專利名稱：一種三電感雙Buck逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明公布了 一種三電感雙Buck逆變器，屬電力電子變換器。
背景技術(shù)：
隨著能源危機的日益加劇，太陽能、風(fēng)能、燃料電池等新能源受到越來越多的關(guān)注。如何將這些能源變換為可利用的交直流電是當(dāng)前研究的熱點；分布式發(fā)電系統(tǒng)被廣泛應(yīng)用于這樣的場合，分布式系統(tǒng)通常需要采用DC/DC+DC/AC的兩級式結(jié)構(gòu):前級DC/DC完成逆變器輸入輸出電壓匹配及電氣隔離；后級DC/AC完成直交轉(zhuǎn)換并給終端負載供電。而逆變器作為系統(tǒng)的重要組成部分，直接決定著輸出電能質(zhì)量；高可靠性、高功率密度和高效率是衡量逆變器性能的重要指標。傳統(tǒng)雙Buck逆變器由于具有無橋臂直通、可靠性高、輸出波形質(zhì)量好、效率高等優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于高可靠性場合；但是由于需要兩個獨立的輸出濾波電感且每個電感僅工作半個周期，磁性元件利用率低，系統(tǒng)體積重量大，影響了雙Buck逆變器的應(yīng)用。目前，針對雙Buck逆變器磁性元件利用率低的缺點主要的解決方法有如下幾種:(I)共用磁芯直接耦合方案。這種方法是通過直接將兩個電感繞組耦合到一個磁芯上。根據(jù)同名端連接不同，又分為兩種耦合方式。這種方案的優(yōu)點是電感耦合比較簡單；但是由于兩個電感存在耦合關(guān)系，在其中一個繞組上施加電壓時會在另一個繞組上產(chǎn)生一個根據(jù)匝比關(guān)系對應(yīng)的電壓。由于實際繞制的電感不可能保證兩個繞組對應(yīng)的電感值完全對稱，會在電路產(chǎn)生不可預(yù)測的環(huán)流。而且環(huán)流對應(yīng)的回路中阻抗很小，很小的電壓差即可產(chǎn)生很大的環(huán)流電流。環(huán)流的存在將嚴重影響電路工作的可靠性和整機效率。(2)雙磁芯四繞組方案。將每個電感繞組平均分繞在兩個磁芯上，每個電感的感值為原電感的一半，將其中一個電感繞組同名端相連，另一個電感則異名端相連。假設(shè)兩個磁芯任何時候參數(shù)都相等(理想情況)，則在匝數(shù)相等的條件下，兩個電感可以實現(xiàn)完全解耦，即在一個電感上施加電壓，另一個電感上感應(yīng)的電壓值為零。但是，實際上兩個磁芯的工作狀態(tài)不可能保證完全相同，如兩個磁芯本身參數(shù)(磁導(dǎo)率等)就不可能完全相等，導(dǎo)致一個電感的兩半繞組電壓不同，在非工作的一路電感上感應(yīng)有電壓，導(dǎo)致存在環(huán)流的可能。且磁導(dǎo)率等磁芯參數(shù)隨著溫度等環(huán)境條件影響較大，故難以保證非工作電感感應(yīng)電壓為零。因此也存在方案(I)所述的環(huán)流。(3)共用磁芯完全解耦磁集成方案。這種方案針對EE型磁芯，把傳統(tǒng)雙Buck逆變器的電感LI繞在中柱上，電感L2則均分成兩部分，分別繞在磁芯的兩個側(cè)柱上。在其中一個電感上施加電壓工作時，另外一個電感由于磁通抵消不會產(chǎn)生感應(yīng)電壓，因此兩者都不會相互影響，是完全解耦的。但事實上該方案并沒有減小雙Buck逆變器所需的電感值，雖然提高了磁芯的使用率但是所需的磁芯的型號將會增大，因此并不能真正的減小電感的體積和重量
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對傳統(tǒng)雙Buck逆變器濾波電感體積重量大的缺點，提出了一種三電感雙Buck逆變器，在不降低逆變器效率的基礎(chǔ)上，有效的減小了雙Buck逆變器的電感值，提高了磁性元件利用率，實現(xiàn)了高功率密度。實現(xiàn)上述目的的三電感雙Buck逆變器由兩個開關(guān)管，兩個二極管，兩個直流濾波電感，一個交流濾波電感，兩個輸入電容，一個輸出濾波電容組成。該變換器由開關(guān)管Sp 二極管D1依次串聯(lián)構(gòu)成第一橋臂，由二極管D2、開關(guān)管S2依次串聯(lián)構(gòu)成第二橋臂；直流濾波電感Ldc1、Ldc2跨接在兩橋臂中點間，Ldcl, Ldc2公共端接交流濾波電感Lac，Lac另一端接濾波電容4及負載R。其特征在于:將傳統(tǒng)雙Buck逆變器的兩個獨立電感變換為兩個直流濾波電感Ldel、Ldc2利一個交流濾波電感Lac來替代。提高了雙Buck逆變器電感的利用率，減小了總的電感值。本發(fā)明提出的三電感雙Buck逆變器有如下優(yōu)點:1)保留了傳統(tǒng)雙Buck逆變器的優(yōu)點；2)三電感雙Buck逆變器的電感值小，提高了磁性元件利用率，減輕了系統(tǒng)的體積重量，降低了系統(tǒng)的成本；


