一种正负桥臂互为主辅的软开关逆变器

1.本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种正负桥臂互为主辅的软开关逆变器。


背景技术：

2.随着社会的不断进步，电力电子技术得到了快速的发展，同时随着人们对于电力电子设备功能与性能的不断要求，软开关逆变器的相关研究越来越得到专业人员的重视。
3.同时一些特定的场合也对软开关逆变器提出了更高的要求：例如如何在不额外添加高频开关以及不添加过多无源器件的情况下实现逆变器的高频软开关。
4.正负桥臂互为主辅的软开关逆变器是一种能够很好实现上述目的的逆变器拓扑，相对于以前的软开关逆变器，该电路将无源谐振网络跨接在正负向电流桥臂之间，利用正负向电流桥臂的冗余自由度控制其接入或脱离，无需增加高频开关，正负向电流桥臂复用同一谐振网络。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种正负桥臂互为主辅的软开关逆变器，利用正负向电流桥臂的冗余自由度，在不额外添加高频开关以及不添加过多无源器件的情况下实现逆变器的高频软开关。
6.为实现上述技术目的，本发明采取的技术方案为：
7.一种正负桥臂互为主辅的软开关逆变器，包括电压极性转换电路、电流极性转换电路、正向电流桥臂、负向电流桥臂、谐振网络和滤波电路；
8.所述电压极性转换电路，与输入直流电源ui连接，用于实现逆变器主电路输入电压的极性转换；
9.所述电流极性转换电路，用于实现逆变器主电路中电流的极性转换；
10.所述正向电流桥臂，用于在输入的工频方波为正的情况下工作，高频开关传递电流；
11.所述负向电流桥臂，用于在输入的工频方波为负的情况下工作，高频开关传递电流；
12.所述谐振网络，用于实现正向电流桥臂与负向电流桥臂的软开关；
13.所述滤波电路，与输出uo相连，用于实现逆变器主电路中电流的滤波。
14.为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
15.上述的电压极性转换电路包括mos管q1、mos管q2；
16.将输入直流电源ui正极和mos管q1的漏极相连，输入直流电源ui负极和mos管q2的源极相连，mos管q1的源极和mos管q2的漏极以及地相连。
17.上述的正向电流桥臂包括mos管s1、电感lr1、二极管d1；
18.所述谐振网络包括电感lr1、电感lr2、电容cr；
19.所述负向电流桥臂包括mos管s2、电感lr2、二极管d2；
20.输入直流电源ui正极与mos管s1的漏极，二极管d2的阴极相连，输入直流电源ui负极与二极管d1的阳极，mos管s2的源极相连，mos管s1的源极与电感lr1的一端相连，电感lr1的另一端与二极管d1的阴极短接，并与mos管q3的漏极和电容cr的一端相连，电感cr的另一端与电流极性转换电路连接，并与二极管d2的阳极和电感lr2的一端相连，电感lr2的另一端与mos管s2的源极相连。
21.上述的电流极性转换电路包括mos管q3、mos管q4；
22.所述滤波电路包括电感l、电容c；
23.mos管q3的源极与mos管q4的漏极短接，并与电感l的一端相连，l的另一端与电容c相连，并接到输出uo的正极，c的另一端与地相连，并接到输出uo的负极。
24.上述的软开关逆变器中mos管q1、mos管q4截止，mos管q2、mos管q3导通，则以正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅实现逆变器的高频软开关。
25.上述的以正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅的软开关逆变器，具有如下工作模态：
26.(1)工作模态1：本模态系统处于稳态，mos管s1、mos管s2关断，电感l上电流经二极管d1续流，谐振网络与主电路脱离；
27.(2)工作模态2：mos管s1导通，mos管s2作为辅助开关管处于关闭状态，谐振网络脱离主电路，谐振电感lr1软化通过mos管s1的电流，使其零电流开通，续流二极管d1上的电流换流到mos管s1；
28.(3)工作模态3：mos管s2导通，谐振电感lr2软化通过mos管s2的电流，使其零电流开通；
29.此时谐振网络接入主电路，流过谐振电感lr1和lr2的电流呈正弦形式上升，并为谐振电容cr充电，电容cr两端电压也呈正弦形式上升；
30.当电容cr两端电压等于输入电源电压时，流过电感lr2的电流达到峰值并开始下降直至0，此时电容cr两端电压达到最大值，并开始通过电感lr1、lr2谐振放电，流过电感lr2的电流变为负，通过mos管s2的体二极管并将mos管s2两端电压钳位至0，为mos管s2创造零电压关断的条件；
