CN2012103377509A 一种三电感双Buck逆变器 1-14.pdf

10)申请公布号 CN 103107720 A(43)申请公布日 2013.05.15CN103107720A*CN103107720A*(21)申请号 201210337750.9(22)申请日 2012.09.05H02M 7/48(2007.01)(71)申请人南京航空航天大学地址 210000 江苏省南京市白下区御道街29号(72)发明人张方华 王旭东 肖旭(54) 发明名称一种三电感双Buck逆变器(57) 摘要一种三电感双Buck逆变器，由两个开关管，两个二极管，两个直流滤波电感，一个交流滤波电感，两个输入电容，一个输出滤波电容组成该变换器由开关管S1、二极管D1依次串联构成第一桥臂，由二极管D2、开关管S2依次串联构成第二桥臂；直流滤波电感Ldc1、Ldc2跨接在两桥臂中点间，Ldc1、Ldc2公共端接交流滤波电感Lac，Lac另一端接滤波电容Cf及负载R该变换器的优点是：大大减小了传统双Buck逆变器的输出滤波电感值，使变换器整体的体积、重量大为减小，有利于变换器的高功率密度、高可靠性集成本发明同时适用于由上述三电感双Buck逆变器构成的组合式三相逆变器和级联多电平逆变器及其相应的控制方式。

所涉及的逆变电路及控制方法在UPS、航空电源、风能及太阳能发电等场合有很好的应用前景51)Int.Cl.权利要求书1页 说明书5页 附图7页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书1页 说明书5页 附图7页(10)申请公布号 CN 103107720 ACN 103107720 A1/1页21.一种三电感双Buck逆变器，其特征在于：该变换器由开关管S1、二极管D1依次串联构成第一桥臂，由二极管D2、开关管S2依次串联构成第二桥臂；直流滤波电感Ldc1、Ldc2跨接在两桥臂中点间，Ldc1、Ldc2公共端接交流滤波电感Lac，Lac另一端接滤波电容Cf及负载R2.权利要求1所述的三电感双Buck逆变器，其特征在于所述电路中第一桥臂的开关管S1由开关管和二极管串联组成的单元替代，第二桥臂的开关管S2由开关管和二极管串联组成的单元替代3.权利要求1、2所述的三电感双Buck逆变器，其特征在于所述电路中直流滤波电感Ldc1、Ldc2采用耦合电感实现4.权利要求1、2和3所述的三电感双Buck逆变器组成的三相逆变器，其特征在于采用三个三电感双Buck逆变器分别作为A、B和C三相；三相共用直流母线电压Um，且三相共用直流输入侧电容C1、C2的公共点形成中点，组合成三相逆变器。

5.权利要求1、2、3和4所述逆变器的控制方法，其特征在于：逆变器输出电压与电压基准比较产生的误差信号作为电流基准；采样交流滤波电感Lac电流与电流基准比较得到电流误差信号，电流误差信号与三角载波交截得到PWM信号驱动开关管6.权利要求1、2、3和4所述逆变器的控制方法，其特征在于：逆变器输出电压与电压基准比较产生的误差信号作为电流基准，采样交流滤波电感Lac电流与电流基准经滞环比较器比较得到PWM信号驱动开关管7.权利要求1、2和3所述的三电感双Buck逆变器构成的级联多电平逆变器，其特征在于将N路三电感双Buck逆变器的输出端首尾顺次相连构成，N为大于等于2的自然数8.权利要求7所述的级联多电平逆变器的控制方法，其特征在于：逆变器输出电压与电压基准比较产生的误差信号作为电流基准，采样交流滤波电感Lac电流与电流基准比较得到电流误差信号；电流误差信号与N路三角载波交截得到N路三电感双Buck逆变器的PWM驱动信号，其中N路三角载波依次互差2π/N度权 利 要 求 书CN 103107720 A1/5页3一种三电感双 Buck 逆变器技术领域[0001] 本发明公布了一种三电感双Buck逆变器，属电力电子变换器。

