專利名稱：二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器。
二背景技術：
雙降壓式逆變器(Dual Buck Inverter~—以下簡稱DBI)是近年來出現的一種新型 的逆變器拓撲。相對傳統(tǒng)的橋式逆變器，DBI具有無橋臂直通的高可靠性和無開關管寄 生二極管反向恢復問題的獨特優(yōu)點；工作于半周模式下的DBI無環(huán)流存在，為同時實現 逆變器的高頻化和高效率提供了一種簡潔的途徑，是一種具有一定研究價值和發(fā)展前景 的拓撲結構。DBI和半橋逆變器有很多相似的地方，下文將兩者通稱為半橋型逆變器。 半橋型逆變器需^外接正負直流母線電壓，其幅值超過輸出電壓最大值的兩倍，器件電 壓應力大，直流i壓利用率低；橋臂只能輸出+1和-1兩態(tài)電平，工作于雙極性調制方 式，橋臂輸出波形諧波含量大，需要高的開關頻率和大的濾波器。以上兩點也是半橋型 逆變器的缺點。
近年來，多電平技術得到人們更多的關注和研究。由于器件制造技術的限制，功率 半導體器件的耐壓是有一定限度的。在高壓變換器中，可將功率管串聯使用，但由于器
件參數的不一致和開關瞬態(tài)的不同步，很難實現穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程的均壓，導致個別功率 管的過壓，降低了電路的可靠性。多電平技術是解決功率管串聯問題的一個好辦法，它 能保證功率管承受的電壓應力在穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)過程中箝位于母線電容的電壓。引入多電平 技術的三電平雙降壓式半橋逆變器同時可使橋臂輸出變?yōu)閱螛O性。
三
發(fā)明內容
1、 技術問題.本發(fā)明要解決的技術問題是在保留DBI高可靠性和高效率特點的同 時，解決其器件電壓應力高，橋臂輸出諧波含量大的缺點。
2、 技術方案為了解決上述的技術問題，本發(fā)明的二極管箝位三電平雙降壓式半 橋逆變器包括第一三電平降壓電路l、第二三電平降壓電路2、第三功率二極管D3。其 中第一三電平降壓電路1包括第一功率開關管&、第三功率開關管&、第一功率二極管 A;第二三電平降壓電路2包括第二功率開關管&、第四功率開關管&、第二功率二極 管D2。本發(fā)明二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的特征在于，第一三電平降壓電 路1中，第一功率開關管&的漏極與第一外界電源W的正端連接，第一功率開關管& 的源極與第三功率開關管&的源極連接，第三功率開關管&的漏極與第一功率二極管 A的陰極連接，第一功率二極管"i的陽極接地，第一電感&的一端接入第一功率開關 管&的源極與第三功率開關管&的源極之間；第二三電平降壓式電路2中，第二功率 開關管&的源極與第二外界電源C/2的負端連接，第二功率開關管&的漏極與第二功率
3二極管"2的陽極-連接，第二功率二極管"2的陰極與第四功率開關管&的漏極連接，第 四功率開關管S4的源極接地，第二電感￡2的一端接入第二功率開關管&的漏極與第二 功率二極管Z)2的陽極之間；第一電感&的另一端與第二電感"的另一端相連接入由濾 波電容Cf和負載及并聯構成的濾波電容和負載電路3的一端，濾波電容Cf和負載及的
另一端同時接地。第三功率二極管D3的陽極接入第二功率開關管&的b極與第二功率
二極管"2的陽極之間，第三功率二極管"3的陰極接入第一功率開關管&的源極與第三 功率開關管&的源極之間；第一外界電源W的負端與第二外界電源f/2的正端相連并且 在連接點接地。
本發(fā)明采用的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器包含兩個三電平降壓電路，其 輸入側接電源電路單元，其輸出側接輸出濾波電容和負載電路。該電路保留了雙降壓式 半橋逆變器的特^:電路沒有橋式電路橋臂直通的危險；續(xù)流電流從功率二極管通過， 無開關器件體二極管反向恢復問題。二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的橋臂輸出
