反激逆变器主电路拓扑.pdf

一种反激逆变器主电路拓扑，属逆变器。由电源(Vin)，两只功率开关管(S1)与(S3)，滤波电容(C1)，续流二极管(D1)与(D3)组成反激逆变器正半周电压输出电路；由电源(Vin)，两只功率开关管(S2)与(S4)，滤波电容(C2)，续流二极管(D2)与(D4)组成反激逆变器负半周电压输出电路。本主电路仅有四只功率开关管，每一个开关周期仅有一只功率管高频斩波，开关、导通损耗较小；且副边仅有一个开关管压降，适用于低压大电流输出场合；动态性能良好。具有宽输入输出电压比，原副边隔离，可在小功率时工作在断续模式，功率较大时工作在连续模式。使逆变器具有高功率密度、高效率及高可靠性的特点，在中、小功率场合有着广泛的应用前景。

1、  一种反激逆变器主电路拓扑，其特征在于电源(Vin)正极连于第一个变压器(T₁)的原边电感(L_P1)的同名端，原边电感(L_P1)的非同名端与第一只功率开关管(S₁)的漏极相连，并通过接地线将第一只功率开关管(S₁)的源极与电源(Vin)负极相连；第一个变压器(T₁)副边电感(L_S1)的同名端通过第一个滤波电容(C₁)与第三只功率开关管(S₃)相连，回到第一个变压器(T₁)的副边电感(L_S1)的非同名端，从而构成了逆变器正半周输出电路；由电源(Vin)正极连于第二个变压器(T₂)的原边电感(L_P2)的同名端，原边电感(L_P2)的非同名端与第二只功率开关管(S₂)的漏极相连，并通过接地线将第二只功率开关管(S₂)的源极与电源(Vin)负极相连；第二个变压器(T₂)的副边电感(L_S2)的同名端通过第二个滤波电容(C₂)与第四只功率开关管(S₄)相连，回到第二个变压器(T₂)的副边电感(L_S2)的非同名端，从而构成了逆变器负半周输出电路。

反激逆变器主电路拓扑
技术领域：
本发明涉及的是一种反激逆变器的主电路拓扑，属电力电子逆变技术。
背景技术：
随着航空科技的发展和航空电子的快速发展，飞机二次电源必须向高功率密度和高电能转换效率及模块化方向发展。另外随着再生能源的开发利用，适用于太阳能阵列与电网并联的逆变器和燃料电池用逆变器，以及随电子计算机发展，不间断电源的需求增加都需要一种适合小功率，变换结构简单，控制简单，容易并联，具有隔离功能的单级式逆变器。单级逆变技术的基本形式就是高频链逆变技术。近十几年，围绕单级逆变器和高频链逆变技术，国内外学者做了大量研究，取得了不少有价值的研究成果。1995年Walker Jim提出了一种单四象限反激逆变器，反激逆变器的变压器有四组绕组，一个原边绕组，一个回馈绕组和两个整流绕组。逆变器由三只MOSFET和四只二极管组成，可以四个象限工作。该逆变器具有电气隔离，输入输出电压变化范围宽的特点。但是电路开关管数目较多，增加了开关器件的损耗，限制了实现软开关的可能性。1998年浙江大学黄敏超先生在他的申请工学博士学位论文中提出了由于Flyback电路工作在DCM下有类似电流源的输出特性，故称为电流源高频链逆变拓扑。同时他又提出了一种基于Flyback电路工作在DCM模式的全桥高频链逆变拓扑。它的每一个工作模式，均可等效为一个反激变换器，由MOSFET及其体内二极管组成双向开关，精简了循环变流器中开关管的个数，简化了控制和驱动电路，且无需滤波电感，动态响应性能好，磁芯利用率高，可靠性高，效率明显提高。但该主电路仍需要六只功率开关管，开关损耗较大，适用于高压场合。2001年南京航空航天大学李伟先生在他的申请工学博士学位论文中又提出并研究了半桥式和推挽式电流源高频链逆变电路，进一步减少了开关管的数目到四只，简化了电路结构，缺点是副边仍有两个开关管压降。
