專利名稱：磁集成雙降壓式半橋逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種雙降壓式半橋逆變器。
背景技術(shù)：
隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，電源正在向著更小體積、更高效率、更高功率密度的方向發(fā)展?，F(xiàn)有研究表明，在開關(guān)電源中磁性元件的體積重量及損耗占有相當(dāng)大的比例。據(jù)統(tǒng)計(jì)，磁件的重量一般要占到變換器總重的20～30％，這個(gè)比例隨著開關(guān)頻率的提升還將進(jìn)一步加大。要減小開關(guān)電源體積重量，提高功率密度，必須對(duì)減小磁件體積、重量及損耗的相關(guān)技術(shù)開展研究。傳統(tǒng)的雙降壓式半橋逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它需要兩個(gè)獨(dú)立的輸出濾波電感使得逆變器的體積和重量較大，限制了其自身實(shí)際應(yīng)用的范圍。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種可以解決現(xiàn)有的雙降壓式半橋逆變器體積和重量較大的技術(shù)問(wèn)題的雙降壓式半橋逆變器。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的磁集成雙降壓式半橋逆變器包括逆變器第一橋臂、逆變器第二橋臂，還包括磁集成耦合電感，磁集成耦合電感包括第一耦合濾波電感和第二耦合濾波電感，逆變器第一橋臂中第一功率開關(guān)管與第一續(xù)流二極管的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感的原邊同名端連接，半橋逆變器第二橋臂中第二功率開關(guān)管與第二續(xù)流二極管的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感的副邊的同名端連接；磁集成耦合電感中，第一耦合濾波電感的原邊和第二耦合濾波電感的原邊串聯(lián)組成磁集成耦合電感的原邊，第一耦合濾波電感的副邊與第二耦合濾波電感的副邊串聯(lián)組成磁集成耦合電感的副邊；第二耦合濾波電感的原邊的輸出端與副邊的輸出端相連接，并連接至濾波電容的正極，濾波電容的負(fù)極接地，負(fù)載與濾波電容并聯(lián)連接。
磁集成耦合電感的結(jié)構(gòu)為其原邊中，第一耦合濾波電感的原邊的異名端與第二耦合濾波電感的原邊的同名端連接；磁集成耦合電感的副邊中，第一耦合濾波電感的副邊的異名端與第二耦合濾波電感的副邊的異名端連接。
磁集成耦合電感的另一種結(jié)構(gòu)為其原邊中，第一耦合濾波電感的原邊的異名端與第二耦合濾波電感的原邊的異名端連接；磁集成耦合電感的副邊中，第一耦合濾波電感的副邊的異名端與第二耦合濾波電感的副邊的同名端連接。
半橋逆變器第一橋臂包括相串聯(lián)的第一功率開關(guān)管和第一續(xù)流二極管，半橋逆變器第二橋臂包括相串聯(lián)的第二功率開關(guān)管和第二續(xù)流二極管；第一功率開關(guān)管的陰極與第一續(xù)流二極管的陰極串聯(lián)，其串接點(diǎn)連于第一濾波電感原邊同名端；第二功率開關(guān)管的陽(yáng)極與第二續(xù)流二極管的陽(yáng)極串聯(lián)，其串接點(diǎn)連于第一濾波電感副邊的同名端。
本發(fā)明針對(duì)傳統(tǒng)的雙降壓式半橋逆變器需要兩個(gè)獨(dú)立的輸出濾波電感使得逆變器的體積和重量較大的問(wèn)題，將兩個(gè)濾波電感集成到兩個(gè)體積和重量較小的磁芯上，通過(guò)一定的繞組連接方式實(shí)現(xiàn)無(wú)偏置電流工作模式，提高系統(tǒng)效率，最終達(dá)到減小逆變器的體積和重量的目的。
