CN102223095A - 一种高增益z源逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高增益Z源逆变器，包括直流电压源和三相逆变桥组成的三相逆变器，其还包括由功率二极管、开关电感和电容组成的Z源网络，其特点是由开关电感支路代替单一电感，Z源网络首端连于电源的正极，末端连于三相逆变桥的正端，逆变桥与电源共地。与传统Z源逆变器相比，本Z源逆变器能够提高逆变器的升压能力，实现高调制因子，提高整个逆变器的输出质量；同时有效减小Z网络电容的电压应力，从而减小逆变器体积重量。

Description

一种高增益Z源逆变器

一、技术领域

本发明所涉及的高增益Z源逆变器，属于电力电子变换器。

二、背景技术

人们越来越关注清洁能源，风力发电、光伏发电和燃料电池得到业界的青睐，但风力发电、光伏发电和燃料电池系统所输出的直流电压波动很大不能直接给用户供电。为了实现升、降压能够输出稳定的电能，在逆变桥前级加入DC/DC升压电路如附图1所示，但是DC/DC变换器的环节增加了系统的成本、降低系统的效率，两级结构又增加了系统控制的复杂程度。

文献(F.Z.Peng，“Z-source Inverter，”IEEE Trans.on Industry Applications，vol.39，no.2，pp，504-510，March/April，2003)提出Z源逆变器，如附图2所示，能够提供传统电压源逆变器所没有的升压功能，能够适应输入电压宽范围变化的场合；Z网络介于电压源与逆变桥之间，可以允许桥路直通和开路，有力的保障器件的安全性。同时相比于二级boost电路，Z-源逆变器是一级电路，减少了有源器件、控制、驱动电路等硬件电路，系统的安全性、效率有了很大的提高，在新能源电能转换场合有得天独厚的优势。

虽然Z源逆变器理论上可以有无限大的升压能力，但实际上由于组件寄生参数的影响不能达到无限增益，并且太高的升压会增加系统损耗和不稳定性；另一方面，直通占空比与调制因子是相互制约的，增大占空比就意味着减小调制因子，这势必会增加在有效期间内开关器件的电压应力和直通期间电流应力，增加系统的成本，因此传统Z源逆变器的升压能力很有限。

三、发明内容

本发明的所要解决的技术问题是为了克服传统的Z源逆变器高增益时所需直通占空比太大而增加系统损耗和不稳定性以及增加开关器件的电压应力等不足，提供一种Z源逆变器，提高Z源逆变器升压能力，增大调制因子，减小器件应力，提高逆变器的输出质量。

本发明所提出的高增益Z源逆变器，包括直流电压源、三相逆变桥构成的三相逆变器，还包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、功率二极管，所述功率二极管用于阻断电感电流回流；其中所述X型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)并联充电，非直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)并联充电，非直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述X型Z源阻抗网络的第一电容(C₁)、第二电容(C₂)在直通时与输入电源串联分别向第一、第三电感(L₁、L₃)、第二、第四电感(L₂、L₄)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容C₁、第二电容C₂的电压应力。

本发明与现有技术相比的主要优点是：与电压源逆变器相比，本Z源逆变器单级实现升降压；不需要死区时间，能够消除传统逆变器死区时间带来的输出噪声；同桥臂直通成为常态，增加逆变器的抗干扰能力；与传统的Z源逆变器相比，本Z源逆变器利用开关电感技术，升压能力增强，避免高增益时直通比太高调制比太低导致系统不稳定性增大、输出质量降低等问题，并且Z源网络的电容电压应力小，逆变器体积小。

四、附图说明

图1前级加DC/DC的逆变器电路图。

图2传统Z源逆变器主电路。

图3高增益Z源逆变器主电路。

图4是图3所示Z源逆变器的工作过程图，其中，图a为第一开关管S1和第二开关管S4均导通的工作示意图；图b为第一开关管、第二开关管均导通的示意图。

图5Z源逆变器实施效果，其中，图a为为D_sh＝0.22、M＝0.85的实验波形；图b为D_sh＝0.18、M＝0.9的实验波形。

五、具体实施方式

以下结合附图3对本发明高增益Z源逆变器主电路做详细介绍。

该高增益Z源逆变器，包括直流电压源、三相逆变桥构成的三相逆变器，还包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、功率二极管，所述功率二极管用于阻断电感电流回流；其中所述X型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)并联充电，非直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)并联充电，非直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述X型Z源阻抗网络的第一电容(C₁)、第二电容(C₂)在直通时与输入电源串联分别向第一、第三电感(L₁、L₃)、第二、第四电感(L₂、L₄)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容C₁、第二电容C₂的电压应力。

