CN105048852A - 一种全桥型z源逆变器及其控制方法和光伏并网电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种本发明实施例提供了一种全桥型Z源逆变器，包括依次连接的前级全桥变换器、变压器、整流模块以及Z源逆变模块；前级全桥变换器的输入端用于连接直流电压源，前级全桥变换器的输出端连接所述变压器原边；变压器的副边连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接Z源逆变模块的输入端；所述Z源逆变模块的输出端用于连接负载。由于增加了变压器，实现了输入输出的隔离，拓展了传统Z源逆变器的应用范围，从而将Z源逆变器的应用场合拓展到电压更广的场合，适用于隔离场合。本发明同时提供了一种光伏并网电路，应用该全桥型Z源逆变器。本发明同时提供了一种全桥型Z源逆变器的控制方法。

Description

一种全桥型Z源逆变器及其控制方法和光伏并网电路

技术领域

本发明涉及电力电子变换器领域，特别涉及一种全桥型Z源逆变器。

背景技术

Z源逆变器是一种常用的单级升降压逆变器，具有输入电压范围宽，稳定性高，抗EMI等特性，基于这些特点，Z源逆变器在新能源开发领域具有较为重要的研究意义。

但是，Z源逆变器一般运用于非隔离场合，其在一些由安规要求必须隔离的场合的应用受到限制。

发明内容

针对上述背景技术的不足，本发明提供了一种全桥型Z源逆变器，以实现高效率的功率变换，不仅隔离了输入输出，同时提供了一种新的控制方式，增大了Z源逆变器的输入电压范围，拓展了其在隔离场合的应用范围。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种全桥型Z源逆变器，包括依次连接的前级全桥变换器、变压器、整流模块以及Z源逆变模块；前级全桥变换器的输入端用于连接直流电压源，前级全桥变换器的输出端连接所述变压器原边；变压器的副边连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接Z源逆变模块的输入端；所述Z源逆变模块的输出端用于连接负载。

具体的，所述Z源逆变部分包括Z源结构和逆变桥，Z源结构包括第一电感，第二电感，第一电容，第二电容；第一电感的第一端与所述第一电容第一端、所述逆变桥负端相连；所述第一电感第二端与所述第二电容的第一端相连；所述第二电感的第一端与所述第二电容第二端、所述逆变桥正端相连；所述第二电感的第二端与第一电容的第二端相连；所述整流模块的输出端分别连接到所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端连接。

具体的，所述逆变桥包括并联的第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂分别包括两个串联的第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一功率开关管的阴极与所述第二功率开关管的阳极连接；所述第一功率开关管的阳极为逆变桥正端，所述第二功率开关管的阴极为逆变桥负端；所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的中间点连接分别连接负载。

具体的，所述前级全桥变换器分包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管；第一功率开关管的阳极、第二功率开关管的阳极与直流电压源正极连接，第三功率开关管的阴极、第四功率开关管的阴极与直流电压源负极连接；第一功率管的阴极、第三功率管的阳极与变压器原边一端相连；变压器原边的另一端与隔直电容一端连接，隔直电容另一端与第二功率管的阴极、第四功率管的阳极相连。

具体的，所述整流部分包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；其中第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极与变压器副边一端相连，第二整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极与与变压器副边另一端相连；第一整流二极管的阴极与第二整流二极管的阴极相连，第三整流二极管的阳极与第四整流管阳极相连；第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极与第一电容相连；第三整流二极管的阳极、第四整流二极管的阳极与第一电感相连。

本发明同时提供了一种光伏并网电路，应用到全桥型Z源逆变器。

本发明同时提供一种全桥型Z源逆变器控制方法，应用到上述的全桥型Z源逆变器，当输入电压低时，所述Z源逆变模块的桥臂直通，用于升压；当输入电压高时，所述前级全桥变换器的桥臂移相，用于降压。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

前级全桥变换器易于实现软开关，通过控制前级全桥变换器的输出，为后级Z源逆变提供了一种新的控制变量，输入电压范围更宽。前级全桥变压器两副边全桥型Z源逆变器，在输入电压低时提供了双路整流输出电压，输入电压高时，可通过减小占空比来控制束流输出电压，因此，进一步扩大了电压的输入范围。

