CN103986362A - 一种z源逆变电路 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子电路技术,具体的说是涉及一种Z源逆变电路。本发明的Z源逆变电路,包括Z源网络和单相逆变电路,其特征在于,所述Z源网络由二极管D1、D2、电感L1、L2、电容C1、C2、IGBT管S1、S2、S3、S4构成,S1的漏极接电源E的正极,其源极接二极管D1的负极;S1的源极通过电感L1后接S2的漏极;S1的源级依次通过电感L1、二极管D2和电容C2后接S3和S4的漏极;二极管D1的正极接电源E的负极,二极管D1的正极依次通过电感L2和电容C1接S1的源极;二极管D1的正极接S3的源极。本发明的有益效果为,能够有效的解决系统的启动冲击和器件应力过大的问题、同时可以对逆变电路的输出功率进行宽范围、有效的调节。本发明尤其适用于Z源逆变电路。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术,具体的说是涉及一种Z源逆变电路。
背景技术
逆变电路是把直流电能(电池、蓄电瓶或者类似于直流电源的能量源,比如交流电经过整流过后产生的近似于直流的电)转变成交流电的电路,在工业中得到广泛应用。逆变电路可用于构成各种交流电源,在已有的各种电源中,蓄电池、干电池、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、感应加热电源、光伏发电系统等电力电子装置都使用了逆变装置。
目前广泛应用的基于DC-DC电路的逆变器如图1和图2所示,分别存在以下问题:1.它们所接的逆变器要么是升压型,要么是降压型,而不可能是升/降压型变换器,也即是说,它们可得到的输出电压范围是有限的,要么低于输出电源电压要么高于电源输入电压,如果需要较宽的输入电压范围,则需要再加一级DC/DC变换器,增加了系统复杂度。2.它们抗电磁干扰的能力较差,当由于电磁干扰导致上下桥臂短路或者开路时,易损坏系统,甚至烧毁系统。3.当直流电源E是由交流电经过整流电路输出来的直流电时,由于交流电经过整流电路后得到的直流电含有很多脉动的谐波,因此不能直接接入直流斩波电路,还需在电源E之后和斩波电路之前加一级电容、电感或者电容电感组合的滤波电路,因此增加了成本。对于已经广泛使用的Z源逆变器如图3所示,也存在一些缺陷:如电容电压大于输入电压时,导致电容电压应力很大,为实现升压的功能,电容电压必须大于输入电压,导致电容体积与实现成本较高,另外变换器还存在启动冲击问题,启动瞬间电路电流会非常大,从而损坏变换器。
发明内容
本发明的目的是针对上述传统技术存在的问题,提出一种基于Z源的改进型逆变电路技术。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是:一种Z源逆变电路,包括Z源网络和单相逆变电路,其特征在于,所述Z源网络由二极管D1、D2、电感L1、L2、电容C1、C2、IGBT管S1、S2、S3、S4构成;其中,S1的漏极接电源E的正极,其源极接二极管D1的负极;S1的源极通过电感L1后接S2的漏极;S1的源极依次通过电感L1、二极管D2和电容C2后接S3和S4的漏极;二极管D1的正极接电源E的负极,二极管D1的正极依次通过电感L2和电容C1接S1的源极;二极管D1的正极接S3的源极;S2的源极通过电感L2后接电源E的负极;S4的源极通过电感L2后接电源E的负极;所述单相逆变电路由逆导型IGBT管S5、S6、S7、S8和电阻R构成;其中S5的漏极通过电容C2后接S3和S4的漏极;S5的漏极接S7的漏极,其源极通过电阻R后接S7的源极和S8的漏极;S5的源极接S6的漏极;S6的源极通过电感L2后接电源E的负极;S8的源极通过电感L2后接电源E的负极;电源E的负极接地GND。
本发明的有益效果为,能够有效的解决系统的启动冲击和器件应力过大的问题、同时可以对逆变电路的输出功率进行宽范围、有效的调节,当逆变电路上下桥臂同时导通时(也即桥臂直通),可以保护系统避免因为短路而烧毁设备。
附图说明
图1为传统的BUCK型单相逆变电路结构示意图;
