CN101895223A - 双Cuk升降压输出并联型逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双Cuk升降压输出并联型逆变器，采用可实现升降压输出的两个Cuk型DC/DC变换器在输出并联组成，能够实现DC/AC单相逆变，并可扩展实现三相逆变。该逆变器的基本功能是：可以实现升降压逆变，在输入直流电压较低或变化范围较大时，双Cuk升降压输出并联型逆变器仍能正常完成逆变功能；整个电路无桥臂直通问题，可靠性高；续流电流不流过开关管的体二极管，通过单独的二极管续流，使功率开关管和功率二极管可以分别优化设计；电路参数设计简单，可以根据直流Cuk变换器的设计方法进行设计；电感电流工作在连续状态下，减少了EMI。该发明的主要应用为：工作电压等级较低或变化范围较大的可再生能源和新能源发电领域，如光伏发电、燃料电池发电等。

Description

双Cuk升降压输出并联型逆变器

技术领域

本发明涉及一种电能变换装置中的逆变器，尤其涉及在既可升压也可降压的单相或多相逆变应用场合中。

背景技术

可再生能源和新能源发电技术是应对能源危机，维持可持续发展，实现“低碳”经济的核心技术。逆变器是可再生能源和新能源发电系统中的关键组件。与传统能源相比，可再生能源和新能源发电装置的特点是其输出功率的波动性和随机性，具体的表现就是其所提供的直流电压的变化范围比较宽。具体到光伏阵列、燃料电池和小型风力发电机，还具有输出电压等级比较低的特点。而传统的逆变器都是buck型降压变换器结构，其输入的直流电压要高于输出的交流电压峰值，不适应于可再生能源和新能源发电技术的需要。

对此，传统的解决方案有两种，第一种是在逆变器前加一级DC/DC变换器，提高逆变器的输入电压，但级数的增加势必会降低整体的效率。另一种是隔离型方案，即在变换器中增加升压变压器以提高电压等级同时实现电气隔离，但变压器的加入也将增加系统成本并影响整体的变换效率。显然，能够直接实现可升降压的非隔离单级型方案更加符合可再生能源和新能源发电技术的需要；本专利所提出的双Cuk升降压输出并联型逆变器正是满足上述需要的一种新型逆变方案。

发明内容

发明目的：本发明的目的是用两个Cuk变换器构建一种可实现升降压逆变的单级单相或三相逆变器。

技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器包括电容分压电路、第一Cuk电路和第二Cuk电路，其中，电容分压电路由两个相串联的第一电容和第二电容构成，第一电容和第二电容的串联连接点接零电位点，第一电容另一端接外接电源的正极，第二电容另一端接外接电源的负极；第一Cuk电路中，第一功率二极管的阳极接电源正极，阴极接第一电感的一端，第一电感的另一端接第一功率开关管的阳极和第三电容的一端，第一功率开关管的阴极接零电位点，第三电容的另一端接第三功率二极管的阳极和第三功率开关管的阴极，第三功率二极管的阴极接零电位点，第三功率开关管的阴极接第五功率二极管的阴极，第五功率二极管的阳极接第三电感的一端；第二Cuk电路中，第二功率二极管的阴极接电源负极，阳极接第二电感的一端，第二电感的另一端接第二功率开关管的阴极和第四电容的一端，第二功率开关管的阳极接零电位点，第四电容的另一端接第四功率二极管的阴极和第四功率开关管的阳极，第四功率二极管的阳极接零电位点，第四功率开关管的阴极接第六功率二极管的阳极，第六功率二级管的阴极接第三电感，同第一Cuk电路一样，接于第三电感的同一端；负载一端接于第三电感的另一端，负载的另一端接零电位点。

第一电感、第二电感和第三电感可以耦合到同一个磁芯上，大大减小了电感体积和磁芯数量，通过耦合的方法，单个电感的值也可以降低。

本发明采用的双Cuk升降压输出并联型逆变器包含两个Cuk电路单元，其输入侧接分压电容电路，其输出侧接输出滤波电容和负载电路。该电路中第一开关管和第二开关管不同时工作，分别工作于正弦波的上半周期和下半周期，因此，这两个开关管不需设置死区时间，并且可以实现高频逆变。续流电流从功率二极管流过，无开关器件体二极管反向恢复问题。该逆变器增加了两只半周期常开(闭)的开关管(S3，S4)和两只功率二极管(D5，D6)组成单向开关，用于选择由Cuk电路一或是Cuk电路二对负载的供电。这两只开关管工作在半周导通模式下，因此整体的通态损耗并没有增加多少。控制方案也较简单：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。电感L1、L2和L3的值可以较大，流经电感的电流纹波较小，电路可以输出较大的功率。由于输出侧是并联型结构，可以更为容易的构建三相系统。