本發(fā)明的磁集成雙降壓式半橋逆變器，直流輸入電壓經(jīng)功率開關(guān)管和續(xù)流二極管連于磁集成耦合電感，通過(guò)將兩個(gè)耦合電壓的繞組一側(cè)同名端相連，另一側(cè)同名端和異名端相連，使得耦合電感一側(cè)流過(guò)電流時(shí)，另一側(cè)感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，使逆變器工作在無(wú)偏置電流模式下，保持半橋逆變器的高效率。磁集成耦合電感是由兩個(gè)耦合濾波電感構(gòu)成，每個(gè)磁芯上面分別有兩個(gè)匝數(shù)相等的繞組，且兩個(gè)耦合電感氣隙相等，這樣保證四個(gè)電感大小相等，具體連接方式為原邊同名端相互連接，則副邊同名端和異名端相連；原邊同名端與異名端相連接，則副邊同名端相連接，保證一側(cè)工作時(shí)，另一側(cè)的感應(yīng)電勢(shì)相互抵消，逆變器工作在無(wú)偏置電流模式下。
3、有益效果本發(fā)明采用磁集成技術(shù)將分離的磁件集中繞制在共用磁芯上，通過(guò)合理的耦合方式和參數(shù)設(shè)計(jì)，有效地減小磁件體積和損耗。本發(fā)明是對(duì)傳統(tǒng)雙降壓式半橋逆變器進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新的，磁集成雙降壓式半橋逆變器在保留了原有的優(yōu)點(diǎn)之外，減小了輸出濾波電感的磁芯體積大小，從而減小了整個(gè)逆變器的體積和重量，并提高了系統(tǒng)的效率。
四

圖1是傳統(tǒng)雙降壓式半橋逆變器的主電路框圖；圖2是本發(fā)明磁集成雙降壓式半橋逆變器的主電路框圖；圖2中的標(biāo)號(hào)名稱1輸出正負(fù)母線電壓(±Ud)，2逆變器第一橋臂，3.磁集成耦合電感，4.逆變器第二橋臂；圖3是電流滯環(huán)控制型半橋逆變器工作模態(tài)圖，圖中，(M1)、(M2)是電感電流iL＞0，第一橋臂調(diào)制工作模態(tài)，其中(M1)為“+1”態(tài)，(M2)為“-1”態(tài)；(M3)、(M4)是電感電流iL＜0，第二橋臂調(diào)制工作，其中(M3)為“+1”態(tài)，(M4)為“-1”態(tài)。
圖4是磁集成耦合電感結(jié)構(gòu)示意圖；圖中，A為第一耦合濾波電感，其中LAP為第一耦合電感原邊，LAN為第一耦合濾波電感副邊；定義B為第二耦合濾波電感，其中LBP為第二耦合濾波電感原邊，LBN為第二耦合濾波電感副邊。其中(a)給出的是原邊第一耦合濾波電感(LAP)同名端與第二耦合電感(LBP)原邊異名端相連接，副邊則是第一耦合濾波電感(LAN)異名端與第二耦合濾波電感(LBN)異名端相連；(b)給出的連接方式為第一耦合電感原邊(LAP)的異名端與第二耦合濾波電感原邊(LBP)的異名端相連，副邊連接方式是第一耦合電感副邊(LAN)的異名端與第二耦合電感副邊(LBN)的同名端相連。
圖5是雙降壓式半橋逆變器的輸出電壓與電感電流波形圖，圖中所對(duì)應(yīng)的A、B、C、D四個(gè)區(qū)域分別為A、C是向電源回饋能量，B、D是電源向負(fù)載提供能量；圖中，Uo為雙降壓式半橋逆變器的輸出電壓，il1為電感L1的電流，il2為電感L2的電流。