電壓為三電平PWM調制波，相對雙降壓式半橋逆變器的兩電平橋臂輸出，諧波含量大 為降低，所需濾波器大為減小；雖然增加了器件，但由于器件電壓應力的降低，可選用 耐壓定額更小的器件，意味著器件導通電阻和寄生電容的降低，整體的通態(tài)損耗不一定 增加，并且器件開關頻率可以降低，使得器件開關損耗可以減小，再加上濾波器件損耗 的降低，逆變器效率不會降低，但實現了整機體積重量的減小和更優(yōu)的輸出特性。整個
電路結構并不復雜，控制方案也較簡單采用滯環(huán)電流PWM控制，保證逆變器電路在
正常工作時不需任何偏置電流，同時克服電感電流斷續(xù)造成的電壓失真。滯環(huán)電流控制 方案還具有內在限流、動態(tài)性能快、實現簡單等一系列優(yōu)點。由于第三功率二極管的存
在，將橋臂電壓始終箝位在第一外界電源電壓tA和第二外界電源電壓C/2之間，防止第
一功率開關管&、.第四功率開關管&出現電壓尖峰，有效的保護了功率開關器件。
3、 有益效果本發(fā)明具有如下優(yōu)點(1)保留了三電平變換器本身輸出電壓諧波
含量小的優(yōu)點，有助于減小濾波器，同時可以降低PWM調制部分的開關頻率，降低開 關損耗，提高效率；(2)同半橋型逆變器相比，功率器件電壓應力降低，使得中小功率 的開關器件可適用于高壓、大功率的場合；(3)繼承了半橋型逆變器電路無橋臂直通、 無開關管體二極管反向恢復問題的優(yōu)點；(4)整個電路結構和控制方案均較為簡單，易 于實現；(5) PWM調制電路單元采用滯環(huán)電流控制方案，逆變器動態(tài)性能好。
4

圖1是本發(fā)明的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器拓撲示意圖；圖1中的標號 名稱為..1.第一三電平降壓電路1; 2.第二三電平降壓電路2; 3.外界電源；4.第三 功率二極管￡ 3; 5.外界負載；圖2是本發(fā)明的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器拓撲各開關模態(tài)示意圖； 圖3是本發(fā)B的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器拓撲的主要波形示意圖； 圖4是本發(fā)明的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器采用的控制框圖。 附圖中的主要符號名稱& &——功率開關管；A 化——功率二極管；&~￡2——
濾波電感；CV——輸出濾波電容；及——負載阻抗；" "——外界電源；"?！?br> 變器輸出電壓。V廣V4——功率開關管S廣&的驅動波形；！'L1——濾波電感A電流波形；
/L2——濾波電感丄2電流波形；
具體實施例方式
如圖1所示，本實施例的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的特征在于，第一 三電平降壓電路l中，第一功率開關管&的漏極與第一外界電源CA的正端連接，第一
功率開關管&的源極與第三功率開關管&的源極連接，第三功率開關管&的漏極與第
一功率二極管i^.的陰極連接，第一功率二極管Z^的陽極接地，第一電感A的一端接入 第一功率開關管&的源極與第三功率開關管&的源極之間；第二三電平降壓式電路2 中，第二功率開關管&的源極與第二外界電源f/2的負端連接，第二功率開關管&的漏 極與第二功率二極管￡>2的陽極連接，第二功率二極管D2的陰極與第四功率開關管& 的漏極連接，第四功率開關管&的源極接地，第二電感Z2的一端接入第二功率開關管 &的漏極與第二功率二極管￡>2的陽極之間；第一電感&的另一端與第二電感￡2的另一
端相連接入由濾波電容Cf和負載i 并聯構成的濾波電容和負載電路3的一端，濾波電
