本發(fā)明涉及一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，屬于隔離型逆變器，其利用增加的輔助電路來抑制輸入側(cè)低頻功率紋波。

背景技術(shù)：

近年來，能源問題和環(huán)境問題已成為人類關(guān)注的核心問題，大力發(fā)展清潔、高效、可持續(xù)的新能源已成為當(dāng)務(wù)之急，與此相關(guān)的新能源電力技術(shù)也引起了學(xué)者和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，由此提出了一些關(guān)于新能源發(fā)電的逆變器拓?fù)浼翱刂品桨覆⑶覒?yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品。例如附圖1所示，為一種典型的單相推挽逆變器。對(duì)于這種系統(tǒng)，交流輸出功率中含有兩倍于輸出電壓基波頻率的脈動(dòng)，此脈動(dòng)分量必然會(huì)反饋到直流輸入側(cè)，影響蓄電池、燃料電池等輸入源的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)會(huì)干擾直流電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此解決新能源發(fā)電系統(tǒng)中的功率紋波問題，提高新能源的利用效率已刻不容緩。雖然使用大電解電容來濾除功率紋波是一種有效的解決方法，但在高溫工作條件下，電解電容長(zhǎng)時(shí)間頻繁的充放電會(huì)導(dǎo)致其使用壽命下降，從而影響逆變器的使用壽命，并且降低了系統(tǒng)功率密度。在電路中接入LC諧振電路，通過將諧振電路頻率設(shè)計(jì)為兩倍輸出頻率，也可以實(shí)現(xiàn)抑制兩倍功率紋波的目的，但要濾除低頻紋波所需的電感和電容體積都比較大，降低了系統(tǒng)的可靠性和功率密度。在電路中接入有源濾波器，額外增加的電路必然需要額外的控制系統(tǒng)，使整個(gè)系統(tǒng)都變的較為復(fù)雜。把輔助電路嵌入到原有的變換器中，進(jìn)而適當(dāng)改進(jìn)原有的控制方法實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)功率紋波的抑制，是非常有優(yōu)勢(shì)的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述逆變器所存在的技術(shù)缺陷提供一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，該逆變器不僅可以實(shí)現(xiàn)電能變換，而且能夠抑制直流輸入側(cè)的兩倍頻功率紋波，因此電路中不需要大容值的電容來濾除低頻功率紋波。

本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：

本發(fā)明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器，包括直流電源、輸入電容、主開關(guān)管、隔離變壓器、整流電路、濾波電路、極性反轉(zhuǎn)逆變橋及負(fù)載，其中主開關(guān)管包括兩個(gè)開關(guān)管，隔離變壓器包括三個(gè)繞組，直流電源的正極、輸入電容的輸入端、第一繞組的同名端和第二繞組的異名端相連接，直流電源的負(fù)極和輸入電容的輸出端相連接，第一主開關(guān)管的發(fā)射極和第二主開關(guān)管的發(fā)射極相連接，第一繞組的異名端接第一主開關(guān)管的集電極，第二繞組的同名端接第二主開關(guān)管的集電極，整流電路包括四個(gè)二極管，第一整流二極管的陽極、第二整流二極管的陰極和第三繞組的同名端相連接，第三整流二極管的陽極、第四整流二極管的陰極和第三繞組的異名端相連接，第一整流二極管和第三整流二極管的陰極連接構(gòu)成整流電路的正輸出端，第二整流二極管和第四整流二極管的陽極連接構(gòu)成整流電路的負(fù)輸出端，極性反轉(zhuǎn)逆變橋包括四個(gè)開關(guān)管，濾波電感的一端接整流電路的正輸出端，濾波電感的另一端、濾波電容的輸入端、第一開關(guān)管的集電極和第三開關(guān)管的集電極相連接，濾波電容的輸出端、整流電路的負(fù)輸出端、第二開關(guān)管的發(fā)射極和第四開關(guān)管的發(fā)射極相連接，第一開關(guān)管的發(fā)射極、第二開關(guān)管的集電極和負(fù)載的一端相連構(gòu)成正輸出端，第三開關(guān)管的發(fā)射極、第四開關(guān)管的集電極和負(fù)載的另一端相連構(gòu)成負(fù)輸出端；還包括由四個(gè)輔助二極管、兩個(gè)輔助開關(guān)管、輔助電感和輔助電容組成的有源輔助電路，直流電源的正極、輔助電感的一端、第一輔助二極管的陰極和第二輔助開關(guān)管的發(fā)射極相連接，輔助電感的另一端、第一輔助開關(guān)管的集電極和第四輔助二極管的陽極相連接，第四輔助二極管的陰極、輔助電容的輸入端和第二輔助開關(guān)管的集電極相連接，輔助電容的輸出端、第一輔助二極管的陽極和第二輔助二極管的陰極相連接，第二輔助二極管的陽極、第三輔助二極管的陽極和第一主開關(guān)管的發(fā)射極相連接，第三輔助二極管的陰極、第一輔助開關(guān)管的發(fā)射極和直流電源的負(fù)極相連接。