圖1為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器實施示意圖。圖2為傳統(tǒng)雙Buck逆變器的實施示意圖。圖3為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器工作模態(tài)示意圖。圖4從上之下依次為具體實施中三電感雙Buck逆變器的輸出電壓Vout，直流濾波電感Ldel、Lde2的電流iLi、iL2及交流濾波電感Lac的電流iL.圖5從上之下依次為具體實施中三電感雙Buck逆變器開關(guān)管SpS2的占空比d1、d2，開關(guān)管S2兩端電壓V—ds2及二極管D2兩端電壓V—d2。圖6上之下依次為具體實施中三電感雙Buck逆變器開關(guān)管S1J2的占空比d1,d2,流過二極管D2電流id2及開關(guān)管S2體二極管的電流id4。圖7為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器的第一橋臂開關(guān)管S1由開關(guān)管S1和二極管串聯(lián)組成的單元替代，第二橋臂開關(guān)管S2由開關(guān)管S2和二極管串聯(lián)組成的單元替代的實施示意圖。圖8為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器在輸出功率為IkVA場合應(yīng)用時，直流濾波電感Ldc1、Ldc2和交流濾波電感Lac的實物圖。圖9為本發(fā)明的三路三電感雙Buck逆變器分別作為A、B和C三相，組合成的三相逆變器實施示意圖。圖10為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器構(gòu)成的級聯(lián)多電平逆變器實施示意圖。圖11為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器及變換而成的逆變器的SPWM控制框圖。圖12為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器及變換而成的逆變器的滯環(huán)控制框圖。圖13為本發(fā)明的三電感雙Buck逆變器構(gòu)成的級聯(lián)多電平逆變器的控制框圖。
具體實施例方式以下結(jié)合具體實施方式
并對照附圖，對本發(fā)明做進一步說明。
圖1為三電感雙Buck逆變器電路。當(dāng)逆變器電感Ldcl電流為正時，逆變器分為以下四個工作模態(tài)，其中電感電流方向如圖1所示:模態(tài)1:開關(guān)管S1導(dǎo)通時，由于開關(guān)管S2和二極管D2寄生電容Cs2、Cd2的存在，Cs2經(jīng)輸入電源Uin、直流濾波電感Ldc;1、Ldc;2和Cd2回路進行充電，Cd2經(jīng)直流濾波電感Ldc;1、Ldc;2和Cs2回路進行放電，ildc;1、ildc;2電流正向諧振上升，Cs2兩端電壓上升，Cd2兩端電壓下降。直至Cd2兩端電壓下降為零時該工作模態(tài)結(jié)束，由于交流濾波電感La。值較大，電流線性上升。模態(tài)2:當(dāng)Cd2兩端電壓下降為零后，D2自然導(dǎo)通；此時，S1依然導(dǎo)通，S2和D1均關(guān)斷，iLdcl、U。、正向線性增加，Ildc2正向線性減小。I旲態(tài)3:Dj導(dǎo)通時，SpS2和D2均關(guān)斷，由于開關(guān)管S2和_■極管D2寄生電容Cs2、Cd2的存在，Cd2經(jīng)輸入電源Um、直流濾波電感Ldc;1、Ldc2和D1形成的回路進行充電，Cs2經(jīng)直流濾波電感Ldc;1、Ldc;2和D1回路進行放電，ildc;1電流諧振下降，i1(k2電流反向諧振下降，Cd2兩端電壓上升，Cs2兩端電壓下降。直至Cs2兩端電壓下降為零時該工作模態(tài)結(jié)束。