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖2所示，本實(shí)施例的磁集成雙降壓式半橋逆變器，包括逆變器第一橋臂2、逆變器第二橋臂4，還包括磁集成耦合電感3，磁集成耦合電感3包括第一耦合濾波電感A和第二耦合濾波電感B，逆變器第一橋臂2中第一功率開關(guān)管S1與第一續(xù)流二極管D1的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感A的原邊LAP同名端連接，逆變器第二橋臂4中第二功率開關(guān)管S2與第二續(xù)流二極管D2的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感A的副邊LAN的同名端連接；磁集成耦合電感3中，第一耦合濾波電感A的原邊LAP和第二耦合濾波電感B的原邊LBP串聯(lián)組成磁集成耦合電感3的原邊，第一耦合濾波電感A的副邊LAN與第二耦合濾波電感B的副邊LBN串聯(lián)組成磁集成耦合電感3的副邊；第二耦合濾波電感B的原邊LBP的輸出端與副邊LBN的輸出端相連接，并連接至濾波電容Cf的正極，濾波電容Cf的負(fù)極接地，負(fù)載R與濾波電容Cf并聯(lián)連接。
如圖4(a)所示，本實(shí)施例的磁集成耦合電感的結(jié)構(gòu)為磁集成耦合電感3的原邊中，第一耦合濾波電感A的原邊LAP的異名端與第二耦合濾波電感B的原邊LBP的同名端連接；磁集成耦合電感3的副邊中，第一耦合濾波電感A的副邊LAN的異名端與第二耦合濾波電感B的副邊LBN的異名端連接。
本實(shí)施例的磁集成雙降壓式半橋逆變器工作時(shí)，外界的第一電源Ud1與第二電源Ud2串聯(lián)成電源電路1，且串聯(lián)點(diǎn)接地，第一電源Ud1的正極與半橋逆變器第一橋臂2中第一功率開關(guān)管S1的陽(yáng)極連接，第一功率開關(guān)管S1的陰極與第一續(xù)流二極管管D1陰極串聯(lián)，第一續(xù)流二極管管D1的陽(yáng)極與第二電源Ud2的負(fù)極連接；第一電源Ud1的正極與半橋逆變器第二橋臂4中的第二續(xù)流二極管D2的陰極連接，第二功率開關(guān)管S2的陽(yáng)極與第二續(xù)流二極管D2的陽(yáng)極連接，第二功率開關(guān)管S2的負(fù)極與第二電源Ud2的負(fù)極連接。
實(shí)施例2本實(shí)施例與實(shí)施例1的結(jié)構(gòu)基本相同，不同的是本實(shí)施例的磁集成耦合電感的結(jié)構(gòu)如圖4(b)所示磁集成耦合電感3的原邊中，第一耦合濾波電感A的原邊LAP的異名端與第二耦合濾波電感B的原邊LBP的異名端連接；磁集成耦合電感3的副邊中，第一耦合濾波電感A的副邊LAN的異名端與第二耦合濾波電感B的副邊LBN的同名端連接。
如圖3上述兩個(gè)實(shí)施例的磁集成雙降壓式半橋逆變器在無(wú)偏置電流半周期運(yùn)行模式下電流連續(xù)式工作時(shí)的第一橋臂電壓UA輸出電壓+Ud的“+1態(tài)”，第二橋臂電壓UB輸出負(fù)電壓-Ud的“-1態(tài)”，簡(jiǎn)稱為“+1態(tài)”和“-1態(tài)”的兩個(gè)工作狀態(tài)，分別利用兩組開關(guān)模態(tài)(M1、M2)和(M3、M4)來(lái)實(shí)現(xiàn)，開關(guān)模態(tài)組(M1、M2)實(shí)現(xiàn)逆變器的正半周期電流輸出，開關(guān)模態(tài)組(M3、M4)實(shí)現(xiàn)逆變器負(fù)半周期電流輸出，選擇開關(guān)模態(tài)M1時(shí)，第一功率開關(guān)管S1開通，第一續(xù)流二極管D1截止，第二功率開關(guān)管S2和第二續(xù)流二極管D2均處于截止?fàn)顟B(tài)，第一濾波電感原邊LAP的電流流過(guò)第二濾波電感原邊LBP，向負(fù)載R供電，第一橋臂電壓UA輸出等于正電源電壓Ud，即實(shí)現(xiàn)“+1態(tài)”；選擇開關(