进一步的，所述X型Z源阻抗网络串联在三相逆变桥与直流电源之间。

进一步的，所述第1开关电感支路是由第一电感(L₁)、第三电感(L₃)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)五个部件组成，所述第2开关电感支路是由第二电感(L₂)、第四电感(L₄)、第四二极管(D₄)、第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)五个部件组成。

进一步的，直流电压源(V_in)正极连于第一电容(C₁)的负端；第一电容(C₁)的负端与第一电感(L₁)的一端、第一二极管(D₁)的阳极连接；第一电容(C₁)的正端与第七二极管(D₇)的阴极、第四二极管(D₄)的阳极、第二电感(L₂)的一端相连；第一电感(L₁)的另一端与第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)的阳极连接；第一二极管(D₁)的阴极与第二二极管(D₂)的阴极、第三电感(L₃)的一端连接；第二电容(C₂)的负端与第七二极管(D₇)的阳极、第二二极管(D₂)的阴极、第三电感(L₃)的另一端连接；第二电容(C₂)的正端与第六二极管(D₆)的阴极、第四电感(L₄)的一端连接；第二电感(L₂)的另一端与第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)的阳极连接；第四电感(L₄)的另一端与第四二极管(D₄)、第五二极管(D₅)的阴极连接。

进一步的，所述三相逆变桥的上桥臂的三个开关管的集电极连于一起，连于X型Z源阻抗网络的第二电容(C₂)的阳极；所述三相逆变桥下桥臂的三个开关管的发射极连于一起，构成三相逆变桥的负端，连于直流电压源的负极；三相逆变桥的输出连接三相负载。

工作原理介绍如下：

考虑到Z源网络中4个电感和2个电容取值相等，有

$\left\{\begin{array}{c}{v}_{L1}=v_{L2}=v_{L3}=v_{L4}=v_L\\ v_{C1}=v_{C2}=v_C\\ i_{L1}=i_{L2}=i_{L3}=i_{L4}=i_L\end{array}\right.---\left(1\right)$

将六个有效状态和两个零矢量状态统一称为非直通状态，直通占空比为D_sh。

直通状态时，以第一开关管S1和第二开关管S4均导通为例说明升压过程，如附图4(a)所示。第一支电感路中二极管D₁、D₃导通，D₂截止，电感L₁、L₃并联，第二电容C₂与电源V_in串联向电感L₁、L₃充电，电感电流线性上升，电感L₁、L₃储能，电感L₁、L₃承受的电压为V_L＝V_L1＝V_L3＝V_in+V_C2；第二电感支路极管D₄、D₆导通，D₅截止，电感L₂、L₄并联，第一电容C₁与电源V_in串联通过电感L₂、L₄充电，电感电流线性上升，电感L₂、L₄储能，电感L₂、L₄承受的电压为V_L2＝V_L4＝V_in+V_C1；二极管D₇承受(V_in+V_C1+V_C2)反压而截止。

因此在直通时电感两端电压为

V_L＝V_in+V_C                                                            (2)

非直通状态时，以第一开关管S1、第四开关管S2导通向负载供电为例，如附图4(b)所示，在此阶段，二极管D₇导通续流，第一支电感路中二极管D₂导通，D₁、D₃截止，电感L₁、L₂串联向第一电容C₁充电，V_C1上升，电感电压为V_L1+V_L3＝-v_C1；第二电感支路极管D₄、D₆截止，D₅导通，电感L₂、L₄串联向第二电容C₂充电，V_C2上升，电感电压为V_L2+V_L4＝-v_C2；

因此在非直通时电感两端电压为

2V_L＝-V_C                                                        (3)

逆变桥两端电压则等于输入电源与电感L₁、L₃、L₂、L₄电压之和，即V_PN＝V_in+4V_L＝V_in+2V_c。而传统Z源逆变器直流链电压则是V_PN＝V_in+2V_L＝V_in+2V_c，因此高增益逆变器升压能力强。

利用稳态时单周期内电感两端的平均电压为0，即

可得

$V_c=\frac{{2D}_{\mathrm{sh}}}{1-3D_{\mathrm{sh}}}{V}_{\mathrm{in}}---\left(4\right)$

忽略二极管D₇导通压降，非直通状态下，直流链电压V_PN可表示为

$V_{\mathrm{PN}}=V_{\mathrm{in}}+2V_C=\frac{1+D_{\mathrm{sh}}}{1-3D_{\mathrm{sh}}}{V}_{\mathrm{in}}---\left(5\right)$

而传统的Z源逆变器，非直通状态下，直流链电压V_PN可表示为

$V_{\mathrm{PN}}=\frac{1}{1-2D_{\mathrm{sh}}}{V}_{\mathrm{in}}---\left(6\right)$

比较公式(5)、(6)可知，采用同样的直通比D_sh，高增益Z源逆变器的升压能力强。

以简单升压调制策略为例，直通比D_sh与调制比M的关系是

D_sh+M≤1                                                        (7)

