互隔離，抑制了輸入端對輸出端的電磁干擾。
[0023](4)本發(fā)明逆變器建立在成熟的技術基礎之上，子電路是傳統的DC-DC電路，原邊為全橋結構，副邊為倍流整流結構；電路采用傳統的移相全橋PWM調制方法，該方法原理簡單、技術成熟。
[0024]本發(fā)明逆變器可以用來給精密儀器供電，或者用作高品質音響的功率放大器，還可以用來給主動型聲吶的水聲換能器供電。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明逆變器第一種實施方式的結構示意圖。
[0026]圖2為本發(fā)明逆變器第二種實施方式的結構示意圖。
[0027]圖3為本發(fā)明逆變器第三種實施方式的結構示意圖。
[0028]圖4為本發(fā)明逆變器第四種實施方式的結構示意圖。
[0029]圖5為本發(fā)明逆變器第五種實施方式的結構示意圖。
[0030]圖6為本發(fā)明逆變器第六種實施方式的結構示意圖。
[0031]圖7為本發(fā)明逆變器輸出電壓的波形示意圖。
[0032]圖8為本發(fā)明逆變器輸出電壓波形的THD分析示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明的技術方案及其相關原理進行詳細說明。
[0034]一種倍流式差分輸出的逆變器，包括兩個隔離型DC-DC變換電路；DC_DC變換電路的原邊為全橋電路結構，副邊為倍流整流電路結構；兩個DC-DC變換電路的原邊共用一個橋臂，兩個DC-DC變換電路副邊的輸出端分別接于負載兩端以構成差分結構。
[0035]如圖1所示，原邊電路包括:
[0036]I)與輸入電源并聯的第一原邊支路，由帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1,帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2，第一緩沖電容Csi，第二緩沖電容Cs2組成；其中帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1的漏極與電源的正極相連，帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1的源極和帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2的漏極相連于A點，帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2的源極與電源的負極相連，第一緩沖電容Csi的兩端分別與帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1的漏極和源極相連，第二緩沖電容Cs2的兩端分別與帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2的漏極和源極相連；
[0037]2)與輸入電源并聯的第二原邊支路，由帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3,帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4,第三緩沖電容CS3，第四緩沖電容Cs4組成；其中帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4的漏極與電源的正極相連，帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4的源極和帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3的漏極相連于B點，帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3的源極與電源的負極相連，第四緩沖電容Cs4的兩端分別與帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4的漏極和源極相連，第三緩沖電容Cs3的兩端分別與帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3的漏極和源極相連；
[0038]3)與輸入電源并聯的第三原邊支路，由帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5,帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6,第五緩沖電容CS5，第六緩沖電容Cs6組成；其中帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5的漏極與電源的正極相連，帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5的源極和帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6的漏極相連于C點，帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6的源極與電源的負極相連，第五緩沖電容Cs5的兩端分別與帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5的漏極和源極相連，第六緩沖電容Cs6的兩端分別與帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6的漏極和源極相連；