有益效果：本发明是利用两个Cuk变换器组成的一种既可以升压又可以降压的单级逆变器，具有如下优点：

在输入侧母线电压高于或低于输出交流电压峰-峰值时，此种逆变器仍能正常工作，具有较宽的输入电压范围；采用单周期控制的方法，对电源的波动具有较强的抑制能力。

Cuk变换器本身在直流-直流变换领域研究的比较成熟，在直流-直流变换中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中，电路参数选取较为简单，便于设计。

在高频工作的功率开关管无桥臂直通问题，因此不需要设置此两个开关管的死区时间，易于实现的电路的高频化。

续流通路通过单独的功率二极管，使得功率开关管和功率二极管可以分别优化设计。

电感电流连续，因此输出端只需一个小容量的滤波电容就可以实现较好的正弦波形输出。

附图说明

图1是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器的电路结构示意图；

图2是本发明的三相双Cuk升降压输出并联型逆变器构建示意图；

图3-6是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器各开关模态示意图；

图7是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器的功率开关管的驱动波形示意图；

图8是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器的各电感电流和输出电压波形图；

图9是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器采用的控制图；

图10是本发明的双Cuk升降压输出并联型逆变器采用的给定波形及第三和第四功率开关管的驱动波形。

上述附图中的主要符号名称：1.电容分压电路；2.第一Cuk电路；3.第二Cuk电路；4.输出滤波电路及负载；C1～C2——输入侧分压大电容。Cf——输出滤波电容。C3～C4——Cuk变换器电容。D1～D6——功率二极管。L1～L3——线性电感。S1～S4——功率开关管。2Ud——逆变器输入电压即直流侧母线电压。iL1——电感L1的电流。iL2——电感L2的电流。iL3——电感L3的电流。R——负载阻抗。Vref1——第一Cuk变换器单周控制的给定。Vref2——第二Cuk变换器单周控制的给定。Rint——积分电路电阻。Cint——积分电路电容。

具体实施方式

如附图1所示，本实施方案的双Cuk升降压输出并联型逆变器，包括电容分压电路1、第一Cuk电路2和第二Cuk电路3，电容分压电路1由两个相串联的第一电容C1和第二电容C2构成，第一电容C1和第二电容C2的串联连接点接零电位点，第一电容C1另一端接外接电源的距极，第二电容C2另一端接外接电源的负极；第一Cuk电路2中，第一功率二极管D1的阳极接电源正极，阴极接第一电感L1的一端，另一端接第一功率开关管的阳极S1和第三电容C3的一端，第一功率开关管S1的阴极接零电位点，第三电容C3的另一端接第三功率二极管D3的阳极和第三功率开关管S3的阴极，第三功率二极管D3的阴极接零电位点，第三功率开关管的阳极接第五功率二极管D5的阴极，第五功率二极管D5的阳极接第三电感L3的一端；第二Cuk电路3中，第二功率二级管D2的阴极接电源负极，阳极接第二电感L2的一端，第二电感的另一端接第二功率开关管S2的阴极和第四电容C4的一端，第二功率开关管S2的阳极接零电位点，第四电容C4的另一端接第四功率二极管D4的阴极和第四功率开关管S4的阳极，第四功率二极管D4的阳极接零电位点，第四功率开关管S4的阴极接第六功率二极管D6的阳极，第六功率二级管D6的阴极接第三电感L3，同第一Cuk电路2一样，接于第三电感的同一端；负载4一端接于第三电感L3的另一端，负载4的另一端接零电位点。

双Cuk升降压型输出并联型逆变器在输出电流小于零的负半周，第一Cuk电路2工作，第二Cuk电路3不工作，功率开关管S4关断，功率开关管S3闭合。此时电路包括两个工作模态：

工作模态I

如附图3所示，功率开关管S1和S3闭合，S2和S4关断，电源给L1充电，L1的电流iL1线性上升，电容C3通过负载流过L3，L3的电流iL3反向上升。续流二极管D3截止。

