基于磁集成的隔离型单级双SEPIC逆变器.pdf

1、(10)申请公布号 CN 102832838 A (43)申请公布日 2012.12.19 C N 1 0 2 8 3 2 8 3 8 A *CN102832838A* (21)申请号 201210320113.0 (22)申请日 2012.08.31 H02M 7/48(2007.01) H02M 3/335(2006.01) (71)申请人燕山大学 地址 066004 河北省秦皇岛市海港区河北大 街西段438号 (72)发明人王立乔 祝百年 仇雷 (74)专利代理机构石家庄一诚知识产权事务所 13116 代理人崔凤英 (54) 发明名称 基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器 (57)

2、摘要 本发明公开了一种基于磁集成的隔离型单级 双Sepic逆变器，它包括隔离型Sepic电路的输 入端1、第一隔离型Sepic电路输出端2和第二隔 离型Sepic电路输出端3。本发明是用两个隔离 型Sepic变换器通过输出并联的方式构建一种能 实现升降压逆变的单级单相逆变器，并且通过磁 集成技术实现逆变器多磁性元件集成。由于电路 中Sepic变换器本身具有可升降压功能，再利用 高频变压器的变比，使得输入输出范围进一步扩 大，可以满足光伏逆变器宽输入电压范围的要求， 并且可实现升降压逆变功能。本发明是一种符合 可再生能源和新能源发电技术需要的，适用于宽 输入电压范围和中等功率场合的新型逆变器。

3、(51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书6页 附图8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 6 页 附图 8 页 1/1页 2 1.一种基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器，其特征在于：它包括隔离型Sepic 电路的输入端(1)、第一隔离型Sepic电路输出端(2)和第二隔离型Sepic电路输出端 (3)； 在所述的隔离型Sepic电路的输入端(1)中，第一电感(L 1 )的一端接电源Vi的正极， 第一电感(L 1 )的另一端接第一功率开关管(S 1 )的阳极和第一电容(C 1 )的一端，第一功率 开关管(S 1 )的阴极接电源Vi

4、的负极，第一电容(C 1 )的另一端接第二电感(L 2 )的一端和高 频变压器(T)的第一绕组(N 1 )的一端，第二电感(L 2 )的另一端和高频变压器(T)的第一绕 组(N 1 )的另一端接电源V i 的负极和第一功率开关管(S 1 )的阴极； 在所述的第一隔离型Sepic电路输出端(2)中，第一功率二极管(D 1 )的阳极接高频变 压器(T)的第二绕组(N 2 )的一端，该端与第一电容(C 1 )相连接的高频变压器(T)的第一绕 组(N1)的一端同名，第一功率二极管(D 1 )的阴极接第二电容(C 2 )的一端和负载的一端，第 二电容(C 2 )的另一端接第二功率开关管(S 2 )的阳极

5、和第三电感(L 3 )的一端，第三电感(L 3 ) 的另一端接负载的另一端，第二功率开关管(S 2 )的阴极接高频变压器(T)的第二绕组(N 2 ) 的另一端； 在所述的第二隔离型Sepic电路输出端(3)中，第三功率开关管(S 3 )的阳极接高频变 压器(T)的第三绕组(N 3 )的一端，该端与第一电容(C 1 )相连接的高频变压器(T)的第一绕 组(N 1 )的一端同名，第三功率开关管(S 3 )的阴极接于第二功率开关管(S 2 )的阳极和第二 电容(C 2 )的连接处，第二功率二极管(D 2 )的阳极与第一功率二极管(D 1 )的阴极、第二电容 (C 2 )和负载相连接的一端连接，第二功