guān)模態(tài)M2時(shí)，第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷，第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管S2和第二續(xù)流二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，第一濾波電感原邊LAP的電流流過(guò)第二濾波電感原邊LBP并通過(guò)第一續(xù)流二極管D1續(xù)流，向電源回饋能量，第一橋臂電壓UA等于負(fù)輸出電壓-Ud，即實(shí)現(xiàn)“-1態(tài)”；當(dāng)選擇開關(guān)模態(tài)M3時(shí)，第二功率開關(guān)管S2開通，第二續(xù)流二極管D2處于截止?fàn)顟B(tài)，第一功率開關(guān)管S1和第一續(xù)流二極管D1均處于截止?fàn)顟B(tài)，第二濾波電感副邊LAN的電流流過(guò)第二濾波電感副邊LBN，向負(fù)載供電，第二橋臂電壓UB等于正輸出電壓+Ud，即實(shí)現(xiàn)“+1態(tài)”；選擇開關(guān)模態(tài)M4時(shí)，第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷，第二續(xù)流二極管D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一功率開關(guān)管S1和第一續(xù)流二極管D1均處于截止?fàn)顟B(tài)，第二濾波電感副邊LAN的電流流過(guò)第二濾波電感副邊LBN并通過(guò)第二續(xù)流二極管向電源回饋能量，第二橋臂電壓UB輸出電壓等于負(fù)電源電壓-Ud，即實(shí)現(xiàn)“-1態(tài)”。
如圖5所示，磁集成雙降壓式半橋逆變器在無(wú)偏置電流半周期運(yùn)行模式兩態(tài)運(yùn)行的滯環(huán)電流控制方法是，引入電流環(huán)給定信號(hào)，即電流基準(zhǔn)信號(hào)ig作為開關(guān)模態(tài)組M1～M4的轉(zhuǎn)換控制變量之一，來(lái)實(shí)現(xiàn)電流的內(nèi)環(huán)控制，在電流基準(zhǔn)信號(hào)ig大于0的區(qū)域，選擇一組開關(guān)模態(tài)組M1、M2來(lái)實(shí)現(xiàn)第一橋臂電壓UA輸出正電壓+Ud的“+1態(tài)”，第一橋臂電壓UA輸出負(fù)電壓-Ud的“-1態(tài)”，以下簡(jiǎn)稱“+1態(tài)”、“-1態(tài)”的兩個(gè)工作狀態(tài)，在回饋能量區(qū)的A區(qū)只選擇開關(guān)模態(tài)M2，當(dāng)選擇開關(guān)模態(tài)M2時(shí)，第一功率開關(guān)管S1關(guān)斷，第一續(xù)流二極管導(dǎo)通，第二功率開關(guān)管S2和第二續(xù)流二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，第一濾波電感原邊LAP的電流流過(guò)第二濾波電感原邊LBP并通過(guò)第一續(xù)流二極管D1續(xù)流，向電源回饋能量，第一橋臂電壓UA等于負(fù)輸出電壓-Ud，即實(shí)現(xiàn)“-1態(tài)”；在輸出能量區(qū)的B區(qū)只選擇開關(guān)模態(tài)M1，當(dāng)選擇開關(guān)模態(tài)M1時(shí)，第一功率開關(guān)管S1開通，第一續(xù)流二極管D1截止，第二功率開關(guān)管S2和第二續(xù)流二極管均處于截止?fàn)顟B(tài)，第一