CN105186909A - 一种增强型z源逆变器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型Z源逆变器及其工作方法，包括：Boost输入级电路、Z源阻抗网络电路和桥式逆变器；所述Z源阻抗网络电路串联于Boost输入级电路与桥式逆变器之间；所述Z源阻抗网络电路包括第一电感单元和第二电感单元，第一电感单元的输入端与第二电感单元的输出端之间串接有第一电容，第一电感单元的输出端与第二电感单元的输入端之间串接有第二电容；所述第二电感单元的电路结构与第一电感单元呈中心对称。本发明能够提高升压比，有效地解决启动冲击问题，并能保证输入电流连续以提高直流电压的利用率。

Description

一种增强型Z源逆变器及其工作方法

技术领域

本发明属于电力变换器领域，尤其涉及一种增强型Z源逆变器及其工作方法。

背景技术

传统的逆变电路分为电压源和电流源这两类，然而这两类逆变器存在下述共同缺点，它们或是升压型，或是降压型变换器，而不可能是升/降压型变换器。而且它们抗电磁干扰的能力较差，当由于电磁干扰导致桥臂短路或是开路时，容易造成变流器损坏。由此，于2002年美国密西根州立大学的彭方正教授提出了一种新型逆变器，该逆变器则为Z源逆变器。Z源逆变器提供了一种新的思路和理论，可以克服传统电压源和电流源逆变器的不足之处。

Z源逆变器自提出以来，以其独特的优点在新能源发电系统等具有输入电压大范围变化特点的场合得到了广泛的应用。但现有的Z源拓扑仍存在诸多缺陷：①升压能力有限，若要提高升压能力，需增大直通占空比，势必减小调制比，导致功率器件的应力增大。②输入电流断续，直流电压利用率低。③存在启动冲击回路，影响逆变器性能。

发明内容

为了解决现有技术的缺点，本发明提供一种增强型Z源逆变器及其工作方法。该Z源逆变器能够提高升压比，有效地解决启动冲击问题，并能保证输入电流连续以提高直流电压的利用率。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种增强型Z源逆变器，包括：

Boost输入级电路、Z源阻抗网络电路和桥式逆变器；

所述Z源阻抗网络电路串联于Boost输入级电路与桥式逆变器之间；

所述Z源阻抗网络电路包括第一电感单元和第二电感单元，第一电感单元的输入端与第二电感单元的输出端之间串接有第一电容，第一电感单元的输出端与第二电感单元的输入端之间串接有第二电容；所述第二电感单元的电路结构与第一电感单元呈中心对称。

所述Boost输入级电路包括输入电感和开关管，所述输入电感的一端连接直流电源的正极端，另一端连接输入二极管；开关管的一端连接输入电感与输入二极管的连接点，另一端连接直流电源的负极端。

所述第一电感单元包括并联连接的两支路，每条支路包括串联连接的电感元件和二极管元件，两条支路上的电感元件和二极管元件连接点之间串接一个二极管元件；根据二极管元件的单向导电性，分别形成两条支路上电感元件并联及串联。

所述第一电容与第二电容具有相同的电容量。

所述第一电感单元与第二电感单元中的电感元件具有相同的电感量。

所述桥式逆变器为三相桥式逆变器或单相桥式逆变器。

一种增强型Z源逆变器的工作方法，包括：

当桥式逆变器的桥臂等效为短路状态时，增强型Z源逆变器处于直通工作状态，此时Boost输入级电路中的开关管处于导通状态；

当桥式逆变器的桥臂等效为电流源时，增强型Z源逆变器处于非直通工作状态，此时Boost输入级电路中的开关管处于关断状态，Z源阻抗网络电路输出的相电压峰值U_db为，

U_db＝M*B*(U_dc/2)(11)

其中，B为Boost输入级的升压比；M为桥式逆变器的调制比；U_dc为Boost输入级电路中直流电源的电压。

当增强型Z源逆变器处于直通工作状态时，Boost输入级电路中的开关管闭合，输入二极管关断，Boost输入级电路中开关管的状态与直通状态同步；在第一电感单元中的两条支路形成并联型电感，并由第一电容充电；在第二电感单元中的两条支路也形成并联型电感，并由第二电容充电。

当增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，Boost输入级电路中的开关管关断，输入二极管导通；在第一电感单元中的两条支路形成串联型电感，向第一电容供电；在第二电感单元中的两条支路也形成串联型电感，向第二电容供电。

当增强型Z源逆变器中的电感和电容分别具有相同的电感量和电容量，且增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，逆变桥直流链峰值电压为：

