本發(fā)明涉及一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器。

背景技術(shù)：

近年來，人類對自然環(huán)境越來越重視，清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的新能源動力技術(shù)引起了廣泛關(guān)注，已出現(xiàn)了一些關(guān)于新能源發(fā)電的逆變器拓撲及控制方案。例如附圖1所示，為一種典型的單相推挽逆變器。對于這種系統(tǒng)，交流輸出功率中含有的兩倍頻功率脈動必然會反饋傳輸?shù)街绷鬏斎雮?cè)，影響蓄電池、燃料電池等輸入源的使用壽命，嚴(yán)重時會干擾直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此解決新能源發(fā)電系統(tǒng)中的功率紋波問題，提高新能源的利用效率已刻不容緩。雖然這種低頻紋波可以用大電解電容來濾除，但在高溫工作條件下，電解電容長時間頻繁的充放電會導(dǎo)致其使用壽命下降，所以考慮到逆變器的使用壽命和功率密度，不推薦使用電解電容。在電路中接入LC諧振電路，通過將諧振電路頻率設(shè)計為兩倍輸出頻率，也可以實現(xiàn)減小兩倍功率紋波的目的，但要濾除低頻紋波所需的電感和電容體積都比較大，降低了系統(tǒng)的可靠性和功率密度。總而言之，這些常用的依靠無源器件減小功率紋波的方法，往往都存在著體積大、成本高等問題。而在電路中接入有源濾波器，額外增加的電路必然需要額外的控制系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)都變的較為復(fù)雜，不利于一體化。把輔助電路嵌入到原有的變換器中，進而適當(dāng)改進原有的控制方法實現(xiàn)輸入側(cè)功率紋波的減小，是非常有優(yōu)勢的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對上述逆變器所存在的技術(shù)缺陷提供一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器，該逆變器不僅可以實現(xiàn)直流變交流，而且能夠減小直流輸入側(cè)的兩倍頻功率紋波。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器，包括直流電源、輸入濾波電容、 主開關(guān)管、隔離變壓器、整流電路、濾波電路、極性反轉(zhuǎn)逆變橋及負載，其中主開關(guān)管包括兩個開關(guān)管，隔離變壓器包括三個繞組，直流電源的正極、輸入濾波電容的一端、第一繞組的同名端和第二繞組的異名端相連接，直流電源的負極、輸入濾波電容的另一端、第一主開關(guān)管的發(fā)射極和第二主開關(guān)管的發(fā)射極相連接，第一繞組的異名端接第一主開關(guān)管的集電極，第二繞組的同名端接第二主開關(guān)管的集電極，整流電路包括四個二極管，第一整流二極管的陽極、第二整流二極管的陰極和第三繞組的同名端相連接，第三整流二極管的陽極、第四整流二極管的陰極和第三繞組的異名端相連接，第一整流二極管和第三整流二極管的陰極連接構(gòu)成整流電路的正輸出端，第二整流二極管和第四整流二極管的陽極連接構(gòu)成整流電路的負輸出端，極性反轉(zhuǎn)逆變橋包括四個開關(guān)管，濾波電感的一端接整流電路的正輸出端，濾波電感的另一端、濾波電容的一端、第一開關(guān)管的集電極和第三開關(guān)管的集電極相連接，濾波電容的另一端、整流電路的負輸出端、第二開關(guān)管的發(fā)射極和第四開關(guān)管的發(fā)射極相連接，第一開關(guān)管的發(fā)射極、第二開關(guān)管的集電極和負載的一端相連構(gòu)成正輸出端，第三開關(guān)管的發(fā)射極、第四開關(guān)管的集電極和負載的另一端相連構(gòu)成負輸出端，其特征在于：

