CN103117650A - 一种准z源逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种准z源逆变器，包括直流电源、逆变器、开关电感组和附属电路，其中，直流电路、逆变器、开关电感组和附属电路相互连接。本发明不仅可以在逆变前不需要DC-DC升压电路，实现直流侧电压的任意比例的升降压，而且在可靠性和效率方面有较好的效果，比一般的阻抗网络型逆变器具有更高的升降压倍数，在系统启动时不会对电解电容造成冲击，可以实现软启动特性。具有升压高、稳定、体积小、效率高等优点。

Description

一种准Z源逆变器

技术领域

本发明涉及一种逆变器，特别涉及一种准Z源逆变器。 

背景技术

随着现代高性能数字处理技术的突飞猛进以及功率开关器件制造技术的日趋成熟，电力电子技术正在以前所未有的速度迅猛发展，作为核心技术之一的逆变技术在工业生产、日常生活、军工制造等方面有着广泛的应用。在能源日益枯竭的今天，光伏太阳能等新能源发电正成为各国争相竞争的科技制高点，而逆变技术正式整个系统的核心。逆变器的能效性、安全可靠性、可操性关乎着系统的安全运行和经济效益，因而研制高效、节能、安全、可靠的逆变器，对于新能源并网发电的发展，推进国家能源战略具有不可估量的重大意义。 

对于逆变器的研究，目前多集中在其拓扑结构与控制策略的改进方面，而可靠性的解决多是在逆变器中增加缓冲电路，但这必将增加整个系统的损耗，降低逆变器的效率。不仅如此，传统逆变器无法单级实现直流电源的升降压与逆变，需增加前级DC-DC环节，从而使系统变得复杂。因此，研究高可靠性、高效率、结构简单的新型逆变器具有非常现实的意义，也是目前逆变技术发展的重要方向之一。 

发明内容

发明目的：针对上述现有技术存在的传统逆变器无法单级实现直流电源的升降压与逆变的问题和不足，本发明的目的是提供一种准Z源逆变器。 

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为一种准Z源逆变器，包括直流电源、逆变器、开关电感组和附属电路，其中，所述开关电感组包括第一二极管、第二二极管、第一电感和第二电感和第三电解电容，所述第一二极管的一端与分别与所述第一电感的一端和第三电解电容的正极连接，所述第二电感的一端分别和所述第二二极管的一端和第三电解电容的负极连接，第一二极管的另一端与第二电感的另一端连接，第一电感的另一端与第二二极管的另一端连接；所述附属电路包括第一电解电容、第二电解电容、第三电感和第三二极管，其中，所述第三电感的一端分别与第一电解电容的负极和第三二极管的一 端连接，第三二极管的另一端分别与第二电解电容的正极和第一二极管的另一端连接；所述逆变器的一端分别与第一电解电容的正极与第一电感的另一端连接，逆变器的另一端与第二电解电容的正极连接，所述直流电源的正极与第三电感的另一端连接，直流电源的负极与第二电解电容的负极连接，并接地。 

其中，直流电源为光伏电池板、燃料电池或直流稳压源。 

进一步，逆变器为单项逆变器、三相逆变器、独立逆变器或并网逆变器。 

进一步，第一电感、第二电感和第三电感的电感值相等。 

进一步，第一电解电容、第二电解电容和第三电解电容的电容值相等。 

有益效果：本发明与现有技术相比，不仅可以在逆变前不需要DC-DC升压电路，实现直流侧电压的任意比例的升降压，而且在可靠性和效率方面有较好的效果，比一般的阻抗网络型逆变器具有更高的升降压倍数，在系统启动时不会对电容造成冲击，可以实现软启动特性。具有升压高、稳定、体积小、效率高等优点。 

附图说明

图1为本发明的准z源逆变器的电路结构图； 

图2为本发明中开关电感组在直通状态下的等效电路图； 

图3为本发明中开关电感组在非直通状态下的等效电路图。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。 

如图1所示，本发明主要由开关电感组1、逆变器2、附属电路3和直流电源4组成，开关电感组1包括第一二极管D₁、第二二极管D₂、第一电感L₁和第二电感L₂和第三电解电容C₃，第一二极管D₁的一端与分别与所述第一电感L₁的一端和第三电解电容C₃的正极连接，第二电感L₂的一端分别和第二二极管D₂的一端和第三电解电容C₃的负极连接，第一二极管D₁的另一端与第二电感L₂的另一端连接，第一电感L₁的另一端与第二二极管D₂的另一端连接；附属电路3包括第一电解电容C₁、第二电解电容C₂、第三电感L₃和第三二极管D₃，其中，所述第三电感L₃的一端分别与第一电解电容C₁的负极和第三二极管D₃的一端连接，第三二极管D₃的另一端分别与第二电解电容C₂的正极和第一二极管D₁的另一端 连接；逆变器2的一端分别与第一电解电容C₁的正极与第一电感L₁的另一端连接，逆变器2的另一端与第二电解电容C₂的负极连接，所述直流电源4的正极与第三电感L₂的另一端连接，直流电源4的负极与第二电解电容C₂的负极连接，并接地。 