6、率二极管(D 2 )的阴极接高频变压器(T)的第三绕组 (N 3 )的另一端。 2.如权利要求1所述的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器，其特征在于，所述的 第一电感(L 1 )、第二电感(L 2 )和高频变压器(T)全部集成在同一副E型磁芯上；高频变压 器(T)的第一绕组(N 1 )、第二绕组(N 2 )和第三绕组(N 3 )全部绕制在磁芯的中柱上，第一电 感(L 1 )和第二电感(L 2 )分别由两个串联绕组分别绕制在磁芯的左右两个侧柱上，而且每个 电感的两个串联绕组匝数相同。 权 利 要 求 书CN 102832838 A 1/6页 3 基于磁集成的隔离型单级双 Sepic 逆变器

7、 技术领域 0001 本发明涉及一种电能变换装置中的逆变器，尤其涉及应用在既可升压也可降压的 单相逆变场合中的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器。 背景技术 0002 随着世界非可再生能源的日益枯竭，太阳能发电和风力发电等可再生能源发电逐 渐发展甚至取代了传统的消耗性能源发电，因为这些新能源发电具有取之不尽用之不竭， 并且对环境无污染等优点。逆变器是可再生能源发电设备的核心部件，既可以直接为交流 负载提供电力，也可以作为接口将能量传送到交流电网。由于可再生能源能量分布的随机 性和不确定性，这也造成其输出功率的脉动性，主要表现为直流电压的大范围变化。传统的 电压型桥式逆变器是降压型逆变器，

8、其交流侧电压峰值只能低于直流侧电压，因此不能适 用于输入电压宽范围变化的应用场合。为解决这个问题，通常采用两种方法：一种是采用 多级式逆变技术，即先通过直流变换器升压再利用桥式逆变电路等实现逆变；但这种方法 的电路结构复杂，使用的元器件多，而且工作效率低。另一种是采用工频隔离逆变技术，即 先利用桥式逆变电路实现逆变再通过工频升压变压器匹配输出电压；由于使用了工频变压 器，从而增加了系统的体积和成本，同时降低了系统效率。 0003 采用体积小、成本较低且效率较高的高频变压器，取代工频变压器，构成高频隔离 逆变器是解决上述问题的一个好思路。这方面已经取得很多研究成果。但现有的研究成果 大多是在降压

9、型电路(包括Buck电路、正激电路和桥式电路)的基础上改造推演的；由于 这些电路本质上的降压特性，因此要实现升压功能，只能利用变压器的变比，因升压能力有 限，不能适用于宽输入电压范围的应用场合。除此之外，也有以反激变换器为基础构成的高 频隔离逆变器结构。反激变换器本身具有升降压能力，因而这种结构能适用于宽输入电压 范围的应用场合，但反激变换器的变压器为单向磁化，因此这种结构只能用于小功率的场 合。利用其他具有升降压能力的隔离DC/DC变换器如Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变 换器构成高频隔离逆变器的研究成果也有一些，但结构均比较复杂，使用的开关器件数目 庞大，且通常需要两个以上变压器

10、，不利于系统的磁集成设计。 发明内容 0004 为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于磁集成的隔离型单级双 Sepic逆变器。本发明是用两个隔离型Sepic变换器通过输出并联的方式构建一种可实现 升降压逆变的单级单相逆变器，并且通过磁集成技术实现逆变器多磁性元件集成。 0005 为了解决上述存在的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于磁 集成的隔离型单级双Sepic逆变器，包括隔离型Sepic电路的输入端1、第一隔离型Sepic 电路输出端2和第二隔离型Sepic电路输出端3； 0006 在所述的隔离型Sepic电路的输入端1中，第一电感L 1 的一端接电源V i 的正极

11、， 第一电感L 1 的另一端接第一功率开关管S 1 的阳极和第一电容C 1 的一端，第一功率开关管 说 明 书CN 102832838 A 2/6页 4 S 1 的阴极接电源V i 的负极，第一电容C 1 的另一端接第二电感L 2 的一端和高频变压器T的 第一绕组N 1 的一端，第二电感L 2 的另一端和高频变压器T的第一绕组N 1 的另一端接电源 V i 的负极和第一功率开关管S 1 的阴极； 0007 在所述的第一隔离型Sepic电路输出端2中，第一功率二极管D 1 的阳极接高频变 压器T的第二绕组N 2 的一端，该端与第一电容C 1 相连接的高频变压器T的第一绕组N 1 的 一端同名，第