本發(fā)明與原有技術(shù)相比的主要技術(shù)特點(diǎn)是，通過控制輔助電路將交流輸出負(fù)載端帶來的功率紋波轉(zhuǎn)移到輔助電容上，達(dá)到抑制輸入側(cè)兩倍頻功率紋波的目的，并且逆變器中的電容均可采用容值較小的電容。

附圖說明

附圖1是傳統(tǒng)單相推挽逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖2是本發(fā)明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖3是本發(fā)明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器主要工作波形示意圖。

附圖4是本發(fā)明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器輸入輸出功率關(guān)系示意圖。

附圖5～圖12是本發(fā)明的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器的各開關(guān)模態(tài)示意圖。

上述附圖中的主要符號(hào)名稱：V_in、電源電壓。S_m1、S_m2、S_x1、S_x2、S₁～S₄、功率開關(guān)管。D_x1～D_x4、輔助二極管。C_in、輸入電容。C_x、輔助電容。L_x、輔助電感。T_r、隔離變壓器。N₁、N₂、N₃、隔離變壓器繞組。D₁～D₄、整流二極管。L_f、濾波電感。C_f、濾波電容。R_L、負(fù)載。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明：

附圖2所示的是一種抑制功率紋波的隔離型逆變器電路結(jié)構(gòu)示意圖。由直流電源、輸入電容1、主開關(guān)管2、隔離變壓器3、整流電路4、濾波電路5、極性反轉(zhuǎn)逆變橋6、負(fù)載7及輔助電路8組成。S_m1、S_m2、S_x1、S_x2是四只功率開關(guān)管，L_x是輔助電感，C_x是輔助電容，D_x1～D_x4是輔助二極管，T_r是隔離變壓器，D₁～D₄是整流二極管，L_f是濾波電感，C_f是濾波電容，S₁～S₄是逆變開關(guān)管，R_L為負(fù)載。

結(jié)合附圖3～附圖12敘述本發(fā)明的具體工作原理。由附圖3可知整個(gè)逆變器工作在兩種模式下，模式1下一個(gè)開關(guān)周期有4種開關(guān)模態(tài)，分別是[t_I0-t_I1]、[t_I1-t_I2]、[t_I2-t_I3]、[t_I3-t_I4]，模式2下一個(gè)開關(guān)周期有6種開關(guān)模態(tài)，分別是[t_II0-t_II1]、[t_II1-t_II2]、[t_II2-t_II3]、[t_II3-t_II4]、[t_II4-t_II5]、[t_II5-t_II6]。下面對(duì)各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。

在分析之前，先作如下假設(shè)：①所有開關(guān)管和二極管均為理想器件；②忽略隔離變壓器的漏感。

模式1中，直流電源端提供的輸入功率大于輸出功率，此時(shí)輸出功率則由直流電源端直接提供，而多余的輸入功率則通過輔助電路最終儲(chǔ)存在輔助電容上，見附圖4所示，區(qū)域A和區(qū)域B分別表示模式1中輸出所需的功率和多余的功率。模式2中，直流電源端提供的輸入功率小于輸出功率，此時(shí)直流電源端輸入功率經(jīng)推挽電路傳遞給副邊，其中不足的部分則由在模式1中已儲(chǔ)能的輔助電容提供，區(qū)域C和區(qū)域D分別表示模式2中直流輸入功率和輔助電容釋放的功率。通過控制輔助電路將負(fù)載側(cè)產(chǎn)生的功率紋波轉(zhuǎn)移到輔助電容上，使得直流電源端基本上只提供直流功率，達(dá)到抑制直流輸入側(cè)功率紋波的目的。

下面對(duì)模式1下各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。

1.開關(guān)模態(tài)1[t_I0-t_I1][對(duì)應(yīng)于附圖5]

