[發明專利]具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器

在審

• 申請號: 201410241876.5
• 申請日: 2014-06-03
• 公開（公告）號: CN103997248A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 丁新平;吳苓芝;魏文健
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: H02M7/5387
• 分類號: H02M7/5387
• 代理公司: 青島高曉專利事務所 37104
• 代理人: 黃曉敏

技術領域：

本發明屬于直流-交流逆變設備技術領域，涉及一種直流-交流逆變器，特別是一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器。

背景技術：

現有的改進變壓器型Z-源逆變器，包括一個電感、兩個電容、一個整流二極管、一個耦合電感和三相電壓型橋式逆變電路，這種改進變壓器型Z-源逆變器改善了傳統Z-源逆變器/準Z-源逆變器的輸入電流連續性和升壓比。然而，由于耦合電感漏感的振鈴和線路中寄生電感的存在，導致開關器件的電壓應力較高，并產生更多的電磁干擾(EMI)。漏感和寄生電感會導致直流鏈電壓的電壓尖峰和振鈴，會損壞有源器件，并降低整個系統的效率。同時，逆變橋開關管“直通”狀態的硬開關環境對系統效率影響較大。因此，尋求設計一種結構簡單、耗能低、電磁干擾小、效率高的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器。

發明內容：

本發明的目的在于克服現有技術存在的缺點，尋求設計提供一種具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關單級可升壓逆變器，其功率開關管數量少，工作在軟開關環境下，損耗低，電磁干擾影響小，實現高效率能量轉換。

為了實現上述目的，本發明的主體結構包括直流電源、電感、第一電容、第二電容、第一整流二極管、第二整流二極管、由第一繞組與第二繞組組成的耦合電感和由六個絕緣柵雙極型晶體三極管(IGBT)與六個反并聯二極管組合構成的三相電壓型橋式逆變電路；耦合電感的第一繞組與第二繞組互為同名端，電感的一端與直流電源的正極相連，電感的另一端與第二電容的負極相連，第二電容的正極與三相電壓型橋式逆變電路相連，第一整流二極管的陰極與耦合電感的第二繞組相連，第一整流二極管與由第一繞組及第二繞組組成的耦合電感串聯后并聯在第二電容的兩端，第二整流二極管的陽極與第一整流二極管的陽極相連，第二整流二極管的陰極與第一繞組和第二繞組的公共端及第一電容的正極相連，第一電容的負極與直流電源的負極及三相電壓型橋式逆變電路相連；三相電壓型橋式逆變電路包括六個橋臂，每個橋臂由一個絕緣柵雙極性晶體三極管(IGBT)和一個反并聯二極管配接組成，三相電壓型橋式逆變電路的輸出端由相互對應的三組橋臂分別接出，三相電壓型橋式逆變電路為整個裝置的輸出端，接收直流電能，輸出交流電能。

本發明涉及的具有高電壓增益的開關耦合電感軟開關電感單級可升壓逆變器存在三種工作過程，即三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程、三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程和逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程；三相電壓型橋式逆變電路直通的工作過程為：三相電壓型橋式逆變電路直通之前，電路工作在典型的非直通模式，此時第一整流二極管導通，耦合電感將第一整流二極管的能量傳送到負載，當三相電壓型橋式逆變電路導通時，通過第二繞組的漏感電流逐漸從反并聯二極管傳到三相電壓型橋式逆變電路，電感和耦合電感的勵磁電感充電，當耦合電感第二繞組的漏感電流降到零時，第一整流二極管自然關斷，耦合電感第二繞組的漏感減少第一整流二極管的反向恢復問題，并實現三相電壓型橋式逆變電路的零電流軟開關；三相電壓型橋式逆變電路關斷的工作過程為：三相電壓型橋式逆變電路關斷時，采用PWM(脈沖寬度調制)信號控制三相電壓型橋式逆變電路中絕緣柵雙極性晶體三極管(IGBT)的關斷，由于三相電壓型橋式逆變電路存在并聯寄生電容，電容電壓不能突變，電感和耦合電感第一繞組的漏感給三相電壓型橋式逆變電路的并聯寄生電容充電，直到并聯寄生電容兩端的電壓值達到V_c1+V_c2，三相電壓型橋式逆變電路實現零電壓軟關斷，此時三相電壓型橋式逆變電路并聯寄生電容兩端的電壓箝位到V_c1+V_c2，從而第一整流二極管和第二整流二極管同時導通，因此增加的第二整流二極管能阻止三相電壓型橋式逆變電路兩端的電壓超過V_c1+V_c2，耦合電感第一繞組的漏感電流減小，儲存在漏感中的能量在非諧振模式下釋放給負載，通過第二整流二極管的電流降到零時，第二整流二極管在零電流軟開關環境下關斷，減少二極管的反向恢復性能；逆變器工作在傳統零狀態和傳統有效狀態的工作過程：電路工作在反并聯二極管導通、反并聯二極管關斷的穩定工作運行狀態，開始逆變器工作在傳統零狀態，之后逆變器工作在傳統有效狀態，此時逆變橋可看做一個電流源，輸入電壓、電感和耦合電感第一繞組的漏感一起給輸出級、第一電容和第二電容充電，最后逆變器再次工作在傳統零狀態；其中V_c1為第一電容兩端的電壓，V_c2為第二電容兩端的電壓。