CN101958660B - 双Sepic升降压输出并联组合型逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，采用两个既可升压又可降压的Sepic DC/DC电路在输出侧并联组合组成，能够实现升降压单相逆变并可推广到三相系统中实现三相逆变输出。该逆变器的基本功能是：可实现升降压逆变，在输入侧直流电压较低或变化范围较大时，双Sepic升降压输出并联组合型逆变器仍能正常实现逆变功能；两个高频开关管采用非互补工作方式，不同时工作，避免了桥臂直通问题；电路参数设计原则可根据成熟的直流Sepic变换器设计原则进行设计；电感电流工作在连续状态下，减少了EMI的影响。该发明的主要应用为：直流电压较低、变化较快或波动范围较大的可再生能源或新能源发电领域，如光伏发电、小型风电机组、燃料电池发电等。

Description

双Sepic升降压输出并联组合型逆变器

技术领域

本发明是一种电能变换装置中的逆变器，尤其是在可升压也可降压的单相或多相逆变应用当中。

背景技术

随着传统能源的日益耗竭和生态环境的破坏，寻求环保可再生能源和新能源变得日益重要。太阳能，风能，生物能发电技术是应对能源危机，实现可持续发展的核心技术。逆变器是此类发电技术中的不可或缺部分。与传统火力和水力发电技术相比，可再生能源发电装置的装机容量较小，输出功率随自然条件的波动而波动，呈现出随机性，具体表现就是其所提供的直流电压或电流的变化范围较大。传统的逆变器都是buck型，输出的交流电压峰值或峰-峰值总低于输入的直流电压，在应用到可再生能源和新能源发电领域中需要对输出侧交流进行升压或者对输入直流进行升压，显然升压方案会影响整体的变换效率。

传统的输入侧直流升压方案是在逆变器前加一级DC/DC升压变换器，提高逆变器的直流输入电压。另一种方案是在逆变器后加工频升压变压器，提高输出侧交流电压，显然变压器的加入会增加系统成本的同时影响整体的变换效率。变压器或直流变换器的加入势必会对整体的变换效率产生影响，因此，在输入电压大范围波动条件下仍能实现正常逆变输出的非隔离单级型方案更适合应用于可再生能源和新能源发电应用领域中。

发明内容

本发明的目的是用双Sepic电路构建出一种可实现升降压变换的逆变器装置。

技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器包括电容分压电路、第一Sepic电路和第二Sepic电路；电容分压电路由两个相串联的第一电容和第二电容构成，第一电容和第二电容的串联连接点接零电位点N，第一电容另一端接外接电源2Ud的正极，第二电容另一端接外接电源2Ud的负极；第一Sepic电路中，第一功率二极管的阳极接电源2Ud的正极，阴极接第一功率开关管的阳极和第三电容的一端，第一功率开关管的阴极接第一电感的一端，第一电感的另一端接零电位点N，第三电容的另一端接第二电感的一端和第三功率开关管的阳极，第二电感的另一端接第一功率开关管的阴极，第三功率二极管的阳极接第三功率开关管的阴极，第三功率二极管的阴极接负载；第二Sepic电路中，第二功率二极管的阴极接电源2Ud的负极，第二功率二极管的阳极接第二功率开关管的阴极和第四电容的一端，第二功率开关管的阳极接第一功率开关管的阴极，第四电容的另一端接第三电感的一端和第四功率开关管的阴极，第三电感的另一端接第一功率开关管的阴极，第四功率二极管的阴极接第四功率开关管的阳极，第四功率二极管的阳极接负载，同第三功率二极管的阴极接于负载的同一端，负载的另一端接第一功率开关管的阴极。

此种逆变器中的电感可以耦合到同一副磁芯上，通过耦合的方法使单个电感的值和体积都可以减小，减少整体使用磁芯的数量。

本发明所提出的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器包括两个Sepic电路，输入使用电容分压电路，输出接滤波电容和负载。此电路的第一功率开关管和第二功率开关管采用非互补工作方式，不同时导通，各工作在半个工频周期，一个开关管做高频调制工作时另一个开关管保持关断，因此不需要设置死区，避免了桥臂直通问题，而只需要在工频过零处设置适当的错位导通。相对于普通Sepic电路，本发明增加两只在正弦波的半个周期保持开通或关断的单向开关，用于选择由哪个Sepic电路向负载供电。本发明采用单周期控制的方法，逆变器工作时不需要设置偏置电流，电感电流连续，减小了EMI。单周期控制还具有响应迅速，有效抑制电源波动，实现简单等特点。电感L1、L2和L3的值可以较大，流经电感的电流纹波较小，电路可以输出较大的功率。由于输出侧是并联型结构，可以更为容易的构建三相系统。