31.(4)工作模态4：mos管s2零电压关断，当流过电感lr2的电流绝对值大于流过电感l上电流时，流过电感lr1的电流下降为负值，通过mos管s1的体二极管并将mos管s1两端电压钳位至0，为mos管s1的零电压关断创造条件；
32.(5)工作模态5：mos管s1零电压关断，电容cr通过mos管s1体二极管继续放电，流过电感lr1的电流由负值变为0；
33.(6)工作模态6：mos管s1体二极管截止，电容cr、电感l、mos管s2体二极管、电感lr2形成回路放电，此时流过电感lr2的电流等于流过电感l的电流；
34.随着电容cr上电压的下降，流过电感lr2的电流逐渐换流到二极管d1上，电感lr2和二极管d1共同为电感l续流；
35.(7)工作模态7：电容cr两端电压下降至0，mos管s2体二极管截止，谐振网络与主电路脱离，此时流过电感l上电流只由二极管d1续流。
36.上述的软开关逆变器中mos管q1、mos管q4导通，mos管q2、mos管q3截止，则以负向
电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅实现逆变器的高频软开关。
37.上述的以负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅的软开关逆变器，具有如下工作模态：
38.(1)工作模态1：系统处于稳态，mos管s1、mos管s2关断，电感l上电流经二极管d2续流，谐振网络与主电路脱离；
39.(2)工作模态2：mos管s2导通，mos管s1作为辅助开关管处于关闭状态，谐振网络脱离主电路，谐振电感lr2软化通过mos管s2的电流，使其零电流开通，续流二极管d2上的电流换流到mos管s2；
40.(3)工作模态3：mos管s1导通，谐振电感lr1软化通过mos管s1的电流，使其零电流开通，此时谐振网络接入主电路，流过谐振电感lr1和lr2的电流呈正弦形式上升，并为谐振电容cr充电，电容cr两端电压也呈正弦形式上升；
41.当电容cr两端电压等于输入电源电压时，流过电感lr1的电流达到峰值并开始下降直至0，此时电容cr两端电压达到最大值，并开始通过电感lr1、lr2谐振放电，流过电感lr1的电流变为负，通过mos管s1的体二极管并将mos管s1两端电压钳位至0，为mos管s1创造零电压关断的条件；
42.(4)工作模态4：mos管s1零电压关断，当流过电感lr1的电流绝对值大于流过电感l上电流时，流过电感lr2的电流下降为负值，通过mos管s2的体二极管并将mos管s2两端电压钳位至0，为mos管s2的零电压关断创造条件；
43.(5)工作模态5：mos管s2零电压关断，电容cr通过mos管s2体二极管继续放电，流过电感lr2的电流由负值变为0；
44.(6)工作模态6：mos管s2体二极管截止，电容cr、电感l、mos管s1体二极管、电感lr1形成回路放电，此时流过电感lr1的电流等于流过电感l的电流；
45.随着电容cr上电压的下降，流过电感lr1的电流逐渐换流到二极管d2上，电感lr1和二极管d2共同为电感l续流；
46.(7)工作模态7：电容cr两端电压下降至0，mos管s1体二极管截止，谐振网络与主电路脱离，此时流过电感l上电流只由二极管d2续流
47.本发明具有以下有益效果：
48.本发明利用正负桥臂互为主辅的软开关逆变器，能够实现正向电流桥臂mosfet和负向电流桥臂mosfet的高频软开关，无需额外增加高频开关，正向电流桥臂与负向电流桥臂复用同一无源谐振网络，具体的：
49.1、正负电流桥臂互为主辅，无需额外增加高频开关；2、正向电流桥臂与负向电流桥臂复用同一无源谐振网络；3、控制策略简单；4、电路拓扑简单，有源器件少；5、成本较低，体积较小。
附图说明
50.图1是本发明正负桥臂互为主辅的软开关逆变器的电路拓扑结构图；
51.附图标记为：1、电压极性转换电路；2、电流极性转换电路；3、正向电流桥臂；4、负向电流桥臂；5、谐振网络；6、滤波电路；
52.图2是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工
作模式1电路拓扑模态图；
53.图3是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式2电路拓扑模态图；
54.图4是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式3电路拓扑模态图；
55.图5是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式4电路拓扑模态图；
