无源无损软开关正激逆变器VIP

1、(19)中民*CCNN110033331122220077AA*(12)发明专利申请(10)申请公布号(43)申请公布日CN 1033122072013.09.18A(21)申请号201310282666.6(22)申请日2013.07.08(71)申请人南京航空航天大学地址 210016 江苏省南京市白下区御道街29 号(72)发明人 洪峰陈继洪刘周成万运强(51)Int.Cl.H02M H02MH02M7/48 (2007.01)7/537 (2006.01)3/335 (2006.01)权利要求书1页 说明书6页附图8页(54) 发明名称无源无损软开关正激逆变器(57) 摘要一种无源无损

2、软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路、第二正激逆变电路、LCD 箝位电路和滤波电路，第一正激逆变电路和第二正激逆变电路按输出电流电压坐标分区间工作，得到逆变输出。具有如下优点 ：单级结构可实现升压逆变输出和高频电气，且功率容量大，有助于减小整机大小、体积重量和成本 ；整个电路使用有源功率器件较少，电路拓扑稳定、结构简单，开销小 ；方案简单，易于实现。通过利用附加的电容、电感及二极管等无源器件自身的谐振过程实现了功率器件的软开关，提高了整机效率。CN 103312207 A权利要求书CN 103312207 A1/1 页1. 一种无源无损软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路 (1)、第二正激

3、逆变电路(2)、LCD 箝位电路 (3) 和滤波电路 (4)，其特征在于，第率三极开关管 (S1) 的漏极、第一磁复位二极管 (D1) 的阴极和第一箝位二极管 (Dr1) 的阴极，连接到外接电源 (U) 的正极 ；第率三极开关管 (S1) 的源极、第二磁复位二极管 (D2) 的阴极和箝位电容 (Cr) 一端，连接到变压器 (T) 原边电感 (Lp) 的同名端 ；箝位电容 (Cr) 的另一端和第二箝位二极管 (Dr2) 的阴极，连接到谐振电感 (Lr) 的一端 ；谐振电感 (LR) 的另一端连接到第一箝位二极管 (Dr1) 的阳极 ；第二功率三极开关管 (S2) 的源极和第二磁复位二极管 (D2

4、) 的阳极，连接到外接电源 (U) 的负极 ；第二功率三极开关管 (S2) 的漏极、第二箝位二极管 (Dr2) 的阳极和第一磁复位二极管 (D1) 的阳极，连接到变压器 (T) 原边电感 (Lp) 的非同名端 ；变压器 (T) 第一副边电感 (Ls1) 的同名端连接到第一整流二极管 (D3) 的阳极 ；第一整流二极管 (D3) 的阴极和第一续流二极管 (D4) 的阴极，连接到第三功率三极开关管 (S3) 的漏极 ；第三功率三极开关管(S3) 的源极和第四功率三极开关管 (S4) 的漏极，连接到输出滤波电感 (L) 的一端 ；输出滤波电感 (L) 的另一端连接到负载 (R) 的一端 ；变压器 (

5、T) 第一副边电感 (Ls1) 的非同名端、变压器 (T) 第二副边电感 (Ls2) 的同名端、第一续流二极管 (D4) 的阳极和第二续流二极管(D6) 的阴极，连接到负载 (R) 的另一端 ；变压器 (T) 第二副边电感 (Ls2) 的非同名端连接到第二整流二极管 (D5) 的阴极 ；第二整流二极管 (D5) 的阳极和第二续流二极管 (D6) 的阳极，连接到第四功率三极开关管 (S4) 的源极。2说明书CN 103312207 A1/6 页无源无损软开关正激逆变器一、技术领域0001本发明涉及一种可以实现升压逆变、高频电气损软开关正激逆变器，属电能变换装置中的逆变器。且具有较大功率容量的无源

6、无二、背景技术0002随着单级逆变器的广泛研究和应用，人们对单级逆变器的体积重量、功率容量和效率的要求不断提高，而高频化一直是减小逆变器体积重量的重要方法。伴随着高频化，功率器件的开关损耗成为影响效率的主要。软开关技术是降低开关损耗，提高系统效率的一个重要。有源的软开关技术通过附加开关器件或改变拓扑等方式，导致检测和器件策略复杂化。而箝位电路是一种以无源方式实现软开关的途径，它不需要增加开关增加电路的复杂程度。但是直流变换器中的无源软开关技术在 DC/AC 中却存在难题。因而希望得到一种能实现软开关的高效率单级逆变器。另一方面，希望该单级逆变器是高频电气的，以满足安全要求，并满足体积重量要求。