${\hat{U}}_{PN}=\frac{1+D_0}{(1-3D_0)(1-D_0)}{U}_{dc}={\mathrm{BU}}_{dc}---\left(10\right)$

其中，U_dc为Boost输入级电路中直流电源的电压；D₀为直通占空比。

本发明的有益效果为：

(1)本发明在传统Z源逆变器拓扑的基础上，利用增加的一个开关管和输入电感，与传统Z源逆变器拓扑中的二极管一起，相当于在前级形成Boost电路，能够提高逆变器的升压比，且该有源开关的通断状态与逆变器的直通状态同步，只需将直通状态通过驱动电路即可驱动增加的有源开关，无需增加额外的控制电路，控制结构简单；

(2)此外，由于输入电感的加入，在直通状态时为输入电流提供续流通路，使输入电流连续，省去了前级滤波器。同时由于电感电流不能突变，在启动过程中极大减小了阻抗网络上的电容的冲击电流，从而不需要采用软启动策略，简化了启动过程；

(3)本发明的Z源逆变器拓扑结构中的Z源阻抗网络中包括第一电感单元和第二电感单元，这两个单元的作用不仅是在主电路开关过程中将电容能量存储，而且能够将能量传递到直流链路，本发明的Z源逆变器相比于传统的Z源逆变器，能够获得更大的升压比。

附图说明

图1是本发明的增强型Z源逆变器的拓扑结构示意图；

图2是本发明的增强型Z源逆变器的处于直通状态下电路结构示意图；

图3是本发明的增强型Z源逆变器的处于非直通状态下电路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

如图1所示，本发明的增强型Z源逆变器，包括：

Boost输入级电路、Z源阻抗网络电路和桥式逆变器；

Z源阻抗网络电路串联于Boost输入级电路与桥式逆变器之间；

Z源阻抗网络电路包括包含开关元件的第一电感单元和包含开关元件的第二电感单元，第一电感单元的输入端与第二电感单元的输出端之间串接有第一电容，第一电感单元的输出端与第二电感单元的输入端之间串接有第二电容；第二电感单元的电路结构与第一电感单元呈中心对称。

其中，Boost输入级电路包括输入电感L_in和开关管S₇，输入电感L_in的一端连接直流电源的正极端，另一端连接输入二极管D_in的阳极；开关管S₇的一端连接输入电感L_in与输入二极管D_in的连接点，另一端连接直流电源的负极端；输入二极管D_in的阴极和直流电源的负极端的负极端为Boost输入级电路的输出端口。

第一电感单元和第二电感单元均可为一条支路，且在该支路上仅串接一个电感元件。

优选地，第一电感单元的具体电路结构，包括并联连接的第一支路和第二支路，第一条支路包括电感L₁，电感L₁的一端连接二极管D_in的阴极，另一端连接至二极管D₂的阳极，二极管D₂的阴极连接至桥式逆变器的第一输入端；第二条支路包括二极管D₁，二极管D₁的阳极连接二极管D_in的阴极，二极管D₁的阴极连接电感L₃的一端，电感L₃的另一端连接至桥式逆变器的第一输入端；

第一电感单元还包括二极管D₃，二极管D₃的阳极连接至电感L₁与二极管D₂的连接点处，二极管D₃的阴极连接至电感L₃与二极管D₁的连接点处。

优选地，与第一电感单元呈中性对称的第二电感单元的具体电路结构，包括并联连接的两条支路，一条支路包括电感L₄，电感L₄的一端连接直流电源负极，另一端连接至二极管D₅的阴极，二极管D₅的阳极连接至桥式逆变器的第二输入端；另一条支路包括二极管D₄，二极管D₄的阴极连接直流电源负极，二极管D₄的阳极连接电感L₂的一端，电感L₂的另一端连接至桥式逆变器的第二输入端；

第二电感单元还包括二极管D₆，二极管D₆的阳极连接至电感L₂与二极管D₄的连接点处，二极管D₆的阴极连接至电感L₄与二极管D₅的连接点处。

进一步地，电容C₁与电容C₂具有相同的电容量。

进一步地，电感L₁与电感L₃具有相同的电感量。

电感L₂与电感L₄具有相同的电感量。

桥式逆变器为三相桥式逆变器或单相桥式逆变器。

本发明的增强型Z源逆变器与传统的增强型Z源逆变器相比：

第一，增加有源开关和电感并与原电路二极管形成Boost电路：

本发明在传统Z源逆变器拓扑的基础上，利用增加的开关管S₇和输入电感L_in，与传统Z源逆变器拓扑中的输入二极管D_in一起，相当于在前级形成Boost电路，能够提高逆变器的升压比，且该有源开关的通断状态与逆变器的直通状态同步，只需将直通状态通过驱动电路即可驱动增加的有源开关，无需增加额外的控制电路，控制结构简单。此外，由于电感L_in的加入，在直通状态时为输入电流提供续流通路，使输入电流连续，省去了前级滤波器。同时由于电感电流不能突变，在启动过程中极大减小了阻抗网络上的电容的冲击电流，从而不需要采用软启动策略，简化了启动过程，其中，开关管S₇为有源开关。