還包括有源輔助電路；其中有源輔助電路包括三個輔助二極管、三個輔助開關(guān)管、輔助電感和輔助電容，輔助電感的一端、直流電源的正極、第二輔助二極管的陰極和第三輔助二極管的陽極相連接，輔助電感的另一端、第一輔助二極管的陽極和第三輔助開關(guān)管的集電極相連接，輔助電容的正端、第一輔助二極管的陰極、第一輔助開關(guān)的集電極和第二輔助開關(guān)管的集電極相連接，輔助電容的負端、第二輔助二極管的陽極和第三輔助二極管的陰極相連接，第一輔助開關(guān)管的發(fā)射極接第一繞組的同名端，第二輔助開關(guān)管的發(fā)射極接第一繞組的異名端，第三輔助開關(guān)管的發(fā)射極接第二主開關(guān)管的發(fā)射極。

本發(fā)明與原有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點是，由于增加了有源輔助電路，通過控制開關(guān)管使交流輸出負載端帶來的功率紋波流過輔助電路，電源輸入端只有直流功率，從而達到減小輸入側(cè)兩倍頻功率紋波的目的。

附圖說明

附圖1是傳統(tǒng)單相推挽逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3是本發(fā)明的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器主要工作波形示意圖。

附圖4是本發(fā)明的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器輸入輸出功率關(guān)系示意圖。

附圖5～圖12是本發(fā)明的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器的各開關(guān)模態(tài)示意圖。

上述附圖中的主要符號名稱：V_in、電源電壓。S_m1、S_m2、S_x1～S_x3、S₁～S₄、功率開關(guān)管。D_x1～D_x3、輔助二極管。C_in、輸入濾波電容。C_x、輔助電容。L_x、輔助電感。T_r、隔離變壓器。N₁、N₂、N₃、隔離變壓器繞組。D₁～D₄、整流二極管。L_f、濾波電感。C_f、濾波電容。R_L、負載。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對發(fā)明的技術(shù)方案進行詳細說明：

附圖2所示的是一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。由直流電源、輸入濾波電容1、主開關(guān)管2、隔離變壓器3、整流電路4、濾波電路5、極性反轉(zhuǎn)逆變橋6、負載7及輔助電路8組成。S_m1、S_m2、S_x1～S_x3是五只功率開關(guān)管，L_x是輔助電感，C_x是輔助電容，D_x1～D_x3是輔助二極管，T_r是隔離變壓器，D₁～D₄是整流二極管，L_f是濾波電感，C_f是濾波電容，S₁～S₄是逆變開關(guān)管，R_L為負載。

結(jié)合附圖3～附圖12敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖3可知整個逆變器工作在兩種模式下，模式1下一個開關(guān)周期有4種開關(guān)模態(tài)，分別是[t₁₀-t₁₁]、[t₁₁-t₁₂]、[t₁₂-t₁₃]、[t₁₃-t₁₄]，模式2下一個開關(guān)周期有6種開關(guān)模態(tài)，分別是[t₂₀-t₂₁]、[t₂₁-t₂₂]、[t₂₂-t₂₃]、[t₂₃-t₂₄]、[t₂₄-t₂₅]、[t₂₅-t₂₆]。下面對各開關(guān)模態(tài)的工作情況進行具體分析。

在分析之前，先作如下假設(shè)：①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；②忽略隔離變壓器的漏感。

模式1中，輸出功率直接由直流電源提供，除此之外多余的直流電源端輸入功率則通過輔助電路最終儲存在輔助電容上，見附圖4所示，區(qū)域A和區(qū)域B分別表示模式1中輸出所需的功率和多余的功率。模式2中，直流電源端輸入功率經(jīng)推挽電路傳遞給副邊，但該輸入功率不足以完全提供輸出所需的功率，其中不足的部分則由在模式1中已儲能的輔助電容提供，區(qū)域C和區(qū)域D分別表示模式2中直流輸入功率和輔助電容釋放的功率。通過控制負載側(cè)產(chǎn)生的功率紋波流向輔助電路，確保直流電源端輸入功率是直流量，就可以實現(xiàn)減小直流輸入側(cè)功率紋波的目的。

下面對模式1下各開關(guān)模態(tài)的工作情況進行具體分析。

1.開關(guān)模態(tài)1[t₁₀-t₁₁][對應(yīng)于附圖5]