同时，由于增加了变压器，实现了输入输出的隔离，拓展了传统Z源逆变器的应用范围，从而将Z源逆变器的应用场合拓展到电压更广的场合，适用于隔离场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种全桥型Z源逆变器的前级全桥变换器、变压器、整流模块以及Z源逆变模块电路拓扑图；

图2为输入电压Vdc＝200V，直通占空比Dsh＝0.2时，输出电流IO＝4A时的升压仿真波形中桥臂中点电压、整流电压和直流链电压仿真波形；

图3为输入电压Vdc＝200V，直通占空比Dsh＝0.2时，输出电流IO＝4A时的升压仿真波形中第一电容电压、第二电容电压和输出电流的仿真波形；

图4为输入电压Vdc＝300V，直通占空比Dsh为0时，输出电流IO＝4A时降压仿真波形中桥臂中点电压、整流电压和直流链电压仿真波形；

图5为输入电压Vdc＝300V，直通占空比Dsh为0时，输出电流IO＝4A时降压仿真波形中第一电容电压、第二电容电压和输出电流的仿真波形；

其中，Q1-第一功率开关管，Q2-第二功率开关管，Q3-第三功率开关管，Q4-第四功率开关管，Tr-变压器，Lr-变压器漏感，Cb-隔直电容，Vdc-直流电压源；

Dr11-第一整流二极管，Dr12-第二整流二极管，Dr13-第三整流二极管，Dr14-第四整流二极管；

L1-第一电感，L2-第二电感，C1-第一电容，C2-第二电容，S1-第一逆变功率开关管，S2-第二逆变功率开关管，S3-第三逆变功率开关管，S4-第四逆变功率开关管，S5-第五逆变功率开关管，S6-第六逆变功率开关管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本发明实施例提供了一种全桥型Z源逆变器，包括依次连接的前级全桥变换器、变压器、整流模块以及Z源逆变模块；前级全桥变换器的输入端用于连接直流电压源，前级全桥变换器的输出端连接所述变压器原边；变压器的副边连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接Z源逆变模块的输入端；所述Z源逆变模块的输出端用于连接负载。

具体的，所述Z源逆变部分包括Z源结构和逆变桥，Z源结构包括第一电感，第二电感，第一电容，第二电容；第一电感的第一端与所述第一电容第一端、所述逆变桥负端相连；所述第一电感第二端与所述第二电容的第一端相连；所述第二电感的第一端与所述第二电容第二端、所述逆变桥正端相连；所述第二电感的第二端与第一电容的第二端相连；所述整流模块的输出端分别连接到所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端连接。

具体的，所述逆变桥包括并联的第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂分别包括两个串联的第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一功率开关管的阴极与所述第二功率开关管的阳极连接；所述第一功率开关管的阳极为逆变桥正端，所述第二功率开关管的阴极为逆变桥负端；所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的中间点连接分别连接负载。

具体的，所述前级全桥变换器分包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管；第一功率开关管的阳极、第二功率开关管的阳极与直流电压源正极连接，第三功率开关管的阴极、第四功率开关管的阴极与直流电压源负极连接；第一功率管的阴极、第三功率管的阳极与变压器原边一端相连；变压器原边的另一端与隔直电容一端连接，隔直电容另一端与第二功率管的阴极、第四功率管的阳极相连。

具体的，所述整流部分包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；其中第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极与变压器副边一端相连，第二整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极与与变压器副边另一端相连；第一整流二极管的阴极与第二整流二极管的阴极相连，第三整流二极管的阳极与第四整流管阳极相连；第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极与第一电容相连；第三整流二极管的阳极、第四整流二极管的阳极与第一电感相连。

如图1所示的全桥型Z源逆变器，包括，第一功率开关管Q1、第二功率开关管Q2、第三功率开关管Q3、第四功率开关管Q4。

其中：第一功率开关管Q1的阳极、第二功率开关管Q2的阳极用于与直流电压源Vin正极连接。

第三功率开关管Q3的阴极、第四功率开关管Q4的阴极用于与直流电压源Vin负极连接。

第一功率管Q1的阴极、第三功率管Q3的阳极与变压器Tr原边一端相连，变压器Tr原边另一端与隔直电容Cb一端连接，第二功率管Q2的阴极、第四功率管Q4的阳极与隔直电容Cb另一端相连。