濾波電感原邊LAP的電流流過(guò)第二濾波電感原邊LBP，向負(fù)載供電，第一橋臂電壓UA輸出等于正電源電壓Ud，即實(shí)現(xiàn)“+1態(tài)”得到正電壓輸出；在電流基準(zhǔn)信號(hào)ig小于0的區(qū)域，選擇另一組開關(guān)模態(tài)組M3、M4來(lái)實(shí)現(xiàn)“+1態(tài)”、“-1態(tài)”的兩個(gè)工作狀態(tài)，在能量回饋區(qū)的C區(qū)，只選擇開關(guān)模態(tài)M4，選擇開關(guān)模態(tài)M4時(shí)，第二功率開關(guān)管S2關(guān)斷，第二續(xù)流二極管D2處于導(dǎo)通狀態(tài)，第一功率開關(guān)管S1和第一續(xù)流二極管D1均處于截止?fàn)顟B(tài)，第二濾波電感副邊LAN的電流流過(guò)第二濾波電感副邊LBN并通過(guò)第二續(xù)流二極管D2，向電源回饋能量，第二橋臂電壓UB輸出電壓等于負(fù)電源電壓-Ud，即實(shí)現(xiàn)“-1態(tài)”，在輸出能量區(qū)的D區(qū)只選擇開關(guān)模態(tài)M3，當(dāng)選擇開關(guān)模態(tài)M3時(shí)，第二功率開關(guān)管S2開通，第二續(xù)流二極管D2處于截止?fàn)顟B(tài)，第一功率開關(guān)管S1和第一續(xù)流二極管D1均處于截止?fàn)顟B(tài)，第二濾波電感副邊LAN的電流流過(guò)第二濾波電感副邊LBN，向負(fù)載供電，第二橋臂電壓UB等于正輸出電壓+Ud，即實(shí)現(xiàn)“+1態(tài)”，得到負(fù)電壓輸出；上述電流基準(zhǔn)信號(hào)ig的正、負(fù)，分為兩大開關(guān)模態(tài)組(M1、M2)和(M3、M4)，在兩個(gè)大模態(tài)組中的A區(qū)，B區(qū)，或C區(qū)，D區(qū)之間的轉(zhuǎn)換通過(guò)設(shè)置滯環(huán)控制內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)±h通過(guò)轉(zhuǎn)換控制變量ig之一來(lái)實(shí)現(xiàn)電流內(nèi)環(huán)控制，控制電感電流脈動(dòng)量在兩個(gè)滯環(huán)±h內(nèi)，即來(lái)實(shí)現(xiàn)A區(qū)，B區(qū)，或C區(qū)，D區(qū)之間的轉(zhuǎn)換，其具體控制邏輯方法是，采用電流基準(zhǔn)信號(hào)ig和滯環(huán)控制基準(zhǔn)±h作為兩個(gè)開關(guān)模態(tài)組轉(zhuǎn)換控制變量，由輸出能量區(qū)B區(qū)轉(zhuǎn)為回饋能量C區(qū)和輸出能量D區(qū)轉(zhuǎn)為回饋能量A區(qū)的模態(tài)組轉(zhuǎn)換由電流基準(zhǔn)信號(hào)ig的正負(fù)來(lái)控制，回饋能量A區(qū)和輸出能量B區(qū)之間的模態(tài)轉(zhuǎn)換，回饋能量C區(qū)和輸出能量D區(qū)之間的模態(tài)組轉(zhuǎn)換由電流誤差信號(hào)ie與兩個(gè)滯環(huán)控制基準(zhǔn)±h之差來(lái)控制；開關(guān)模態(tài)組(M1～M2)的轉(zhuǎn)換和(M3～M4)的轉(zhuǎn)換由電流誤差信號(hào)ie和滯環(huán)控制內(nèi)環(huán)基準(zhǔn)±h之差來(lái)控制。
權(quán)利要求
