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CN103825455B - 单电感双Buck全桥逆变器 - Google Patents

单电感双Buck全桥逆变器 Download PDF

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Abstract

一种单电感双Buck全桥逆变器，包括反转电路、双Buck电路，通过反转电路实现逆变。本发明单电感双Buck全桥逆变器解决了传统电路上的桥臂直通问题，与传统半桥型逆变器相比，功率器件的电压应力降低，更加适合高压、大功率的场合；与双降压式逆变器（DBI）电路相比，仅需要一个滤波电感，降低了整个电路的体积和重量以及相应的损耗，具有较高的变换效率；控制方案简单，易于实现，具有较高的可靠性。

Description

单电感双Buck全桥逆变器
技术领域：
本发明涉及一种单电感双Buck全桥逆变器，属电能变换装置中的逆变器。
背景技术：
随着电力电子技术的发展，逆变器得到了广泛的研究和应用，双降压式逆变器(DualBuck Inverter—以下简称DBI)是近年来被提出以及大量研究的新型逆变器拓扑。与传统的推挽、全桥等逆变器相比，DBI具有无桥臂直通和无开关管寄生二极管反向恢复问题的突出特点，对于电源可靠性要求高的场合尤其适用。DBI为同时实现逆变器的高效率和高可靠性提供了一种简洁的途径，具有很高的研究价值以及广阔的发展背景。DBI与传统半桥逆变器一样，存在以下缺点：DBI需要外接正负直流母线电压，其幅值超过输出电压最大值的两倍，直流电压利用率低，器件电压应力为输入电压的两倍，不适合高压输入场合；桥臂只能输出+1和-1两态电平，工作于双极性调制方式，桥臂输出波形谐波含量大，需要较高的开关频率以及较大的滤波器。此外，DBI中包含两个滤波电感，而在开关电源中磁性元件的体积重量及损耗占有相当大的比例，且随着功率的增大其比例也会变大。
发明内容：
本发明提供一种能保留双降压式逆变器(DBI)高可靠性和高效率优点的单电感双Buck全桥逆变器。
本发明采用如下技术方案：一种单电感双Buck全桥逆变器，包括外接电源U、反转电路和双Buck电路，所述反转电路包括第一功率三极开关管S1、第二功率三极开关管S2、第三功率三极开关管S3及第四功率三极开关管S4，所述双Buck电路包括第五功率三极开关管S5、第六功率三极开关管S6、第一续流二极管D1的阴极、第二续流二极管D2、输出滤波电感L、输出滤波电容C及负载R，所述第一功率三极开关管S1的漏极与外接电源U的正极连接；第一功率三极开关管S1的源极和第三功率三极开关管S3的漏极，连接到第五功率三极开关管S5的漏极；第三功率三极开关管S3的源极与外接电源U的负极连接；第二功率三极开关管S2的漏极与外接电源U的正极连接；第四功率三极开关管S4的源极与外接电源U的负极连接；第二功率三极开关管S2的源极和第四功率三极开关管S4的漏极，连接到输出滤波电容C与负载R相连的一端；输出滤波电容C与负载R的另一端也相连，连接到输出滤波电感L的一端；第一续流二极管D1的阴极和第二续流二极管D2的阳极，连接到输出滤波电感L的另一端；第一续流二极管D1的阳极与外接电源U的负极连接；第二续流二极管D2的阴极与外接电源U的正极连接；第六功率三极开关管S6的漏极连接到第一续流二极管D1的阴极和第二续流二极管D2的阳极的连接点；第六功率三极开关管S6的源极与第五功率三极开关管S5的源极连接。
本发明具有如下有益效果：
（1）解决了传统电路上的桥臂直通问题；
（2）与传统半桥型逆变器相比，功率器件的电压应力降低，更加适合高压、大功率的场合；
（3）与DBI电路相比，仅需要一个滤波电感，降低了整个电路体积和重量以及相应的损耗，具有较高的变换效率；
（4）控制方案简单，易于实现,具有较高的可靠性。
附图说明：
图1是本发明的单电感双Buck全桥逆变器电路结构示意图。
图2是本发明的单电感双Buck全桥逆变器电路各开关模态示意图。
图3是本发明的单电感双Buck全桥逆变器电路采用的控制框图。
其中：
1——反转电路；2——双Buck电路；S1～S6——第一～第六功率三极开关管；D1、D2——第一、第二续流二极管；L——输出滤波电感；C——输出滤波电容；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；drv1～drv6——功率三极开关管S1～S6的驱动。
具体实施方式：
如图1所示，本发明单电感双Buck全桥逆变器中第一功率三极开关管S1的漏极与外接电源U的正极连接；第一功率三极开关管S1的源极和第三功率三极开关管S3的漏极，连接到第五功率三极开关管S5的漏极；第三功率三极开关管S3的源极与外接电源U的负极连接；第二功率三极开关管S2的漏极与外接电源U的正极连接；第四功率三极开关管S4的源极与外接电源U的负极连接；第二功率三极开关管S2的源极和第四功率三极开关管S4的漏极，连接到输出滤波电容C与负载R相连的一端；输出滤波电容C与负载R的另一端也相连，连接到输出滤波电感L的一端；第一续流二极管D1的阴极和第二续流二极管D2的阳极，连接到输出滤波电感L的另一端；第一续流二极管D1的阳极与外接电源U的负极连接；第二续流二极管D2的阴极与外接电源U的正极连接；第六功率三极开关管S6的漏极连接到第一续流二极管D1的阴极和第二续流二极管D2的阳极的连接点；第六功率三极开关管S6的源极与第五功率三极开关管S5的源极连接。
