CN103326610A

CN103326610A - 电感型z源逆变器拓扑结构

Info

Publication number: CN103326610A
Application number: CN2013102791031A
Authority: CN
Inventors: 潘雷; 梁茵; 王贝贝
Original assignee: Tianjin Chengjian University
Current assignee: Tianjin Chengjian University
Priority date: 2013-07-04
Filing date: 2013-07-04
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供一种电感型Z源逆变器拓扑结构，该拓扑结构包括有直流电源、逆变桥，在直流电源与逆变桥之间仅含有电感和二极管组成的网络；网络中设有n(n≥2)个电感，则应有3×（n-1）个二极管相匹配，而形成的电感和二极管网络，所述网络中n个电感组成n-1个电路单元，每个单元含有二个电感和三个二极管。本发明的效果是除掉了电容元件作为Z源逆变器的Z源网络中必须的组成部分，可延长系统的使用寿命、缩小系统体积和降低系统成本。电感型Z源逆变器避免了由于电容和电感共存引起的谐振现象，避免了Z源逆变器启动时存在的冲击电流。在相同电压增益的条件下，电感型Z源逆变器的电感电流应力小于传统Z源逆变器和开关电感Z源逆变器。

Description

电感型Z源逆变器拓扑结构

技术领域

本发明涉及一种电感型Z源逆变器拓扑结构。

背景技术

现有的Z源逆变器的拓扑结构有多种，如：如图2所示的传统Z源逆变器、如图3所示的准Z源逆变器、如图4所示的开关电感Z源逆变器和如图5所示的准开关电感Z源逆变器等。从图2～5可以看出，以上各种Z源逆变器中除了有电感以外，均含有电容元件。由于电容元件的存在，则不可避免的存在系统寿命较短、电感和电容之间可能存在谐振现象、系统启动时可能存在冲击电流；此外，以上Z源逆变器中电感电流应力较大，且只能通过改变直通占空比的方式改变电压增益。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提供一种电感型Z源逆变器拓扑结构，该逆变器的Z源网络中仅含有电感元件，去除了以往Z源网络中必含有电容元件的拓扑结构；电压增益可通过调整电感元件的数量和直通占空比两种方式调节；在相同电压增益条件下的电感电流应力较小。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是提供一种电感型Z源逆变器拓扑结构电感型Z源逆变器拓扑结构，该拓扑结构包括有直流电源、逆变桥，在所述直流电源与逆变桥之间仅含有电感和二极管组成的网络；所述网络中设有n(n≥2)个电感，则应有3×（n-1）个二极管相匹配，而形成的电感和二极管网络，所述网络中n个电感组成n-1个电路单元，每个单元含有二个电感和三个二极管；n个电感共组成n-1个单元；二个电感分别为1#电感和2#电感；三个二极管分别为1#二极管、2#二极管和3#二极管；对于两个相邻单元，前一个单元的2#电感为后一个单元的1#电感；

所述网络中任一个单元的1#电感的一端与1#二极管的阳极相连，1#电感的另一端与2#和3#二极管的阳极相连；2#电感的一端与1#和2#二极管的阴极相连，2#电感的另一端与3#二极管的阴极相连；

当工作于直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#和3#二极管导通，2#二极管截止，各单元中的1#和2#电感呈并联连接，此时电感存储能量；当工作于非直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#和3#二极管截止，2#二极管导通，各单元中的1#和2#电感呈串联连接，此时电感向负载释放能量。