发明内容：
本发明旨在电流源高频链逆变电路的基础上提出一种新颖的反激逆变器(Flyback inverter)主电路拓扑。该拓扑结构简单，由两路双向反激变换器组合得到，共有四只MOSFET，由MOSFET及其体内二极管组成双向开关。同时，两路双向反激变换器的不同组合可以应用在DC/DC，DC/AC，AC/DC，AC/AC变换，是一个很灵活的拓扑组合。
为实现上述目的，本发明的技术方案是，用内含体二极管的功率场效应管替代反激变换器的开关器件得到双向反激变换器，两路双向反激变换器原边并联，副边串联。由电源正极连于第一个变压器原边的同名端，其原边的非同名端与第一只功率开关管的漏极相连，并通过接地线将第一只功率开关管的源极与电源负极相连；第一个变压器副边同名端通过第一个滤波电容与第三只功率开关管相连，回到第一个变压器的副边非同名端，从而构成了逆变器正半周输出电路；由电源正极连于第二个变压器原边的同名端，其原边的非同名端与第二只功率开关管的漏极相连，并通过接地线将第二只功率开关管的源极与电源负极相连；第二个变压器副边同名端通过第二个滤波电容与第四只功率开关管相连，回到第二个变压器的副边非同名端，从而构成了逆变器负半周输出电路。
本发明的反激逆变器主电路拓扑有四只功率开关管，每一个开关周期仅有一只功率管高频斩波，开关、导通损耗较小，且副边仅有一个开关管压降，适用于低压大电流输出场合；动态性能良好。而且由于每一种开关模式都可以等效为反激变换器，所以它保留了反激变换器的特点，具有宽输入输出电压比，原副边隔离，可以在小功率时工作在断续模式，在功率较大时工作在连续模式。使逆变器具有高功率密度、高效率及高可靠性的特点，在中、小功率场合有着广泛的应用前景。
附图说明：
图1是反激逆变器主电路拓扑原理图。
图2是在空载时，反激逆变器对应的工作模态(A-D-C-B)波形图。
图3是反激逆变器各工作模式下对应的等效电路图(A、B、C、D)。
图1-图3符号名称：Vin-电源，S₁、S₂、S₃、S₄-分别为第一至第四功率开关管，D₁、D₂、D₃、D₄-分别为第一至第四续流二极管，L_P1、L_S1-分别为第一变压器原边、副边电感，L_P2、L_S2-分别为第二变压器原边、副边电感，C₁、C₂-分别为第一与第二滤波电容，V_o-输出电压，V_o1、V_o2-分别为逆变器正负半周输出电压，io-输出电流，Ve-误差电压，V_st+、V_st--分别为正负向三角波电压，V_g1、V_g2、V_g3、V_g4-分别为第一至第四功率开关管的驱动电压，其它均为公知符号。A、B、C、D-分别表示逆变器的4个工作区域；A为输出能量区(Vo＞0，io＞0)，B为回馈能量区(Vo＜0，io＞0)，C为输出能量区(Vo＜0，io＜0)，D为输出能量区(Vo＞0，io＜0)。
具体实施方式：
图1是反激逆变器主电路拓扑原理图，其电路的组成是，由电源Vin正极连于第一个变压器T₁的原边电感L_P1的同名端，原边电感L_P1的非同名端与第一只功率开关管S₁的漏极相连，并通过接地线将第一只功率开关管S₁的源极与电源Vin负极相连；第一个变压器T₁副边电感L_S1的同名端通过第一个滤波电容C₁与第三只功率开关管S₃相连，回到第一个变压器T₁的副边电感L_S1的非同名端，从而构成了逆变器正半周输出电路。由电源Vin正极连于第二个变压器T₂的原边电感L_P2的同名端，原边电感L_P2的非同名端与第二只功率开关管S₂的漏极相连，并通过接地线将第二只功率开关管S₂的源极与电源Vin负极相连；第二个变压器T₂的副边电感L_S2的同名端通过第二个滤波电容C₂与第四只功率开关管S₄相连，回到第二个变压器T₂的副边电感L_S2的非同名端，从而构成了逆变器负半周输出电路。
