阅读说明：本技术 一种单级式高增益五开关Boost型逆变器 (Single-stage high-gain five-switch Boost type inverter ) 是由 赵犇 皇甫宜耿 俞天瀛 马瑞卿 于 2019-11-07 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种单级式高增益五开关Boost型逆变器,针对带耦合电感的单级式Boost型逆变器的低压侧换相二极管损耗大的问题,通过引入一个开关管来移除低压侧两个换相二极管,从而减小低压侧二极管所带来的导通损耗,提高整体效率。以相同开关管参数计算并仿真比较所述拓扑与带有低压侧换相二极管的拓扑的损耗,以200W输出功率为例,导通损耗降低了近10W,占整体效率的近5％,可见所述拓扑的导通损耗降低效果明显。当输出功率进一步提升而输入电压进一步降低时,原带有低压侧换相二极管拓扑的导通损耗会进一步加大,所述拓扑优势将会更加明显。(The invention relates to a single-stage high-gain five-switch Boost type inverter, which aims at the problem of high loss of a low-voltage side commutation diode of the single-stage Boost type inverter with a coupling inductor, and removes two low-voltage side commutation diodes by introducing a switch tube, so that the conduction loss caused by the low-voltage side diodes is reduced, and the overall efficiency is improved. The loss of the topology and the topology with the low-voltage side commutation diode is calculated and simulated and compared by using the same switch tube parameters, the conduction loss is reduced by nearly 10W by taking 200W output power as an example, and accounts for nearly 5% of the overall efficiency, so that the effect of reducing the conduction loss of the topology is obvious. When the output power is further increased and the input voltage is further reduced, the conduction loss of the original topology with the low-voltage side phase-change diode is further increased, and the advantages of the topology are more obvious.)

一种单级式高增益五开关Boost型逆变器

技术领域

本发明属于电力电子领域，涉及一种单级式高增益五开关Boost型逆变器。

背景技术

在光伏微型逆变器应用中，由于单个光伏电池板输出电压较低而输出电网侧电压较高，通常要求逆变器具有高电压增益。一般情况下，由于易于控制和实现，采用两级式逆变器，第一级为高增益DC-DC变换器，第二级为普通桥式逆变器。然而，由于更低的成本和更高的效率，单级式逆变器越来越引起研究者的广泛兴趣。纵观目前所提出的方案，主要涉及的是反激、Boost、以及Buck-Boost这几种类型。

在单级式逆变器所采用的方案中，反激型拓扑由于采用了变压器因而其电压增益可以很高，然而由于其单级式的结构不得不增加解耦电路以减小解耦电容，这将会弱化反激型拓扑结构简单的特点，使得器件数量增加，效率降低；Buck-Boost型拓扑大部分还是受限于有限的电压转换比，个别拓扑可以实现高转换比，但是其器件数量大大增加；Boost型拓扑由于其具有高压母线使得功率解耦变得简单，但目前多数拓扑都受制于增益有限的缺点。

有文献提出了新型Boost型逆变器拓扑通过引入耦合电感大大提高电压增益，但由于单级式拓扑构造的原因，低压侧引入了两个换相二极管，而这两个二极管由于承受大电流而造成较大的导通损耗，并且在输入电压越低的时候，二极管损耗占整体损耗比例越大。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种单级式高增益五开关Boost型逆变器，解决带耦合电感的单级式Boost型逆变器的低压侧换相二极管损耗大的问题。通过引入一个开关管来移除低压侧两个换相二极管，从而减小低压侧二极管所带来的损耗，提高整体效率。

技术方案

一种单级式高增益五开关Boost型逆变器，其特征在于包括M₁～M₅开关管，L_cp耦合电感，D升压二极管，输出滤波网络L_o-C_o和C_dc解耦电容；M₁开关管、M₃开关管的源极与电源的负极相连并接地；电源的正极与L_cp耦合电感的绕组W₁的同名端相连；M₁开关管的漏极、M₅开关管的源极与绕组W₂的同名端、W₁的非同名端相连；C_o输出滤波电容与L_o电感串联，其一端与M₄开关管的源极、M₃开关管的漏极连接，另一端与开M₂关管的源极、M₅开关管的漏极连接；M₂开关管和M₄开关管的漏极与直流母线电容C_dc相连，并与二极管D的阴极相连；二极管D的阳极与耦合电感绕组W₂的非同名端相连；工作时，R_L负载与C_o输出滤波电容并联。

所述L_cp耦合电感原边绕组匝数为N₁，副边绕组匝数N₂，变比为n＝N₂/N₁。

所述变比为n根据所需要的电压增益选择。

有益效果

本发明提出的一种单级式高增益五开关Boost型逆变器，针对带耦合电感的单级式Boost型逆变器的低压侧换相二极管损耗大的问题，通过引入一个开关管来移除低压侧两个换相二极管，从而减小低压侧二极管所带来的导通损耗，提高整体效率。以相同开关管参数计算并仿真比较所述拓扑与带有低压侧换相二极管的拓扑的损耗，以200W输出功率为例，导通损耗降低了近10W，占整体效率的近5％，可见所述拓扑的导通损耗降低效果明显。当输出功率进一步提升而输入电压进一步降低时，原带有低压侧换相二极管拓扑的导通损耗会进一步加大，所述拓扑优势将会更加明显。

