CN2014102418765A 具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器 1-7

(10)申请公布号 CN 103997248 A (43)申请公布日 2014.08.20 CN 103997248 A (21)申请号 201410241876.5 (22)申请日 2014.06.03 H02M 7/5387(2007.01) (71)申请人 青岛理工大学 地址 266033 山东省青岛市市北区抚顺路 11 号 (72)发明人 丁新平 吴苓芝 魏文健 (74)专利代理机构 青岛高晓专利事务所 37104 代理人 黄晓敏 (54) 发明名称 具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级 可升压逆变器 (57) 摘要 本发明属于直流 - 交流逆变设备技术领域， 涉及一种具有高电压增益的开关耦合电感软开关 单级可升压逆变器， 第一绕组与第二绕组互为同 名端， 电感的一端与直流电源的正极相连， 另一端 与第二电容的负极相连， 第二电容的正极与三相 电压型桥式逆变电路相连， 第一整流二极管的阴 极与耦合电感的第二绕组相连， 第一整流二极管 与耦合电感串联后并联在第二电容的两端， 第二 整流二极管的阳极与第一整流二极管的阳极相 连， 第二整流二极管的阴极与第一绕组和第二绕 组的公共端及第一电容的正极相连， 第一电容的 负极与直流电源的负极及三相电压型桥式逆变电 路相连 ； 其结构简单， 电磁干扰影响小， 损耗少， 成本低， 能量转换效率高， 环境工作友好。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图1页 (10)申请公布号 CN 103997248 A CN 103997248 A 1/1 页 2 1. 一种具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器， 其特征在于主体结 构包括直流电源、 电感、 第一电容、 第二电容、 第一整流二极管、 第二整流二极管、 由第一绕 组与第二绕组组成的耦合电感和由六个绝缘栅双极型晶体三极管与六个反并联二极管组 合构成的三相电压型桥式逆变电路 ； 耦合电感的第一绕组与第二绕组互为同名端， 电感的 一端与直流电源的正极相连， 电感的另一端与第二电容的负极相连， 第二电容的正极与三 相电压型桥式逆变电路相连， 第一整流二极管的阴极与耦合电感的第二绕组相连， 第一整 流二极管与由第一绕组及第二绕组组成的耦合电感串联后并联在第二电容的两端， 第二整 流二极管的阳极与第一整流二极管的阳极相连， 第二整流二极管的阴极与第一绕组和第二 绕组的公共端及第一电容的正极相连， 第一电容的负极与直流电源的负极及三相电压型桥 式逆变电路相连 ； 三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂， 每个桥臂由一个绝缘栅双极性 晶体三极管和一个反并联二极管配接组成， 三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应 的三组桥臂分别接出， 三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端， 接收直流电能， 输出 交流电能。 2. 根据权利要求 1 所述的具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器， 其特征在于存在三种工作过程， 即三相电压型桥式逆变电路直通的工作过程、 三相电压型 桥式逆变电路关断的工作过程和逆变器工作在传统零状态和传统有效状态的工作过程 ； 三 相电压型桥式逆变电路直通的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路直通之前， 电路工作 在典型的非直通模式， 此时第一整流二极管导通， 耦合电感将第一整流二极管的能量传送 到负载， 当三相电压型桥式逆变电路导通时， 通过第二绕组的漏感电流逐渐从反并联二极 管传到三相电压型桥式逆变电路， 