容Cf和負載i 的另一端同時接地。第三功率二極管￡>3的陽極接入第二功率開關管&
的漏極與第二功率二極管D2的陽極之間，第三功率二極管￡>3的陰極接入第一功率開關
管&的源極與第三功率開關管&的源極之間；第一外界電源W的負端與第二外界電源 "的正端相連并且在連接點接地。
本發(fā)明的二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的工作原理是在輸出電流大于零 的正半周，第三功率開關管&保持導通，第二功率開關管&、第四功率開關管&截止， 第一功率開關管& PWM調制，此時逆變橋的輸出電平為+M或0;在輸出電流小于零 的負半周，第一功率開關管&、第三功率開關管&截止，第四功率開關管&導通，第
二功率開關管&PWM調制，此時逆變橋的輸出電平為-"或0。 二極管箝位三電平雙降 壓式半橋逆變器濾波前輸出包含了+1、 0、 -1三態(tài)電平，且部分器件電壓應力降為輸入
電壓。由于滯環(huán)電流控制具有內在限流、高精度和快速動態(tài)響應的優(yōu)點，可保證第一三
電平降壓電路l、第二三電平降壓電路2在正常工作時不需任何偏置電流，同時克服電
感電流斷續(xù)造成的電壓失真，保證逆變器在較高效率和較高頻率下運行。因而在本發(fā)明
的三電平雙降壓式半橋逆變器采用滯環(huán)電流PWM控制方案。下面以圖1所示為主電路結構，結合圖2來敘述本發(fā)明的三電平雙降壓式半橋逆變 器拓撲的具體工作原理和工作模態(tài)，對應的電路關鍵波形見附圖3:
1、 在輸出電流/。大于零的正半周[to t山
第一三電平降壓電路1工作，第二三電平降壓電路2不工作第一功率開關管&
PWM調制，第三功率開關管&保持導通，第二功率開關管&和第四功率開關管&截
止。此階段電路在以下兩個工作模態(tài)間切換-
工作模態(tài)h如圖2 (a)所示，第一功率開關管&導通，第一電感&的電流/u線 性上升，第三功率開關管&和第一功率二極管i^支路無電流通過。逆變橋輸出電平為 wA=L/i。
工作模態(tài)II:如圖2 (b)所示，第一功率開關管&關斷，電感電流Z'u從第三功率 開關管&、第一功率二極管Z^支路續(xù)流，線性下降。逆變橋輸出電平為WA-O。
2、 輸出電流Z'。由正向負切換[t廣t2]:
第一三電平降壓電路1和第二三電平降壓電路2交替工作，包含工作模態(tài)I、 II、 III 和工作模態(tài)IV、 V、 VI。
工作模態(tài)III:如圖2 (c)所示，第一功率開關管&在此前已關斷，當第三功率開 關管&也關斷，由于電感電流/u對功率器件寄生結電容的抽流作用，橋臂電壓WA快速
下降，當減小到"A《t/2，第二功率開關管&的寄生體二極管在感應電勢"B作用下導通， 第一電感A的電流/u通過第三功率二極管Z)3和第二功率開關管&的寄生體二極管續(xù) 流，線性下降，橋臂輸出電平為地=-"。
3、 在輸出電流Z'。小于零的負半周[t2 t3]:
第一三電平降壓電路1不工作，第二三電平降壓電路2工作第二功率開關管& PWM調制，第四功率開關管&保持導通，第一功率開關管&和第三功率開關管&截 止。此階段電路在以下兩個工作模態(tài)間切換
工作模態(tài)IV:如圖2 (d)所示，第二功率開關管&)導通，第二電感Z2的電流/u 線性上升，第四5!j率開關管&和第二功率二極管"2支路無電流通過。逆變橋輸出電平 為WB=-f/2。
工作模態(tài)V:如圖2 (e)所示，第二功率開關管&關斷，電感電流/L2從第四功率 開關管&、第二功率二極管i)2支路續(xù)流，線性下降。逆變橋輸出電平為"B二O。
4、 輸出電流f。由負向正切換[t廣t4]:
第一三電平降壓電路1和第二三電平降壓電路2交替工作，包含工作模態(tài)IV、
v、 vi和工作模態(tài)i、 n、 m。
工作模態(tài)VI:如圖2 (f)所示，第二功率開關管&在此前已關斷，當第四功率開
