CN103401465A - 一种电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能交换技术领域，涉及一种电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置，开关管的一端与直流电源的正极电连接，另一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端与直流电源的负极电连接；电解电容器的正极与电感器共同连接直流电源的负极，并与三相电压型桥式逆变电路形成一个局部回路；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出；三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；其安全性好，逆变器电路的无源元件减少，体积小，重量轻，环境友好，电压可调范围大。

Description

一种电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置

技术领域：

本发明属于电能交换技术领域，涉及一种直流电能变换为交流电能的变换电路，尤其是一种可为交流电设备提供高质量、稳定性好且电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置。

背景技术：

逆变电路是一种将直流电能转换为交流电能的变换电路，可用于构成各种交流电源，在工业中得到广泛应用。生产中最常见的交流电源是由发电厂供电的公共电网（中国采用线电压均方根值为380V，频率为50Hz供电制），由公共电网向交流负载供电是最普通的供电方式。但随着生产的发展，相当多的用电设备对电源质量和参数有特殊要求，以至于难以由公共电网直接供电，而逆变电路的作用就是在控制电路的控制下，将直流电路输出的直流电源转换为频率和电压都任意可调的交流电源。逆变电路的应用非常广泛，在已有的各种电源中，蓄电池、干电池和太阳能电池等都是直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路；另外，交流电机调速用变频器、不间断电源和感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆变电路。随着社会的发展和科技的进步，各种交流设备对交流电的要求不断提高，对用电的品质也提出了较高的要求，供电的稳定及较宽的可调范围成为逆变电路研究的又一成长点。作为单级电路的Z源和准Z源电路在进行升降压控制时，升压比B随直通占空比的增加而增大，其高升压比出现在占空比较大的区间，而此时调制因子M值较小，因此限制了逆变器调制因子的调节范围；传统的三相电压型桥式逆变电路由六个绝缘栅双极型晶体管（IGBT）和六个具有单向导通能力的二极管连接组合而成。根据输入输出电压的关系式，逆变器输出相电压最大值表示为：

${\hat{v}}_{\mathrm{ac}}=M\·\frac{V_{\mathrm{PN}}}{2}=\frac{M}{D_0}\·\frac{1}{2}{V}_g=G\·V_g$

其中M为逆变器调制因子，由于M的取值范围为0～1，控制电路通过对调制因子M的调节就可以控制逆变器中六个IGBT的通断，从而控制逆变器的输出，但是只通过调节M来控制逆变器的输出只能达到降压控制的目的，当然根据公式也可以通过增加V_PN的值来提高输出电压，所以如果需要输出有效值很高的交流电压，就需要在逆变器直流输入端连接更高的直流电压，但在某些应用情况下V_PN的值不能增加。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计提供一种电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置，为交流电设备提供质量高、稳定性好的逆变电路。

为了实现上述目的，本发明的主体结构包括直流电源、开关管、电感器、电容器和由晶体三极管与二极管配合构成的三相电压型桥式逆变电路；开关管的一端与直流电源的正极电连接，另一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端与直流电源的负极电连接，直流电源、开关管和电感器之间构成一个局部回路；电解电容器的正极与电感器共同连接直流电源的负极，并与三相电压型桥式逆变电路形成一个局部回路；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出；三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；开关管在直通状态下关断，在非直通状态下导通；开关管关断（直通状态）时，三相电压型桥式逆变电路和LC组成局部回路，电感器给电容器充电，此时V_PN=0；开关管导通（非直通状态）时，直流电源给电感器充电，电感器和电容器、三相电压型桥式逆变电路形成回路，此时V_PN=V_L+V_C，其中V_L为电感器两端电压，V_C为电容器两端电压。

本发明在三相电压型桥式逆变电路的直流输入端连接一个升-降压（Buck-boost）斩波电路，通过结构重组生成升-降压单级逆变电路（或称升-降压感抗源逆变电路）；三相电压型桥式逆变电路由六个绝缘栅双极性晶体三极管（IGBT）和六个具有单向导通能力的二极管配合连接组成，通过对调制因子的调节控制六个IGBT的通断，从而控制逆变电路装置的输出；升-降压斩波电路由直流电源、控制开关和直流链电抗网络LC构成；控制开关使升-降压斩波电路电路分为直通模式（即控制开关关断）和非直通模式（即控制开关导通）；直流链电抗网络LC不断充放电，从而使得逆变电路装置输出电压产生变化，使电压增益随着直通占空比的减小而增加，并使电压增益和逆变电路装置调制因子成正比，最大限度的消除直通占空比和逆变电路装置调制因子之间此消彼长的约束关系，使逆变电路装置调制因子的调压趋势和直流链电压调压趋势一致，实现直流链电压调节和逆变电压调节的统一。