该全桥型Z源逆变器中包括一个整流模块，其包括：第一整流二极管Dr11、第二整流二极管Dr12、第三整流二极管Dr13、第四整流二极管Dr14。

其中第一整流二极管Dr11的阳极、第三整流二极管Dr13的阴极与变压器Tr副边一端相连，第二整流二极管Dr12的阳极、第四整流二极管Dr14的阴极与与变压器Tr副边另一端相连；第一整流二极管Dr11的阴极与第二整流二极管Dr12的阴极相连，第三整流二极管Dr13的阳极与第四整流管Dr14阳极相连。

该全桥型Z源逆变器后级的Z源逆变模块，具体包括Z源结构和逆变桥部分。Z源结构包括：第一电感L1，第二电感L2，第一电容C1，第二电容C2。其中，第一电感L1一端与逆变桥负端、第一电容C1一端相连；第一电感L1另一端与第三整流二极管Dr13的阳极、第四整流管Dr14阳极和第二电容C2一端相连，第二电感L2的一端与第一电容C1的另一端、第一整流二极管Dr11的阴极和第二整流二极管Dr12的阴极相连；第二电感L2的另一端与第二电容C2另一端、逆变桥的正端相连。

该全桥型Z源逆变器采用的逆变桥结构包括：第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；其中，第一桥臂包括串联的功率开关管S1和S2，第二桥臂包括串联的功率开关管S3和S4，第三桥臂包括串联的功率开关管S5和S6；其中，功率开关管S1、S3、S5的阳极连接到逆变桥输入端正极，功率开关管S2、S4、S6的阴极连接到逆变桥输入端负极；逆变桥输入端正极与第二电感L2的一端、第二电容C2一端相连，第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的另一端与第一电感L1一端、第一电容C1一端连接。

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的桥臂中点，即功率开关管S1的阴极和S2的阳极连接端，功率开关管S3的阴极和S4的阳极连接端、功率开关管S5的阴极和S6的阳极连接端为逆变器输出端，滤波电感和滤波电容与输出端串联，负载并接在滤波电容上。

当然，在其他的输出方式的实施例中，对于逆变桥结构也可以仅设置两个桥臂。

对于本发明全桥型Z源逆变器的实施例，前级全桥变换器的第一、第二、第三、第四功率开关管为MOS管。

对于本发明全桥型Z源逆变器的实施例，逆变桥第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂功率开关管可以为MOS管或者IGBT。

图2、图3为输入电压Vdc＝200V，直通占空比Dsh＝0.2时，输出电流IO＝4A时升压仿真波形；如图2所示所示为输入电压Vdc，，前级全桥变换器的桥臂中点A、B电压为VAB，整流部分的输出电压为Vrect，直流链电压Vpn；图3所示为输入电压Vdc＝200V，直通占空比Dsh＝0.2时，第一电容电压Vc1，第二电容电压Vc2和输出电流Io的关系；从图中可以看出，在输入电压较低时，前级全桥变换器的大占空比输出，Z源逆变器侧加入直通时间，可获得较大的电压增益。

图4、图5为输入电压Vdc＝300V，直通占空比Dsh为0时，输出电流IO＝4A时降压仿真波形；图4所示为输入电压Vdc＝300V，直通占空比Dsh为0，前级全桥变换器的桥臂中点A、B电压为VAB，整流部分的输出电压为Vrect，直流链电压Vpn；图5所示为输入电压Vdc＝300V，直通占空比Dsh为0，第一电容电压Vc1，第二电容电压Vc2和输出电流Io的关系；从图中可以看出，在输入电压较高时，前级全桥变换器通过移相控制输出电压，Z源逆变器侧无需加入直通时间，电路工作于降压模式。

其中，Vdc-直流输入电压，Io-交流输出电流，VAB-全桥桥臂中点电压，Vrect-整流后电压Vpn-逆变桥直流链电压，Vc1-第一电容电压，Vc2-第二电容电压。

通过图2-5的实例，我们可以看出，当输入电压较高时，前级变换器输出大占空比，Z源逆变器侧加入直通时间，从而提高整体的输出电压。当输入电压较高时，通过前级全桥变换器通过移相调低占空比，从而控制降低输出电压，Z源逆变器侧无需加入直通时间，电路工作于降压模式。从而保证了电路输入电压范围较宽。