S_m1開通，直流電源端輸入功率的一部分A傳遞到變壓器副邊，另一部分功率B流向輔助電路，最終儲存在輔助電容C_x上。由于輔助電路中S_x3的控制是獨立于逆變器的，附圖3中并沒有給出S_x3的驅(qū)動信號。

2.開關(guān)模態(tài)2[t₁₁-t₁₂][對應(yīng)于附圖6、附圖7]

t₁₁時刻關(guān)斷S_m1，輔助電路繼續(xù)工作，直到多余的功率B全部轉(zhuǎn)移到輔助電容C_x上時S_x3關(guān)斷。附圖6為輔助電容通過輔助開關(guān)管S_x3充電時的逆變器模態(tài)示意圖。附圖7為輔助電路不工作時的逆變器模態(tài)示意圖。附圖6和附圖7兩者相同的是隔離變壓器副邊濾波電感電流均通過整流二極管續(xù)流，不同在于原邊輔助電路的工作狀態(tài)。

3.開關(guān)模態(tài)3[t₁₂-t₁₃][對應(yīng)于附圖8]

由于在推挽電路中，隔離變壓器原邊兩個繞組對應(yīng)的開關(guān)管在一個開關(guān)周期內(nèi)是交替工作的，所以此階段，S_m2開通，直流電源端輸入功率的一部分A仍傳遞到變壓器副邊，另一部分功率B則流向輔助電路。

4.開關(guān)模態(tài)4[t₁₃-t₁₄][對應(yīng)于附圖6、附圖7]

此模態(tài)與模式1下開關(guān)模態(tài)2一樣。

下面對模式2下各開關(guān)模態(tài)的工作情況進行具體分析。在該模式下，輔助電路中S_x3未開通。

1.開關(guān)模態(tài)1[t₂₀-t₂₁][對應(yīng)于附圖9]

S_m1開通，直流電源端輸入功率C全部傳遞到變壓器副邊。

2.開關(guān)模態(tài)2[t₂₁-t₂₂][對應(yīng)于附圖10]

t₂₁時刻關(guān)斷S_m1，開通S_x1，輔助電容C_x向變壓器副邊傳遞輸出功率大于輸入功率的部分D，即直流電源端輸入功率不足以提供輸出所需的全部功率，不足的部分由在模式1下已充電的輔助電容提供。

3.開關(guān)模態(tài)3[t₂₂-t₂₃][對應(yīng)于附圖7]

t₂₂時刻關(guān)斷S_x1。此模態(tài)與模式1下開關(guān)模態(tài)2一樣，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極管續(xù)流。

4.開關(guān)模態(tài)4[t₂₃-t₂₄][對應(yīng)于附圖11]

此階段，S_m2開通，同模式2下開關(guān)模態(tài)1一樣，直流電源端輸入功率C全部傳遞到 變壓器副邊。

5.開關(guān)模態(tài)4[t₂₄-t₂₅][對應(yīng)于附圖12]

在推挽電路中，兩個主開關(guān)管S_m1和S_m2交替導(dǎo)通，則相應(yīng)的輔助開關(guān)管S_x1和S_x2也交替導(dǎo)通。所以此階段，S_x2開通，輔助電容C_x補充輸入功率不足以提供給輸出功率的部分D。

6.開關(guān)模態(tài)4[t₂₅-t₂₆][對應(yīng)于附圖7]

t₂₅時刻關(guān)斷S_x2，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極管續(xù)流。

從以上的描述可以得知，本發(fā)明提出的一種基于改進推挽電路的隔離型逆變器具有以下幾方面的優(yōu)點：

1)由于增加了有源輔助電路，使輸出功率帶來的兩倍頻脈動功率從輔助電路中通過，從而達到減小直流電源輸入側(cè)功率紋波的效果。

2)適合低壓大電流輸入場合，即使增加了輔助電路，變壓器也還是雙向磁化，可以自動完成復(fù)位。

3)極性反轉(zhuǎn)逆變橋開關(guān)管的電壓應(yīng)力低且為零電壓零電流開關(guān)，提高了逆變器的效率。