[0039]4)第一隔離變壓器T1的原邊繞組N11,第一隔直電容Cpl ;其中第一隔離變壓器T1的原邊繞組N11的同名端和帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1的源極以及帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2的漏極共接于A點，第一隔離變壓器T1的原邊繞組N11的另一端與第一隔直電容Cpl的一端相連,第一隔直電容Cpl的另一端和帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4的源極以及帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3的漏極共接于B點；
[0040]5)第二隔離變壓器T2的原邊繞組N21，第二隔直電容Cp2 ;其中第二隔離變壓器T2的原邊繞組N21的同名端和帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4的源極以及帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3的漏極共接于B點，第二隔離變壓器T2的原邊繞組N21的另一端與第二隔直電容Cp2的一端相連,第二隔直電容Cp2的另一端和帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5的源極以及帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6的漏極共接于“C”
占.[0041]副邊電路包括:
[0042]I)跨接在輸出端口正端D與地之間的第一副邊支路，由帶反并聯二極管Ds7的第七功率開關管S7，第二濾波電感L2組成；其中第二濾波電感L2的一端與輸出端口正端D相連，第二濾波電感L2的另一端與帶反并聯二極管Ds7的第七功率開關管S7的漏極相連，帶反并聯二極管Ds7的第七功率開關管S7的源極與地相接；
[0043]2)跨接在輸出端口正端“D”與地之間的第二副邊支路，由帶反并聯二極管Ds8的第八功率開關管S8,第一濾波電感L1組成；其中第一濾波電感L1的一端與輸出端口正端D相連，第一濾波電感L1的另一端與帶反并聯二極管Ds8的第八功率開關管S8的漏極相連，帶反并聯二極管Ds8的第八功率開關管S8的源極與地相接；
[0044]3)跨接在輸出端口負端E與地之間的第三副邊支路，由帶反并聯二極管Ds9的第九功率開關管S9，第四濾波電感L4組成；其中第四濾波電感L4的一端與輸出端口負端E相連，第四濾波電感L4的另一端與帶反并聯二極管Ds9的第九功率開關管S9的漏極相連，帶反并聯二極管Ds9的第九功率開關管S9的源極與地相接；
[0045]4)跨接在輸出端口負端E與地之間的第四副邊支路，由帶反并聯二極管Dsitl的第十功率開關管S10,第三濾波電感L3組成；其中第三濾波電感L3的一端與輸出端口負端E相連，第三濾波電感L3的另一端與帶反并聯二極管Dsitl的第十功率開關管Sltl的漏極相連，帶反并聯二極管Dsitl的第十功率開關管Sltl的源極與地相接；
[0046]5)第一隔離變壓器T1的副邊繞組N12,第二隔離變壓器T2的副邊繞組N22 ;其中第一隔離變壓器T1的副邊繞組N12的異名端與帶反并聯二極管Ds7的第七功率開關管S7的漏極相連，第一隔離變壓器T1的副邊繞組N12的同名端與帶反并聯二極管Ds8的第八功率開關管S8的漏極相連；第二隔離變壓器T2的副邊繞組N22的同名端與帶反并聯二極管Ds9的第九功率開關管S9的漏極相連，第二隔離變壓器T2的副邊繞組N22的異名端與帶反并聯二極管Dsitl的第十功率開關管Sltl的漏極相連；
[0047]6)第一濾波電容Ctjl，第二濾波電容Ctj2 ;其中第一濾波電容Ctjl跨接在輸出端口正端“D ”與地之間，第二濾波電容Ctj2跨接在輸出端口的負端“E ”與地之間。
[0048]圖1中第一緩沖電容Cs1、第二緩沖電容Cs2、第三緩沖電容Cs3、第四緩沖電容CS4、第五緩沖電容Cs5、第六緩沖電容Cs6由單獨的電容構成，或者由帶反并二極管Dsi的第一功率開關管S1漏極與源極間的寄生電容、帶反并二極管Ds2的第二功率開關管S2漏極與源極間的寄生電容、帶反并二極管Ds3的第三功率開關管S3漏極與源極間的寄生電容、帶反并二極管Ds4的第四功率開關管S4漏極與源極間的寄生電容、帶反并二極管Ds5的第五功率開關管S5漏極與源極間的寄生電容、帶反并二極管Ds6的第六功率開關管S6漏極與源極間的寄生電容構成。