本发明与现有技术相比，该单级电路可以实现升降压的大范围调节，用直流侧独特的LC滤波结构代替传统电压源逆变器的电容C，增加系统的抗扰能力，避免误触发造成逆变器上、下管直通而损坏逆变器，安全性好，逆变器电路的无源元件减少，体积小，重量轻，环境友好，可广泛应用于风力发电、光伏并网、燃料电池和压缩空气储能等新型可再生能源中，实现电能的自由变换和控制。

附图说明：

图1为本发明的主体结构电学原理示意图。

图2为本发明涉及的利用升-降压电路转变为新型的升-降压感抗源逆变电路的电路示意图。

图3为本发明涉及的升-降压感抗源逆变电路同Z源和准Z源电路的输出-输入电压增益比较曲线图。

图4为本发明涉及的升-降压感抗源逆变电路同Z源和准Z源电路的总电压增益随调制因子M的变化曲线。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图作进一步描述。

实施例：

本实施例的主体结构包括直流电源Vg、开关管S、电感器L、电容器C和由晶体三极管T₁～T₆与二极管D₁～D₆配合构成的三相电压型桥式逆变电路；开关管S的一端与直流电源Vg的正极电连接，另一端与电感器L的一端电连接，电感器L的另一端与直流电源Vg的负极电连接，直流电源Vg、开关管S和电感器L之间构成一个局部回路；电解电容器C的正极与电感器L共同连接直流电源Vg的负极，并与三相电压型桥式逆变电路形成一个局部回路；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管和一个反并联二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂A、B、C分别接出；三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能，输出交流电能；开关管S在直通状态下关断，在非直通状态下导通；开关管S关断（直通状态）时，三相电压型桥式逆变电路和LC组成局部回路，电感器L给电容器C充电，此时V_PN=0；开关管导通（非直通状态）时，直流电源Vg给电感器L充电，并和电容器C、三相电压型桥式逆变电路形成回路，此时V_PN=V_L+V_C，其中V_L为电感器L两端电压，V_C为电容器C两端电压。

本实施例涉及的电路是在三相电压型桥式逆变电路的直流输入端连接一个升-降压斩波电路，通过结构重组生成升-降压单级逆变电路（或称升-降压感抗源逆变电路）；三相电压型桥式逆变电路是由六个绝缘栅双极性晶体三极管（IGBT）T和六个具有单向导通能力的二极管D组成，控制电路通过对调制因子的调节控制逆变器中六个IGBT的通断，从而控制逆变器的输出；升-降压电路由直流电源、控制开关和直流链电抗网络LC构成，由于控制开关的存在，电路分为直通模式（即控制开关关断）和非直通模式（即控制开关导通）；在通断情况下，LC电抗网络不断充放电，从而使得逆变器输出电压产生变化；电路能够使得电压增益G随着直通占空比D₀的减小而增加，并使电路电压增益和逆变器调制因子M成正比，最大限度的消除直通占空比D₀和逆变器调制因子M之间此消彼长的约束关系，使逆变器调制因子M的调压趋势和直流链电压的调压趋势完全一致，实现直流链电压调节和逆变器电压调节的统一。