12、一功率二极管D 1 的阴极接第二电容C 2 的一端和负载的一端，第二电容C 2 的另 一端接第二功率开关管S 2 的阳极和第三电感L 3 的一端，第三电感L 3 的另一端接负载的另 一端，第二功率开关管S 2 的阴极接高频变压器T的第二绕组N 2 的另一端； 0008 在所述的第二隔离型Sepic电路输出端3中，第三功率开关管S 3 的阳极接高频变 压器T的第三绕组N 3 的一端，该端与第一电容C 1 相连接的高频变压器T的第一绕组N 1 的 一端同名，第三功率开关管S 3 的阴极接于第二功率开关管S 2 的阳极和第二电容C 2 的连接 处，第二功率二极管D 2 的阳极与第一功率二极管D 1

13、的阴极、第二电容C 2 和负载相连接的一 端连接，第二功率二极管D 2 的阴极接高频变压器T的第三绕组N 3 的另一端。 0009 所述的第一电感L 1 、第二电感L 2 和高频变压器T全部集成在同一副E型磁芯上； 高频变压器T的第一绕组N 1 、第二绕组N 2 和第三绕组N 3 全部绕制在磁芯的中柱上，第一电 感L 1 和第二电感L 2 分别由两个串联绕组分别绕制在磁芯的左右两个侧柱上，而且每个电感 的两个串联绕组匝数相同。这样就使得：左侧柱上的两电感的各自半个绕组相互耦合，右侧 柱上的两电感的各自半个绕组相互耦合，每个电感的左右绕组串联后，依然能够满足第一 电感L 1 和第二电感L 2 耦

14、合连接；同时每个电感的两个绕组在中柱产生的磁通大小相等，方 向相反，磁通相互抵消，实现两耦合电感与变压器的解耦集成。 0010 本发明采用的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器，包含两个隔离型Sepic 电路单元，通过两输出侧并联实现逆变。因两隔离型Sepic电路的输入侧在上下半个周期 内的工作原理相同，因此本发明采用一个输入侧电路，既节省了开关器件和变压器的数量， 又提高了功率器件的利用效率。 0011 本发明可按变压器原、副边分为两个功能模块：正弦半波生成模块和极性翻转模 块。在正弦半波生成模块，通过对第一功率开关管的控制，依靠第一电感L 1 、第二电感L 2 和 第一电容C 1 ，在

15、变压器原边形成一个高频脉动DC信号，其低频分量为一频率为输出频率一 倍的正弦半波信号。在极性翻转模块，由开关管和截止二极管串联再反向并联在负载上，通 过控制第二功率开关管S 2 和第三功率开关管S 3 互补导通的方式，实现正弦波的正负半波输 出。电路输入端主要依靠电流的形式向输出端传送能量，输出端由于输出为电流型输出，所 以第二功率开关管S 2 和第三功率开关管S 3 的驱动信号不应加入死区，而应在变换区间采用 重叠区间方法。采用单周期控制的方法，使逆变器在正常工作时不需要偏置电流，使电感电 流工作在连续模式下，减小了EMI。单周期控制还具有动态响应快，抑制电源波动，实现简单 等特点。在一个周

16、期内，电路输入端得第一功率开关管S 1 的PWM控制的跟踪电压为一个正 弦波的绝对值，而输出端第二功率开关管S 2 和第三功率开关管S 3 如前面所述的按照互补原 则以工频工作。 0012 由于采用上述技术方案，本发明提供的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变 器，与现有技术相比，其有益效果是： 0013 本发明是用两个隔离型Sepic变换器通过输出并联的方式构建一种能实现升降 说 明 书CN 102832838 A 3/6页 5 压逆变的单级单相逆变器，并且通过磁集成技术实现逆变器多磁性元件集成。由于电路中 Sepic变换器本身具有可升降压功能，再利用高频变压器的变比，使得输入输出范围进一