7、三、发明内容00031、发明目的 ：本发明的目的是减小拓扑中高频功率器件的开关损耗，提供一种采用无源无损箝位电路且可以实现升压逆变、实现高频电气的单级逆变器。00042、技术方案 ：为了解决上述的技术问题，本发明的无源无损软开关正激逆变器，包括第一正激逆变电路 1、第二正激逆变电路 2、LCD 箝位电路 3 和滤波电路 4 ；第一正激逆变电路 1 包括第率三极开关管 S1、第二功率三极开关管 S2、第一磁复位二极管 D1、第二磁复位二极管D2、变压器 T、第一整流二极管 D3、第一续流二极管 D4 和第三功率三极开关管S3 ；第二正激逆变电路 2 包括第率三极开关管 S1、第二功率三极开关管

8、S2、第一磁复位二极管 D1、第二磁复位二极管 D2、变压器 T、第二整流二极管 D5、第二续流二极管 D6 和第四功率三极开关管 S4 ；LCD 箝位电路 3 包括箝位电容 Cr、谐振电感 Lr、第一箝位二极管 Dr1 和第二箝位二极管 Dr2 ；滤波电路 4 包括输出滤波电感 L ；第一正激逆变电路 1 和第二正激逆变电路 2 在原边共用第率三极开关管 S1、第二功率三极开关管 S2、第一磁复位二极管 D1、第二磁复位二极管 D2 和 LCD 箝位电路，且在输出侧并联，经过输出滤波电感 L 后接到负载R。本发明的无源无损软开关正激逆变器其特征在于，第率三极开关管 (S1) 的漏极、第一磁复

9、位二极管 (D1) 的阴极和第一箝位二极管 (Dr1) 的阴极，连接到外接电源 (U) 的正极 ；第率三极开关管 (S1) 的源极、第二磁复位二极管 (D2) 的阴极和箝位电容 (Cr) 一端，连接到变压器 (T) 原边电感 (Lp) 的同名端 ；箝位电容 (Cr) 的另一端和第二箝位二极管 (Dr2) 的阴极，连接到谐振电感 (Lr) 的一端 ；谐振电感 (Lr) 的另一端连接到第一箝位二极管 (Dr1) 的阳极 ；第二功率三极开关管 (S2) 的源极和第二磁复位二极管 (D2) 的阳极，连接到外接电源 (U) 的负极 ；第二功率三极开关管 (S2) 的漏极、第二箝位二极管 (Dr2) 的阳

10、极和第一磁复位二极管 (D1) 的阳极，连接到变压器 (T) 原边电感 (Lp) 的非同名端 ；变压器 (T) 第一副边电感 (Ls1) 的同名端连接到第一整流二极管 (D3) 的阳极 ；第一整流二极管 (D3) 的阴极和第3说明书CN 103312207 A2/6 页一续流二极管 (D4) 的阴极，连接到第三功率三极开关管 (S3) 的漏极 ；第三功率三极开关管(S3) 的源极和第四功率三极开关管 (S4) 的漏极，连接到输出滤波电感 (L) 的一端 ；输出滤波电感 (L) 的另一端连接到负载 (R) 的一端 ；变压器 (T) 第一副边电感 (Ls1) 的非同名端、变压器 (T) 第二副边电

11、感 (Ls2) 的同名端、第一续流二极管 (D4) 的阳极和第二续流二极管(D6) 的阴极，连接到负载 (R) 的另一端 ；变压器 (T) 第二副边电感 (Ls2) 的非同名端连接到第二整流二极管 (D5) 的阴极 ；第二整流二极管 (D5) 的阳极和第二续流二极管 (D6) 的阳极， 连接到第四功率三极开关管 (S4) 的源极。00053、有益效果 ：本发明是可实现零电压开关逆变功能的无源无损软开关正激逆变器，具有如下优点 ：(1) 保留了单级正激逆变器拓扑结构稳定可靠、功率容量大、高频电气和方案简单的优点 ；(2) 利用原边双管正激电路的特点，使用较易实现的 DC/DC 软开关技术 ；(3

