本發(fā)明涉及逆變器領(lǐng)域，尤其是一種基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器。

背景技術(shù)：

逆變器是把直流電能(電池、蓄電瓶)轉(zhuǎn)變成交流電(一般為220V,50Hz正弦波)，通俗的講，逆變器是一種將直流電(DC)轉(zhuǎn)化為交流電(AC)的裝置，它由逆變橋、控制邏輯和濾波電路組成；常用逆變器的DC/DC級(jí)采用移相全橋電路是應(yīng)用較多的DC/DC變換器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作效率高，但也存在占空比丟失的問題，對(duì)輸出波形質(zhì)量有不良的影響；在現(xiàn)有的技術(shù)中，都含有眾多的磁件，如濾波電感、高頻變壓器等，而磁件占據(jù)逆變器最大的重量和體積，是影響整個(gè)逆變器功率密度的最主要因素，而很多對(duì)體積和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，功率密度是最為重要的；根據(jù)發(fā)明專利(CN102570830B)其只是將電感集成為耦合電感，即有耦合電感和高頻變壓器兩個(gè)磁件，耦合電感能減少移相控制的方式下的占空比丟失問題，但還沒有達(dá)到功率密度最高，體積和重量還有進(jìn)一步減小的空間，為了解決這一問題，現(xiàn)有的技術(shù)尤其是采用耦合電感的方式，逆變器中所有的磁件都進(jìn)行了集成，即將耦合和高頻變壓器集成在一個(gè)磁件中，大大減小了磁件的體積，增加了逆變器的功率密度，迅速降低高頻變壓器原邊電流而減少占空比丟失，可以使本發(fā)明擴(kuò)大應(yīng)用場(chǎng)合，尤其是應(yīng)用在空間站、潛艇、艦船、飛機(jī)等對(duì)逆變器體積和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，控制方法簡(jiǎn)單，逆變器效果好。

本發(fā)明就是為了解決以上問題而進(jìn)行的改進(jìn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明需要解決的技術(shù)問題是提供一種克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，能夠?qū)⑷侩姼泻妥儔浩骷稍谝粋€(gè)磁件，減少體積和重量，提高逆變器整體功率密度，還能實(shí)現(xiàn)減少占空比丟失，保證濾波質(zhì)量的基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器。

本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器，包括含有前級(jí)DC/DC全橋和后級(jí)DC/AC逆變橋的兩級(jí)變換電路，所述前級(jí)DC/DC全橋電路中含有雙LC濾波電路；

所述雙LC濾波電路中含有雙濾波電感和倍壓整流雙電容支路；

所述雙LC濾波電路中的雙濾波電感和高頻變壓器集成在EE型磁芯中；

所述EE型磁芯中含有左柱、中柱和右柱，左柱和右柱分別位于EE型磁芯的兩邊，中柱位于EE型磁芯的中間；

進(jìn)一步的，所述雙濾波電感包括電感L_f1和電感L_f2，所述電感L_f1和電感L_f2分別繞在EE型磁芯的左柱和右柱上并形成耦合電感，電感L_f1上設(shè)置有第一繞組，電感L_f2上設(shè)置有第二繞組，所述第一繞組的末端與第二繞組的末端相連；所述高頻變壓器設(shè)置有原邊T_P和副邊T_S，變壓器原邊T_P和副邊T_S繞在EE型磁芯的中柱上，高頻變壓器上設(shè)置有第三繞組；

更進(jìn)一步的，所述倍壓整流雙電容支路包括二極管D_r1、二極管D_r2和電容C_r1、電容C_r2，所述電容C_r1、電容C_r2相互串聯(lián)，電容C_r1的一端與二極管D_r1的負(fù)極相連，二極管D_r1的正極連接在第一繞組的首端，電容C_r2的一端與二極管D_r2的正極相連，二極管D_r2的負(fù)極連接在第二繞組的首端；

所述前級(jí)DC/DC全橋電路中還包含有開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₂、開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₄，二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃和二極管D₄，所述二極管D₁、二極管D₂、二極管D₃和二極管D₄分別為開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₂、開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₄的寄生二極管，所述開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₃串聯(lián)形成第一支路，開關(guān)管S₂和開關(guān)管S₄串聯(lián)形成第二支路，所述第一支路和第二支路并聯(lián)后分別連接在電源電壓V_in的正負(fù)極上，所述V_in表示太陽能電池板經(jīng)蓄電池輸出的電壓；

