CN101267168A - Z源逆变器及其软启动方法 - Google Patents

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一种Z源逆变器及其软启动方法，属电力电子变换器。该逆变器主电路由直流电压源、三相逆变桥、Z源网络、功率二极管所构成，其特点是三相逆变桥的正端直接连接于直流电压源的正极，三相逆变桥的负端连于Z源网络。与电压源型和电流源型逆变器相比，本Z源逆变器可以实现升降压变换的功能，并且同一个桥臂的上下开关管可以直通，因此不需要死区，电路结构简洁，可靠性高。与传统的Z源逆变器相比，本Z源逆变器中Z源网络的电容电压应力小，并且能够实现变换器的软启动，能够避免传统Z源逆变器启动时的电压和电流大的问题，变换器工作安全可靠，体积重量小。

Description

Z源逆变器及其软启动方法
一、技术领域
本发明所涉及的Z源逆变器及其软启动方法，属于电力电子变换器。
二、背景技术
逆变器广泛应用于电机驱动，不间断供电电源，感应加热，静态无功发生器和补偿器以及有源滤波等场合。传统的逆变器电路拓扑包括电压源逆变器和电流源逆变器两类。
附图1为电压源逆变器主电路。该电路由直流电压源和三相逆变桥所组成，逆变桥由6个功率开关所组成，每个功率开关各自并联一个体二极管，以提供双向电流流通和单向电压阻断能力。电压源逆变器存在如下一些缺陷：1)输出交流电压低于直流母线电压，因此电压源逆变器本质上是一个降压型逆变器，为了实现升压变换的功能，需要额外增加一级升压变换电路，导致变换器整体结构复杂；2)同一个桥臂的上下两个开关管不能同时开通，否则会导致输入电压源的短路，造成电路的损坏，由电磁干扰所导致的开关管误开通同样会损坏电路；3)同一个桥臂的上下两个开关管之间需要加入死区时间，但这会带来输出波形的畸变。
附图2为电流源逆变器主电路。该电路由直流电流源和三相逆变桥所组成，逆变桥由6个功率开关所组成，每个功率开关各自串联一个二极管，以提供单向电流流通和双向电压阻断能力。电流源逆变器存在如下一些缺陷：1)输出交流电压高于直流母线电压，因此电压源逆变器本质上是一个升压型逆变器，为了实现降压变换的功能，需要额外增加一级降压变换电路，导致变换器整体结构复杂；2)任何时刻桥臂上端的三个开关管至少要有一个开通，同时下端的开关管也至少要有一个开通，否则会导致输入电流源的开路，造成电路的损坏，由电磁干扰所导致的开关管误关断同样会损坏电路；3)开关管切换时必须加入换流重叠时间，但这会带来输出波形的畸变。
为了解决电压源逆变器和电流源逆变器存在的上述问题，文献(F.Z.Peng，“Z-sourceInverter，”IEEE Trans.on Industry Applications，vol.39，no.2，pp.504-510，March/April，2003.)提出了Z源逆变器的概念，通过引入一个Z源网络将逆变器主电路与电源耦合起来。附图3为传统Z源逆变器主电路，与电压源和电流源逆变器相比，具有如下优点：1)能够提供升降压变换的功能；2)同一个逆变桥臂的上下开关管可以直通，因此电磁干扰所造成的开关管误开通不会对电路造成损坏；3)同一个桥臂的上下两个开关管之间不需要加入死区时间，不会带来输出波形的畸变。但传统Z源逆变器同样存在如下缺点：1)Z源网络中电容电压不小于输入电压，这导致其电压应力大，需要选用高压电容，变换器体积和成本偏高；2)变换器启动冲击电流很大，并且Z源网络中电容和电感之间发生谐振，元器件应力大，且不能实现变换器的软启动，这些都有可能损坏变换器。
三、发明内容
本发明的目的在于提出一种能克服传统的Z源逆变器所存在的上述缺陷，提高电路的可靠性，减小体积和成本的Z源逆变器及其软启动方法。
本发明所提出的Z源逆变器及其软启动方法，其主电路包括直流电压源、三相逆变桥、X型阻抗源网络、功率二极管，所述三相逆变桥的三个桥臂均由两个功率开关管串联组成，每个功率开关管各自并联一个体二极管，其特征在于，三相逆变桥的正端连接直流电压源的正极，三相逆变桥的负端连于X形阻抗源网络中第一阻抗电容的负端；第一阻抗电容与第二阻抗电容交叉放置成“X”形，在第一、第二两个阻抗电容的两个负端之间连接第一阻抗电感，在第一、第二两阻抗电容的两个正端之间连接第二阻抗电感)构成X形阻抗源网络；第二阻抗电容的正端连于直流电压源的负极；第二阻抗电容的负端连接功率二极管的阳极，第一阻抗电容的正端连于功率二极管的阴极。
本发明所提出的Z源逆变器的软启动方法，其工作原理为通过控制逆变器桥臂的直通占空比来控制Z源网络的电容电压，通过控制调制比来控制输出电压，变换器启动时，通过控制逆变器桥臂的直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，从而实现变换器的软启动，避免变换器中电感电流过冲和电容电压的过冲，具体包括以下四种软启动方法：a)启动时调制比保持不变，控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；b)启动时先让调制比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；c)启动时先让直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从零开始缓慢增加到额定值；d)启动时直通占空比和调制比同时从零开始缓慢增加到额定值。
本发明与现有技术相比的主要技术特点是：与电压源型和电流源型逆变器相比，本Z源逆变器可以实现升降压变换的功能，并且同一个桥臂的上下开关管可以直通，因此不需要死区，电路结构简洁，可靠性高；与传统的Z源逆变器相比，本Z源逆变器中Z源网络的电容电压应力小，并且能够实现变换器的软启动，能够避免传统Z源逆变器启动时的电压和电流大的问题，变换器工作安全可靠，体积重量小。
四、附图说明
图1、电压源逆变器主电路。
图2、电流源逆变器主电路。
图3、传统Z源逆变器主电路。
图4、Z源逆变器主电路。
图5、Z源逆变器实施效果。
上述附图中的主要符号名称：Vo、为输入直流电压源，L1、L2、为Z源网络中电感，iL1、iL2、为电感L1、L2的电流，C1、C2、为Z源网络中电容，VC1、VC2、为电容C1、C2电压。
五、具体实施方式
附图4是Z源逆变器主电路。与传统的电压源逆变器相比，该逆变器用直通零矢量来代替部分传统零矢量来实现升压的功能，所用直通零矢量的多少取决于需要实现的升压的多少，而从负载侧看，直通零矢量与传统零矢量对输出的影响是一样的，因此直通零矢量的加入不会对输出波形产生影响。变换器通过控制逆变器桥臂的直通占空比来控制Z源网络的电容电压，通过控制调制比来控制输出电压，变换器启动时，通过控制逆变器桥臂的直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，从而实现变换器的软启动，避免变换器中电感电流过冲和电容电压的过冲，具体包括以下四种软启动方法：1.启动时调制比保持不变，控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；2.启动时先让调制比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；3.启动时先让直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从零开始缓慢增加到额定值；4.启动时直通占空比和调制比同时从零开始缓慢增加到额定值。
具体实施效果
对附图4所示的Z源逆变器进行了原理试验验证，实验结果如附图5所示。附图5(a)为输入电压Vo＝210V，直通占空比D0＝0.218，调制比M＝0.9并带有1/6三次谐波注入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压VC、逆变桥输入电压VPN、Z源网络电感电流IL以及输出相电压Vload。从图中可以看到VC大约为80V，VPN升压到370V。附图5(b)为输入电压Vo＝260V，直通占空比D0＝0.187，调制比M＝0.813无三次谐波注入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压VC、逆变桥输入电压VPN、Z源网络电感电流IL以及输出相电压Vload。从图中可以看到VC小于80V，VPN升压到415V。附图5(c)为输入电压Vo＝320V，直通占空比D0＝0，调制比M＝1.05并带有1/6三次谐波注入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压VC、逆变桥输入电压VPN、Z源网络电感电流IL以及输出相电压Vload。从图中可以看到VC为0V，VPN等于输入电压。附图5(d)为输入电压Vo＝260V，直通占空比D0＝0.187，调制比M＝0.813无三次谐波注入时，使用软启动方法1时的实验波形，图中从上到下分别为输入电压Vo、Z源网络电容电压VC、Z源网络电感电流IL以及输出相电压Vload。从图中可以看出变换器启动时没有电压和电流尖峰，VC和IL缓慢增加，实现了变换器的软启动。
由以上描述可知，本发明提出的Z源逆变器及其软启动方法，能够实现升降压变换的功能，逆变器同一个桥臂上下开关管之间允许直通，并且无需加入死区时间，变换器可靠性高，输出电压畸变小。与传统的Z源逆变器相比，Z源网络电容电压应力小，因此变换器体积和成本能够减小，并且变换器能够实现软启动，电路可靠性更高。