本发明的工作原理是：在输出电压大于零的正半周，第一功率三极开关管S1和第四功率三极开关管S4常开，第二功率三极开关管S2和第三功率三极开关管S3常闭，在输出电流大于零时的正半周，由第五功率三极开关管S5、第六功率三极开关管S6的体二极管、第一续流二极管D1、输出滤波电感L、输出滤波电容C组成的buck电路1工作。在输出电流小于零时的正半周，由第六功率三极开关管S6、第五功率三极开关管S5的体二极管、第二续流二极管D2、输出滤波电感L、输出滤波电容C组成的buck电路2工作；在输出电压小于零的负半周，第二功率三极开关管S2和第三功率三极S3常开，第一功率三极开关管S1和第四功率三极开关管S4常闭，在输出电流大于零时的负半周，buck电路1工作，而在输出电流大于零时的负半周，buck电路2工作。其中，第一、第二、第三、第四功率三极开关管工频调制，起电路反转作用，从而达到逆变目的；双Buck电路部分的第五、第六功率三极开关管高频SPWM调制，以确保输出电压波形。由于本发明中只有一个滤波电感，与DBI相比，不需考虑环流问题，可保证在buck电路工作时不需任何偏置电流，保证逆变器在较高效率和频率下工作。
下面以附图1为主电路结构，结合附图2来叙述本发明的具体工作原理和工作模态。
1.输出电压大于零，输出电流大于零，此时电路包括两个工作模态：
工作模态I：如图2(a)所示，第一功率三极开关管S1、第四功率三极开关管S4常开，第二功率三极开关管S2、第三功率三极开关管S3常闭，第五功率三极开关管S5导通，第六功率三极开关管S6关断，buck电路1工作，电感电流开始线性上升，给负载R供电。
工作模态II：如图2(b)所示，第一功率三极开关管S1、第四功率三极开关管S4常开，第二功率三极开关管S2、第三功率三极开关管S3常闭，第五功率三极开关管S5关断，第六功率三极开关管S6关断，电感电流从第一续流二极管D1续流，线性下降。
2.输出电压小于零，输出电流小于零，此时电路包括两个工作模态：
工作模态Ⅲ：如图2(c)所示，第二功率三极开关管S2、第三功率三极开关管S3常开，第一功率三极开关管S1、第四功率三极开关管S4常闭，第六功率三极开关管S6导通，第五功率三极开关管S5关断，buck电路2工作，电感电流开始线性上升，给负载R供电。
工作模态Ⅳ：如图2(d)所示，第二功率三极开关管S2、第三功率三极开关管S3常开，第一功率三极开关管S1、第四功率三极开关管S4常闭，第六功率三极开关管S6关断，第五功率三极开关管S5关断，电感电流从第二续流二极管D2续流，线性下降。
为实现以上工作原理，采用的控制方案如附图3所示：输出电压反馈uof与电压环基准ur经电压环PI调节得到电流环基准ir。输出电流反馈iof与电流环基准ir经电流环PI调节，再通过SPWM调制以及驱动电路得到第五、第六功率三极开关管S5、S6的驱动信号drv5、drv6。电压环基准ur经过零比较器运算再经过驱动和死区电路得到第一、第二、第三、第四功率三极开关管S1、S2、S3、S4的驱动信号drv1、drv2、drv3、drv4，因为这四个开关管整个工频周期均只开关一次，死区影响可忽略不计。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种单电感双Buck全桥逆变器，包括外接电源(U)、反转电路(1)和双Buck电路(2)，其特征在于：所述反转电路(1)包括第一功率三极开关管(S1)、第二功率三极开关管(S2)、第三功率三极开关管(S3)及第四功率三极开关管(S4)，所述双Buck电路(2)包括第五功率三极开关管(S5)、第六功率三极开关管(S6)、第一续流二极管(D1)、第二续流二极管(D2)、输出滤波电感(L)、输出滤波电容(C)及负载(R)，所述第一功率三极开关管(S1)的漏极与外接电源(U)的正极连接；第一功率三极开关管(S1)的源极和第三功率三极开关管(S3)的漏极，连接到第五功率三极开关管(S5)的漏极；第三功率三极开关管(S3)的源极与外接电源(U)的负极连接；第二功率三极开关管(S2)的漏极与外接电源(U)的正极连接；第四功率三极开关管(S4)的源极与外接电源(U)的负极连接；第二功率三极开关管(S2)的源极和第四功率三极开关管(S4)的漏极，连接到输出滤波电容(C)与负载(R)相连的一端；输出滤波电容(C)与负载(R)的另一端也相连，连接到输出滤波电感(L)的一端；第一续流二极管(D1)的阴极和第二续流二极管(D2)的阳极，连接到输出滤波电感(L)的另一端；第一续流二极管(D1)的阳极与外接电源(U)的负极连接；第二续流二极管(D2)的阴极与外接电源(U)的正极连接；第六功率三极开关管(S6)的漏极连接到第一续流二极管(D1)的阴极和第二续流二极管(D2)的阳极的连接点；第六功率三极开关管(S6)的源极与第五功率三极开关管(S5)的源极连接。
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