1.一種磁集成雙降壓式半橋逆變器，包括逆變器第一橋臂(2)、逆變器第二橋臂(4)，其特征在于，還包括磁集成耦合電感(3)，磁集成耦合電感(3)包括第一耦合濾波電感(A)和第二耦合濾波電感(B)，逆變器第一橋臂(2)中第一功率開關(guān)管(S1)與第一續(xù)流二極管管(D1)的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感(A)的原邊(LAP)同名端連接，逆變器第二橋臂(4)中第二功率開關(guān)管(S2)與第二續(xù)流二極管管(D2)的串接點(diǎn)與第一耦合濾波電感(A)的副邊(LAN)的同名端連接；磁集成耦合電感(3)中，第一耦合濾波電感(A)的原邊(LAP)和第二耦合濾波電感(B)的原邊(LBP)串聯(lián)組成磁集成耦合電感(3)的原邊，第一耦合濾波電感(A)的副邊(LAN)與第二耦合濾波電感(B)的副邊(LBN)串聯(lián)組成磁集成耦合電感(3)的副邊；第二耦合濾波電感(B)的原邊(LBP)的輸出端與副邊(LBN)的輸出端相連接，并連接至濾波電容(Cf)的正極，濾波電容(Cf)的負(fù)極接地。
2.如權(quán)利要求1所述的磁集成雙降壓式半橋逆變器，其特征在于，磁集成耦合電感(3)的原邊中，第一耦合濾波電感(A)的原邊(LAP)的異名端與第二耦合濾波電感(B)的原邊(LBP)的同名端連接；磁集成耦合電感(3)的副邊中，第一耦合濾波電感(A)的副邊(LAN)的異名端與第二耦合濾波電感(B)的副邊(LBN)的異名端連接。
3.如權(quán)利要求1所述的磁集成雙降壓式半橋逆變器，其特征在于，磁集成耦合電感(3)的原邊中，第一耦合濾波電感(A)的原邊(LAP)的異名端與第二耦合濾波電感(B)的原邊(LBP)的異名端連接；磁集成耦合電感(3)的副邊中，第一耦合濾波電感(A)的副邊(LAN)的異名端與第二耦合濾波電感(B)的副邊(LBN)的同名端連接。
4.如權(quán)利要求1所述的磁集成雙降壓式半橋逆變器，其特征在于，逆變器第一橋臂(2)包括相串聯(lián)的功率開關(guān)管(S1)和續(xù)流二極管(D1)，逆變器第二橋臂(4)包括相串聯(lián)的功率開關(guān)管(S2)和續(xù)流二極管(D2)；第一功率開關(guān)管(S1)的陰極與第一續(xù)流二極管管(D1)陰極連接，其連接點(diǎn)連于第一濾波電感原邊(LAP)同名端；第二功率開關(guān)管(S2)的陽(yáng)極與第二續(xù)流二極管(D2)的陽(yáng)極串聯(lián)，其串接點(diǎn)連于第一濾波電感副邊(LAN)的同名端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種磁集成雙降壓式半橋逆變器，包括逆變器第一橋臂(2)、逆變器第二橋臂(4)，還包括磁集成耦合電感(3)，磁集成耦合電感(3)包括第一耦合濾波電感(A)和第二耦合濾波電感(B)。本發(fā)明采用磁集成技術(shù)將分離的磁件集中繞制在共用磁芯上，通過(guò)合理的耦合方式和參數(shù)設(shè)計(jì)，有效地減小磁件體積和損耗。本發(fā)明是對(duì)傳統(tǒng)雙降壓式半橋逆變器進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新的，磁集成雙降壓式半橋逆變器在保留了原有的特點(diǎn)之外，減小了輸出濾波電感的磁芯體積大小，從而減小了整個(gè)逆變器的體積和重量，并提高了系統(tǒng)的效率。
文檔編號(hào)H02M7/505GK1929279SQ20061004133
公開日2007年3月14日 申請(qǐng)日期2006年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月16日
發(fā)明者洪峰, 單任仲, 王慧貞, 嚴(yán)仰光 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)