电感和耦合电感的励磁电感充电， 当耦合电感第二绕组 的漏感电流降到零时， 第一整流二极管自然关断， 耦合电感第二绕组的漏感减少第一整流 二极管的反向恢复问题， 并实现三相电压型桥式逆变电路的零电流软开关 ； 三相电压型桥 式逆变电路关断的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路关断时， 采用脉冲宽度调制信号 控制三相电压型桥式逆变电路中绝缘栅双极性晶体三极管的关断， 由于三相电压型桥式逆 变电路存在并联寄生电容， 电容电压不能突变， 电感和耦合电感第一绕组的漏感给三相电 压型桥式逆变电路的并联寄生电容充电， 直到并联寄生电容两端的电压值达到 Vc1+Vc2， 三 相电压型桥式逆变电路实现零电压软关断， 此时三相电压型桥式逆变电路并联寄生电容 两端的电压箝位到 Vc1+Vc2， 从而第一整流二极管和第二整流二极管同时导通， 因此增加的 第二整流二极管能阻止三相电压型桥式逆变电路两端的电压超过 Vc1+Vc2， 耦合电感第一绕 组的漏感电流减小， 储存在漏感中的能量在非谐振模式下释放给负载， 通过第二整流二极 管的电流降到零时， 第二整流二极管在零电流软开关环境下关断， 减少二极管的反向恢复 性能 ； 逆变器工作在传统零状态和传统有效状态的工作过程 ： 电路工作在反并联二极管导 通、 反并联二极管关断的稳定工作运行状态， 开始逆变器工作在传统零状态， 之后逆变器工 作在传统有效状态， 此时逆变桥可看做一个电流源， 输入电压、 电感和耦合电感第一绕组的 漏感一起给输出级、 第一电容和第二电容充电， 最后逆变器再次工作在传统零状态 ； 其中 Vc1为第一电容两端的电压， Vc2为第二电容两端的电压。 权 利 要 求 书 CN 103997248 A 2 1/4 页 3 具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器 技术领域 ： 0001 本发明属于直流-交流逆变设备技术领域， 涉及一种直流-交流逆变器， 特别是一 种具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器。 背景技术 ： 0002 现有的改进变压器型 Z- 源逆变器， 包括一个电感、 两个电容、 一个整流二极管、 一 个耦合电感和三相电压型桥式逆变电路， 这种改进变压器型 Z- 源逆变器改善了传统 Z- 源 逆变器 / 准 Z- 源逆变器的输入电流连续性和升压比。然而， 由于耦合电感漏感的振铃和线 路中寄生电感的存在， 导致开关器件的电压应力较高， 并产生更多的电磁干扰 (EMI)。漏感 和寄生电感会导致直流链电压的电压尖峰和振铃， 会损坏有源器件， 并降低整个系统的效 率。同时， 逆变桥开关管 “直通” 状态的硬开关环境对系统效率影响较大。因此， 寻求设计 一种结构简单、 耗能低、 电磁干扰小、 效率高的具有高电压增益的开关耦合电感软开关单级 可升压逆变器。 发明内容 ： 0003 本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点， 寻求设计提供一种具有高电压增益 的开关耦合电感软开关单级可升压逆变器， 其功率开关管数量少， 工作在软开关环境下， 损 耗低， 电磁干扰影响小， 实现高效率能量转换。 0004 为了实现上述目的， 本发明的主体结构包括直流电源、 电感、 第一电容、 第二电容、 第一整流二极管、 第二整流二极管、 由第一绕组与第二绕组组成的耦合电感和由六个绝缘 栅双极型晶体三极管 (IGBT) 与六个反并联二极管组合构成的三相电压型桥式逆变电路 ； 耦合电感的第一绕组与第二绕组互为同名端， 电感的一端与直流电源的正极相连， 电感的 另一端与第二电容的负极相连， 第二电容的正极与三相电压型桥式逆变电路相连， 第一整 流二极管的阴极与耦合电感的第二绕组相连， 第一整流二极管与由第一绕组及第二绕组组 成的耦合电感串联后并联在第二电容的两端， 第二整流二极管的阳极与第一整流二极管的 阳极相连， 第二整流二极管的阴极与第一绕组和第二绕组的公共端及第一电容的正极相 连， 第一电容的负极与直流电源的负极及三相电压型桥式逆变电路相连 ； 三相电压型桥式 逆变电路包括六个桥臂， 每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管 (IGBT) 和一个反并联 二极管配接组成， 三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出， 三 相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端， 接收直流电能， 输出交流电能。 