同时所述拓扑保持了单级式紧凑的拓扑结构，器件数量较少，所具有的高压直流母线可以使用较小的解耦电容，从而避免引入解耦电路或者在低压侧放置容值很大的电容，可以提高逆变器的可靠性和寿命。

附图说明

图1为提出的单级式高增益五开关Boost型逆变器拓扑

图2为本发明的工作模态图

图2(a)模态A

图2(b)模态B

图2(c)模态C

图2(d)模态A’

图2(e)模态B’

图2(f)模态C’

图3为本发明的主要工作波形

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明提供的技术方案，所述的单级式高增益五开关Boost型逆变器包括：由五个开关管M₁～M₅组成的桥式电路、耦合电感L_cp、升压二极管D、直流母线电容C_dc、输出滤波网络L_o-C_o以及等效负载R_L。其中耦合电感原边绕组匝数为N₁，副边绕组匝数N₂，变比为n＝N₂/N₁，通过合理设计耦合电感变比即可达到所需要的电压增益。通过在全桥电路中引入中间级开关管M₅来移除原电路中低压侧两个换相二极管，通过所设计的逻辑控制即可实现逆变电路的正常工作。

拓扑的电路连接关系为：开关管M₁、M₃的源极和输入电源的负极相连并接地；输入电源的正极与耦合电感L_cp的绕组W₁的同名端相连；开关管M₁的漏极、M₅的源极与绕组W₂的同名端、W₁的非同名端相连；负载R_L与输出滤波电容C_o并联连接并与电感L_o串联，其一端与开关管M₄的源极、开关管M₃的漏极连接，另一端与开关管M₂的源极、开关管M₅的漏极连接；开关管M₂和M₄的漏极与直流母线电容C_dc相连，并与二极管D的阴极相连；二极管D的阳极与耦合电感绕组W₂的非同名端相连。

如图1所示，本逆变器由开关管M₁～M₅，耦合电感L_cp,升压二极管D，输出滤波网络L_o-C_o，负载R_L，解耦电容C_dc等组成。调节耦合电感变比即可达到所需要的电压增益，合理控制M₁～M₅的开通关断使电路正确工作从而得到所需要的输出交流电压或电流。

当输出电压为正时，开关管M₄始终开通，而开关管M₃始终关断，通过控制开关管M₁、M₂和M₅的开通与关断来实现输出电压的控制。

拓扑的工作模式为：每个开关周期内有三个工作模式，当输出电压为正时，拓扑工作于模态A、B和C，当输出电压为负时，拓扑工作于模态A’、B’和C’。

当输出电压为正时，开关管M₃始终关断，而开关管M₄始终开通，通过控制开关管M₁、M₂和M₅的开通与关断来实现输出电压的控制。

模态A：开关管M₁和M₅开通，开关管M₂关断，输入电压源开始给耦合电感的初级绕组W₁充电，同时开关管M₄和M₁的开通使得直流母线给负载端供电。该模态的电路如图2(a)

模态B：在D_bkT_s时刻，开关管M₅关断而开关管M₂开通，电流通过开关管M₄和M₂续流，输出电容给负载供电。输入电压源继续给耦合电感的初级绕组W₁充电。图该模态的电路如2(b)

模态C：在D_bstT_s时刻，开关管M₁关断，输入电压源和耦合电感通过两个绕组和二极管D给直流母线电容充电，其余开关管状态不变。该模态的电路如图2(c)

当输出电压为负时，开关管M₂始终开通而M₅始终关断，通过控制M₁、M₃和M₄的开关来实现输出电压的控制，从而得到工作模态A’、B’与C’。

模态A’：开关管M₁和M₃开通，开关管M₄关断，输入电压源给耦合电感的初级绕组N₁充电，同时开关管M₂和M₃的开通使得直流母线给负载端反向供电。该模态的电路如图2(d)

模态B’：在D_bkT_s时刻，开关管M₃关断而开关管M₄开通，电流通过开关管M₂和M₄续流，输出电容给负载供电。输入电压源继续给耦合电感的初级绕组N₁充电。该模态的电路如图2(e)

模态C’：在D_bstT_s时刻，开关管M₁关断，输入电压源和耦合电感通过两个绕组和二极管D给直流母线电容充电，其余开关管状态不变。该模态的电路如图2(f)

其中，D_bst为升压占空比，可以根据输入输出电压关系计算得出或最大功率跟踪算法求解得出；D_bk为正弦变化的SPWM波，根据D_bk的调制即可在输出端得到正弦交流电压或电流。在本拓扑中，D_bk的最大值要小于D_bst。

拓扑的开关管开关模态如表1所示。

表1所述拓扑开关模态

当输出电压为负时，开关管M₂始终开通而M₅始终关断，通过控制M₁、M₃和M₄的开关来实现输出电压的控制，从而得到工作模态A’、B’与C’，如图2(d)、图2(e)和图2(f)所示。

拓扑的主要工作波形如图3所示，其中S_M1～S_M5分别为开关管M₁～M₅的开关信号。通过对占空比D_bst的调节，可以得到所需要的直流母线电压；通过占空比D_bk的调节，就可以得到所需要的正弦输出波形。