同时，实现了输入输出的隔离，拓展了传统Z源逆变器的应用范围。

当输入电压高时，该电路工作于降压模式，逆变器侧不需要加入桥臂直通时间，直通占空比Dsh为0，根据整流输出电压的不同，其直流链电压vpn可表示为

升压模式时，前级整流后输出电压作为后级Z源逆变器的输入电压源，后级Z源逆变器分别工作于桥臂直通和非直通状态，根据Z源逆变器的工作原理，可分别计算出，直流链电压vpn可表示为

本发明同时提供了一种光伏并网电路，应用到全桥型Z源逆变器。

本发明同时提供一种全桥型Z源逆变器控制方法，应用到上述的全桥型Z源逆变器，当输入电压低时，所述Z源逆变模块的桥臂直通，用于升压；当输入电压高时，所述前级全桥变换器的桥臂移相，用于降压。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种全桥型Z源逆变器，包括依次连接的前级全桥变换器、变压器、整流模块以及Z源逆变模块；

所述前级全桥变换器的输入端用于连接直流电压源，所述前级全桥变换器的输出端连接所述变压器原边；

所述变压器的副边连接整流模块的输入端，整流模块的输出端连接Z源逆变模块的输入端；

所述Z源逆变模块的输出端用于连接负载。

2.如权利要求1所述的全桥型Z源逆变器，其特征在于：所述Z源逆变部分包括Z源结构和逆变桥，上述Z源结构包括第一电感，第二电感，第一电容，第二电容；

所述第一电感的第一端与所述第一电容第一端、所述逆变桥负端相连；

所述第一电感第二端与所述第二电容的第一端相连；

所述第二电感的第一端与所述第二电容第二端、所述逆变桥正端相连；

所述第二电感的第二端与第一电容的第二端相连；

所述整流模块的输出端分别连接到所述第一电容的第二端和所述第二电容的第二端连接。

3.根据权利要求1所述的全桥型Z源逆变器，其特征在于，所述逆变桥包括并联的第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；

所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂分别包括两个串联的第一功率开关管和第二功率开关管；所述第一功率开关管的阴极与所述第二功率开关管的阳极连接；

所述第一功率开关管的阳极为逆变桥正端，所述第二功率开关管的阴极为逆变桥负端；

所述第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的中间点连接分别连接负载。

4.根据权利要求1所述的一种全桥型Z源逆变器，其特征在于，所述前级全桥变换器分包括：第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管、第四功率开关管；

其中，第一功率开关管的阳极、第二功率开关管的阳极与直流电压源正极连接，第三功率开关管的阴极、第四功率开关管的阴极与直流电压源负极连接；

第一功率管的阴极、第三功率管的阳极与变压器原边一端相连；

变压器原边的另一端与隔直电容一端连接，隔直电容另一端与第二功率管的阴极、第四功率管的阳极相连。

5.根据权利要求2所述的一种全桥型Z源逆变器，其特征在于，所述整流部分包括第一整流二极管、第二整流二极管、第三整流二极管、第四整流二极管；

其中第一整流二极管的阳极、第三整流二极管的阴极与变压器副边一端相连，第二整流二极管的阳极、第四整流二极管的阴极与与变压器副边另一端相连；第一整流二极管的阴极与第二整流二极管的阴极相连，第三整流二极管的阳极与第四整流管阳极相连；

第一整流二极管的阴极、第二整流二极管的阴极与第一电容相连；第三整流二极管的阳极、第四整流二极管的阳极与第一电感相连。

6.根据权利要求4所述的一种全桥型Z源逆变器，其特征在于，所述第一、第二、第三、第四功率开关管为MOS管。

7.根据权利要求3所述的一种全桥型Z源逆变器，其特征在于第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的功率开关管为MOS管或者IGBT。

8.一种光伏并网电路，包括权利要求1-7所述的全桥型Z源逆变器。

9.一种全桥型Z源逆变器控制方法，应用到权利要求1-7所述的全桥型Z源逆变器，其特征在于：

当输入电压低时，所述Z源逆变模块的桥臂直通，用于升压；

当输入电压高时，所述前级全桥变换器的桥臂移相，减小前级全桥变换器的输出占空比，用于降压。