一种隔离型全桥逆变器及其控制方法与流程

本发明涉及一种隔离型全桥逆变器及其控制方法，属于隔离、中大功率逆变器，其利用增加的辅助电路来抑制输入电流低频纹波。

背景技术：

近年来，能源问题和环境问题已成为人类关注的核心问题，大力发展清洁、高效、可持续的新能源已成为当务之急，与此相关的新能源电力技术也引起了学者和工业界的广泛关注，由此提出了一些关于新能源发电的逆变器拓扑及控制方案并且应用于实际产品。对于这种逆变器，交流输出功率中含有两倍于输出负载电压基波频率的脉动，此脉动分量必然会反馈到直流输入侧，产生大量的电流低频纹波，影响蓄电池、燃料电池等输入源的使用寿命，严重时会干扰直流电源系统的稳定性，因此解决新能源发电系统中的电流低频纹波问题，提高新能源的利用效率己刻不容缓。虽然使用大电解电容来滤除低频纹波是一种有效的解决方法，但在高温工作条件下，电解电容长时间频繁的充放电会导致其使用寿命下降，从而影响逆变器的使用寿命，并且降低了系统功率密度。在电路中接入LC谐振电路，通过将谐振电路频率设计为两倍输出频率，也可以滤除两倍电流纹波，但所需的电感和电容体积都比较大，降低了系统的可靠性和功率密度。总而言之，这些常用的依靠无源器件来滤除电流低频纹波的方法，往往都存在着体积大、成本高等问题。为此，一些学者也在探索其它方法，不仅可以滤除电流低频纹波，也可以减小容值以便使用其它更长寿命电容，例如薄膜电容等。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述逆变器所存在的技术缺陷提供一种隔离型全桥逆变器及其控制方法，采用这种增加辅助电路的隔离型全桥逆变器及其控制方法，实现了直流输入侧电流低频纹波的有效抑制，避免直流输入侧使用体积大、可靠性低的电解电容。

本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：

本发明的一种隔离型全桥逆变器，包括直流电源、输入电容、高频逆变桥、隔离变压器、整流电路、滤波电路、极性反转逆变桥及负载，其中高频逆变桥包括四个主开关管，第一主开关管的集电极和第三主开关管的集电极相连接构成高频逆变桥的正输入端，第一主开关管的发射极与第二主开关管的集电极连接构成高频逆变桥的正输出端，第二主开关管的发射极和第四主开关管的发射极作为高频逆变桥的负输入端，第四主开关管的集电极和第三主开关管的发射极构成高频逆变桥的负输出端；高频逆变桥的正输出端接隔离变压器原边绕组的同名端，高频逆变桥的负输出端接隔离变压器原边绕组的异名端；高频逆变桥的负输入端、输入电容的输出端和直流电源的负极相连接；直流电源的正极接输入电容的输入端；整流电路包括四个二极管，第一整流二极管的阳极、第二整流二极管的阴极和隔离变压器副边绕组的同名端相连接，隔离变压器副边绕组的异名端、第三整流二极管的阳极和第四整流二极管的阴极相连接，第一整流二极管和第三整流二极管的阴极连接构成整流电路的正输出端，第二整流二极管和第四整流二极管的阳极连接构成整流电路的负输出端；极性反转逆变桥包括四个开关管，滤波电感的一端接整流电路的正输出端，滤波电感的另一端、滤波电容的输入端、第一开关管的集电极和第三开关管的集电极相连接，滤波电容的输出端、整流电路的负输出端、第二开关管的发射极和第四开关管的发射极相连接，第一开关管的发射极和第二开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥的正输出端，第三开关管的发射极和第四开关管的集电极相连构成极性反转逆变桥的负输出端，极性反转逆变桥的正输出端接负载的一端，极性反转逆变桥的负输出端接负载的另一端；还包括由辅助电感、辅助开关管、辅助二极管、辅助电容构成的辅助电路，其中辅助开关管包括两个开关管，辅助二极管包括两个二极管，辅助电感的一端、第一辅助二极管的阳极和直流电源的正极相连接，辅助电感的另一端、第一辅助开关管的集电极和第二辅助二极管的阳极相连接，第二辅助二极管的阴极、辅助电容的输入端和第二辅助开关管的集电极相连接，第一辅助开关管的发射极、辅助电容的输出端和直流电源的负极相连接，第二辅助开关管的发射极、第一辅助二极管的阴极和高频逆变桥的正输入端相连接。