17、步 扩大，可以满足光伏逆变器宽输入电压范围的要求，并且可实现升降压逆变功能。对于波动 的直流电源和恒定的直流电源均能作为电源V i ；对于瞬时值低于和不低于交流侧峰-峰值 电压的外接电源V i ，均能使所述隔离型单级双Sepic逆变器正常工作，是一种符合可再生能 源和新能源发电技术需要的，适用于宽输入电压范围和中等功率场合的新型逆变器。 0014 本发明只采用了一个输入端电路，提高了输入电源的利用效率，电路结构中只采 用了一个高频变压器和三个全控开关器件，结构简单。由于有高频变压器使得输入与输出 电气隔离，系统输入端和输出端无公共点，系统更具有安全性和抗扰动性。本发明中的高频 变压器为双向磁化

18、，可承担较大功率容量。本发明对磁性元件做了磁集成处理，减小了磁性 元件体积，提高电源效率和功率密度，减小了电感电流纹波。采用单周期控制的方法，使其 控制简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源的波动具有较强的抑制能力。 附图说明 0015 图1是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器的电路结构示意图； 0016 图2-5是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器的各开关模态示意 图； 0017 图6是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器功率开关管的调制方 法； 0018 图7是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器功率开关管的驱动波形 示意图； 0019 图

19、8是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器的输出电压波形图； 0020 图9是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器的输出电流波形图； 0021 图10是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器采用的控制原理图； 0022 图11是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器采用的给定波形和驱 动第三、第四功率开关管的驱动波形； 0023 图12是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器耦合电感和变压器的 解耦集成方法； 0024 图13是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器磁集成前电感(L 1 )和 电感(L 2 )的电流波形图； 0025

20、 图14是本发明的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器磁集成后电感(L1)和 电感(L2)的电流波形图。 0026 上述附图中的主要符号名称：1.隔离型Sepic电路的输入端；2.第一隔离型 Sepic电路输出端；3.第二隔离型Sepic电路输出端；V i 逆变器输入电源电压；L 1 L 2 线性电感。L 3 滤波电感；C 1 Sepic电路中间储能电容；C 2 滤波电容；S 1 S 2 功率开关管；D 1 D 2 功率二极管；T高频变压器；R负载阻抗；Vp1 Vp3功率开关管S 1 S 3 的驱动电压；V o 负载输出电压；i(R)负载输出电流； V ref1 第一隔离型Sepic电路单

21、周期控制给定电压；V ref2 第二隔离型Sepic电路单周 期控制给定电压；R int1 R int2 积分电路电阻；C int1 C int2 积分电路电容；i(L1) 说 明 书CN 102832838 A 4/6页 6 第一电感L 1 的电流；I(L2)第二电感(L 2 )的电流；i(M1_1)第一电感(L1)集成后 的电流；I(M1_2)第二电感(L 2 )集成后的电流。 具体实施方式 0027 下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述： 0028 基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器，如附图1所示，由输入电源、三个开关 管、两个截止二极管、三个电感、二个电容、一个单原

22、边双副边变压器及输出负载组成，它包 括隔离型Sepic电路的输入端1、第一隔离型Sepic电路输出端2和第二隔离型Sepic电路 输出端3； 0029 隔离型Sepic电路的输入端1中，第一电感L 1 的一端接电源V i 的正极，第一电感 L 1 的另一端接第一功率开关管S 1 的阳极和第一电容C 1 的一端，第一功率开关管S 1 的阴极 接电源V i 的负极，第一电容C 1 的另一端接第二电感L 2 的一端和高频变压器T的第一绕组 N 1 的一端，第二电感L 2 的另一端和高频变压器T的第一绕组N 1 的另一端接电源V i 的负极 和第一功率开关管S 1 的阴极； 0030 第一隔离型Sep