其中，3个电感L1、L2、L3的电感值是相等的，3个电解电容C1、C2、C3的电容值是相等的，即阻抗网络具有对称性。 

如图2所示，当所述逆变器任意相上下桥臂可控开关同时导通时，二极管D3处于关断状态，二极管D1和二极管D2处于导通状态，此时所述准z源逆变器处于直通状态。 

逆变器工作于直通状态，此时逆变器短路相当于一根导线，二极管D1、D2处于导通状态，二极管D3处于阻断状态。电解电容C3、C2处于放电释能状态，电感L1、L2处于并联充电储能状态，电解电容C1和直流电压源为电感L3充电储能。假设逆变器开关器件开关周期为T，直通状态时间为Ta，而且Ta/T=D，D即为直通时间占整个开关周期的百分比，即为直通占空比。根据等效电路图，由对称性可以得出此时的电路方程如下： 

V_S+V_C1＝V_L3

V_L1＝V_C2＝V_C3＝V_l2                                  (1) 

式中，V表示各元器件电压，V_L1表示电感L1两端电压，V_L2表示电感L2两端电压，V_L3表示电感L3两端电压，V_C1表示电解电容C1两端电压，V_C2表示电解电容C2两端电压，V_C3表示电解电容C3两端电压，V_S表示直流电源两端电压。 

如图3所示，当逆变器正常工作时，所述二极管D3处于导通状态，二极管D1和所述极管D2处于断开状态，此时本发明准z源逆变器处于非直通状态。 

逆变器工作于非直通状态，此时逆变器相当于电压源V_PN，所述二极管D3处于导通状态，所述二极管D1和所述极管D2处于断开状态，此时所述准z源逆变器处于非直通状态。电解电容C3处于充电储能状态，电感L1、L2处于串联放电释能状态，电感L3、直流电压源为电解电容C1、C2充电储能。根据等效电路图，由对称性可以得到如下电路方程： 

V_S+V_L3＝V_C2

V_C1＝V_L1＝V_L2＝V_C3                               (2) 

V_PN＝V_C1+V_C2

式中，V表示各元器件电压，V_L1表示电感L1两端电压，V_L2表示电感L2两端电压，V_L3表示电感L3两端电压，V_C1表示电解电容C1两端电压，V_C2表示电解电容C2两端电压，V_C3表示电解电容C3两端电压，V_S表示直流电压源两端电压，V_PN表示相应于逆变器的电压源电压。 

根据公式(1)(2)并由电感在一个开关周期内的伏秒平衡原理，即电感两端的电压在一个开关周期内的积分为零的特性，可以推出如下式： 

DT(V_S+V_C1)＝(1-D)T(V_C2-V_S) 

$\mathrm{DTVC}3=\frac{1}{2}(\mathrm{VC}1-\mathrm{VC}3)(1-D)T---\left(3\right)$

由公式(3)可以推出如下式： 

$V_{\mathrm{PN}}=\frac{2}{1-3D}{V}_S---\left(4\right)$

从式(4)可以看出，当直通占空比D<1/3时，加在逆变器两端的电压V_PN与直流侧电压V_S成反比例关系，极大地实现了直流侧电压的升压功能，再与逆变器的调制系数相配合就可以实现交流输出的任意倍数的升降压，可以控制直通占空比从零逐渐地增加，相应地电解电容上的电压也从零开始逐渐地增加，所以在启动时电解电容上的电压不会突增，即可实现软启动性能。 

以上所述仅为本发明示意性的具体实施例，并非用以限定本发明的实用范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原理的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。 

Claims (5)

1.一种准Z源逆变器，其特征在于：包括直流电源、逆变器、开关电感组和附属电路，其中，所述开关电感组包括第一二极管、第二二极管、第一电感和第二电感和第三电解电容，所述第一二极管的一端与分别与所述第一电感的一端和第三电解电容的正极连接，所述第二电感的一端分别和所述第二二极管的一端和第三电解电容的负极连接，第一二极管的另一端与第二电感的另一端连接，第一电感的另一端与第二二极管的另一端连接；所述附属电路包括第一电解电容、第二电解电容、第三电感和第三二极管，其中，所述第三电感的一端分别与第一电解电容的负极和第三二极管的一端连接，第三二极管的另一端分别与第二电解电容的正极和第一二极管的另一端连接；所述逆变器的一端分别与第一电解电容的正极与第一电感的另一端连接，逆变器的另一端与第二电解电容的正极连接，所述直流电源的正极与第三电感的另一端连接，直流电源的负极与第二电解电容的负极连接，并接地。

2.根据权利要求1所述一种准Z源逆变器，其特征在于：所述直流电源为光伏电池板、燃料电池或直流稳压源。

3.根据权利要求1所述一种准Z源逆变器，其特征在于：所述逆变器为单项逆变器、三相逆变器、独立逆变器或并网逆变器。

4.根据权利要求1所述一种准Z源逆变器，其特征在于：所述第一电感、第二电感和第三电感的电感值相等。

5.根据权利要求1所述一种准Z源逆变器，其特征在于：所述第一电解电容、第二电解电容和第三电解电容的电容值相等。

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