有益效果：本发明是利用两个Sepic变换器组成的一种既可以升压又可以降压的单级逆变器，具有如下优点：

在输入直流侧电压高于或低于输出交流电压峰-峰值时，此种逆变器仍能正常工作，具有较宽的输入电压范围；采用单周期控制的方法，对输入侧电压的波动具有较强的抑制能力。

Sepic变换器本身在DC/DC变换领域中的应用比较成熟，在DC/DC变换中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中，电路参数选取较为简单，便于设计。

在高频工作的功率开关管无桥臂直通问题，因此不需要设置此两个开关管的死区时间，避免了由于加入死区而带来的波形畸变，易于实现电路的高频化。

电感电流连续，因此输出端只需一个小容量的滤波电容就可以实现较好的正弦波形输出。

附图说明

图1是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器的电路结构示意图；

图2是本发明的三相双Sepic升降压输出并联组合型逆变器构建示意图；

图3-6是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器各开关模态示意图；

图7是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器的功率开关管的驱动波形示意图；

图8是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器的各电感电流和输出电压波形图；

图9是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器采用的控制图；

图10是本发明的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器采用的给定波形及第三和第四功率开关管的驱动波形。

上述附图中的主要符号名称：1.电容分压电路；2.第一Sepic电路；3.第二Sepic电路；C1～C2——输入侧分压大电容。Cf——输出滤波电容。C3～C4——Sepic变换器电容。D1～D4——功率二极管。L1～L3——线性电感。S1～S4——功率开关管。2Ud——逆变器输入电压即直流侧母线电压。iL1——电感L1的电流。iL2——电感L2的电流。iL3——电感L3的电流。R——负载阻抗。Vref1——第一Sepic变换器单周控制的给定。Vref2——第二Sepic变换器单周控制的给定。Rint——积分电路电阻。Cint——积分电路电容。

具体实施方式

如附图1所示，本实施方案的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，包括电容分压电路1、第一Sepic电路2和第二Sepic电路3；电容分压电路由两个相串联的第一电容C1和第二电容C2构成，第一电容和第二电容的串联连接点接零电位点N，第一电容另一端接外接电源2Ud的正极，第二电容另一端接外接电源2Ud的负极；第一Sepic电路中，第一功率二极管D1的阳极接电源2Ud的正极，阴极接第一功率开关管S1的阳极和第三电容C3的一端，第一功率开关管的阴极接第一电感L1的一端，第一电感的另一端接零电位点N，第三电容的另一端接第二电感L2的一端和第三功率开关管S3的阳极，第二电感的另一端接第一功率开关管的阴极，第三功率二极管D3的阳极接第三功率开关管的阴极，第三功率二极管的阴极接负载；第二Sepic电路中，第二功率二极管D2的阴极接电源2Ud的负极，第二功率二极管的阳极接第二功率开关管S2的阴极和第四电容C4的一端，第二功率开关管的阳极接第一功率开关管的阴极，第四电容的另一端接第三电感L3的一端和第四功率开关管S4的阴极，第三电感的另一端接第一功率开关管的阴极，第四功率二极管D4的阴极接第四功率开关管的阳极，第四功率二极管的阳极接负载，同第三功率二极管的阴极接于负载的同一端，负载的另一端接第一功率开关管的阴极。

双Sepic升降压型输出并联组合型逆变器在输出电流大于零的正半周，第一Sepic电路2工作，第二Sepic电路3不工作，功率开关管S4关断，功率开关管S3闭合。此时电路包括两个工作状态：

工作状态I

如附图3所示，功率开关管S1和S3闭合，S2和S4关断，C1，D1，S1，L1构成闭合回路，电源通过D1和S1给L1充电，L1的电流iL1反向线性上升，电容C3与L2构成闭合回路，L2的电流iL2上升。负载R由电容Cf续流。

工作状态II

如附图4所示，功率开关管S1、S2、S4关断，S3闭合，C1，D1，C3，S3，D3，负载，L1构成闭合回路，iL1给电容C3充电，L2，S3，D3负载构成闭合回路，L2通过负载放电。