背景技术[0002] 随着能源危机的日益加剧，太阳能、风能、燃料电池等新能源受到越来越多的关注如何将这些能源变换为可利用的交直流电是当前研究的热点；分布式发电系统被广泛应用于这样的场合，分布式系统通常需要采用DC/DC+DC/AC的两级式结构：前级DC/DC完成逆变器输入输出电压匹配及电气隔离；后级DC/AC完成直交转换并给终端负载供电而逆变器作为系统的重要组成部分，直接决定着输出电能质量；高可靠性、高功率密度和高效率是衡量逆变器性能的重要指标传统双Buck逆变器由于具有无桥臂直通、可靠性高、输出波形质量好、效率高等优点被广泛应用于高可靠性场合；但是由于需要两个独立的输出滤波电感且每个电感仅工作半个周期，磁性元件利用率低，系统体积重量大，影响了双Buck逆变器的应用[0003] 目前，针对双Buck逆变器磁性元件利用率低的缺点主要的解决方法有如下几种：[0004] (1)共用磁芯直接耦合方案这种方法是通过直接将两个电感绕组耦合到一个磁芯上根据同名端连接不同，又分为两种耦合方式这种方案的优点是电感耦合比较简单；但是由于两个电感存在耦合关系，在其中一个绕组上施加电压时会在另一个绕组上产生一个根据匝比关系对应的电压。

由于实际绕制的电感不可能保证两个绕组对应的电感值完全对称，会在电路产生不可预测的环流而且环流对应的回路中阻抗很小，很小的电压差即可产生很大的环流电流环流的存在将严重影响电路工作的可靠性和整机效率[0005] (2)双磁芯四绕组方案将每个电感绕组平均分绕在两个磁芯上，每个电感的感值为原电感的一半，将其中一个电感绕组同名端相连，另一个电感则异名端相连假设两个磁芯任何时候参数都相等(理想情况)，则在匝数相等的条件下，两个电感可以实现完全解耦，即在一个电感上施加电压，另一个电感上感应的电压值为零但是，实际上两个磁芯的工作状态不可能保证完全相同，如两个磁芯本身参数(磁导率等)就不可能完全相等，导致一个电感的两半绕组电压不同，在非工作的一路电感上感应有电压，导致存在环流的可能且磁导率等磁芯参数随着温度等环境条件影响较大，故难以保证非工作电感感应电压为零因此也存在方案(1)所述的环流[0006] (3)共用磁芯完全解耦磁集成方案这种方案针对EE型磁芯，把传统双Buck逆变器的电感L1绕在中柱上，电感L2则均分成两部分，分别绕在磁芯的两个侧柱上在其中一个电感上施加电压工作时，另外一个电感由于磁通抵消不会产生感应电压，因此两者都不会相互影响，是完全解耦的。

但事实上该方案并没有减小双Buck逆变器所需的电感值，虽然提高了磁芯的使用率但是所需的磁芯的型号将会增大，因此并不能真正的减小电感的体积和重量发明内容说 明 书CN 103107720 A2/5页4[0007] 本发明的目的在于，针对传统双Buck逆变器滤波电感体积重量大的缺点，提出了一种三电感双Buck逆变器，在不降低逆变器效率的基础上，有效的减小了双Buck逆变器的电感值，提高了磁性元件利用率，实现了高功率密度[0008] 实现上述目的的三电感双Buck逆变器由两个开关管，两个二极管，两个直流滤波电感，一个交流滤波电感，两个输入电容，一个输出滤波电容组成该变换器由开关管S1、二极管D1依次串联构成第一桥臂，由二极管D2、开关管S2依次串联构成第二桥臂；直流滤波电感Ldc1、Ldc2跨接在两桥臂中点间，Ldc1、Ldc2公共端接交流滤波电感Lac，Lac另一端接滤波电容Cf及负载R其特征在于：[0009] 将传统双Buck逆变器的两个独立电感变换为两个直流滤波电感Ldc1、Ldc2利一个交流滤波电感Lac来替代提高了双Buck逆变器电感的利用率，减小了总的电感值[0010] 本发明提出的三电感双Buck逆变器有如下优点：[0011] 1)保留了传统双Buck逆变器的优点；[0012] 2)三电感双Buck逆变器的电感值小，提高了磁性元件利用率，减轻了系统的体积重量，降低了系统的成本；附图说明[0013] 图1为本发明的三电感双Buck逆变器实施示意图。