23、ic电路输出端2中，第一功率二极管D 1 的阳极接高频变压器T的 第二绕组N 2 的一端，该端与第一电容C 1 相连接的高频变压器T的第一绕组N 1 的一端同名， 第一功率二极管D 1 的阴极接第二电容C 2 的一端和负载的一端，第二电容C 2 的另一端接第 二功率开关管S 2 的阳极和第三电感L 3 的一端，第三电感L 3 的另一端接负载的另一端，第二 功率开关管S 2 的阴极接高频变压器T的第二绕组N 2 的另一端； 0031 第二隔离型Sepic电路输出端3中，第三功率开关管S 3 的阳极接高频变压器T的 第三绕组N 3 的一端，该端与第一电容C 1 相连接的高频变压器T的第一绕组N 1

24、 的一端同名， 第三功率开关管S 3 的阴极接于第二功率开关管S 2 的阳极和第二电容C 2 的连接处，第二功 率二极管D 2 的阳极与第一功率二极管D 1 的阴极、第二电容C 2 和负载相连接的一端连接，第 二功率二极管D 2 的阴极接高频变压器T的第三绕组N 3 的另一端。 0032 所述的第一电感L 1 、第二电感L 2 和高频变压器T全部集成在同一副E型磁芯上； 高频变压器T的第一绕组N 1 、第二绕组N 2 和第三绕组N 3 全部绕制在磁芯的中柱上，第一电 感L 1 和第二电感L 2 分别由两个串联绕组分别绕制在磁芯的左右两个侧柱上，而且每个电感 的两个串联绕组匝数相同。 0033

25、在本发明的电路中，第一电感L 1 为输入电感，主要作用是能量储存与传递，并维持 输入电流联系，第二电感L 2 通过第一功率开关管S 1 的导通与闭合完成能量的存储与释放； 第一电容C 1 为中间储能电容，其电压与输入电压相同；第二电容C 2 与第三电感L 3 组成的谐 振电路用于输出电压滤波。本发明中的高频变压器T为单原边双副边变压器，因此变压器 的原边在正弦波的正负半个周期分别向两个副边绕组传输能量，即变压器副边的两个输出 电路并不是同时工作的。 0034 当电路工作在正弦波前半个周期内时，第一隔离型Sepic电路输出端2处于工作 状态，第二隔离型Sepic电路输出端3不工作，此时电路包括两

26、个工作模态： 0035 工作模态I 0036 如附图2所示，功率开关管S 1 和S 2 导通，S 3 关断，电源经过功率开关管S 1 给电感 L 1 充电，电感L 1 的电流上升；同时电容C 1 经过功率开关管S 1 给电感L 2 充电，电感L 2 电流上 说 明 书CN 102832838 A 5/6页 7 升；由于功率二极管D 1 处于反向截止状态，输入端不向输出端传送能量，负载电压主要由电 容C 2 与电感L 3 组成的谐振电路提供。 0037 工作模态II 0038 如附图3所示，功率开关管S 1 和S 3 关断，S 2 导通，电源经过电感L 1 给电容C 1 充电， 稳定后电容C 1

27、 电压与输入电压相同；同时由于二极管D 1 正向导通，电感L 1 和L 2 通过变压 器向输出端传送能量，电感电流下降；变压器副边输出能量经过功率二极管D 1 向负载供电， 并给滤波电容C 2 充电。 0039 当电路工作在正弦波后半个周期内时，第二隔离型Sepic电路输出端3处于工作 状态，第一隔离型Sepic电路输出端2不工作，此时电路包括两个工作模态： 0040 工作模态III 0041 如附图4所示，功率开关管S 1 和S 3 导通，S 2 关断，电源经过功率开关管S 1 给电感 L 1 充电，电感L 1 的电流上升；同时电容C 1 经过功率开关管S 1 给电感L 2 充电，电感L 2