具體的，所述開關(guān)管S₁、開關(guān)管S₂、開關(guān)管S₃和開關(guān)管S₄均為理想開關(guān)管；

其中，所述后級(jí)DC/AC逆變橋電路中含有開關(guān)管Q₁、開關(guān)管Q₂、開關(guān)管Q₃、開關(guān)管Q₄和電阻R₀，開關(guān)管Q₁、開關(guān)管Q₃串聯(lián)形成第三支路，開關(guān)管Q₂、開關(guān)管Q₄串聯(lián)形成第四支路，第三支路和第四支路并聯(lián)后再與倍壓整流雙電容支路相并聯(lián)；

所述開關(guān)管Q₁、開關(guān)管Q₂、開關(guān)管Q₃和開關(guān)管Q₄均為理想開關(guān)管；

所述高頻變壓器上第三繞組的首端分別與開關(guān)管S₁和開關(guān)管S₃相連，第三繞組的末端分別與電容C_r1和電容C_r2相連。

本發(fā)明的有益效果在于：本逆變器具備升壓和逆變兩個(gè)功能，即逆變器的DC/DC級(jí)進(jìn)行升壓，DC/AC級(jí)輸出交流電，可實(shí)現(xiàn)從48VDC直流輸入到負(fù)載端220VAC交流輸出的變換，采用磁集成技術(shù)將逆變器中所有磁件，包含兩個(gè)濾波電感和一個(gè)變壓器集成在一個(gè)磁件中，能實(shí)現(xiàn)減少占空比丟失，且由于磁件都集成在了同一個(gè)磁件，體積更小，功率密度更高，尤其可應(yīng)用在空間站、潛艇、艦船、飛機(jī)等對(duì)逆變器體積和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合，功率密度高，可廣泛用在太陽能光伏系統(tǒng)、蓄電池發(fā)電系統(tǒng)、智能電網(wǎng)微網(wǎng)系統(tǒng)等直流發(fā)電逆變的場(chǎng)合。

附圖說明

圖1是基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器的示意圖。

圖2是雙濾波電感和變壓器三磁件集成的磁芯示意圖。

圖3是雙濾波電感和變壓器三磁件集成的磁路圖。

圖4是前級(jí)DC/DC全橋電路高頻工作波形。

圖5是開關(guān)模態(tài)1(t0,t1)的等效電路示意圖。

圖6是開關(guān)模態(tài)2(t1,t2)的等效電路示意圖。

圖7是開關(guān)模態(tài)3(t2,t3)的等效電路示意圖。

圖8是開關(guān)模態(tài)4(t3,t4)的等效電路示意圖。

圖9是開關(guān)模態(tài)5(t4,t5)的等效電路示意圖。

圖10是工頻工作波形。

圖11是集成磁件和分立磁件的電感電流和變壓器電流對(duì)比。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)手段、創(chuàng)作特征、達(dá)成目的與功效易于明白了解，下面結(jié)合圖示與具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

參照?qǐng)D1所示，該基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器的特征結(jié)構(gòu)是從直流電源的48VDC到負(fù)載端220VAC，圖1中：

(1)V_in表示太陽能電池板經(jīng)蓄電池輸出的電壓；

(2)開關(guān)管S₁、S₂、S₃、S₄和Q₁、Q₂、Q₃、Q_4均為理想開關(guān)管，其中D₁、D₂、D₃、D₄為開關(guān)管S₁、S₂、S₃、S₄的寄生二極管；

(3)將雙濾波電感L_f1、L_f2和高頻變壓器集成在EE型磁芯中，其中高頻變壓器原邊T_P和副邊T_S繞組繞在磁芯中柱，雙濾波電感繞在左右兩邊柱。

(4)電感L_f1和L_f2繞在一個(gè)磁芯上為耦合電感，V_Lf1和V_Lf2分別為L_f1和L_f2上電壓；

(5)二極管D_r1、D_r2和電容C_r1、C_r2構(gòu)成倍壓整流電路，電容C_r1、C_r2上電壓為V_Cr1、V_Cr2，倍壓整流輸出電壓為V_DC，且V_DC＝V_Cr1+V_Cr2，進(jìn)而達(dá)到倍壓的效果，且C_r1＝C_r2，V_Cr1＝V_Cr2＝V_DC/2；

(6)輸出交流電壓為V_o。

將圖1中所有的磁件進(jìn)行集成，包括兩個(gè)濾波電感和一個(gè)高頻變壓器，集成磁件中，兩濾波電感在左右兩柱上，變壓器在中柱上。各個(gè)磁件的耦合可根據(jù)工作的具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。集成磁件中的變壓器原副邊繞組在中柱上，滿足匝比的關(guān)系，即集成磁件能實(shí)現(xiàn)變壓器的變比的功能；集成磁件中的濾波電感同其后的倍壓整流雙電容支路構(gòu)成雙LC濾波電路，具有倍壓功能和濾波功能，通過集成磁件中的電感耦合還能快速減少續(xù)流時(shí)間以減少占空比丟失，減少占空比丟失；