0005 本发明涉及的具有高电压增益的开关耦合电感软开关电感单级可升压逆变器存 在三种工作过程， 即三相电压型桥式逆变电路直通的工作过程、 三相电压型桥式逆变电路 关断的工作过程和逆变器工作在传统零状态和传统有效状态的工作过程 ； 三相电压型桥式 逆变电路直通的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路直通之前， 电路工作在典型的非直 通模式， 此时第一整流二极管导通， 耦合电感将第一整流二极管的能量传送到负载， 当三相 电压型桥式逆变电路导通时， 通过第二绕组的漏感电流逐渐从反并联二极管传到三相电压 说 明 书 CN 103997248 A 3 2/4 页 4 型桥式逆变电路， 电感和耦合电感的励磁电感充电， 当耦合电感第二绕组的漏感电流降到 零时， 第一整流二极管自然关断， 耦合电感第二绕组的漏感减少第一整流二极管的反向恢 复问题， 并实现三相电压型桥式逆变电路的零电流软开关 ； 三相电压型桥式逆变电路关断 的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路关断时， 采用 PWM( 脉冲宽度调制 ) 信号控制三 相电压型桥式逆变电路中绝缘栅双极性晶体三极管 (IGBT) 的关断， 由于三相电压型桥式 逆变电路存在并联寄生电容， 电容电压不能突变， 电感和耦合电感第一绕组的漏感给三相 电压型桥式逆变电路的并联寄生电容充电， 直到并联寄生电容两端的电压值达到 Vc1+Vc2， 三相电压型桥式逆变电路实现零电压软关断， 此时三相电压型桥式逆变电路并联寄生电容 两端的电压箝位到 Vc1+Vc2， 从而第一整流二极管和第二整流二极管同时导通， 因此增加的 第二整流二极管能阻止三相电压型桥式逆变电路两端的电压超过 Vc1+Vc2， 耦合电感第一绕 组的漏感电流减小， 储存在漏感中的能量在非谐振模式下释放给负载， 通过第二整流二极 管的电流降到零时， 第二整流二极管在零电流软开关环境下关断， 减少二极管的反向恢复 性能 ； 逆变器工作在传统零状态和传统有效状态的工作过程 ： 电路工作在反并联二极管导 通、 反并联二极管关断的稳定工作运行状态， 开始逆变器工作在传统零状态， 之后逆变器工 作在传统有效状态， 此时逆变桥可看做一个电流源， 输入电压、 电感和耦合电感第一绕组的 漏感一起给输出级、 第一电容和第二电容充电， 最后逆变器再次工作在传统零状态 ； 其中 Vc1为第一电容两端的电压， Vc2为第二电容两端的电压。 0006 本发明工作时， 利用耦合电感的第一绕组和第二绕组实现电路的高增益 ； 由于耦 合电感第一绕组漏感的存在， 实现三相电压型桥式逆变电路的零电流导通 ； 由于三相电压 型桥式逆变电路并联寄生电容的存在， 实现三相电压型桥式逆变电路的零电压关断 ； 耦合 电感第二绕组漏感的存在， 减少第一整流二极管的反向恢复问题， 实现第二整流二极管的 零电流关断 ； 在整个开关周期中， 采用 PWM 信号控制三相电压型桥式逆变电路中绝缘栅双 极型晶体三极管 (IGBT) 的关断， 三相电压型桥式逆变电路在并联寄生电容的作用下实现 零电压关断， 在耦合电感漏感的作用下实现三相电压型桥式逆变电路的零电流导通， 增加 的第二整流二极管将漏感中的能量在非谐振模式下转换到负载， 实现能量的无损吸收。 