本发明的效果是：

1.除掉了电容元件作为Z源逆变器中Z源网络中必须的组成部分，可延长系统的使用寿命、缩小系统体积和降低系统成本。

2.由于去除了电容元件，电感型Z源逆变器避免了由于电容和电感共存引起的谐振现象。

3.由于去除了电容元件，电感型Z源逆变器避免了Z源逆变器启动时存在的冲击电流。

4.在相同电压增益的条件下，电感型Z源逆变器的电感电流应力小于传统Z源逆变器和开关电感Z源逆变器。

附图说明

图1为本发明的电感型Z源逆变器拓扑结构；

图2为传统Z源逆变器；

图3为准Z源逆变器；

图4为开关电感Z源逆变器；

图5为开关电感准Z源逆变器；

图6为本发明的直通状态时，电感型Z源逆变器拓扑结构；

图7为本发明的非直通状态时，电感型Z逆变器拓扑结构；

图8为本发明的不同n值时，电感型Z源逆变器电压增益曲线；

图9为本发明的不同类型Z源逆变器和n取不同值时的电感型Z源逆变器电压增益对比曲线；

图10为本发明的电感型Z源逆变器与开关电感Z源逆变器中电感电流应力对比曲线；

图11为本发明的电感型Z源逆变器与传统Z源逆变器中电感电流应力对比曲线。

具体实施方式

结合附图对本发明的电感型Z源逆变器拓扑结构加以说明。

本发明的逆变器的Z源网络中仅含有电感元件，去除了以往Z源网络中必含有电容元件的拓扑结构；电压增益可通过调整电感元件的数量和直通占空比两种方式调节；在相同电压增益条件下的电感电流应力较小。

本发明的电感型Z源逆变器拓扑结构，该拓扑结构包括有直流电源、逆变桥，在所述直流电源与逆变桥之间仅含有电感和二极管组成的网络；所述网络中设有n(n≥2)个电感，则应有3×（n-1）个二极管相匹配，而形成的电感和二极管网络，所述网络中n个电感组成n-1个电路单元，每个单元含有二个电感和三个二极管；n个电感共组成n-1个单元；二个电感分别为1#电感和2#电感；三个二极管分别为1#二极管、2#二极管和3#二极管；对于两个相邻单元，前一个单元的2#电感为后一个单元的1#电感；

当工作于直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#和3#二极管导通，2#二极管截止，各单元中的1#和2#电感呈并联连接，此时电感存储能量；

当工作于非直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#和3#二极管截止，2#二极管导通，各单元中的1#和2#电感呈串联连接，此时电感向负载释放能量。

所述直流电源（Vdc）连接在电感和二极管网络与逆变桥的下桥臂之间，或连接在电感和二极管网络与逆变桥的上桥臂之间。

如图1所示，其中：L₁＝L₂＝L₃＝…＝L_n-1＝L_n＝L，n为电感的个数。电感型Z源逆变器的结构是由电感和二极管组成的Z源网络和逆变桥组成。由电感和二极管组成的Z源网络是由n个电感和3×(n-1)个二极管组成。其中L₁的一端与D_1,1的阳极相连，L₁的另一端与D_1,2和D_1,3的阳极相连。L₂的一端与D_1,1和D_1,2的阴极相连，与D_2,1的阳极相连；L₂的另一端与D_2,2和D_2,3的阳极相连。以此类推，可知L_n-1的一端与D_n-2,1和D_n-2,2的阴极相连，与D_n-1,1的阳极相连；L₂的另一端与D_n-1,2和D_n-1,3的阳极相连。L_n的一端与D_n-1,1和D_n-1,2的阴极相连，L_n的另一端与D_n-1,3相连。另外，直流电源Vdc可放在电感和二极管网络与逆变桥的下桥臂之间，也可以放在电感和二极管网络与逆变桥的上桥臂之间。直通时的电感和二极管网络等效成各个电感并联，此时电感存储能量。