12、) 通过利用附加的电容、电感及二极管等无源器件自身的谐振过程功率器件的开关状况实现软开关的功能，简单可靠 ；(4) 整个电路使用有源功率器件较少，结构简单，开销小。四、附图说明0006图 1 是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路结构示意图，标号名称 ：1. 第一正激逆变电路 ；2. 第二正激逆变电路 ；3.LCD 箝位电路 ；4. 滤波电路 ；0007图 2 是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路各开关模态示意图 ；0008图 3 是本发明的无源无损软开关正激逆变器电路采用的框图。0009图中的主要符号名称 ：S1 S4第一第四功率三极开关管 ；D1、D2第一、第二磁复位二极管 ；Dr1、D

13、r2第一、第二箝位二极管 ；Lr谐振电感 ；Cr箝位电容 ； C1、C2第一、第二功率三极开关管 S1、S2 的结电容 ；D3、D5第一、第二整流二极管 ；D4、 D6第一、第二续流二极管 ；L输出滤波电感 ；T变压器 ；U外接电源 ；uo逆变器输出电压 ；uof 输出电压反馈 ；ur 电压环基准 ；io 逆变器输出电流 ； iof输出电流反馈 ；ir电压环输出即电流环基准 ；V1 V4功率三极开关管 S1 S4 的驱动。五、具体实施方式0010如图 1 所示，本实例的无源无损软开关正激逆变器，其特征在于，第率三极开关管 (S1) 的漏极、第一磁复位二极管 (D1) 的阴极和第一箝位二极管 (

14、Dr1) 的阴极，连接到外接电源 (U) 的正极 ；第率三极开关管 (S1) 的源极、第二磁复位二极管 (D2) 的阴极和箝位电容 (Cr) 一端，连接到变压器 (T) 原边电感 (Lp) 的同名端 ；箝位电容 (Cr) 的另一端和第二箝位二极管(Dr2) 的阴极，连接到谐振电感(Lr) 的一端 ；谐振电感(Lr) 的另一端连接到第一箝位二极管 (Dr1) 的阳极 ；第二功率三极开关管 (S2) 的源极和第二磁复位二极管 (D2) 的阳极，连接到外接电源(U) 的负极 ；第二功率三极开关管(S2) 的漏极、第二箝位二极管(Dr2) 的阳极和第一磁复位二极管 (D1) 的阳极，连接到变压器 (T

15、) 原边电感 (Lp) 的非同名端 ；变压器 (T) 第一副边电感 (Ls1) 的同名端连接到第一整流二极管 (D3) 的阳极 ；第一整流二极管 (D3) 的阴极和第一续流二极管 (D4) 的阴极，连接到第三功率三极开关管 (S3) 的漏极 ；第三功率三极开关管 (S3) 的源极和第四功率三极开关管 (S4) 的漏极，连接到输出滤波电感4说明书CN 103312207 A3/6 页(L) 的一端 ；输出滤波电感 (L) 的另一端连接到负载 (R) 的一端 ；变压器 (T) 第一副边电感(Ls1) 的非同名端、变压器 (T) 第二副边电感 (Ls2) 的同名端、第一续流二极管 (D4) 的阳极和

16、第二续流二极管 (D6) 的阴极，连接到负载 (R) 的另一端 ；变压器 (T) 第二副边电感 (Ls2) 的非同名端连接到第二整流二极管(D5) 的阴极 ；第二整流二极管(D5) 的阳极和第二续流二极管 (D6) 的阳极，连接到第四功率三极开关管 (S4) 的源极。0011本发明的无源无损软开关正激逆变器可分为四个工作区间 ：正激逆变器由第一正激逆变电路和第二正激逆变电路组合得到 ；以输出电流为纵坐标，输出电压为横坐标的坐标系，将逆变器工作区间划分为四个象限，在第 1 象限，第一正激逆变电路单独工作 ；在第 3 象限，第二正激逆变电路单独工作 ；第 2、4 象限，第一、第二正激逆变电路共同工

17、作。当第一正激逆变电路单独工作，第一、第二功率三极开关管S1、S2 高频PWM 调制，第三功率三极开关管S3 工频调制，变压器 T 第一副边电感Ls1 两端电压为正极性的高频 PWM 调制波，提供正的输出电压和输出电流，即完成逆变器工作区间的第 1 象限 ；当第二正激逆变电路单独工作， 第一、第二功率三极开关管 S1、S2 高频 PWM 调制，第四功率三极开关管 S4 工频调制，变压器 T 第二副边电感 Ls2 两端电压为负极性的高频 PWM 调制波，提供负的输出电压和输出电流，即完成逆变器工作区间的第3 象限 ；当第一、第二正激逆变电路共同工作，变压器T 第一、第二副边电感 Ls1、Ls2