第二，增加电感和二极管形成包含开关元件的电感单元：

本发明的Z源逆变器拓扑结构中的Z源阻抗网络主要由4个具有相同电感量的电感(L₁、L₂、L₃和L₄)、2个具有相同电容量的电容(C₁和C₂)和6个二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅和D₆)所组成，其中L₁-L₃-D₁-D₂-D₃组成第一电感单元，L₂-L₄-D₄-D₅-D₆组成第二电感单元。它们的作用不仅是在主电路开关过程中将电容能量存储，而且能够将能量传递到直流链路。相比于传统的Z源逆变器，能够获得更大的升压比。

如图1所示，本发明的增强型Z源逆变器的逆变器以由六个开关管S₁、S₂、S₃、S₄、S₅和S₆组成的三相全桥逆变器为例：

本发明的桥式逆变器输出的电压传送至电网或负载。本发明的该增强型Z源逆变器与传统Z源逆变器一样，逆变桥具有9个允许的开关状态。当直流电压加到负载上时，具有6个非零矢量状态；当负载端分别被下面的或上面的三个器件短路时，具有2个零电压矢量状态，这8种状态统一简称为非直通状态。然而，当负载端被上面的和下面的器件短路时(如所有的器件均被触发)，则具有第三种开关状态为直通零电压矢量状态，简称为直通状态。

在传统的电压源逆变器中这个直通状态是禁止的，因为它将导致逆变桥的直通，损坏开关器件。而传统的Z源逆变器和本文提出的增强型Z源逆变器使直通状态成为可能，并正是利用这个直通状态为逆变器提供了独特的升/降压特性。

本发明的增强型Z源逆变器的工作方法，包括：

如图2所示，当桥式逆变器的桥臂等效为短路状态时，增强型Z源逆变器处于直通工作状态，此时输入电感L_in上的电压U_Lin为：

U_Lin＝U_dc(3)

其中，U_dc为直流电源的电压。

如图3所示，当桥式逆变器的桥臂等效为电流源时，增强型Z源逆变器处于非直通工作状态，此时输出相电压峰值U_db为，

U_db＝M*B*(U_dc/2)(11)

其中，B为Boost输入级的升压比；M为桥式逆变器的调制比；U_dc为直流电源的电压。

当增强型Z源逆变器处于直通工作状态时，开关管S₇闭合，输入二极管D_in关断，开关管S₇的状态与直通状态同步；在第一电感单元中，D₁、D₂导通，D₃截止，L₁、L₃组成并联型电感，并由C₁充电；在第二电感单元中，D₄、D₅导通，D₆截止，L₂、L₄组成并联型电感，并由C₂充电。

当增强型Z源逆变器中的电感和电容分别具有相同的电感量和电容量，且增强型Z源逆变器处于直通工作状态时，

U_C1＝U_C2＝U_C，U_L1＝U_L2＝U_L3＝U_L4＝U_L(1)

电感L₁上的电压U_L为：

U_L＝U_C(2)

其中，U_C1、U_C2分别为电容C₁和电容C₂两端的电压；U_L1、U_L2、U_L3、U_L4分别为电感L₁、电感L₂、电感L₃和电感L₄两端的电压。

当增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，开关管S₇关断，输入二极管D_in导通，第一电感单元中，D₁、D₂截止，D₃导通，L₁、L₃组成串联型电感，向电容C₁和负载供电；在第二电感单元中，D₄、D₅截止，D₆导通，L₂、L₄组成串联型电感，向电容C₂和负载供电。

当增强型Z源逆变器中的电感和电容分别具有相同的电感量和电容量，且增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，此时输入电感L₁上的电压U_L为：

$U_L=\frac{U_C-{\hat{U}}_{PN}}{2}---\left(4\right)$

输入电感L_in上的电压U_Lin为，

U_Lin＝U_dc-2U_L-U_C(5)

将式(4)带入式(5)得，

U_Lin＝U_dc-2U_C+U_PN(6)