[0014] 图2为传统双Buck逆变器的实施示意图[0015] 图3为本发明的三电感双Buck逆变器工作模态示意图[0016] 图4从上之下依次为具体实施中三电感双Buck逆变器的输出电压Vout，直流滤波电感Ldc1、Ldc2的电流iL1、iL2及交流滤波电感Lac的电流iL[0017] 图5从上之下依次为具体实施中三电感双Buck逆变器开关管S1、S2的占空比d1、d2，开关管S2两端电压V_ds2及二极管D2两端电压V_d2[0018] 图6上之下依次为具体实施中三电感双Buck逆变器开关管S1、S2的占空比d1、d2，流过二极管D2电流id2及开关管S2体二极管的电流id4[0019] 图7为本发明的三电感双Buck逆变器的第一桥臂开关管S1由开关管S1和二极管串联组成的单元替代，第二桥臂开关管S2由开关管S2和二极管串联组成的单元替代的实施示意图[0020] 图8为本发明的三电感双Buck逆变器在输出功率为1kVA场合应用时，直流滤波电感Ldc1、Ldc2和交流滤波电感Lac的实物图[0021] 图9为本发明的三路三电感双Buck逆变器分别作为A、B和C三相，组合成的三相逆变器实施示意图。

[0022] 图10为本发明的三电感双Buck逆变器构成的级联多电平逆变器实施示意图[0023] 图11为本发明的三电感双Buck逆变器及变换而成的逆变器的SPWM控制框图[0024] 图12为本发明的三电感双Buck逆变器及变换而成的逆变器的滞环控制框图[0025] 图13为本发明的三电感双Buck逆变器构成的级联多电平逆变器的控制框图具体实施方式[0026] 以下结合具体实施方式并对照附图，对本发明做进一步说明说 明 书CN 103107720 A3/5页5[0027] 图1为三电感双Buck逆变器电路[0028] 当逆变器电感Ldc1电流为正时，逆变器分为以下四个工作模态，其中电感电流方向如图1所示：[0029] 模态1：开关管S1导通时，由于开关管S2和二极管D2寄生电容Cs2、Cd2的存在，Cs2经输入电源Uin、直流滤波电感Ldc1、Ldc2和Cd2回路进行充电，Cd2经直流滤波电感Ldc1、Ldc2和Cs2回路进行放电，ildc1、ildc2电流正向谐振上升，Cs2两端电压上升，Cd2两端电压下降直至Cd2两端电压下降为零时该工作模态结束，由于交流滤波电感Lac值较大，电流线性上升。

[0030] 模态2：当Cd2两端电压下降为零后，D2自然导通；此时，S1依然导通，S2和D1均关断，iLdc1、iLac、正向线性增加，ildc2正向线性减小[0031] 模态3：D1导通时，S1、S2和D2均关断，由于开关管S2和二极管D2寄生电容Cs2、Cd2的存在，Cd2经输入电源Um、直流滤波电感Ldc1、Ldc2和D1形成的回路进行充电，Cs2经直流滤波电感Ldc1、Ldc2和D1回路进行放电，ildc1电流谐振下降，ildc2电流反向谐振下降，Cd2两端电压上升，Cs2两端电压下降直至Cs2两端电压下降为零时该工作模态结束[0032] 模态4：当Cs2两端电压下降为零后，S2的体二极管Ds2自然导通；此时，D1依然导通，S2和S1均关断，C2充电，iLdc1、iLac正向线性减小，ildc2反向线性减小[0033] 当逆变器电感Ldc2电流为负时，工作模态也分为四个模态，与正半周期时相同[0034] 为了说明三电感双Buck逆变器可以减小磁芯尺寸，现简要分析如下：[0035] 设传统双Buck逆变器每个电感所需感值为L，流过的最大电流幅值为Ip，有效值为Io，取电流密度为jmax，最大工作磁密为Bmax，电感匝数为N，窗口系数为Ku，则传统双Buck逆变器每个电感所需的磁芯尺寸为：[0036] [0037] 由于需要两只相同的独立电感，则所需的总磁芯尺寸为：[0038] [0039] 设三电感双Buck逆变器的直流滤波电感值为Ldc1＝Ldc2＝。