CN103986362A

CN103986362A - 一种z源逆变电路

Info

Publication number: CN103986362A
Application number: CN201410224916.5A
Authority: CN
Inventors: 毕闯; 向勇; 侯鹏; 胡金刚
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2014-08-13
Anticipated expiration: 2034-05-26
Also published as: CN103986362B

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

一种Z源逆变电路

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V_C与直流电源E的比值V_C/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V_C，电感L₂两端电压为V_L，则V_C+V_L＝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V_C/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V_C、V_L，当电源E给电容C₁、电感L₂充电时，则V_C+V_L＝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V_C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

1.一种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。