一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器的制作方法

本实用新型涉及电力电子变换器技术领域，尤其涉及一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器，适用直流-交流变换场合。

背景技术：

现代电力电子技术快速发展，逆变器在新能源发电、不间断电源、航空电源等诸多领域均得到广泛应用，其正朝着高可靠性、高功率密度以及高效率方向发展。传统的桥式逆变器由于一个桥臂具有上下两个开关管，存在桥臂直通问题，可能造成逆变器短路，极大影响了其可靠工作。通常的方法是设置死区来解决此问题，但死区的设置会增加输出电压谐波，影响输出电能质量，而且续流阶段电流流经开关管的体二极管，存在极大的反向恢复损耗。传统的双Buck半桥拓扑一个桥臂由开关管和二极管组成，不存在桥臂直通问题，解决了续流体二极管反向恢复问题，提高了系统的可靠性。然而传统的双Buck半桥逆变器存在输入电压利用率低、开关管电压应力高的问题，且输出存在两个滤波电感，体积重量大，利用率低。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对以上不足之处，提供了一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器，提高了功率密度，不存在环流影响，能够可靠运行。

本实用新型解决技术问题所采用的方案是：一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器，包括直流电压Ud，开关管Q1、开关管Q2、开关管S1和开关管S2，二极管D0、二极管D1、二极管D2、二极管Ds1和二极管Ds2，电容C，负载R，以及磁耦合电感L1和磁耦合电感L2；直流电压Ud的一端与二极管D0的阳极连接，直流电压Ud的另一端与开关管Q2的源极、二极管D1的阳极以及二极管Ds2的阴极连接，二极管D0的阴极与开关管Q1的漏极、二极管Ds1的阳极以及二极管D2的阴极连接，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接并接地，二极管Ds1的阴极与开关管S1的漏极连接，开关管S1的源极与二极管D1的阴极、耦合电感L1的一端连接于节点A，耦合电感L1的另一端与耦合电感L2的一端、电容C的一端、负载R的一端连接，电容C的另一端与负载R的另一端连接并接地，耦合电感L2的另一端与二极管D2的阳极、开关管S2的漏极连接于节点B，开关管S2的源极与二极管Ds2的阳极连接。

进一步的，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管S1和开关管S2的栅极连接一控制终端。

进一步的，所述控制终端包括一用于比较负载R的输出电压Uo与参考电压Uref的电压误差比较器、电压外环PI调节器、用于比较电压外环PI调节器的输出信号与电感电流iL的电流误差比较器、电流内环PI调节器、比较器CMP和三角载波发生器；所述电压误差比较器的输出端与电压外环PI调节器的输入端连接，所述电压外环PI调节器的输出端与电流误差比较器的其中一个输入端连接，所述电流误差比较器的输出端与电流内环PI调节器输入端连接，电流内环PI调节器的输出端与比较器CMP的其中一输入端连接，比较器CMP的另一输入端与三角载波发生器的输出端连接；所述控制终端还包括一用于控制开关管S1、S2的第一控制单元和用于控制开关管Q1、Q2的第二控制单元，所述开关管Q1、开关管Q2的栅极与第二控制单元电连；所述开关管S1和开关管S2的栅极与所述第一控制单元电连，并且所述比较器CMP的输出端与所述第一控制单元电连。

进一步的，所述第一控制单元和第二控制单元还与提供参考电压Uref的正弦波发生器连接。

进一步的，所述开关管Q1和开关管Q2为工频开关管。

进一步的，所述耦合电感L1和耦合电感L2的异名端相耦合，并且耦合电感L1和耦合电感L2绕于同一磁芯上。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：本实用新型在传统双Buck半桥逆变器拓扑的基础上增加了一个开关管桥臂，由两个工频工作的开关管Q1、Q2构成，降低了开关管电压应力，提高了输入电压利用率，消除了输入均压电容，使得体积得以减小。同时将耦合电感L1和耦合电感L2异名端耦合，减小了磁性元件的体积，并加入了三个二极管D0、Ds1和Ds2使得环流得以抑制。相较于传统双Buck半桥拓扑，本实用新型具有高功率密度、低开关管电压应力、高输入电压利用率的特点。