模態(tài)4:當(dāng)Cs2兩端電壓下降為零后，S2的體二極管Ds2自然導(dǎo)通；此時，D1依然導(dǎo)通，S2和S1均關(guān)斷，C2充電，iLdcl、iLac正向線性減小，Iidc2反向線性減小。當(dāng)逆變器電感Lde2電流為負時，工作模態(tài)也分為四個模態(tài)，與正半周期時相同。為了說明三電感雙Buck逆變器可以減小磁芯尺寸，現(xiàn)簡要分析如下:設(shè)傳統(tǒng)雙Buck逆變器每個電感所需感值為L，流過的最大電流幅值為Ip，有效值為I。，取電流密度為jmax，最大工作磁密為Bmax，電感匝數(shù)為N，窗口系數(shù)為Ku，則傳統(tǒng)雙Buck逆變器每個電感所需的磁芯尺寸為:
權(quán)利要求
1.一種三電感雙Buck逆變器，其特征在于:該變換器由開關(guān)管S1、二極管D1依次串聯(lián)構(gòu)成第一橋臂，由二極管D2、開關(guān)管S2依次串聯(lián)構(gòu)成第二橋臂；直流濾波電感Ldc;1、Ldc;2跨接在兩橋臂中點間，Ldcl^Ldc2公共端接交流濾波電感La。，Lac另一端接濾波電容Cf及負載R。
2.權(quán)利要求1所述的三電感雙Buck逆變器，其特征在于所述電路中第一橋臂的開關(guān)管S1由開關(guān)管和二極管串聯(lián)組成的單元替代，第二橋臂的開關(guān)管S2由開關(guān)管和二極管串聯(lián)組成的單元替代。
3.權(quán)利要求1、2所述的三電感雙Buck逆變器，其特征在于所述電路中直流濾波電感Ldcl > Ldc2采用稱合電感實現(xiàn)。
4.權(quán)利要求1、2和3所述的三電感雙Buck逆變器組成的三相逆變器，其特征在于采用三個三電感雙Buck逆變器分別作為A、B和C三相；三相共用直流母線電壓Um,且三相共用直流輸入側(cè)電容C1、C2的公共點形成中點，組合成三相逆變器。
5.權(quán)利要求1、2、3和4所述逆變器的控制方法，其特征在于:逆變器輸出電壓與電壓基準比較產(chǎn)生的誤差信號作為電流基準；采樣交流濾波電感La。電流與電流基準比較得到電流誤差信號，電流誤差信號與三角載波交截得到PWM信號驅(qū)動開關(guān)管。
6.權(quán)利要求1、2、3和4所述逆變器的控制方法，其特征在于:逆變器輸出電壓與電壓基準比較產(chǎn)生的誤差信號作為電流基準，采樣交流濾波電感La。電流與電流基準經(jīng)滯環(huán)比較器比較得到PWM信號驅(qū)動開關(guān)管。
7.權(quán)利要求1、2和3所述的三電感雙Buck逆變器構(gòu)成的級聯(lián)多電平逆變器，其特征在于將N路三電感雙 Buck逆變器的輸出端首尾順次相連構(gòu)成，N為大于等于2的自然數(shù)。
8.權(quán)利要求7所述的級聯(lián)多電平逆變器的控制方法，其特征在于:逆變器輸出電壓與電壓基準比較產(chǎn)生的誤差信號作為電流基準，采樣交流濾波電感La。電流與電流基準比較得到電流誤差信號；電流誤差信號與N路三角載波交截得到N路三電感雙Buck逆變器的PWM驅(qū)動信號，其中N路三角載波依次互差2 π /N度。
全文摘要
一種三電感雙Buck逆變器，由兩個開關(guān)管，兩個二極管，兩個直流濾波電感，一個交流濾波電感，兩個輸入電容，一個輸出濾波電容組成。該變換器由開關(guān)管S1、二極管D1依次串聯(lián)構(gòu)成第一橋臂，由二極管D2、開關(guān)管S2依次串聯(lián)構(gòu)成第二橋臂；直流濾波電感Ldc1、Ldc2跨接在兩橋臂中點間，Ldc1、Ldc2公共端接交流濾波電感Lac，Lac另一端接濾波電容Cf及負載R。該變換器的優(yōu)點是大大減小了傳統(tǒng)雙Buck逆變器的輸出濾波電感值，使變換器整體的體積、重量大為減小，有利于變換器的高功率密度、高可靠性集成。本發(fā)明同時適用于由上述三電感雙Buck逆變器構(gòu)成的組合式三相逆變器和級聯(lián)多電平逆變器及其相應(yīng)的控制方式。所涉及的逆變電路及控制方法在UPS、航空電源、風(fēng)能及太陽能發(fā)電等場合有很好的應(yīng)用前景。
文檔編號H02M7/48GK103107720SQ201210337750
公開日2013年5月15日 申請日期2012年9月5日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月5日
發(fā)明者張方華, 王旭東, 肖旭 申請人:南京航空航天大學(xué)