图2为传统的BOOST型单相逆变电路结构示意图;
图3为传统的Z源型单相逆变电路结构示意图;
图4为本发明的Z源逆变电路结构示意图;
图5为本发明的Z源逆变电路模态1的等效工作电路结构示意图;
图6为本发明的Z源逆变电路模态2的等效工作电路结构示意图;
图7为本发明的Z源逆变电路输出电压增益G与占空比D的关系示意图;
图8为传统Z源型单相逆变电路电容电压VC与直流电源E的比值VC/E与占空比D的关系示意图;
图9为传统Z源逆变器输出增益G与占空比D的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图,详细描述本发明的技术方案
本发明的Z源逆变电路,如图4所示,包括Z源网络和单相逆变电路,Z源网络由二极管D1、D2、电感L1、L2、电容C1、C2、IGBT管S1、S2、S3、S4构成;其中,S1的漏极接电源E的正极,其源极接二极管D1的负极;S1的源极通过电感L1后接S2的漏极;S1的源极依次通过电感L1、二极管D2和电容C2后接S3和S4的漏极;二极管D1的正极接电源E的负极,二极管D1的正极依次通过电感L2和电容C1接S1的源极;二极管D1的正极接S3的源极;S2的源极通过电感L2后接电源E的负极;S4的源极通过电感L2后接电源E的负极;所述单相逆变电路由逆导型IGBT管S5、S6、S7、S8和电阻R构成;其中S5的漏极通过电容C2后接S3和S4的漏极;S5的漏极接S7的漏极,其源极通过电阻R后接S7的源极和S8的漏极;S5的源极接S6的漏极;S6的源极通过电感L2后接电源E的负极;S8的源极通过电感L2后接电源E的负极;电源E的负极接地GND。
本发明的Z源逆变电路包括2种工作模态,其模态1如图5所示,逆变桥臂对称导通或者对称关断,即当S5和S8同时导通的时候,S6和S7同时关断,或者当S6和S7同时导通的时候,S5和S8同时关断,这是系统的正常工作状态。模态2如图6所示,上下桥臂同时导通,即S5和S6同时导通,或者S7和S8同时导通,这是因为电磁干扰,而导致的不正常工作状态。
本发明的工作原理为:
模态1期间:S3断开,S4导通,S1和S2同时导通或者同时断开,通过控制S1和S2在一个工作周期内导通时间和一个工作周期的时间比值(占空比)可以精确控制输出到逆变电路的输入电压的大小,进而可以调控系统的逆变输出功率。模态1里面C1和L2构成LC滤波电路,对输入电源E进行滤波,当直流电源E的电压出现扰动的时候(一般E是交流电源经整流电路后的电压,输出电压不是纯粹的直流,从示波器观察整流电路的输出,与直流相差很大,波形中含有较大的脉动成分,称为纹波),C1和L2构成的LC滤波电路可以有良好的滤波效果。同时在本发明的电路中没有启动冲击回路的存在,因此从硬件拓扑上解决了系统的启动电流冲击问题。在模态1中,按照S1和S2的工作状态又可分为3种状态,当S1、S2同时导通或者同时关断时,我们记这种情况为状态1.1;当S1按一定占空比导通关断、S2一直关断时,我们记这种情况为状态1.2;当S1一直导通、S2按一定占空比导通关断,我们记这种情况为状态1.3;S1、S2的其他工作状态都是不被允许的。
状态1.1期间,当S1、S2同时导通时,直流电源E通过S1,S2给电感L1充电,L2和C1起到滤波的作用。二极管D1和D2截止,C2通过S4给逆变电路提供能量。当S1、S2同时关断时,二极管D1,D2导通,电感L1、L1和电容C1一起给电容C2和逆变电路提供能量。设状态1.1时间为T,S1、S2同时导通的时间为T1,状态S1、S2同时关断的时间为T2,则存在T1+T2=T;通过控制T1/T的大小,即可调节逆变电路输出功率的大小。因此,在状态1.1期间,改进型Z源网络工作状态类似于在输入侧添加了LC滤波电路的BUCK-BOOST型逆变电路的工作状态。
在状态1.2期间,当S1导通时,电源E通过S1给电感L1和电容C2充电,同时给逆变电路提供能量。此时L2和C1起到滤波的作用,此时设电容C1两端电压为VC,电感L2两端电压为VL,则VC+VL=E,因而当S1、S2同时导通时,电容C1两端电压小于电源电压E。当S1关断时,二极管D1和D2导通,电感L1、L2、C1给逆变电路提供能量。因此在状态1.3期间,改进型Z源网络工作状态类似于在输入侧添加了LC滤波电路的BUCK型逆变电路的单相逆变电路工作状态。