工作模态II

如附图4所示，功率开关管S1、S2、S4关断，S3闭合，iL1给C3充电，从D3续流，iL3从D3续流，流过负载。

在输出电流大于零的正半周，第二Cuk电路3工作，第一Cuk电路2不工作，功率开关管S3保持关断，S4全开通。此时电路也包括两个工作模态：

工作模态III

如附图5所示，功率开关管S2和S4开通，S1和S3关断，电流流过L2返回电源负极，iL2线性上升，C4通过L3和负载组成闭合环路，L3的电流iL3正向上升。续流二极管D4截止。

工作模态IV

如附图6所示，功率开关管S1、S2、S3关断，S4开通，电流流过D4，C4，L2返回电源负极，L2的电流iL2线性下降，iL3通过D4续流导通，给负载供电。

以上四个工作模态可用表1来表示，电路关键波形如附图8所示，在输出电流过零处即两个Cuk电路2、3工作切换的位置，两个Cuk电路2、3交替工作，以维持输出电压波形。

表1  双Cuk输出并联型逆变器的功率管开关组合状态

iL3	S1	S2	S3	S4	D3	D4	对应附图
								＜0	1	0	1	0	0	0	图3
＜0	0	0	1	0	1	0	图4
								＞0	0	1	0	1	0	0	图5
＞0	0	0	0	1	0	1	图6

为实现以上工作原理，采用控制方案如附图9所示：本文为实现逆变功能采用的是单周控制，选取二极管D3和D4两端的电压作为反馈电压，经积分后与给定电压相比较，决定S1和S2的关断时刻，另外，S1和S2的开通时刻由时钟电路触发。单周控制的给定不能给直流电压源，而应该给半个正弦波的正半周，另外的半个周期给定为零，两个给定端的正弦正半周相位应该相差180°。而开关管S3和S4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S3、S4的驱动波形如附图10所示。控制的效果使得输出电流基准大于零时，开关管S4常开，S1、S3关断，S2调制工作；在电流基准小于零的负半周，开关管S3常开，S2、S4关断，S1调制工作。

Claims (5)

1.一种双Cuk升降压输出并联型逆变器，其特征在于，包括电容分压电路(1)、第一Cuk电路(2)和第二Cuk电路(3)；电容分压电路(1)由两个相串联的第一电容(C1)和第二电容(C2)构成，第一电容(C1)和第二电容(C2)的串联连接点接零电位点N，第一电容(C1)另一端接外接电源2Ud的正极，第二电容(C2)另一端接外接电源2Ud的负极；第一Cuk电路(2)中，第一功率二极管(D1)的阳极接电源2Ud的正极，阴极接第一电感(L1)的一端，第一电感(L1)的另一端接第一功率开关管的阳极(S1)和第三电容(C3)的一端，第一功率开关管(S1)的阴极接零电位点N，第三电容(C3)的另一端接第三功率二极管(D3)的阳极和第三功率开关管(S3)的阴极，第三功率二极管(D3)的阴极接零电位点N，第三功率开关管(S3)的阳极接第五功率二极管(D5)的阴极，第五功率二极管(D5)的阳极接第三电感(L3)的一端；第二Cuk电路(3)中，第二功率二极管(D2)的阴极接电源2Ud的负极，第二功率二极管(D2)的阳极接第二电感(L2)的一端，第二电感(L2)的另一端接第二功率开关管(S2)的阴极和第四电容(C4)的一端，第二功率开关管(S2)的阳极接零电位点N，第四电容(C4)的另一端接第四功率二极管(D4)的阴极和第四功率开关管(S4)的阳极，第四功率二极管(D4)的阳极接零电位点，第四功率开关管(S4)的阴极接第六功率二极管(D6)的阳极，第六功率二级管(D6)的阴极接第三电感(L3)，同第一Cuk电路(2)一样，接于第三电感(L3)的同一端；负载(4)一端接于电感(L3)的另一端，负载(4)的另一端接零电位点N。

2.如权利要求1所述的双Cuk升降压输出并联型逆变器，其特征在于，第一电感(L1)，第二电感(L2)和第三电感(L3)耦合在同一副磁芯上。

3.如权利要求1所述的双Cuk升降压输出并联型逆变器，其特征在于，可以用三个双Cuk升降压输出并联型逆变器构建三相系统，而输入使用同一个电源和电容分压电路。

4.如权利要求1所述的双Cuk升降压输出并联型逆变器，其特征在于，外接电源2Ud是可波动的电源，它可低于输出交流电压峰-峰值。

5.如权利要求1所述的双Cuk升降压输出并联型逆变器，其特征在于第一、第二、第三、第四功率开关管可以是带体内反并联二极管的功率开关管，也可以是外接反并联二极管的功率开关管。

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