實(shí)施中，所述的DC/DC移相全橋電路輸出經(jīng)SPWM調(diào)制的工頻正弦半波電壓，DC/AC逆變橋?qū)φ野氩妷哼M(jìn)行翻轉(zhuǎn)即可輸出交流電。由于DC/AC逆變橋工作在工頻，控制簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗低、整體效率高；

上述基于基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的移相全橋逆變器的制備步驟可以是：

一、集成磁件布置結(jié)構(gòu)

見圖2集成磁件的磁芯結(jié)構(gòu)示意圖，電感L_f1和L_f2繞在EE磁芯的兩個(gè)側(cè)柱上，變壓器原邊T_P和副邊T_S繞在中柱上，i_Lf1,i_Lf2,i_Tp和i_Ts分別為兩個(gè)電感繞組和變壓器原副邊的電流，V_Lf1,V_Lf2,V_Tp和V_Ts分別為兩個(gè)電感繞組和變壓器原副邊的電壓，N_Lf1,N_Lf2,N_Tp和N_Ts分別為兩個(gè)電感繞組和變壓器原副邊的匝數(shù)，由于兩濾波電感相等令N_Lf1＝N_Lf2＝N_Lf，φ_Lf1,φ_Lf2,和φ_T分別為兩個(gè)電感繞組和變壓器的磁通，且φ_Lf1和φ_Lf2是相互增強(qiáng)的，根據(jù)圖3所示的磁路圖，經(jīng)過推導(dǎo)可分析出集成磁件的雙濾波電感數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下；

其中

同理，經(jīng)過推導(dǎo)可分析出集成磁件的變壓器數(shù)學(xué)模型表達(dá)式如下：

其中

二、集成磁件對(duì)全橋電路開關(guān)模態(tài)的作用設(shè)置和調(diào)整

見圖4為DC/DC級(jí)的高頻工作波形圖,V_S1、V_S2、V_S3、V_S4,G_S為開關(guān)管S₁、S₂、S₃、S₄的驅(qū)動(dòng)信號(hào),T＝t₅-t₀，T為半個(gè)工作周期，前級(jí)DC/DC電路共有以下幾個(gè)開關(guān)模態(tài)：

①如圖5，開關(guān)模態(tài)1(t₀,t₁)。從t₀到t₁，S₁和S₄同時(shí)開通，變壓器原邊電壓為V_in，加在集成磁件原邊繞組T_P上，根據(jù)集成磁件中的變壓器表達(dá)式，V_Tp＝V_in，V_Ts＝n_TV_in，D_r1導(dǎo)通，集成磁件中的電感L_f1開始儲(chǔ)能，電感電流i_Lf1(t)給C_r1充電，D_r2截止，因此i_Lf2(t)＝0,i_Lf1(t)＝i_Ts(t)，集成磁件中的電感電壓V_Lf1和電流i_Lf1(t)以及變壓器原邊電流i_Tp(t)可表述為：

②如圖6，開關(guān)模態(tài)2(t₁,t₂)，在t₁時(shí)刻，S₁和S₄關(guān)斷，i_Tp(t)通過D₂和D₃進(jìn)行續(xù)流，能量反饋給電源，所以V_Tp＝-V_in。D_r1和D_r2都導(dǎo)通，i_Lf1(t)減小，i_Lf2(t)增加，且i_Ts(t)＝i_Lf1(t)-i_Lf2(t)，V_Cr1＝V_Cr2＝V_DC/2。集成磁件中的電感電壓V_Lf1和V_Lf2和電感電流i_Lf1(t)和i_Lf2(t)，以及集成磁件中的變壓器原邊電流iTp(t)的表達(dá)式為：

③如圖7，開關(guān)模態(tài)3(t₂,t₃)，在t₂時(shí)刻，i_Tp(t)減小到零，集成磁件中的變壓器繞組沒有電流，D_r1和D_r2導(dǎo)通，i_Lf1(t)＝i_Lf2(t)，且V_Lf1+V_Lf2＝V_Cr1+V_Cr2＝-V_DC，集成磁件中電感繞組電流i_Lf1(t)和i_Lf2(t)可表示為：