56.图6是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式5电路拓扑模态图；
57.图7是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式6电路拓扑模态图；
58.图8是本发明正向电流桥臂为主，负向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式7电路拓扑模态图；
59.图9是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式1电路拓扑模态图；
60.图10是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式2电路拓扑模态图；
61.图11是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式3电路拓扑模态图；
62.图12是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式4电路拓扑模态图；
63.图13是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式5电路拓扑模态图；
64.图14是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式6电路拓扑模态图；
65.图15是本发明负向电流桥臂为主，正向电流桥臂为辅情况下的软开关逆变器的工作模式7电路拓扑模态图。
具体实施方式
66.以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
67.一种正负桥臂互为主辅的软开关逆变器，包括电压极性转换电路1、电流极性转换电路2、正向电流桥臂3、负向电流桥臂4、谐振网络5和滤波电路6；
68.所述电压极性转换电路1，与输入直流电源ui连接，用于实现逆变器主电路输入电压的极性转换；
69.所述电流极性转换电路2，用于实现逆变器主电路中电流的极性转换；
70.所述正向电流桥臂3，用于在输入的工频方波为正的情况下工作，高频开关传递电流；
71.所述负向电流桥臂4，用于在输入的工频方波为负的情况下工作，高频开关传递电流；
72.所述谐振网络5，用于实现正向电流桥臂3与负向电流桥臂4的软开关；
73.所述滤波电路6，与输出uo相连，用于实现逆变器主电路中电流的滤波。
74.实施例中，所述电压极性转换电路1包括mos管q1、mos管q2；
75.所述正向电流桥臂3包括mos管s1、电感lr1、二极管d1；
76.所述谐振网络5包括电感lr1、电感lr2、电容cr；
77.所述负向电流桥臂4包括mos管s2、电感lr2、二极管d2；
78.所述电流极性转换电路2包括mos管q3、mos管q4；
79.所述滤波电路6包括电感l、电容c；
80.实施例中，将输入直流电源ui正极和mos管q1的漏极相连，输入直流电源ui负极和mos管q2的源极相连，mos管q1的源极和mos管q2的漏极以及地相连；
81.输入直流电源ui正极与mos管s1的漏极，二极管d2的阴极相连，输入直流电源ui负极与二极管d1的阳极，mos管s2的源极相连，mos管s1的源极与电感lr1的一端相连，电感lr1的另一端与二极管d1的阴极短接，并与mos管q3的漏极和电容cr的一端相连，电感cr的另一端与mos管q4的源极短接，并与二极管d2的阳极和电感lr2的一端相连，电感lr2的另一端与mos管s2的源极相连；
82.mos管q3的源极与mos管q4的漏极短接，并与电感l的一端相连，l的另一端与电容c相连，并接到输出uo的正极，c的另一端与地相连，并接到输出uo的负极。
83.此逆变器拓扑可分为两个主要工作情况：
84.1、正向电流桥臂3为主，负向电流桥臂4为辅，mos管q1、mos管q4截止，mos管q2、mos管q3导通；
85.2、负向电流桥臂4为主，正向电流桥臂3为辅，mos管q1、mos管q4导通，mos管q2、mos管q3截止。
86.下面以图1所示为主电路结构，结合图2-8、图9-15叙述本发明的正负桥臂互为主辅的软开关逆变器的工作原理和工作模态。
87.实施例1
88.所述软开关逆变器中mos管q1、mos管q4截止，mos管q2、mos管q3导通，则以正向电流桥臂3为主，负向电流桥臂4为辅实现逆变器的高频软开关。
89.以正向电流桥臂3为主，负向电流桥臂4为辅的软开关逆变器，具有如下工作模态：
90.工作模态1-7分别对应图2-8。
91.(1)工作模态1：本模态系统处于稳态，mos管s1、mos管s2关断，电感l上电流经二极管d1续流，谐振网络5与主电路脱离；