Claims (2)

1.一种Z源逆变器，包括直流电压源(1)、三相逆变桥(2)、X型阻抗源网络(3)、功率二极管(4)，所述三相逆变桥(2)的三个桥臂均由两个功率开关管串联组成，每个功率开关管各自并联一个体二极管，其特征在于，三相逆变桥(2)的正端连接直流电压源(1)的正极，三相逆变桥(2)的负端连于X形阻抗源网络(3)中第一阻抗电容(C1)的负端；第一阻抗电容(C1)与第二阻抗电容(C2)交叉放置成“X”形，在第一、第二两个阻抗电容(C1、C2)的两个负端之间连接第一阻抗电感(L1)，在第一、第二两阻抗电容(C1、C2)的两个正端之间连接第二阻抗电感(L2)构成X形阻抗源网络(3)；第二阻抗电容(C2)的正端连于直流电压源(1)的负极；第二阻抗电容(C2)的负端连接功率二极管(4)的阳极，第一阻抗电容(C1)的正端连于功率二极管(4)的阴极。
2.一种如权利要求1所述的Z源逆变器的软启动方法，其特征在于，变换器通过控制逆变器桥臂的直通占空比来控制Z源网络的电容电压，通过控制调制比来控制输出电压，变换器启动时，通过控制逆变器桥臂的直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，从而实现变换器的软启动，避免变换器中电感电流过冲和电容电压的过冲，具体包括以下四种软启动方法：a)启动时调制比保持不变，控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；b)启动时先让调制比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；c)启动时先让直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从零开始缓慢增加到额定值；d)启动时直通占空比和调制比同时从零开始缓慢增加到额定值。
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