所述的一种隔离型全桥逆变器控制方法包括以下步骤：

步骤A，检测辅助电感电流信号，辅助电容电压信号，负载电压信号；

步骤B，将步骤A得到的辅助电感电流信号经过低通滤波器，获得其低频分量；

步骤C，计算辅助电感电流参考信号与辅助电感电流低频分量的差值；

步骤D，将步骤A得到的辅助电容电压信号经过低通滤波器，获得其直流分量；

步骤E，计算辅助电容电压参考信号与辅助电容电压直流分量的差值，将得到的电压差值用PI控制器进行调节，获得辅助电容电压扰动信号；

步骤F，将步骤C得到的辅助电感电流差值用P控制器进行调节，然后加入步骤E得到的辅助电容电压扰动信号，获得第一调制波信号；

步骤G，将步骤A得到的辅助电容电压信号、负载电压信号分别输入传统调制波电路，获得第二调制波信号；

步骤H，将步骤G得到的第二调制波信号输入直流量调制波电路，获得第三调制波信号；

步骤I，将步骤A得到的辅助电容电压信号和步骤G得到的第二调制波信号分别输入辅助调制波电路，获得第四调制波信号；

步骤J，将步骤F得到的第一调制波信号，步骤G得到的第二调制波信号，步骤H得到的第三调制波信号，和步骤I得到的第四调制波信号分别输入PWM控制电路，获得第一、第二、第三、第四逻辑信号；

步骤K，计算模式分界点参考信号与步骤G得到的第二调制波信号的差值；

步骤L，将步骤K得到的差值输入过零比较器，获得第五逻辑信号；

步骤M，将步骤A得到的负载电压信号输入过零比较器，获得第六逻辑信号；

步骤N，将步骤J得到的第一逻辑信号和步骤L得到的第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第一逻辑信号和第五逻辑信号接入逻辑与门得到第一辅助开关管的PWM控制信号；

将步骤J得到的第三、第四逻辑信号和步骤L得到的第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号先经过逻辑非门后，和第四逻辑信号一起接入逻辑与门，同时第三逻辑信号先经过逻辑非门后，再和逻辑与门得到的信号一同接入逻辑与门得到第二辅助开关管的PWM控制信号；

将步骤J得到的第二、第四逻辑信号和步骤L得到的第五逻辑信号分别输入逻辑电路，在逻辑电路中第五逻辑信号先经过逻辑非门后，和第四逻辑信号接入逻辑与门，同时第二逻辑信号和第五逻辑信号接入逻辑与门后，再将逻辑与门得到的信号一同接入逻辑或门得到高频逆变桥主开关管的PWM控制信号；

将步骤M得到的第六逻辑信号输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门得到第 二、第三开关管的PWM控制信号后，再经过逻辑非门得到第一、第四开关管的PWM控制信号；

步骤O，将步骤N得到的高频逆变桥主开关管的PWM控制信号输入分频电路，分别获得第一、第四主开关的PWM控制信号和第二、第三主开关的PWM控制信号；

步骤P，分别将步骤N得到的第一、第二辅助开关管的PWM控制信号，第一、第二、第三和第四开关管的PWM控制信号，步骤O得到的第一、第二、第三和第四主开关管的PWM控制信号输入驱动电路得到两个辅助开关管、极性反转逆变桥四个开关管和高频逆变桥四个主开关管的驱动信号，控制隔离型全桥逆变器。

本发明与原有技术相比的主要技术特点是，通过控制辅助电路把低频纹波转移到辅助电容上，从而有效抑制直流输入侧电流低频纹波，避免使用体积大、可靠性低的电解电容，延长系统的使用寿命。

附图说明

附图1是本发明的一种隔离型全桥逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。

附图2是本发明的一种隔离型全桥逆变器输入输出功率关系示意图。

附图3～图10是本发明的一种隔离型全桥逆变器的各开关模态示意图。

附图11是本发明应用于负载电压110V/50Hz场合下输入电流、辅助电感电流及负载电流的仿真波形。

附图12是本发明应用于负载电压110V/50Hz场合下辅助电容电压和负载电压的仿真波形。

上述附图中的主要符号名称：V_i、电源电压。S_m1～S_m4、均为主开关管。S_x1、S_x2、均为辅助开关管。S₁～S₄、均为功率开关管。D_x1、D_x2、辅助二极管。C_i、输入电容。C_x、辅助电容。L_x、辅助电感。T_r、隔离变压器。N₁、N₂、隔离变压器绕组。D₁～D₄、整流二极管。L_f、滤波电感。C_f、滤波电容。R_L、负载。v_x、辅助电容电压。v_o、负载电压。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

