本發明涉及一種磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器及其工作模式。

背景技術：

多電平逆變器克服了橋式逆變器和推挽式逆變器開關管電壓應力的問題，而且電平數的增多會使得輸出電壓的總諧波畸變率更小，多電平逆變器適宜用于高壓大功率變換的場合，但多電平逆變器受限于輸入電容均壓，多電平調制與輸入均壓耦合會造成多電平變換器電路結構與控制繁雜、調節速度慢。傳統兩電平雙降壓式半橋逆變器由于具有無橋臂直通、開關管無需設置死區時間、有獨立的續流二極管可以進行優化設計、可靠性高、輸出波形質量好、效率高等優點，但傳統的兩電平雙降壓式半橋逆變器輸入電壓其幅值超過輸出電壓最大值的兩倍，器件電壓應力大，直流電壓利用率低，正常工作時它需要兩個獨立的輸出濾波電感使得逆變器的體積和重量較大，引入磁集成技術雖然可以減小濾波電感的體積與重量但同時會引入環流的可能，降低電路的可靠性。在三電平雙降壓式半橋逆變器中引入磁集成技術可以不必擔憂電路產生環流，可以確保電路的可靠性。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器及其工作模式，克服了現有技術電壓利用率低、橋臂輸出為雙極性PWM調制波、功率器件電壓應力大、輸出濾波電感體積大的缺陷。

為實現上述目的，本發明采用如下技術方案：一種磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器，其特征在于：包括直流電源Vd1、直流電源Vd2、二極管D1、二極管D2、開關管S1、開關管S2、開關管S3、開關管S4、由電感L1和電感L2組成的耦合電感、輸出濾波電容C和負載R；直流電源Vd1的正極與開關管S1的漏極連接，開關管S1的源極分別與開關管S2的源極、電感L1的同名端連接，電感L1的異名端分別與電感L2的異名端、輸出濾波電容C的一端、負載R的一端連接，電感L2的同名端分別與二極管D2的正極、開關管S3的漏極連接，開關管S3的源極與直流電源Vd2的負極連接，開關管S2的漏極與二極管D1的負極連接，二極管D2的負極與開關管S4的源極連接；直流電源Vd1的負極、直流電源Vd2的正極、二極管D1的正極、輸出濾波電容C的另一端、負載的另一端及開關管S4的漏極接地。

一種磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器的工作模式，其特征在于：包括

（1）流經負載R的輸出電流i_o>0的正半周

工作模式Ⅰ：開關管S1導通，開關管S2、開關管S3、開關管S4與二極管D2截止，電感L1的電流I_L1線性上升，開關管S3與二極管D1支路無電流通過，開關管S1源極的逆變橋輸出電平為UA=+Ud，其中，Ud為直流電源Vd1和直流電源Vd2的輸出電壓；

工作模式Ⅱ：開關管S2與二極管D1導通，開關管S1、開關管S3、開關管S4與二極管D2截止，電感L1的電流I_L1經開關管S3與二極管D1續流線性下降，開關管S1源極的逆變橋輸出電平為UA=0；

（2）流經負載R的輸出電流i_o由正向負切換

工作模式Ⅲ：開關管S3體二極管導通，開關管S1、開關管S2、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，開關管S2體二極管在電感L2的同名端的感應電動勢UB作用下導通，電感L1儲能轉移到電感L2，電感L2的電流I_L2線性下降，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=-Ud；

（3）流經負載R的輸出電流i_o>0的負半周

工作模式Ⅳ：開關管S3導通，開關管S1、開關管S2、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，電感L2的電流I_L2線性上升，開關管S4與二極管D2支路無電流通過，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=-Ud；

工作模式Ⅴ：開關管S4與二極管D2導通，開關管S1、開關管S2、開關管S3與二極管D1截止，電感L2的電流I_L2經開關管S4與二極管D2線性下降，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=0；

（4）流經負載R的輸出電流i_o由負向正切換

工作模式Ⅵ：開關管S1體二極管導通，開關管S2、開關管S3、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，開關管S1體二極管在開關管S1的源極的感應電動勢UA作用下導通，電感L2儲能轉移到電感L1，電感L1的電流I_L1線性下降，開關管S1的源極的逆變橋輸出電平為UA=+Ud。

本發明與現有技術相比具有以下有益效果：相較于現有的三電平雙降壓式半橋逆變器，本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器進行了改進，減少了續流二極管的數量，使得電路拓撲結構變得簡單，同時引入了磁集成技術，進一步較小了濾波電感的體積與重量。

