專利名稱：?jiǎn)渭?jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的單級(jí)雙向升壓(Boost)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)：
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。
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直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器等電路結(jié)構(gòu)。
S.R.Narayana Prakash等人提出的“單向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”(IEEEPESC，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)功率變換(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 PowerElectronics，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)。I.Yamato等人提出的“雙向Buck型高頻環(huán)節(jié)逆變器”(IEEE PESC，1988，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”(IEEEPESC，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)、變換效率較高、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)。
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直流變換器型等高頻環(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)變換器級(jí)聯(lián)的電路結(jié)構(gòu)，仍存在變換效率、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)的中、大功率高頻環(huán)節(jié)逆變器已迫在眉睫。

發(fā)明內(nèi)容
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)功率變換、體積小、重量輕、變換效率高、輸入電流紋波小、音頻噪音低、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低的新型中、大功率逆變電源和靜止變流器提供關(guān)鍵技術(shù)。
本發(fā)明是將傳統(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Boost直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器新概念和電路拓?fù)?。該逆變器電路拓?fù)洌蓛蓚€(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Boost直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成。
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、輸入電流紋波小、音頻噪音低、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)。單級(jí)雙向Boost直流變換器型高頻環(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直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器優(yōu)越。


圖1，單級(jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路原理方框圖。
圖2，單級(jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)鋵?shí)例圖，圖2(a)電路拓?fù)?、圖2(b)電路原理波形。
圖3，單級(jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電壓瞬時(shí)值控制原理圖。
具體實(shí)施例方式
單級(jí)雙向Boost直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器電路拓?fù)?，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Boost直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，如圖1、2所示。電路拓?fù)鋵?shí)例圖2中，圖2(a)為電路拓?fù)?，圖2(b)為電路原理波形。由于每個(gè)高頻電氣隔離雙向功率流Boost直流變換器輸出的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓的瞬時(shí)值uo1和uo2均高于輸入直流電壓Ui與高頻變壓器匝比N2/N1的乘積(UiN2/N1)，故稱為單級(jí)雙向升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Boost直流變換器，均由儲(chǔ)能電感L1(L2)、逆變開關(guān)S11和S12(S21和S22)、高頻變壓器T1(T2)、整流開關(guān)S13(S23)、以及輸入濾波電路Li-Ci和輸出濾波電路C1(C2)構(gòu)成，D1和D2分別為高頻變壓器T1、T2的磁復(fù)位二極管，磁復(fù)位繞組N11p和N21p分別為高頻變壓器T1、T2原邊繞組N11和N21的一部分，ZL為輸出交流負(fù)載。其中，逆變開關(guān)和整流開關(guān)分別由兩個(gè)或一個(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，輸出濾波電路僅由體積、重量小的直流濾波電容組成。兩個(gè)雙向Boost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uo1和uo2，負(fù)載ZL上可以獲得高質(zhì)量的低頻正弦交流電壓uo，每個(gè)雙向Boost直流變換器提供的正向能量必大于反向能量。
當(dāng)電源向負(fù)載傳遞功率時(shí)，逆變器將輸入直流電壓Ui逆變成單極性三態(tài)的高頻脈沖電流，經(jīng)高頻變壓器T1、T2電氣隔離、傳輸和電流匹配后，整流器和輸出濾波電路將其變成優(yōu)質(zhì)的低頻正弦脈動(dòng)直流電壓uo1和uo2，輸入高頻脈沖電流iL1、iL2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)。
電路拓?fù)鋵?shí)例圖2適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)用前景的新型中、大功率逆變電源(如24VDC/220V50HzAC、48VDC/220V50HzAC)和靜止變流器(如27VDC/115V400HzAC、270VDC/115V400HzAC)。
單級(jí)雙向Boost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，如圖3所示。將逆變器輸出的正弦交流電壓uo與基準(zhǔn)正弦電壓ur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)ue，該誤差電壓放大信號(hào)與三角形載波ut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Boost直流變換器1(2)的正向、反向(反向、正向)功率流開關(guān)器件S11、S12和S13(S23、S22和S21)，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uo1和uo2，負(fù)載ZL上可以獲得高質(zhì)量的低頻正弦交流電壓uo。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)的占空比，便可實(shí)現(xiàn)單級(jí)雙向Boost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)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，其特征在于這種逆變器由兩個(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升壓直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級(jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，其特征在于每個(gè)高頻電氣隔離雙向功率流升壓直流變換器，均由儲(chǔ)能電感L1(L2)、逆變開關(guān)S11和S12(S21和S22)、高頻變壓器T1(T2)、整流開關(guān)S13(S23)、以及輸入濾波電路Li-Ci和輸出濾波電路C1(C2)構(gòu)成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的單級(jí)雙向升壓直流變換器型高頻環(huán)節(jié)逆變器，其特征在于輸出濾波電路僅由體積、重量小的直流濾波電容組成。
全文摘要
一種單級(jí)雙向升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)，其電路拓?fù)溆蓛蓚€(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升壓直流變換器以差動(dòng)電路構(gòu)成，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、變換效率高、輸入電流紋波小、音頻噪音低、負(fù)載短路時(shí)可靠性高、成本低、應(yīng)用前景廣泛等優(yōu)點(diǎn)，為新型中、大功率逆變電源和靜止變流器奠定了關(guān)鍵技術(shù)。
文檔編號(hào)H02M1/14GK1761140SQ200510019799
公開日2006年4月19日 申請(qǐng)日期2005年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月11日
發(fā)明者陳道煉 申請(qǐng)人:福州大學(xué)