附图1所示的是一种隔离型全桥逆变器主电路及其控制方法的结构示意图。抑制低频纹波的隔离型全桥逆变器主电路由直流电源、输入电容1、高频逆变桥2、隔离变压器 3、整流电路4、滤波电路5、极性反转逆变桥6、负载7及辅助电感8、辅助二极管9、辅助开关管10以及辅助电容11组成。S_m1～S_m4是高频逆变桥主开关管，S_x1、S_x2是辅助开关管，L_x是辅助电感，C_x是辅助电容，D_x1、D_x2是辅助二极管，T_r是隔离变压器，D₁～D₄是整流二极管，L_f是滤波电感，C_f是滤波电容，S₁～S₄是极性反转逆变桥开关管，R_L为负载。v_x、辅助电容电压。v_o、负载电压。

检测辅助电感电流信号i_L，辅助电容电压信号v_x，负载电压信号v_o；将辅助电感电流信号i_L经过低通滤波器，获得其低频分量；计算辅助电感电流参考信号i_L^*与辅助电感电流低频分量的差值Δi_L；将辅助电容电压信号v_x经过低通滤波器，获得其直流分量V_x；计算辅助电容电压参考信号V_x^*与辅助电容电压直流分量V_x的差值ΔV_x，将得到的电压差值ΔV_x用PI控制器进行调节，获得辅助电容电压扰动信号；将电流差值Δi_L用P控制器进行调节，然后加入辅助电容电压扰动信号，获得隔离型全桥逆变器辅助电感电流的调制波信号M₁；将辅助电容电压信号v_x、负载电压信号v_o分别输入传统调制波电路，获得第二调制波信号M₂；将调制波信号M₂输入直流量调制波电路，获得第三调制波信号M₃；将辅助电容电压信号v_x、调制波信号M₂分别输入辅助调制波电路，获得第四调制波信号M₄；将调制波信号M₁、M₂、M₃及M₄分别输入PWM控制电路，获得第一逻辑信号C₁、第二逻辑信号C₂、第三逻辑信号C₃、第四逻辑信号C₄；，计算模式分界点参考信号M^*与调制波信号M₂的差值ΔM；将差值ΔM输入过零比较器，获得第五逻辑信号C₅；将负载电压信号v_o输入过零比较器，获得第六逻辑信号C₆；将逻辑信号C₁、C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₁、C₅接入逻辑“与”门得到第一辅助开关管的PWM控制信号Q_x1；将逻辑信号C₃、C₄、C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅先经过逻辑“非”门后，和逻辑信号C₄一起接入逻辑与门后，同时逻辑信号C₃先经过逻辑“非”门后，和之前逻辑“与”门得到的信号一同接入逻辑“与”门得到第二辅助开关管的PWM控制信号Q_x2；将逻辑信号C₂、C₄、C₅分别输入逻辑电路，在逻辑电路中逻辑信号C₅先经过逻辑“非”门后，和逻辑信号C₄接入逻辑“与”门，同时逻辑信号C₂、C₅接入逻辑“与”门后，再将逻辑“与”门得到的信号一同接入逻辑“或”门得到高频逆变桥主开关管的PWM控制信号Q_m；将逻辑信号C₆输入逻辑电路，在逻辑电路中先经过逻辑非门得到第二、第三开关管的PWM控制信号Q₂/Q₃后，再经过逻辑非门得到第一、第四开关管的PWM控制信号Q₁/Q₄；将主开关管的PWM控制信号Q_m输入分频电路，分别获得第一、第四主开关的PWM控制信号Q_m1/Q_m4和第二、第三主开关的 PWM控制信号Q_m2/Q_m3；分别将PWM控制信号Q_x1、Q_x2、Q₁/Q₄、Q₂/Q₃、Q_m1/Q_m4、Q_m2/Q_m3分别输入驱动电路得到S_x1、S_x2、S₁/S₄、S₂/S₃、S_m1/S_m4、S_m2/S_m3的驱动信号，控制隔离型全桥逆变器。

为了实现输入电流I_i中低频纹波的抑制，差值信号ΔM经过零比较器判断电路的工作模式：当ΔM＞0时，第一辅助开关管S_x1具有控制信号，封锁第二辅助开关管S_x2控制信号，隔离型全桥逆变器工作在模式1；反之第二辅助开关管S_x2具有控制信号，封锁第一辅助开关管S_x1控制信号，隔离型全桥逆变器工作在模式2。

结合附图2～附图10叙述本发明的具体工作原理。由附图2可知整个逆变器工作在两种模式下。模式1中，输出功率直接由直流电源提供，除此之外多余的直流电源端输入功率被引入辅助电路储存到辅助电容上，见附图2所示，区域A和区域B分别表示模式1中输出所需的功率和多余的功率。模式2中，直流电源端输入功率经隔离变压器传递给副边，但该输入功率不足以完全提供输出负载所需的功率，其中不足的部分则由在模式1中已储能的辅助电容提供，区域C和区域D分别表示模式2中直流输入功率和辅助电容释放的功率。通过把输出功率带来的功率纹波引入辅助电路，使得直流电源端基本上只提供直流功率，因此电路中不需要大电解电容来滤除电流低频纹波。