附圖說明

圖1是現有的三電平雙降壓式半橋逆變器主電路框圖。

圖2是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器主電路框圖。

圖3是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UA“+1”態。

圖4是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UA“0”態。

圖5是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UB“-1”態。

圖6是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UB“-1”態。

圖7是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UB“0”態。

圖8是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器橋臂輸出UA“+1”態。

圖9是本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器控制框圖。

具體實施方式

下面結合附圖及實施例對本發明做進一步說明。

現有三電平雙降壓式半橋逆變器如圖1所示，本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器在圖1的基礎上進行了改進，減少了兩個續流二極管，使得電路拓撲結構變得簡單，同時引入的磁集成技術，進一步較小了濾波電感的體積與重量，同時耦合電感可以消除電感電流斷續區可能出現高的器件電壓尖峰，保證了變換器的高效率和可靠性。

請參照圖2，本發明的磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器包括直流電源Vd1、直流電源Vd2、二極管D1、二極管D2、開關管S1、開關管S2、開關管S3、開關管S4、由電感L1和電感L2組成的耦合電感、輸出濾波電容C和負載R；直流電源Vd1的正極與開關管S1的漏極連接，開關管S1的源極分別與開關管S2的源極、電感L1的同名端連接，電感L1的異名端分別與電感L2的異名端、輸出濾波電容C的一端、負載R的一端連接，電感L2的同名端分別與二極管D2的正極、開關管S3的漏極連接，開關管S3的源極與直流電源Vd2的負極連接，開關管S2的漏極與二極管D1的負極連接，二極管D2的負極與開關管S4的源極連接；直流電源Vd1的負極、直流電源Vd2的正極、二極管D1的正極、輸出濾波電容C的另一端、負載的另一端及開關管S4的漏極接地，所述開關管S1、開關管S2、開關管S3、開關管S4的柵極連接控制信號。其中，開關管S1、開關管S2與二極管D1依次串聯構成第一橋臂;開關管S3、開關S4與二極管D2依次串聯構成第二橋臂。開關管S1至S4的控制框圖請參照圖9。

本發明還提供一種磁集成三電平雙降壓式半橋逆變器的工作模式，磁集成三電平雙降壓式半橋在無偏置電流半周期運行模式下電流電流連續式工作時的工作模態：橋臂電壓UA輸出電壓+Ud的“+1態”，橋臂電壓UA輸出電壓為零的“0態”，橋臂電壓UB輸出電壓+Ud的“+1態”，橋臂電壓UB輸出電壓為零的“0態”，橋臂電壓UB輸出電壓-Ud的“-1態”。電路正常工作時有“+1態”和“-1態”及“0態”的三個個工作狀態；具體工作模式包括

（1）流經負載R的輸出電流i_o>0的正半周

工作模式Ⅰ：請參照圖3，開關管S1導通，開關管S2、開關管S3、開關管S4與二極管D2截止，電感L1的電流I_L1線性上升，開關管S3與二極管D1支路無電流通過，開關管S1源極的逆變橋輸出電平為UA=+Ud，其中，直流電源Vd1的輸出電壓和直流電源Vd2的輸出電壓皆為Ud；

工作模式Ⅱ：請參照圖4，開關管S2與二極管D1導通，開關管S1、開關管S3、開關管S4與二極管D2截止，電感L1的電流I_L1經開關管S3與二極管D1續流線性下降，開關管S1源極的逆變橋輸出電平為UA=0；

（2）流經負載R的輸出電流i_o由正向負切換

工作模式Ⅲ：請參照圖5，開關管S3體二極管導通，開關管S1、開關管S2、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，開關管S2體二極管在電感L2的同名端的感應電動勢UB作用下導通，電感L1儲能轉移到電感L2，電感L2的電流I_L2線性下降，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=-Ud；

（3）流經負載R的輸出電流i_o>0的負半周

工作模式Ⅳ：請參照圖6，開關管S3導通，開關管S1、開關管S2、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，電感L2的電流I_L2線性上升，開關管S4與二極管D2支路無電流通過，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=-Ud；

工作模式Ⅴ：請參照圖7，開關管S4與二極管D2導通，開關管S1、開關管S2、開關管S3與二極管D1截止，電感L2的電流I_L2經開關管S4與二極管D2線性下降，電感L2的同名端的逆變橋輸出電平為UB=0；

（4）流經負載R的輸出電流i_o由負向正切換

工作模式Ⅵ：請參照圖8，開關管S1體二極管導通，開關管S2、開關管S3、開關管S4與二極管D1、二極管D2截止，開關管S1體二極管在開關管S1的源極的感應電動勢UA作用下導通，電感L2儲能轉移到電感L1，電感L1的電流I_L1線性下降，開關管S1的源極的逆變橋輸出電平為UA=+Ud。

以上所述僅為本發明的較佳實施例，凡依本發明申請專利范圍所做的均等變化與修飾，皆應屬本發明的涵蓋范圍。