附图说明

下面结合附图对本实用新型专利进一步说明。

图1 传统双Bcuk半桥逆变器电路拓扑。

图2 本实用新型实施例的新无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器。

图3 为图2的第一工作模态示意图。

图4 为图2的第二工作模态示意图。

图5 为图2的第三工作模态示意图。

图6 为图2的第四工作模态示意图。

图7 为本实用新型实施例的新无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器的控制框图。

图8 为第一控制单元的组成框图。

图9 为第二控制单元的组成框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步说明。

如图2～9所示，本实施例的一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器，包括直流电压Ud，开关管Q1、开关管Q2、开关管S1和开关管S2，二极管D0、二极管D1、二极管D2、二极管Ds1和二极管Ds2，电容C，负载R，以及磁耦合电感L1和磁耦合电感L2；直流电压Ud的一端与二极管D0的阳极连接，直流电压Ud的另一端与开关管Q2的源极、二极管D1的阳极以及二极管Ds2的阴极连接，二极管D0的阴极与开关管Q1的漏极、二极管Ds1的阳极以及二极管D2的阴极连接，开关管Q1的源极与开关管Q2的漏极连接并接地，二极管Ds1的阴极与开关管S1的漏极连接，开关管S1的源极与二极管D1的阴极、耦合电感L1的一端连接于节点A，耦合电感L1的另一端与耦合电感L2的一端、电容C的一端、负载R的一端连接，电容C的另一端与负载R的另一端连接并接地，耦合电感L2的另一端与二极管D2的阳极、开关管S2的漏极连接于节点B，开关管S2的源极与二极管Ds2的阳极连接。

从上述可知，本实用新型的有益效果在于：传统的双Buck半桥逆变器拓扑如图1所示，其每个桥臂由开关管和二极管构成，不存在桥臂直通问题，不需设置死区，电路可靠性高，输出电能质量高。而其输入电压为2Ud，需要均压大电容，且输入电压利用率低；输出存在两个滤波电感分别工作，电感体积重量大、利用率低。本实用新型实施例提供的无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器如图2所示，在传统双Buck半桥逆变器的基础上增加一个桥臂，由两个工频工作的开关管Q1、Q2构成，且将耦合电感L1和耦合电感L2进行异名端耦合，并增加二极管D0以抑制Buck模式二极管续流工作时产生的环流，增加二极管Ds1、Ds2以阻断开关管的体二极管误导通产生的环流。本实用新型输入电压为Ud，输入电压利用率高，开关管电压应力低，无需均压大电容，无体二极管续流，输出耦合滤波电感体积重量减小，无环流，具备更高的功率密度和更强的可靠性，适用于大电压输入场合。

在本实施例中，所述开关管Q1、开关管Q2、开关管S1和开关管S2的栅极连接一控制终端。

如图7所示，在本实施例中，所述控制终端包括一用于比较负载R的输出电压Uo与参考电压Uref的电压误差比较器、电压外环PI调节器、用于比较电压外环PI调节器的输出信号与电感电流iL的电流误差比较器、电流内环PI调节器、比较器CMP和三角载波发生器；所述电压误差比较器的输出端与电压外环PI调节器的输入端连接，所述电压外环PI调节器的输出端与电流误差比较器的其中一个输入端连接，所述电流误差比较器的输出端与电流内环PI调节器输入端连接，电流内环PI调节器的输出端与比较器CMP的其中一输入端连接，比较器CMP的另一输入端与三角载波发生器的输出端连接；所述控制终端还包括一用于控制开关管S1、S2的第一控制单元和用于控制开关管Q1、Q2的第二控制单元，所述开关管Q1、开关管Q2的栅极与第二控制单元电连；所述开关管S1和开关管S2的栅极与所述第一控制单元电连，并且所述比较器CMP的输出端与所述第一控制单元电连。将采集的负载R的输出电压Uo输入至电压误差比较器的输入端，以及将正弦波发生器输出的参考电压Uref输入至电压误差比较器，通过电压误差比较器比较后输出至电压外环PI调节器。将耦合电感L1和耦合电感L2的输出电流输入至电流误差比较器，同时将电压外环PI调节器输出的信号作为电感电流的参考值iLref。