18、两端电压组合得到双极性的高频 PWM 调制波，提供正的输出电压和负的输出电流，或者负的输出电压和正的输出电流，即完成逆变器工作区间的第 2、4 象限。0012变压器始终工作在高频脉宽调制状态。变压器副边绕组电压和原边绕组电压均为高频脉冲调制波，且满足匝比关系。通过匝比设计，可使得输出电压高于或低于输入电压， 实现单级升压或降压逆变。由于 LCD 箝位电路和第一、第二磁复位二极管的存在，将变压器的原边电压始终箝位在外接电源电压范围内，防止第一第四功率开关管的两端出现电压尖峰，有效的保护了功率开关器件。0013下面以附图 1 为主电路结构，结合附图 2 来叙述本发明的无源无损软开关正激逆变器的具体

19、工作原理和工作模态。记外接电源U 的电压为Ud ；箝位电容 Cr 两端电压为Ucr， 极性如图 1 中标注 ；流过谐振电感 Lr 的电流为 IL ；变压器 T 第一副边电感 Ls1 两端电压为u1 ；变压器 T 第二副边电感 Ls2 两端电压为 u2 ；副原边绕组匝数比为 n。00141. 第 1 象限 ：第一正激逆变电路工作，第二正激逆变电路不工作，逆变器输出电压uo 0 ；逆变器输出电流 io 0 ；第一、第二功率三极开关管 S1、S2 高频 PWM 调制，第三功率三极开关管 S3 工频调制 ；第四功率三极开关管 S4 截止。此时电路包括 7 个工作模态 ： 0015工作模态 I ：如图

20、2(a) 所示，第一第三功率三极开关管 S1 S3 开通，第四功率三极开关管 S4 关断，第一整流二极管 D3 导通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第二整流二极管D5 截止，能量通过变压器传到副边给负载R 供电 ；第率三极开关管S1 开通时，由于谐振电感Lr 的作用，实现了零电流开通(Zero Current Switch， ZCS) ；在该模态中，箝位电容 Cr 通过 Dr1 和 S1 与 Lr 发生谐振，Ucr 从 -Ud 开始上升到正向最大值 Ud，IL 从零开始上升达最大值后下降到零。0016 工作模态 II ：如图 2(b) 所示，第一第三功率三

21、极开关管 S1 S3 保持开通，第四功率三极开关管 S4 关断，第一整流二极管 D3 导通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二续流二极管 D4、D6，第二整流二极管 D5 截止，能量通过变压器传到副边给负载 R 供电 ；在该模态中，Ucr 保持不变。5说明书CN 103312207 A4/6 页0017工作模态 III ：如图 2(c) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管 S1、S2、S4 关断，第三功率三极开关管 S3 开通，第一整流二极管 D3 导通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二续流二极管 D4、D6，第二整流二极管 D5 截止，第一、第二功率三极开关管 S

22、1、S2 关断时，由于箝位电容 Cr 的作用，实现了零电压关断 (Zero Voltage Switch，ZVS) ；在该模态中，电流值为 n*io 的电流给 Cr 放电、给 C1、C2 充电，Ucr 从最大正电压 Ud 开始下降到零。0018工作模态IV ：如图2(d) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4 保持关断， 第三功率三极开关管 S3 开通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二整流二极管 D3、D5，第二续流二极管 D6 截止，第一续流二极管 D4 导通，继续给负载 R 供电 ；在该模态中，励磁电感 Lp 和 Cr、C1、C2 发生谐振，C1、C2 两端电

23、压上升到 Ud，Ucr 从零开始下降到 -Ud，变压器原边电压从正值下降到零，励磁电流上升到最大值。0019工作模态V ：如图 2(e) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管 S1、S2、S4 保持关断， 第三功率三极开关管S3 开通，第一续流二极管 D4 导通，第一、第二整流二极管 D3、D5，第二续流二极管 D6 截止，第一、第二磁复位二极管 D1、D2 导通 ；在该模态中，变压器原边电压反向， 励磁电流通过第一、第二磁复位二极管 D1、D2 下降到零，完成变压器 T 磁芯复位。0020工作模态 ：如图 2(f) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管 S1、S2、S4 关断，第三功率三极开

24、关管 S3 开通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二整流二极管 D3、D5，第二续流二极管D6 截止，第一续流二极管 D4 导通，继续给负载 R 供电。在该模态中，励磁电感Lp、谐振电感 Lr 和开关管两端的结电容 C1、C2 再次谐振。第率三极开关管 S1 两端的电压近似为 Ud，第二功率三极开关管 S2 和变压器 T 两端的电压近似为零，这为第二功率三极开关管 S2 零电压开通 (ZVS) 提供了条件。0021工作模态 VII ：如图 2(g) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管 S1、S2、S4 关断，第三功率三极开关管 S3 开通，第一续流二极管 D4 导通，第一、第二磁