0007 本发明与现有技术相比， 该逆变器能够通过改变耦合电感的匝比和逆变器的直通 占空比来达到电压增益的任意调节， 改善了逆变器输入电流的连续性， 增加的整流二极管 D2有助于将漏感中的能量在非谐振模式下转换到负载， 提高了系统的效率， 逆变器的有源 器件及整流二极管工作在软开关环境下， 二极管的反向恢复问题得到改善 ； 其结构简单， 电 磁干扰影响小， 损耗少， 成本低， 能量转换效率高， 环境工作友好。 附图说明 ： 0008 图 1 为本发明的主体结构电路原理示意图。 具体实施方式 ： 0009 下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步说明。 0010 实施例 ： 0011 本实施例的主体结构包括直流电源 Vin、 电感 L1、 第一电容 C1、 第二电容 C2、 第一整 流二极管 D7、 第二整流二极管 D8、 由第一绕组 La与第二绕组 Lb组成的耦合电感和由绝缘栅 说 明 书 CN 103997248 A 4 3/4 页 5 双极型晶体三极管(IGBT)S1S6与反并联二极管D1D6组合构成的三相电压型桥式逆变 电路 ； 耦合电感的第一绕组 La与第二绕组 Lb互为同名端， 电感 L1的一端与直流电源 Vin的 正极相连， 电感 L1的另一端与第二电容 C2的负极相连， 第二电容 C2的正极与三相电压型桥 式逆变电路相连， 第一整流二极管 D1的阴极与耦合电感的第二绕组 Lb相连， 第一整流二极 管 D7与由第一绕组 La及第二绕组 Lb组成的耦合电感串联后并联在第二电容 C2的两端， 第 二整流二极管 D8的阳极与第一整流二极管 D7的阳极相连， 第二整流二极管 D8的阴极与第 一绕组 La和第二绕组 Lb的公共端及第一电容 C1的正极相连， 第一电容 C1的负极与直流电 源 Vin的负极及三相电压型桥式逆变电路相连 ； 三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂， 每 个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管 (IGBT) 和一个反并联二极管配接组成， 三相电压 型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出， 三相电压型桥式逆变电路为整 个装置的输出端， 接收直流电能， 输出交流电能。 0012 本实施例涉及的具有高电压增益的开关耦合电感软开关电感单级可升压逆变器 存在三种工作过程， 即三相电压型桥式逆变电路直通的工作过程、 三相电压型桥式逆变电 路关断的工作过程和逆变器工作在传统零状态和传统有效状态的工作过程 ； 三相电压型桥 式逆变电路直通的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路直通之前， 电路工作在典型的非 直通模式， 此时第一整流二极管D7导通， 耦合电感将第一整流二极管D7的能量传送到负载， 当三相电压型桥式逆变电路导通时， 通过第二绕组Lb的漏感电流逐渐从反并联二极管D1传 到三相电压型桥式逆变电路， 电感 L1和耦合电感的励磁电感充电， 当耦合电感第二绕组 Lb 的漏感电流降到零时， 第一整流二极管 D7自然关断， 耦合电感第二绕组 Lb的漏感减少第一 整流二极管 D7的反向恢复问题， 并实现三相电压型桥式逆变电路的零电流软开关 ； 三相电 压型桥式逆变电路关断的工作过程为 ： 三相电压型桥式逆变电路关断时， 采用 PWM( 脉冲宽 度调制)信号控制三相电压型桥式逆变电路中绝缘栅双极性晶体三极管(IGBT)的关断， 由 于三相电压型桥式逆变电路存在并联寄生电容， 电容电压不能突变， 电感 L1和耦合电感第 一绕组 La的漏感给三相电压型桥式逆变电路的并联寄生电容充电， 直到并联寄生电容两端 的电压值达到 Vc1+Vc2， 三相电压型桥式逆变电路实现零电压软关断， 此时三相电压型桥式 逆变电路并联寄生电容两端的电压箝位到 Vc1+Vc2， 从而第一整流二极管 D7和第二整流二极 管D8同时导通， 因此增加的第二整流二极管D8能阻止三相电压型桥式逆变电路两端的电压 超过 Vc1+Vc2， 耦合电感第一绕组 La的漏感电流减小， 储存在漏感中的能量在非谐振模式下 释放给负载， 通过第二整流二极管 D8的电流降到零时， 第二整流二极管 D8在