分别对于电感L₁和输入电感L_in在一个开关周期T中由直流电感的伏秒平衡原理得，

$U_C{D}_{0}T+\frac{U_C-{\hat{U}}_{PN}}{2}(1-D_0)T=0---\left(7\right)$

$U_{dc}{D}_{0}T+(U_{dc}-2U_C+{\hat{U}}_{PN})(1-D_0)T=0---\left(8\right)$

由(7)式和(8)式整理得电容电压为，

$U_C=\frac{1}{1-3D_0}{U}_{dc}---\left(9\right)$

逆变桥直流链峰值电压为：

${\hat{U}}_{PN}=\frac{1+D_0}{(1-3D_0)(1-D_0)}{U}_{dc}={\mathrm{BU}}_{dc}---\left(10\right)$

其中，D₀为直通占空比。

此外，当桥式逆变器为单相逆变器时，需将图1中的三个逆变桥去掉一个，如去掉开关管S₅和S₂，此时整个增强型Z源逆变器的工作过程，同上述的分析过程类似，此处将不再累述。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种增强型Z源逆变器，其特征在于，包括：

Boost输入级电路、Z源阻抗网络电路和桥式逆变器；

所述Z源阻抗网络电路串联于Boost输入级电路与桥式逆变器之间；

所述Z源阻抗网络电路包括第一电感单元和第二电感单元，第一电感单元的输入端与第二电感单元的输出端之间串接有第一电容，第一电感单元的输出端与第二电感单元的输入端之间串接有第二电容；所述第二电感单元的电路结构与第一电感单元呈中心对称。

2.如权利要求1所述的一种增强型Z源逆变器，其特征在于，所述Boost输入级电路包括输入电感和开关管，所述输入电感的一端连接直流电源的正极端，另一端连接输入二极管；开关管的一端连接输入电感与输入二极管的连接点，另一端连接直流电源的负极端。

3.如权利要求1所述的一种增强型Z源逆变器，其特征在于，所述第一电感单元包括并联连接的两支路，每条支路包括串联连接的电感元件和二极管元件，两条支路上的电感元件和二极管元件连接点之间串接一个二极管元件；根据二极管元件的单向导电性，分别形成两条支路上电感元件并联及串联。

4.如权利要求1所述的一种增强型Z源逆变器，其特征在于，所述第一电容与第二电容具有相同的电容量。

5.如权利要求3所述的一种增强型Z源逆变器，其特征在于，所述第一电感单元与第二电感单元中的电感元件具有相同的电感量。

6.如权利要求1所述的一种增强型Z源逆变器，其特征在于，所述桥式逆变器为三相桥式逆变器或单相桥式逆变器。

7.一种如权利要求1-6任一所述的增强型Z源逆变器的工作方法，其特征在于，包括：

当桥式逆变器的桥臂等效为短路状态时，增强型Z源逆变器处于直通工作状态，此时Boost输入级电路中的开关管处于导通状态；

当桥式逆变器的桥臂等效为电流源时，增强型Z源逆变器处于非直通工作状态，此时Boost输入级电路中的开关管处于关断状态，Z源阻抗网络电路输出的相电压峰值U_db为，

U_db＝M*B*(U_dc/2)(11)

其中，B为Boost输入级的升压比；M为桥式逆变器的调制比；U_dc为Boost输入级电路中直流电源的电压。

8.如权利要求7所述的一种增强型Z源逆变器的工作方法，其特征在于，当增强型Z源逆变器处于直通工作状态时，Boost输入级电路中的开关管闭合，输入二极管关断，Boost输入级电路中开关管的状态与直通状态同步；在第一电感单元中的两条支路形成并联型电感，并由第一电容充电；在第二电感单元中的两条支路也形成并联型电感，并由第二电容充电。

9.如权利要求7所述的一种增强型Z源逆变器的工作方法，其特征在于，当增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，Boost输入级电路中的开关管关断，输入二极管导通；在第一电感单元中的两条支路形成串联型电感，向第一电容供电；在第二电感单元中的两条支路也形成串联型电感，向第二电容供电。

10.如权利要求7所述的一种增强型Z源逆变器的工作方法，其特征在于，当增强型Z源逆变器中的电感和电容分别具有相同的电感量和电容量，且增强型Z源逆变器处于非直通工作状态时，逆变桥直流链峰值电压为：

${\hat{U}}_{PN}=\frac{1+D_0}{(1-3D_0)(1-D_0)}{U}_{dc}={\mathrm{BU}}_{dc}---\left(10\right)$

其中，D₀为直通占空比。