在本实施例中，所述第一控制单元和第二控制单元还与提供参考电压Uref的正弦波发生器连接，并且根据输出电压Uo的正负半周进行工作模态的切换。如图8所述，所述第一控制单元由第一过零比较器与与门逻辑电路组成，实现对开关管S1、S2的通断控制；如图9所示，第二控制单元由第二过零比较器与非门逻辑电路组成，实现对工频开关管Q1、Q2的控制。第一控制单元和第二控制单元分别通过第一过零比较器和第二过零比较器与参考电压Uref进行比较，根据输出电压Uo的正负半周进行工作模态的切换。

在本实施例中，所述开关管Q1和开关管Q2为工频开关管。可以直接通过第二控制单元根据输出电压Uo的正负半周进行工作模态的切换。

在本实施例中，所述耦合电感L1和耦合电感L2的异名端相耦合，并且耦合电感L1和耦合电感L2绕于同一磁芯上。

如图7所示，本实用新型的具体控制过程如下：

首先将负载R的输出电压Uo与参考电压Uref经电压误差比较器后产生的误差输入至电压外环PI调节器；再将电压外环PI调节器输出的信号作为电感电流的参考值iLref，电感电流的参考值iLref与电感电流iL经电流误差比较器后产生的误差输入至电流内环PI调节器；然后将电流内环PI调节器输出的信号再与三角载波交截，经比较器CMP后产生的输出信号作为开关管S1或S2的占空比D，其中参考电压Uref为正弦波，与占空比D、输入电压Ud的关系为：；电感电流iL为耦合电感L1与耦合电感L2耦合后输出的耦合电流；所述开关管Q1和开关管Q2为工频开关管，直接根据输出电压Uo的正负半周进行工作模态的切换。

在输出电压Uo正半周时，耦合电感L2上无耦合电流产生，电感电流iL为流经耦合电感L1的电流；在输出电压Uo负半周时，耦合电感L1上无耦合电流产生，电感电流iL为流经耦合电感L2的电流。

当输出电压Uo正半周时，逆变器处于第一工作模态和第二工作模态，如图3所示，在第一工作模态中，开关管Q2与开关管S1导通，二极管Ds1、二级管D0导通，开关管Q1和开关管S2截止，二极管D1、二极管D2和二极管Ds2截止，在输入电压和输出电压作用下，耦合电感L1的电流与电网电压同向线性增加，此时二极管D2、开关管S1与开关管S2的体二极管均不会误导通而产生环流；如图4所示，在第二工作模态中，开关管Q2导通，二极管D1导通续流，开关管Q1、开关管S1和开关管S2均截止，二极管D0、二极管Ds1、二极管Ds2和二极管D2均截止， 开关管Q2、二极管D1、耦合电感L1与负载R之间顺序形成续流回路，耦合电感L1的电流与电网电压同向线性减小，此时由于二极管D0的作用，D2不会误导通而产生环流，且开关管S1与开关管S2的体二极管均不会误导通而产生环流；当输出电压Uo负半周时，逆变器处于第三工作模态和第四工作模态；如图5所示，在第三工作模态中，开关管Q1与开关管S2导通，二极管D0和二极管Ds2导通，开关管Q2和开关管S1截止，二极管D1、二级管Ds1和二级管D2截止，在输入、输出电压作用下，耦合电感L2电流与电网电压同向线性增加，此时二极管D1、开关管S1与开关管S2的体二极管均不会误导通而产生环流；如图6所示，在第四工作模态中，开关管Q1导通，二极管D2导通续流，开关管Q2、开关管S1和开关管S2截止，二极管D0、二级管Ds1、二级管Ds2和二极管D1截止，开关管Q1、二极管D2、耦合电感L2和负载R之间顺序形成续流回路， 耦合电感L2的电流与电网电压同向线性减小，此时由于二极管D0的作用，D1不会误导通而产生环流，且开关管S1与开关管S2的体二极管均不会误导通而产生环流。

综上所述，本实用新型提供的一种无环流磁集成三桥臂双Buck逆变器，具有高功率密度、低开关管电压应力、高输入电压利用率的特点。

上列较佳实施例，对本实用新型的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。