④如圖8，開關(guān)模態(tài)4(t₃,t₄)，在t₃時(shí)刻，i_Lf1(t)和i_Lf2(t)減小到零，原邊電壓V_Ts為-V_Cr2，此時(shí)V_Tp＝-V_Cr2/n_T＝-V_DC/2n_T；

⑤如圖9，開關(guān)模態(tài)5(t₄,t₅)，從t₄時(shí)刻起，下半周期開始，開關(guān)模態(tài)5的工作與開關(guān)模態(tài)1的分析相似。

三、逆變橋控制方式

圖10位工頻工作波形。為使倍壓整流側(cè)輸出正弦半波，S₁和S₄的占空比按照SPWM調(diào)制且保持同步，S₂和S₃的占空比按照SPWM調(diào)制且保持同步，兩組導(dǎo)通占空比互補(bǔ)。經(jīng)正弦半波SPWM調(diào)制后，使倍壓整流側(cè)的兩個(gè)電容電壓V_Cr1和V_Cr2為正弦半波，因?yàn)閂_DC＝V_Cr1+V_Cr2，則V_DC為正弦半波倍壓。

DC/DC級(jí)輸出的工頻半波正弦電壓V_DC經(jīng)工頻逆變橋Q₁、Q₂、Q₃、Q₄產(chǎn)生交流電V_o，如圖11DC/AC級(jí)工頻工作波形示意圖所示，即：

由于逆變橋工作在工頻，且在過零點(diǎn)進(jìn)行切換，其開關(guān)損耗可以忽略不計(jì)，其控制方式簡(jiǎn)單可靠，控制成本低。

四、集成磁件對(duì)電氣性能的作用設(shè)置

圖11中，實(shí)線為集成磁件的電感電流i_Lf1(t)和i_Lf2(t)和變壓器原邊電流i_Tp(t)，虛線為相應(yīng)的分立磁件即沒集成前的電流波形，即電感電流i_Lf1-d(t)和i_Lf2-d(t)和變壓器原邊電流i_Tp-d(t)。

在電源給集成磁件提供電能時(shí)，集成后的變壓器原邊電流和集成前的原邊電流如下公式：

由公式可見，集成后增加了n_LfV_in，即集成后的電流平均值I_av大于集成前的I_av-d,因此可向負(fù)載傳遞更多的能量，且變壓器仍然滿足匝比的關(guān)系，即集成后變壓器繞組性能得到了改善。

在集成磁件給電源反饋能量時(shí)，集成后電感電流和集成前如下公式：

根據(jù)電感的電流表達(dá)式，進(jìn)而可推出變壓器原邊電流：

同集成前的變壓器原邊電流相比，集成后引入了互感M_LF，較小，會(huì)讓原邊電流快速下降，從而減少往電源回饋的電流，提高效率。

本發(fā)明基于雙濾波電感和變壓器三磁件集成的全橋逆變器的積極效果是：

(1)將雙濾波電感和高頻變壓器集成在EE型磁芯中，其中高頻變壓器原副邊繞組繞在磁芯中柱，雙濾波電感繞在左右兩邊柱。將三個(gè)磁件用一個(gè)磁件來代替，體積和重量明顯降低，功率密度提高；

(2)左右兩柱電感繞組磁通互相耦合，集成后的濾波電感能夠減少占空比丟失現(xiàn)象；同時(shí)倍壓整流電容同集成磁件中的濾波電感構(gòu)成雙LC濾波電路，完成濾波和倍壓功能；

(3)中柱變壓器原副邊繞組為強(qiáng)耦合，原副邊電壓關(guān)系等于匝比，即集成后的變壓器繞組仍然具備變壓器的功能；

(4)前級(jí)DC/DC全橋電路控制方法簡(jiǎn)單，效率高，能減少占空比丟失，輸出波形質(zhì)量好；后級(jí)DC/AC按工頻將正弦半波翻轉(zhuǎn)構(gòu)成完整的正弦波形，開關(guān)頻率低，開關(guān)損耗低，控制簡(jiǎn)單；

(5)變換器整體只有一個(gè)集成磁件，重量低、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高；本發(fā)明不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)的電能變換場(chǎng)合，如光伏發(fā)電、直流微網(wǎng)系統(tǒng)等，更可以用在空間站、潛艇、艦船、飛機(jī)等對(duì)逆變器體積和重量有嚴(yán)格要求的場(chǎng)合。

以上顯示和描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征和本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說明書中描述的只是說明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明精神和范圍的前提下本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)都落入要求保護(hù)的本發(fā)明范圍內(nèi)。本發(fā)明要求保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書及其等同物界定。