92.(2)工作模态2：mos管s1导通，mos管s2作为辅助开关管处于关闭状态，谐振网络5脱离主电路，谐振电感lr1软化通过mos管s1的电流，使其零电流开通，续流二极管d1上的电流换流到mos管s1；
93.(3)工作模态3：mos管s2导通，谐振电感lr2软化通过mos管s2的电流，使其零电流开通；
94.此时谐振网络5接入主电路，流过谐振电感lr1和lr2的电流呈正弦形式上升，并为谐振电容cr充电，电容cr两端电压也呈正弦形式上升；
95.当电容cr两端电压等于输入电源电压时，流过电感lr2的电流达到峰值并开始下
降直至0，此时电容cr两端电压达到最大值，并开始通过电感lr1、lr2谐振放电，流过电感lr2的电流变为负，通过mos管s2的体二极管并将mos管s2两端电压钳位至0，为mos管s2创造零电压关断的条件；
96.(4)工作模态4：mos管s2零电压关断，当流过电感lr2的电流绝对值大于流过电感l上电流时，流过电感lr1的电流下降为负值，通过mos管s1的体二极管并将mos管s1两端电压钳位至0，为mos管s1的零电压关断创造条件；
97.(5)工作模态5：mos管s1零电压关断，电容cr通过mos管s1体二极管继续放电，流过电感lr1的电流由负值变为0；
98.(6)工作模态6：mos管s1体二极管截止，电容cr、电感l、mos管s2体二极管、电感lr2形成回路放电，此时流过电感lr2的电流等于流过电感l的电流；
99.随着电容cr上电压的下降，流过电感lr2的电流逐渐换流到二极管d1上，电感lr2和二极管d1共同为电感l续流；
100.(7)工作模态7：电容cr两端电压下降至0，mos管s2体二极管截止，谐振网络5与主电路脱离，此时流过电感l上电流只由二极管d1续流。
101.实施例2
102.所述软开关逆变器中mos管q1、mos管q4导通，mos管q2、mos管q3截止，则以负向电流桥臂4为主，正向电流桥臂3为辅实现逆变器的高频软开关。
103.以负向电流桥臂4为主，正向电流桥臂3为辅的软开关逆变器，具有如下工作模态：
104.工作模态1-7分别对应图9-15。
105.(1)工作模态1：系统处于稳态，mos管s1、mos管s2关断，电感l上电流经二极管d2续流，谐振网络5与主电路脱离；
106.(2)工作模态2：mos管s2导通，mos管s1作为辅助开关管处于关闭状态，谐振网络5脱离主电路，谐振电感lr2软化通过mos管s2的电流，使其零电流开通，续流二极管d2上的电流换流到mos管s2；
107.(3)工作模态3：mos管s1导通，谐振电感lr1软化通过mos管s1的电流，使其零电流开通，此时谐振网络5接入主电路，流过谐振电感lr1和lr2的电流呈正弦形式上升，并为谐振电容cr充电，电容cr两端电压也呈正弦形式上升；
108.当电容cr两端电压等于输入电源电压时，流过电感lr1的电流达到峰值并开始下降直至0，此时电容cr两端电压达到最大值，并开始通过电感lr1、lr2谐振放电，流过电感lr1的电流变为负，通过mos管s1的体二极管并将mos管s1两端电压钳位至0，为mos管s1创造零电压关断的条件；
109.(4)工作模态4：mos管s1零电压关断，当流过电感lr1的电流绝对值大于流过电感l上电流时，流过电感lr2的电流下降为负值，通过mos管s2的体二极管并将mos管s2两端电压钳位至0，为mos管s2的零电压关断创造条件；
110.(5)工作模态5：mos管s2零电压关断，电容cr通过mos管s2体二极管继续放电，流过电感lr2的电流由负值变为0；
111.(6)工作模态6：mos管s2体二极管截止，电容cr、电感l、mos管s1体二极管、电感lr1形成回路放电，此时流过电感lr1的电流等于流过电感l的电流；
112.随着电容cr上电压的下降，流过电感lr1的电流逐渐换流到二极管d2上，电感lr1
和二极管d2共同为电感l续流；
113.(7)工作模态7：电容cr两端电压下降至0，mos管s1体二极管截止，谐振网络5与主电路脱离，此时流过电感l上电流只由二极管d2续流。
114.通过上述对电路工作模态的分析，可知本发明利用正负向电流桥臂4的冗余自由度互为主辅，可以在不额外添加高频开关以及不添加过多无源器件的情况下实现逆变器的高频软开关，该驱动电路具有如下优点：
115.(1)、正负电流桥臂互为主辅，无需额外增加高频开关。
116.(2)、正向电流桥臂3与负向电流桥臂4复用同一无源谐振网络5。
117.(3)、控制策略简单。
118.(4)、电路拓扑简单，有源器件少。
119.(5)、成本较低，体积较小。
120.以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。