25、复位二极管 D1、D2，第一、第二整流二极管 D3、D5，第二续流二极管 D6 截止 ；在该模态中，变压器 T 原边电压和第二功率三极开关管 S2 两端电压保持在零。0022 2. 第 2 象限 ：第一正激逆变电路 1 和第二正激逆变电路 2 交替工作，输出电平为双极性，u1 nUd 或u2 -nUd，逆变器输出电压 uo 0 ；逆变器输出电流 io 0。此时电路包括工作模态 I VII 和工作模态 VIII XIV。0023 3. 第 3 象限 ：第二正激逆变电路工作，第一正激逆变电路不工作二逆变器输出电压uo 0 ；逆变器输出电流 io 0 ；第一、第二功率三极开关管 S1、S2 高频 P

26、WM 调制，第四功率三极开关管 S4 工频调制 ；第三功率三极开关管 S3 截止。此时电路包括 7 个工作模态 ： 0024 工作模态VIII ：如图2(h) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管S1、S2、S4 开通，第三功率三极开关管 S3 关断，第二整流二极管 D5 导通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二续流二极管 D4、D6，第一整流二极管 D3 截止，能量通过变压器传到副边给负载 R 供电 ；第率三极开关管 S1 开通时，由于谐振电感 Lr 的作用，实现了零电流开通 ；在该模态中，箝位电容 Cr 通过 Dr1 和 S1 与 Lr 发生谐振，Ucr 从 -Ud 开始上升到

27、正向最大值 Ud，IL 从零开始上升达最大值后下降到零。0025工作模态 IX ：如图 2(i) 所示，第一、第二、第四功率三极开关管 S1、S2、S4 保持开通，第三功率三极开关管 S3 关断，第二整流二极管 D5 导通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二续流二极管D4、D6，第一整流二极管D3 截止，能量通过变压器传到副边给负载R 供6说明书CN 103312207 A5/6 页电 ；在该模态中，Ucr 保持不变。0026工作模态 X ：如图 2(j) 所示，第一第三功率三极开关管 S1 S3 关断，第四功率三极开关管 S4 开通，第二整流二极管 D5 导通，第一、第二磁复位二

28、极管 D1、D2，第一、第二续流二极管 D4、D6，第一整流二极管 D3 截止，第一、第二功率三极开关管 S1、S2 关断时，由于箝位电容 Cr 的作用，实现了零电压关断 ；在该模态中，电流值为 n*io 的电流给 Cr 放电、给 C1、C2 充电，Ucr 从最大正电压 Ud 开始下降到零。0027 工作模态 XI ：如图 2(k) 所示，第一第三功率三极开关管 S1 S3 保持关断，第四功率三极开关管 S4 开通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二整流二极管 D3、D5，第一续流二极管D4 截止，第二续流二极管 D6 导通，继续给负载 R 供电 ；在该模态中，励磁电感 Lp 和

29、Cr、C1、C2 发生谐振，C1、C2 两端电压上升到 Ud，Ucr 从零开始下降到 -Ud，变压器原边电压从正值下降到零，励磁电流上升到最大值。0028 工作模态 XII ：如图 2(l) 所示，第一第三功率三极开关管 S1 S3 保持关断，第四功率三极开关管S4 开通，第二续流二极管 D6 导通，第一、第二整流二极管 D3、D5，第一续流二极管 D4 截止，第一、第二磁复位二极管 D1、D2 导通 ；在该模态中，变压器原边电压反向，励磁电流通过第一、第二磁复位二极管 D1、D2 下降到零，完成变压器 T 磁芯复位。0029 工作模态 XIII ：如图 2(m) 所示，第一第三功率三极开关管 S1 S3 保持关断，第四功率三极开关管 S4 开通，第一、第二磁复位二极管 D1、D2，第一、第二整流二极管 D3、D5，第一续流二极管D4 截止，第二续流二极管 D6 导通，继续给负载 R 供电。在该模态中，励磁电感Lp、谐振电感 Lr 和开关管两端的结电容 C1、C2 再次谐振。第率三极开关管 S1 两端的电压近似为 Ud，第二功率三极开关管 S2 和变压器 T 两端的电压近似为零，这为第二功率三极开