本实施例的图2表示新型的升-降压感抗源逆变电路是怎样由普通的升-降压（Buck–boost）电路变化而来的，即用逆变器续流二极管代替升-降压（Buck–boost）电路里的续流二极管D，使逆变电路做到升降压变化自如，并且为避免逆变电路对前段直流电路的影响，防止因后端的逆变电路控制不当从而出现直通短路的情况，将直流供电电路和逆变电路进行连接变化，通过控制电路为逆变器直流输入端提供可升降的输入电压，控制开关管S₁的占空比D₀，从而控制开关管的导通与关断，配合控制逆变器的调制因子M实现升降压逆变的目的；图2中V_g1和V_g2为直流供电电压，S₁和S₂为IGBT（绝缘栅双极型晶体管），L₁和L₂为电感器，C₁和C₂为电解电容器；上半部分为典型的升-降压（Buck–boost）电路，经过图2中所指的变换之后得到新型的具有升降压变换的逆变被控电路；经测试结果图3显示的两条曲线分别是Z源（准Z源）及升-降压感抗源逆变电路的直流链电压升压比B随直通占空比D₀的变化曲线，图像纵轴为电压升压比B，横轴为直通占空比D₀，实线为升-降压感抗源逆变电路的变化曲线，虚线为Z源（准Z源）电路的变化曲线，由图3可以看出，Z源（准Z源）电路的直流链电压升压比B随直通占空比D₀的增大而增加，其高升压比出现在占空比D₀较大的区间，调制因子M较小，限制逆变器调制因子的调节范围；但新型的升-降压感抗源逆变电路升压比B随直通占空比D₀的减小而增大，在小直通占空比D₀时拥有很高的升压比，更适合调制因子M的选择；图4显示在最大升压控制策略下，Z源（准Z源）电路以及升-降压感抗源逆变电路的电压增益G随着逆变调制因子M的变化情况，在最大升压控制策略时，占空比D₀和调制因子M满足的关系，因此电压增益G成为调制因子M的函数，图4中纵坐标轴为电压增益G，横坐标轴为调制因子M，实线为升-降压感抗源逆变电路的变化曲线，虚线为Z源（准Z源）电路的变化曲线。由图4可清楚看出Z源（准Z源）电路电压增益G和逆变器调制因子M成反比，升压功能完全靠直流链升压实现，此过程中逆变器调制因子M起反方向调节的作用；而升-降压感抗源逆变电路电压增益G和逆变器调制因子M成正比，直流链电压调节和逆变器电压调节实现统一；本实施例涉及的占空比是指在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与总时间的比值，或是指高电平在一个周期之内所占的时间比率；调制因子M是指逆变器输出电压基波有效值与直流电压之比。

Claims (2)

1.一种电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置，其特征在于主体结构包括直流电源、开关管、电感器、电容器和由晶体三极管与二极管配合构成的三相电压型桥式逆变电路；开关管的一端与直流电源的正极电连接，另一端与电感器的一端电连接，电感器的另一端与直流电源的负极电连接，直流电源、开关管和电感器之间构成一个局部回路；电解电容器的正极与电感器共同连接直流电源的负极，并与三相电压型桥式逆变电路形成一个局部回路；三相电压型桥式逆变电路包括六个桥臂，每个桥臂由一个绝缘栅双极性晶体三极管和一个二极管配接组成，三相电压型桥式逆变电路的输出端由相互对应的三组桥臂分别接出；三相电压型桥式逆变电路为整个装置的输出端，接收直流电能输出交流电能；开关管在直通状态下关断，在非直通状态下导通；开关管关断时，三相电压型桥式逆变电路和LC组成局部回路，电感器给电容器充电；开关管导通时，直流电源给电感器充电，电感器和电容器、三相电压型桥式逆变电路形成回路。

2.根据权利要求1所述的电压宽范围可调式升降压单级逆变电路装置，其特征在于在三相电压型桥式逆变电路的直流输入端连接一个升-降压斩波电路，通过结构重组生成升-降压单级逆变电路，或称升-降压感抗源逆变电路；三相电压型桥式逆变电路由六个绝缘栅双极性晶体三极管和六个具有单向导通能力的二极管配合连接组成，通过对调制因子的调节控制六个绝缘栅双极性晶体三极管的通断，从而控制逆变器的输出；升-降压斩波电路由直流电源、控制开关和直流链电抗网络LC构成；控制开关使升-降压斩波电路分为直通模式和非直通模式；直流链电抗网络LC不断充放电，从而使得逆变电路装置输出电压产生变化，使电压增益随着直通占空比的减小而增加，并使电压增益和逆变电路装置调制因子成正比，最大限度的消除直通占空比和逆变电路装置调制因子之间此消彼长的约束关系，使逆变电路装置调制因子的调压趋势和直流链电压调压趋势一致，实现直流链电压调节和逆变电压调节的统一。

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