当工作于非直通状态时等效电路如图7所示，直通时的电感和二极管网络等效成各个电感串联，此时电感向负载释放能量，该Z源逆变器的电压增益为：

B = \frac{1 + (n - 1) D}{1 - D}

其中：n为Z源网络中电感的数量；D为直通占空比。

该Z源逆变器中平均电感电流为：

I_{1} = - \frac{D (nL + L_{L}) + L (1 - D)}{R_{L} L (1 - D)} V_{dc}

其中：L为Z源网络中电感元件的电感量；L_L为负载电感；R_L为负载电阻；V_dc为直流电源电压。

且电感网络中各电感电流均相等，该Z源逆变器中，负载平均电流为：

I_{l} = \frac{L_{L} (1 - D)}{R_{L} D (nL + L_{L}) + R_{L} L_{L} (1 - D)} V_{dc}

当负载为纯阻性时，电感电流应力和负载平均电流分别为：

I_{1} = \frac{1 + (n - 1) D}{R_{L} (1 - D)} V_{dc}

I_{l} = \frac{1 + (n - 1) D}{R_{L}} V_{dc}

图8所示的n取不同值时的电感型Z源逆变器电压增益曲线，图中可知，该逆变器可通过调整Z源网络中含有电感的个数和直通占空比两种方式调整逆变器的电压增益；与其它类型Z源逆变器相比，该逆变器调节电压增益的方式更多样化。

图9所示的不同类型Z源逆变器和n取不同值时的电感型Z源逆变器电压增益对比曲线。从图中可知电感型Z源逆变器可通过调整电感的数量来调节电压增益，可使该增益在一定区间内优于其它类型的Z源逆变器，适合于当直通占空比变化范围较小时的情况；此外，电感型Z源逆变器的电压增益较其它类型Z源逆变器变化平稳，这样使其控制更为方便。其中：SL-ZSI为开关电感型Z源逆变器；trad.ZSI为传统Z源逆变器。

图9不同n值时，电感型Z源逆变器与其它Z源逆变器电压增益对比曲线，图10电感型Z源逆变器与开关电感Z源逆变器中电感电流应力对比曲线，图11电感型Z源逆变器与传统Z源逆变器中电感电流应力对比曲线。

从图10和11可以看出，电感型Z源逆变器中电感电流应力变化较小在n=1，2，3，4，5，6，且D∈[0，O.3]时，电感电流应力在1～3.6之间变化；而传统Z逆变器和开关电感Z源逆变器的电流应力变化范围均为(1～+∞)。且在相同电压增益时，L-ZSI的电流应力低于传统ZSI和SL-ZSI的电流应力。

表1和表2给出了在相同电压增益条件下，电感型Z源逆变器、传统Z源逆变器和开关电感Z源逆变器中电感电流应力的对比(负载为纯阻性)。

表1 电感型Z源逆变器与开关电感Z源逆变器中电感电流应力比较

表2 电感型Z源逆变器与传统Z源逆变器中电感电流应力比较

Claims

1.一种电感型Z源逆变器拓扑结构，该拓扑结构包括有直流电源、逆变桥，其特征是：在所述直流电源与逆变桥之间仅含有电感和二极管组成的网络；所述网络中设有n(n≥2)个电感，则应有3×（n-1）个二极管相匹配，而形成的电感和二极管网络，所述网络中n个电感组成n-1个电路单元，每个单元含有二个电感和三个二极管；n个电感共组成n-1个单元；二个电感分别为1#电感和2#电感；三个二极管分别为1#二极管、2#二极管和3#二极管；对于两个相邻单元，前一个单元的2#电感为后一个单元的1#电感；

所述网络中任一个单元的1#电感的一端与1#二极管的阳极相连，1#电感的另一端与2#二极管和3#二极管的阳极相连；2#电感的一端与1#二极管和2#二极管的阴极相连，2#电感的另一端与3#二极管的阴极相连；

当工作于直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#二极管和3#二极管导通，2#二极管截止，各单元中的1#电感和2#电感呈并联连接，此时电感存储能量；

当工作于非直通状态时，所述网络中任意一个单元，1#二极管和3#二极管截止，2#二极管导通，各单元中的1#电感和2#电感呈串联连接，此时电感向负载释放能量。

2.根据权利要求1所述的电感型Z源逆变器拓扑结构，其特征是：所述直流电源（Vdc）连接在电感和二极管网络与逆变桥的下桥臂之间，或连接在电感和二极管网络与逆变桥的上桥臂之间。