6關管&也關斷，由于電感電流Z'u對功率器件寄生結電容的抽流作用，橋臂電壓"B快速 上升，當增大到"B〉W，第一功率開關管&的寄生體二極管在感應電勢"A作用下導通， 第二電感Z2的電流Zb通過第三功率二極管D3和第一功率開關管&的寄生體二極管續(xù) 流，線性下降，橋臂輸出電平為"A二CA。
為實現以上工作原理，采用控制方案如附圖4所示圖中，ZV為電壓環(huán)輸出即電流 基準。第三功率開關管&和第四功率開關管S4的控制十分簡單，采用開環(huán)控制，在電 流基準大于零的正半周，使第三功率開關管&一直導通，第四功率開關管S4—直截止， 電流基準小于零的負半周，使第三功率開關管&一直截止，第四功率開關管S4—直導 通。第三功率開關管&和第四功率開關管&在整個工頻周期均只開關一次，死區(qū)影響 可忽略不計。第一功率開關管&和第二功率開關管&采用滯環(huán)電流PWM控制，是分 別采樣兩電感&和丄2的電流，經兩個滯環(huán)比較器后分別得到第一功率開關管&和第二 功率開關管&管的驅動。
權利要求
1. 一種二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一三電平降壓電路(1)、第二三電平降壓電路(2)、第三功率二極管(D3)。其中第一三電平降壓電路(1)中包括第一功率開關管(S1)、第三功率開關管(S3)、第一功率二極管(D1)；第二三電平降壓電路(2)中包括第二功率開關管(S2)、第四功率開關管(S4)、第二功率二極管(D2)。本發(fā)明二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器的特征在于，第一三電平降壓電路(1)中，第一功率開關管(S1)的漏極與第一外界電源(U1)的正端連接，第一功率開關管(S1)的源極與第三功率開關管(S3)的源極連接，第三功率開關管(S3)的漏極與第一功率二極管(D1)的陰極連接，第一功率二極管(D1)的陽極接地，第一電感(L1)的一端接入第一功率開關管(S1)的源極與第三功率開關管(S3)的源極之間；第二三電平降壓式電路(2)中，第二功率開關管(S2)的源極與第二外界電源(U2)的負端連接，第二功率開關管(S2)的漏極與第二功率二極管(D2)的陽極連接，第二功率二極管(D2)的陰極與第四功率開關管(S4)的漏極連接，第四功率開關管(S4)的源極接地，第二電感(L2)的一端接入第二功率開關管(S2)的漏極與第二功率二極管(D2)的陽極之間；第一電感(L1)的另一端與第二電感(L2)的另一端相連接入由濾波電容(Cf)和負載(R)并聯構成的濾波電容和負載電路3的一端，濾波電容(Cf)和負載(R)的另一端同時接地。第三功率二極管(D3)的陽極接入第二功率開關管(S2)的漏極與第二功率二極管(D2)的陽極之間，第三功率二極管(D3)的陰極接入第一功率開關管(S1)的源極與第三功率開關管(S3)的源極之間；第一外界電源(U1)的負端與第二外界電源(U2)的正端相連并且在連接點接地。
全文摘要
一種二極管箝位三電平雙降壓式半橋逆變器，包括第一三電平降壓電路和第二三電平降壓電路，并通過第三功率二極管箝位橋臂電壓。本發(fā)明的優(yōu)點是保留了三電平變換器本身輸出電壓諧波含量小的優(yōu)點，有助于減小濾波器，降低了PWM調制部分的開關頻率和開關損耗，提高效率；功率器件電壓應力低，使中小功率的開關器件可適用于高壓、大功率的場合；繼承了半橋型逆變器電路無橋臂直通、無開關管體二極管反向恢復問題的優(yōu)點；結構和控制方案較為簡單，易于實現；PWM調制電路單元采用滯環(huán)電流控制方案，逆變器動態(tài)性能好。
文檔編號H02M7/48GK101483397SQ20091002467
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月26日 優(yōu)先權日2009年2月26日
發(fā)明者峰 洪, 王成華, 頡 鄭 申請人:南京航空航天大學