28、 电流上 升；由于功率二极管D 2 处于反向截止状态，输入端不向输出端传送能量，负载电压主要由电 容C 2 与电感L 3 组成的谐振电路提供。 0042 工作模态IV 0043 如附图5所示，功率开关管S 1 和S 2 关断，S 3 导通，电源经过电感L 1 给电容C 1 充电， 稳定后电容C 1 电压与输入电压相同；同时由于功率二极管D 2 正向导通，电感L 1 和L 2 通过 变压器向输出端传送能量，电感电流下降；变压器副边输出能量经过功率二极管D 2 向负载 供电，并给滤波电容C 2 充电。 0044 以上四个工作模态可用表1来表示，电路关键波形如附图7-9所示，在输出电流过 零点处即为

29、两个隔离型Sepic电路输出端2、3工作切换的位置，两个隔离型Sepic电路输 出端交替工作，以维持输出电压波形。 0045 表1隔离型单级双Sepic逆变器的功率管开关组合状态 0046 0047 为实现以上工作原理，采用控制方案如附图10所示：本发明采用两套单周期控制 系统来实现逆变功能，选取功率二极管D 1 和功率二极管D 2 两端的电压作为反馈电压，经积 分后与给定电压相比较，得到两套控制系统输出驱动PWM波通过与或门电路合成一个驱动 PWM波控制第一功率开关管S 1 的通断。主电路输出端在正弦上半周期工作的情况下，只有 一套控制系统工作，加入了一个带有占空比为0.5的工频驱动信号或门

30、，使输出端不工作 的那套控制系统的积分器保持复位状态，为下半个工频周期做准备；同时上半周期工作的 控制系统PWM驱动信号与占空比为0.5的工频驱动信号取“与”，得到上半周期控制系统PWM 输出波形；同理得到下半周期另一套控制系统PWM输出波形，两套控制系统输出波形相位 说 明 书CN 102832838 A 6/6页 8 相差180。最终依靠一个或门电路实现两套控制系统输出同时供给第一功率开关管S 1 的 驱动PWM波。而第二功率开关管S 3 和第三功率开关管S 4 的驱动波形应跟随两个给定端，保 持半个正弦波周期的常开常关，相互互补，两个给定波形和S 3 、S 4 的驱动波形如附图11所 示

31、。 0048 如附图12所示，本实施方案的基于磁集成的隔离型单级双Sepic逆变器，第一电 感L 1 、第二电感L 2 和高频变压器T全部集成在同一副E型磁芯上；高频变压器T的第一绕 组N 1 、第二绕组N 2 和第三绕组N 3 全部绕制在磁芯的中柱上，第一电感L 1 和第二电感L 2 分别 由两个串联绕组分别绕制在磁芯的两个侧柱上，并且保证每个电感的两个串联绕组匝数相 同。其中，左侧柱上两电感的各自半个绕组相互耦合，右侧柱上两电感的各自半个绕组相互 耦合，每个电感的左右绕组串联后，依然能够满足第一电感L 1 和第二电感L 2 耦合连接；同时 每个电感的两个绕组在中柱产生的磁通大小相等，方向相

32、反，磁通相互抵消，实现两耦合电 感与变压器的解耦集成。该磁集成方法不但减小了磁性元件的体积，增大了功率密度，而且 有效消除了第二电感L 2 中电流纹波，优化了逆变器电流脉动性能，减少了电磁干扰。如附 图13-14所示，给出了磁集成前后电感电流波形。 说 明 书CN 102832838 A 1/8页 9 图1 图2 说 明 书 附 图CN 102832838 A 2/8页 10 图3 图4 说 明 书 附 图CN 102832838 A 10 3/8页 11 图5 图6 说 明 书 附 图CN 102832838 A 11 4/8页 12 图7 图8 说 明 书 附 图CN 102832838 A 12 5/8页 13 图9 说 明 书 附 图CN 102832838 A 13 6/8页 14 图10 说 明 书 附 图CN 102832838 A 14 7/8页 15 图11 图12 图13 说 明 书 附 图CN 102832838 A 15 8/8页 16 图14 说 明 书 附 图CN 102832838 A 16