在输出电流小于零的负半周，第二Sepic电路3工作，第一Sepic电路2不工作，功率开关管S3保持关断，S4全开通。此时电路也包括两个工作状态：

工作状态III

如附图5所示，功率开关管S2和S4开通，S1和S3关断，C2，L1，S2，D2构成闭合回路，电流流过L1返回电源负极，iL1正向线性上升，C4通过L3和S2组成闭合环路，L3的电流iL3正向上升。续流二极管D4截止。

工作状态IV

如附图6所示，功率开关管S1、S2、S3关断，S4开通，C2，L1，负载，D4，S4，C4，D2组成闭合回路，L1通过负载给C4充电，L3，S4，D4同负载构成闭合回路，通过负载放电。

以上四个工作模态可用表1来表示，电路关键波形如附图8所示，在输出电流过零处即两个Sepic电路2、3工作切换的位置，两个Sepic电路2、3交替工作，以维持输出电压波形。

表1双Sepic输出并联组合型逆变器的功率管开关组合状态

为实现上述工作原理，采用控制方案如附图9所示：本文所采用的是单周期控制，选取单向开关两端的电压作为反馈电压，经积分后与两个给定相位相差180°的正弦波的正半周电压相比较，控制S1和S2的关断时间，S1和S2的开通由定频时钟电路触发。S3和S4的驱动波形是工频方波，其相位与控制S1和S2的给定电压相位保持一致，其输出并分别于S1和S2的驱动输出做与，保证S1和S2只在半个周期内开通如附图10所示。控制的效果使得输出电压基准大于零的正半周，开关管S3常开，S2、S4关断，S1调制工作。在电压基准小于零时，开关管S4常开，S1、S3关断，S2调制工作。

Claims (5)

1.一种双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，其特征在于，包括电容分压电路(1)、第一Sepic电路(2)和第二Sepic电路(3)；电容分压电路(1)由两个相串联的第一电容(C1)和第二电容(C2)构成，第一电容(C1)的一端和第二电容(C2)的一端相连，且接零电位点N，第一电容(C1)另一端接外接电源2Ud的正极，第二电容(C2)另一端接外接电源2Ud的负极；第一Sepic电路(2)中，第一功率二极管(D1)的阳极接电源2Ud的正极，阴极接第一功率开关管(S1)的阳极和第三电容(C3)的一端，第一功率开关管(S1)的阴极接第一电感(L1)的一端，第一电感(L1)的另一端接零电位点N，第三电容(C3)的另一端接第二电感(L2)的一端和第三功率开关管(S3)的阳极，第二电感(L2)的另一端接第一功率开关管(S1)的阴极，第三功率二极管(D3)的阳极接第三功率开关管(S3)的阴极，第三功率二极管(D3)的阴极接负载；第二Sepic电路(3)中，第二功率二极管(D2)的阴极接电源2Ud的负极，第二功率二极管(D2)的阳极接第二功率开关管(S2)的阴极和第四电容(C4)的一端，第二功率开关管(S2)的阳极接第一功率开关管(S1)的阴极，第四电容(C4)的另一端接第三电感(L3)的一端和第四功率开关管(S4)的阴极，第三电感(L3)的另一端接第一功率开关管(S1)的阴极，第四功率二极管(D4)的阴极接第四功率开关管(S4)的阳极，第四功率二极管(D4)的阳极接负载，同第三功率二极管(D3)的阴极接于负载的同一端，负载的另一端接第一功率开关管(S1)的阴极。

2.如权利要求1所述的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，其特征在于，第一电感(L1)，第二电感(L2)和第三电感(L3)耦合在同一个磁芯上。

3.一种三相系统，其特征在于，用三个如权利要求1所述的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器构建，三个所述双Sepic升降压输出并联组合型逆变器的输入使用同一个所述电源2Ud和所述电容分压电路。

4.如权利要求1所述的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，其特征在于，外接电源2Ud是大范围变化的电源，它低于或高于输出交流电压峰-峰值，均能使所述双Sepic升降压输出并联组合型逆变器正常工作。

5.如权利要求1所述的双Sepic升降压输出并联组合型逆变器，其特征在于第一、第二、第三和第四功率开关管是带体内反并联二极管的功率开关管，或者是外接反并联二极管的功率开关管。 

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