图2是空载时反激逆变器对应的工作模态(A-D-C-B)波形图。它表明该反激逆变器控制简单，只需采用输出电压瞬时值反馈控制。利用SPWM技术，将输出电压Vo与基准电压V_ref经误差放大器得到的误差电压信号Ve分别与正负向高频三角波V_st+、V_st-交截得到高频斩波信号，再经过一系列逻辑电路从而获得功率开关管S₁-S₄的驱动信号。
工作原理及工作过程：
反激逆变器实质上是由两个双向反激变换器组合而成，原边并联，副边串联。输出电压Vo＝Vo₁-Vo₂；当Vo₁＞Vo₂时Vo＞0，当Vo₁＝Vo₂时Vo＝0，当Vo₁＜Vo₂时Vo＜0，电路就完成了单级DC/AC逆变功能。在本电路通过控制，保证当Vo＞0时，由功率开关管S₁、S₃和第一个变压器T₁组成的双向Flyback变换器工作，而功率开关管S₂、S₄和第二个变压器T₂不工作，输出电压Vo＝Vo₁；反之后一组工作前一组不工作，输出电压Vo＝Vo₂。
本发明着重分析该逆变器主电路地工作模式。
由于反激逆变器具有四象限工作能力，因此可以带感性，容性，阻性和整流负载。在一个输出电压周期中，逆变器有四种工作模式分别对应四个象限的工作，每一种工作模式的拓扑结构都相当于一个反激变换器，而且对应不同的负载，逆变器工作模式的顺序不同。具体工作模式描述如下：
1、能量输出模式(模式A、C)
模式A(Vo＞0，io＞0)
对于A模式，功率开关管S₄常通，功率开关管S₁高频斩波，功率开关管S₂、S₃关断；则电源Vin、第一个变压器原边电感L_P1、第一只功率开关管S₁、第一个变压器副边电感L_S1、续流二极管D₃、第一滤波电容C₁和负载Z_L构成一个反激变换器，电源Vin向负载Z_L传输能量。其中Vo＝Vo₁，Vo₂＝0，对应于图3(a)所示。
模式C(Vo＜0，io＜0)
对于C模式，功率开关管S₃常通，功率开关管S₂高频斩波，功率开关管S₁、S₄关断；则电源Vin、第二个变压器原边电感L_P2、第二只功率开关管S₂、第二个变压器副边电感L_S2、续流二极管D₄、第二滤波电容C₂和负载Z_L构成一个反激变换器，电源Vin向负载Z_L传输能量。其中Vo＝Vo₂，Vo₁＝0，对应于图3(c)所示。
2、能量回馈模式(模式B、D)
模式B(Vo＜0，io＞0)
对于B模式，功率开关管S₃常通，功率开关管S₄高频斩波，功率开关管S₁、S₂关断；则电源Vin、第二个变压器原边电感L_P2、续流二极管D₂、第二个变压器副边电感L_S2、第四只功率开关管S₄、第二滤波电容C₂和负载Z_L构成一个反激变换器，负载Z_L向电源Vin回馈能量。其中Vo＝Vo₂，Vo₁＝0，对应于图3(b)所示。
模式D(Vo＞0，io＜0)
对于D模式，功率开关管S₄常通，功率开关管S₃高频斩波，功率开关管S₁、S₂关断；则电源Vin、第一个变压器原边电感L_P1、续流二极管D₁、第一个变压器副边电感L_S1、第三只功率开关管S₃、第一滤波电容C₁和负载Z_L构成一个反激变换器，负载Z_L向电源Vin回馈能量。其中Vo＝Vo₁，Vo₂＝0，对应于图3(d)所示。
当逆变器带感性负载时，工作顺序为A-B-C-D，若逆变器带容性负载，则工作顺序为A-D-C-B。