在输入相同、输出要求也相同的情况下，高增益Z源逆变器的直通因子可以小一些，根据式(7)，那么调制因子就可以大一些，能减小逆变器开关管的电压应力、提高输出质量。

具体实施效果

对附图3所示的Z源逆变器进行了原理实验验证，实验结果如附图5所示。附图5(a)为输入电压110V，直通占空比D_sh＝0.22，调制因子M＝0.85下的实验波形。图中自上而下分别是电容C₁的电压u_c、电感电流i_L、交流输出相电压u₀、直流链峰值电压u_PN。从图中可以看出V_c大约为140V，C_PN升压到390V，输出u₀峰值电压170V。附图5(b)为输入电压145V，D_sh＝0.18，M＝0.9下的实验波形。图中自上而下分别是电容C₁的电压u_c、电感电流i_L、交流输出相电压u₀、直流链峰值电压u_PN。从图中可以看出V_c为120V，V_PN升压到370V，输出u₀峰值电压仍为170V。

由以上描述可知，本发明的高增益Z源逆变器可以通过直通矢量来代替部分传统零矢量来实现升压的功能，逆变器同一桥臂上下两管直通成为常态，不需要死区时间，既提高了逆变器的抗干扰能力又减小输出电压畸变。与传统Z源逆变器相比，本Z源逆变器提高逆变器的升压能力，因此能够应用于低电压能源场合，并且可以实现高调制因子，提高整个逆变器的输出质量；同时有效减小Z网络电容的电压应力，从而减小逆变器体积和成本。

Claims (5)

1.一种高增益Z源逆变器，包括直流电压源、三相逆变桥构成的三相逆变器，其特征在于：还包括由开关电感和电容组成的X型Z源阻抗网络、功率二极管，所述功率二极管用于阻断电感电流回流；其中所述X型Z源阻抗网络中的电感包括第1开关电感支路和第2开关电感支路，所述第1开关电感支路在直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)并联充电，非直通时第一电感(L₁)和第三电感(L₃)串联放电，所述第2开关电感支路在直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)并联充电，非直通时第二电感(L₂)和第四电感(L₄)串联放电，从而使该Z源逆变器获得更高直流链峰值电压；所述X型Z源阻抗网络的第一电容(C₁)、第二电容(C₂)在直通时与输入电源串联分别向第一、第三电感(L₁、L₃)、第二、第四电感(L₂、L₄)充电，有效减小Z源阻抗网络的第一电容C₁、第二电容C₂的电压应力。

2.根据权利要求1所述的一种高增益Z源逆变器，其特征在于：所述X型Z源阻抗网络串联在三相逆变桥与直流电源之间。

3.根据权利要求2所述的一种高增益Z源逆变器，其特征在于：所述第1开关电感支路是由第一电感(L₁)、第三电感(L₃)、第一二极管(D₁)、第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)五个部件组成，所述第2开关电感支路是由第二电感(L₂)、第四电感(L₄)、第四二极管(D₄)、第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)五个部件组成。

4.根据权利要求3所述的一种高增益Z源逆变器，其特征在于：直流电压源(V_in)正极连于第一电容(C₁)的负端；第一电容(C₁)的负端与第一电感(L₁)的一端、第一二极管(D₁)的阳极连接；第一电容(C₁)的正端与第七二极管(D₇)的阴极、第四二极管(D₄)的阳极、第二电感(L₂)的一端相连；第一电感(L₁)的另一端与第二二极管(D₂)、第三二极管(D₃)的阳极连接；第一二极管(D₁)的阴极与第二二极管(D₂)的阴极、第三电感(L₃)的一端连接；第二电容(C₂)的负端与第七二极管(D₇)的阳极、第二二极管(D₂)的阴极、第三电感(L₃)的另一端连接；第二电容(C₂)的正端与第六二极管(D₆)的阴极、第四电感(L₄)的一端连接；第二电感(L₂)的另一端与第五二极管(D₅)、第六二极管(D₆)的阳极连接；第四电感(L₄)的另一端与第四二极管(D₄)、第五二极管(D₅)的阴极连接。

5.根据权利要求4所述的一种高增益Z源逆变器，其特征在于：所述三相逆变桥的上桥臂的三个开关管的集电极连于一起，连于X型Z源阻抗网络的第二电容(C₂)的阳极；所述三相逆变桥下桥臂的三个开关管的发射极连于一起，构成三相逆变桥的负端，连于直流电压源的负极；三相逆变器的输出连接三相负载。

Images