在状态1.3期间,当S2导通时,电源E通过S1给电感L1充电,同时D2截止,C2给逆变电路提供能量。此时L2和C1起到滤波的作用。当S2关断时,二极管D1和D2导通,电源E、电感L1、L2、电容C1给逆变电路提供能量。因此在状态1.4期间,改进型Z源网络工作状态类似于在输入侧添加了LC滤波电路的BOOST型逆变电路工作状态。
模态2期间:S1,S2和S4关断,D1截止,D2,S3导通,此时L1,D1,C1,L2,C2,S3和逆变电路的导通桥臂S5,S6/S7,S8构成环路(见附图5)当桥臂直通时,C1通过直通桥臂给L1充电,同时C2通过直通桥臂给L2充电,因此直通桥臂包含在LC回路上,因此电流不会突变,因此保护了桥臂不会因过流而烧毁。而在传统基于DC-DC电路的逆变器中(见附图1,2),如果桥臂短路,相当于将附图1,2中的电容C短路,那么系统将直接因为短路而烧毁。因此本发明解决了桥臂直通时,保护电路不被烧毁。
综上1.1和1.2两个电路工作状态,本发明提供了输入直流电源滤波和功率输出调节的作用,并防止了因为逆变电路上下桥臂直通烧毁设备。如图7所示,为本发明的Z源逆变电路输出电压增益G与占空比D的关系示意图,可见本发明提供了对逆变电路的输出功率进行宽范围、有效的调节功能。
传统Z源逆变器,如图3所示,当电路启动的,系统存在一个环路,E→D1→C1→S5和S6的反并联二极管(S6和S7的反并联二极管)→C2→GND,由于这个环路的存在,系统存在启动冲击。启动瞬间电路电流会非常大,对器件非常不利。设传统Z源逆变电路系统一个工作周期的时间为T,桥臂直通的时间设为T1,桥臂非直通的工作时间设为T2,则满足T1+T2=T,则传统Z源逆变器的占空比定义为:D=T2/T,如图9所示,D越靠近0.5,逆变器输出电压越大,但是与此同时如图8所示,D越靠近0.5,电容电压应力也越大(电容电压与电源电压的比值VC/E),这对电容的要求很高。从本发明的电路图来看,在模态1的三个状态1.1、1.2、1.3中都存在电源E给电容C1、电感L2充电与电容C1、电感L2给逆变电路放电这两个状态,设电容C1和电感L2的电压分别为VC、VL,当电源E给电容C1、电感L2充电时,则VC+VL=E,此时电容C1两端电压小于电源电压E,当电容C1、电感L2给逆变电路放电时,电容C1两端电压VC下降,因此在模态1中,电容C1两端电压始终小于电源电压E,而电容C2电压始终等于逆变电路输出电压,因此在正常工作的模态1中电容C1、C2没有太大电压应力。从而,本发明解决了传统Z源逆变系统的电容电压应力过大问题。
综上所述:本发明解决了以下问题:1.系统的启动电流冲击和器件应力过大的问题;2.能较好的在宽范围内调节逆变电路功率的输出;3.在逆变电路桥臂直通时,能保护电路不被烧毁。
Claims (1)
1.一种Z源逆变电路,包括Z源网络和单相逆变电路,其特征在于,所述Z源网络由二极管D1、D2、电感L1、L2、电容C1、C2、IGBT管S1、S2、S3、S4构成;其中,S1的漏极接电源E的正极,其源极接二极管D1的负极;S1的源极通过电感L1后接S2的漏极;S1的源极依次通过电感L1、二极管D2和电容C2后接S3和S4的漏极;二极管D1的正极接电源E的负极,二极管D1的正极依次通过电感L2和电容C1接S1的源极;二极管D1的正极接S3的源极;S2的源极通过电感L2后接电源E的负极;S4的源极通过电感L2后接电源E的负极;所述单相逆变电路由逆导型IGBT管S5、S6、S7、S8和电阻R构成;其中S5的漏极通过电容C2后接S3和S4的漏极;S5的漏极接S7的漏极,其源极通过电阻R后接S7的源极和S8的漏极;S5的源极接S6的漏极;S6的源极通过电感L2后接电源E的负极;S8的源极通过电感L2后接电源E的负极;电源E的负极接地GND。
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