主開關(guān)管S_m1開通，直流電源端輸入功率的一部分A傳遞到變壓器副邊，同時(shí)輔助開關(guān)管S_x1具有控制信號(hào)，將另一部分功率B儲(chǔ)存到輔助電容C_x，其中S_x1的控制是獨(dú)立于逆變器的，因此附圖3中沒有給出S_x1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

2.開關(guān)模態(tài)2[t_I1-t_I2][對(duì)應(yīng)于附圖6、附圖7]

t_I1時(shí)刻關(guān)斷S_m1，輔助電路仍繼續(xù)工作，將多余的功率B繼續(xù)轉(zhuǎn)移到輔助電容C_x上，如附圖6所示；當(dāng)多余的功率B全部轉(zhuǎn)移到輔助電容C_x上時(shí)，輔助電路停止工作，如附圖7所示。附圖6和附圖7兩者相同的是隔離變壓器副邊濾波電感電流均通過整流二極管續(xù)流。

3.開關(guān)模態(tài)3[t_I2-t_I3][對(duì)應(yīng)于附圖8]

由于在推挽電路中，隔離變壓器原邊兩個(gè)繞組對(duì)應(yīng)的主開關(guān)管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)是交替工作的，所以此階段，S_m2開通，直流電源端輸入功率的一部分A仍傳遞到變壓器副邊，另一部分功率B則流向輔助電路。

4.開關(guān)模態(tài)4[t_I3-t_I4][對(duì)應(yīng)于附圖6、附圖7]

此模態(tài)與模式1下開關(guān)模態(tài)2一樣。

下面對(duì)模式2下各開關(guān)模態(tài)的工作情況進(jìn)行具體分析。在該模式下，輔助電路中S_x1未開通。

1.開關(guān)模態(tài)1[t_II0-t_II1][對(duì)應(yīng)于附圖9]

主開關(guān)管S_m1開通，直流電源端輸入功率C全部傳遞到變壓器副邊。

2.開關(guān)模態(tài)2[t_II1-t_II2][對(duì)應(yīng)于附圖10]

t_II1時(shí)刻開通輔助開關(guān)管S_x2，由于輔助電容電壓v_x大于直流電源電壓，輔助二極管D_x1和D_x3均承受反壓而截止，此時(shí)輔助電容C_x向變壓器副邊傳遞輸出功率大于輸入功率的部分D，即直流電源端輸入功率不足以提供輸出所需的全部功率，不足的部分由在模式1下已充電的輔助電容提供。

3.開關(guān)模態(tài)3[t_II2-t_II3][對(duì)應(yīng)于附圖7]

t_II2時(shí)刻同時(shí)關(guān)斷主開關(guān)管S_m1和輔助開關(guān)管S_x2。此模態(tài)與模式1下開關(guān)模態(tài)2一樣，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極管續(xù)流。

4.開關(guān)模態(tài)4[t_II3-t_II4][對(duì)應(yīng)于附圖11]

此階段，S_m2開通，同模式2下開關(guān)模態(tài)1一樣，直流電源端輸入功率C全部傳遞到 變壓器副邊。

5.開關(guān)模態(tài)4[t_II4-t_II5][對(duì)應(yīng)于附圖12]

輔助開關(guān)管S_x2開通，輔助電容C_x補(bǔ)充輸入功率不足以提供給輸出功率的部分D。6.開關(guān)模態(tài)4[t_II5-t_II6][對(duì)應(yīng)于附圖7]

t_II5時(shí)刻同時(shí)關(guān)斷S_m2和輔助開關(guān)管S_x2，隔離變壓器副邊濾波電感電流通過整流二極管續(xù)流。

從以上的描述可以得知，本發(fā)明提出的一種抑制功率紋波的隔離型逆變器具有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：

1)由于增加了有源輔助電路，使輸出帶來的兩倍頻脈動(dòng)功率從輔助電路中通過，從而達(dá)到抑制直流電源輸入側(cè)功率紋波的效果。

2)該逆變器中的電容均可采用容值和體積較小的薄膜電容，大大的延長(zhǎng)了逆變器的使用壽命。

3)系統(tǒng)的開關(guān)頻率高，并且隔離變壓器雙向磁化，提高了系統(tǒng)的功率密度。

4)極性反轉(zhuǎn)逆變橋開關(guān)管的電壓應(yīng)力低且為零電壓零電流開關(guān)，提高了逆變器的效率。