[0049]作為另一種實施方式，如圖2所示，逆變器的原邊電路可以簡化。圖1中的第一隔直電容Cp1與第二隔直電容Cp2可以被省去。同時逆變器的副邊電路保持不變。
[0050]作為另一種實施方式，如圖3所示，逆變器的副邊電路和圖1所示的第一種實施方式相比,在輸出端口的D、E兩端并接了第三濾波電容Ctj3，原邊電路和圖1所示的原邊電路相同。
[0051]作為另一種實施方式，如圖4所示，逆變器的副邊電路和圖2所示的第二種實施方式相比,在輸出端口的D、E兩端并接了第三濾波電容(:。3，原邊電路和圖2所示的原邊電路相同。
[0052]作為另一種實施方式，如圖5所示，逆變器的副邊電路和圖1所示的第一種實施方式相比，省去了第一濾波電容Ctjl、第二濾波電容Ctj2，與此同時在輸出端口的D、E兩端并接了第三濾波電容Ctj3，原邊電路和圖1所示的原邊電路相同。
[0053]作為另一種實施方式，如圖6所示，逆變器的副邊電路和圖2所示的第二種實施方式相比，省去了第一濾波電容Ctjl、第二濾波電容Ctj2，與此同時在輸出端口的D、E兩端并接了第三濾波電容Ctj3，原邊電路和圖2所示的原邊電路相同。
[0054]圖中，帶反并聯二極管Dsi的第一功率開關管S1、帶反并聯二極管Ds2的第二功率開關管S2、帶反并聯二極管Ds3的第三功率開關管S3、帶反并聯二極管Ds4的第四功率開關管S4、帶反并聯二極管Ds5的第五功率開關管S5、帶反并聯二極管Ds6的第六功率開關管S6、帶反并聯二極管Ds7的第七功率開關管S7、帶反并聯二極管Ds8的第八功率開關管S8、帶反并聯二極管Ds9的第九功率開關管S9、帶反并聯二極管Dsitl的第十功率開關管Sltl均可以采用普通的MOSFET實現。
[0055]本發(fā)明逆變器采用傳統的移相全橋PWM調制方法，副邊電路采用差分輸出的結構，原副邊電路由高頻隔離變壓器相互隔離。以圖1所示的第一種實施方案為例，令輸出電壓為Vin，兩個移相全橋DC-DC電路的占空比分別為屯、d2，變壓器匝比為N。則根據倍流式DC-DC電路的特點，可以推出D、E兩點的電壓表達式分
別為
【權利要求】
1.一種倍流式差分輸出的逆變器，其特征在于:由兩個子電路組成，所述的子電路為隔離型DC-DC變換電路；所述的DC-DC變換電路的原邊為全橋電路結構，副邊為倍流整流電路結構； 兩個子電路副邊的輸出端分別接于逆變器負載兩端以構成差分輸出結構； 所述的子電路用于將直流輸入電壓變換為帶有交流分量的直流輸出電壓，兩個子電路對應的兩組直流輸出電壓在逆變器負載兩端作差得到交流輸出電壓。
2.根據權利要求1所述的逆變器，其特征在于:兩個子電路的原邊共用一個橋臂。
3.根據權利要求1所述的逆變器，其特征在于:所述的子電路原邊包括一原邊繞組和兩個并聯的橋臂，每個橋臂由兩個帶反并二極管的開關管S1~S2串聯組成；原邊繞組的同名端與其中一橋臂的中間節(jié)點相連，異名端與另一橋臂的中間節(jié)點相連。
4.根據權利要求3所述的逆變器，其特征在于:所述的原邊繞組的任一端通過隔直電容與對應橋臂的中間節(jié)點相連。
5.根據權利要求3或4所述的逆變器，其特征在于:兩個開關管S1~S2的源極與漏極兩端均并聯有緩沖電容，所述的緩沖電容為開關管內部的寄生電容或為在寄生電容的基礎上外加的一個外置電容。
6.根據權利要求1~4任一權利要求所述的逆變器，其特征在于:所述的子電路副邊包括兩個帶反并二極管的開關管S3~S4、兩個濾波電感L1~L2、一副邊繞組和一濾波電容C01 ;其中:濾波電感!^的一端與濾波電感L2的一端和濾波電容Ctjl的一端相連于所述的輸出端，濾波電感L1的另一端 與副邊繞組的異名端和開關管S3的漏極相連，濾波電感L2的另一端與副邊繞組的同名端和開關管S4的漏極相連，濾波電容Ctjl的另一端與開關管S3的源極和開關管S4的源極相連并接地，兩個開關管S3~S4的柵極均接收外部控制電路提供的控制信號。
7.根據權利要求6所述的逆變器，其特征在于:所述的逆變器負載兩端并聯有濾波電各 C03°
8.根據權利要求1~4任一權利要求所述的逆變器，其特征在于:所述的子電路副邊包括兩個帶反并二極管的開關管S3~S4、兩個濾波電感L1~L2和一副邊繞組；其中:濾波電感L1的一端與濾波電感L2的一端相連于所述的輸出端，濾波電感L1的另一端與副邊繞組的異名端和開關管S3的漏極相連，濾波電感L2的另一端與副邊繞組的同名端和開關管S4的漏極相連，開關管S3的源極與開關管S4的源極相連并接地，兩個開關管S3~S4的柵極均接收外部控制電路提供的控制信號，所述的逆變器負載兩端并聯有濾波電容(；3。
【文檔編號】H02M1/44GK103684024SQ201310590548
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年11月21日 優(yōu)先權日:2013年11月21日
【發(fā)明者】鄧焰, 呂自波, 彭浩, 李楚杉 申請人:浙江大學