当逆变器工作于模式1时，辅助电路承担了直流电源端多余的功率，所以辅助电感电流基准i_L^*可由功率纹波P_rip及输入电压V_i求得：

式中，V_o、I_o是负载电压、负载电流的幅值，ω＝2πf，f是电网频率。

对于传统的单相逆变器，瞬时输入功率等于瞬时输出功率，则有：

其中，N₁∶N₂＝1∶1。

当逆变器工作于模式2时，为了实现输入电流恒定，期望原边电流也为定值：

则此时主开关管占空比的调制波可表示为：

当而交流输出功率所需的功率纹波由辅助电容提供，因此辅助开关管占空比的调制 波可表示为：

同时高频逆变桥的主开关管依然导通，直到与辅助开关管同时关断。

下面对各开关模态的工作情况进行具体分析，其中高频逆变器一个开关周期分为前半周期和后半周期。

在分析之前，先作如下假设：①所有开关管和二极管均为理想器件；②忽略隔离变压器的漏感。

下面对模式1下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[对应于附图3]

主开关管S_m1和S_m4同时开通，直流电源端输入功率的一部分A传递到变压器副边，同时辅助开关管S_x1具有控制信号，将另一部分功率B储存到辅助电容C_x。

2.开关模态2[对应于附图4]

主开关管S_m1和S_m4同时关断，辅助电路仍继续工作，直到多余的功率B全部转移到辅助电容C_x上，辅助电路停止工作。

3.开关模态3[对应于附图5]

此时隔离变压器原边电路均不工作，滤波电感电流经整流二极管续流。

当此开关模态结束时，高频逆变器前半周期结束。

4.开关模态4[对应于附图6]

开通主开关管S_m2和S_m3，高频逆变器开始另一半个周期工作，直流电源端输入功率的一部分A仍传递到变压器副边，另一部分功率B则流向辅助电路。

5.开关模态5[对应于附图4]

此模态与模式1下开关模态2一样，辅助电路继续工作。

6.开关模态6[对应于附图5]

隔离变压器原边电路不工作，滤波电感电流经整流二极管续流。

当此开关模态结束时，高频逆变器后半周期结束。

下面对模式2下各开关模态的工作情况进行具体分析。

1.开关模态1[对应于附图7]

S_m1和S_m4同时开通，直流电源端输入功率C全部传递到变压器副边。

2.开关模态2[对应于附图8]

辅助开关管S_x2导通，由于辅助电容电压v_x大于直流电源电压，辅助二极管D_x1承受反压而截止，此时辅助电容C_x向变压器副边传递输出功率大于直流输入功率的部分D，即直流电源端输入功率不足以提供输出所需的全部功率，不足的部分由在模式1下已充电的辅助电容提供。

3.开关模态3[对应于附图5]

S_m1、S_m4和S_x2同时关断，隔离变压器原边电路不工作，滤波电感电流经整流二极管续流。

当此开关模态结束时，高频逆变器前半周期结束。

4.开关模态4[对应于附图9]

此阶段，开通主开关管S_m2和S_m3，高频逆变器开始另一半个周期工作，同模式2下开关模态1一样，直流电源端输入功率C全部传递到变压器副边。

5.开关模态5[对应于附图10]

开通辅助开关管S_x2，辅助电容C_x补充输入功率不足以提供给输出功率的部分D。

6.开关模态6[对应于附图5]

同时关断S_m2、S_m3和S_x2，滤波电感电流经整流二极管续流。

当此开关模态结束时，高频逆变器后半周期结束。

图11和图12是本发明应用于负载电压110V/50Hz场合下的仿真波形。由仿真波形可以判断，该隔离型全桥逆变器能够有效的抑制直流输入侧电流低频纹波，因为交流输出端带来的功率纹波被引入到辅助电路，从而避免了对逆变器直流输入侧的干扰。

从以上的描述可以得知，本发明提出的一种隔离型全桥逆变器及其控制方法具有以下几方面的优点：

1)由于输出功率带来的功率纹波从辅助电路中通过，有效的抑制了直流输入侧电流低频纹波，避免了使用体积大、可靠性低的电解电容。

2)控制较为简单，能够同时实现电能变换和纹波抑制的双重功能，且易实现。

3)该逆变器适用于中大功率场合。