CN105958855A - 一种新型高增益准z源逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型高增益准Z源逆变器电路，包括电压源，由第一电感、第一二极管、第一电容、第四电感、第四电容和第四二极管构成的第一准Z源单元，由第二电感、第二电容、第三二极管、第三电感和第三电容构成的第二准Z源单元，第二二极管，第五二极管，三相逆变桥，输出滤波电感、滤波电容和负载。整个电路结合了两个准Z源单元各自的单级升降压特性，具有更高的输出电压增益，输出与输入共地，减小了逆变桥中开关器件的电压应力，且电路启动时不存在冲击电流。

Description

一种新型高增益准Z源逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种新型高增益准Z源逆变器电路。

背景技术

在燃料电池发电、光伏发电中，由于单个太阳能电池或者单个燃料电池提供的直流电压较低，无法满足现有用电设备的用电需求，也不能满足并网的需求，往往需要将多个电池串联起来达到所需的电压。这种方法一方面大大降低了整个系统的可靠性，另一方面还需解决串联均压问题。为此，需要能够把低电压转换为高电压的高增益变换器电路。近几年提出的Z源升压变换器是一种高增益变换器电路，但该电路具有较高的阻抗网络电容电压应力，电源电流不连续，输出与输入不共地，且电路启动时存在很大启动冲击电流问题，限制了该电路在实际中的应用。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种新型高增益准Z源逆变器电路，具体技术方案如下。

一种新型高增益准Z源逆变器，包括电压源、第一准Z源单元、第二准Z源单元、三相逆变桥、输出滤波电容、滤波电感和三相对称负载。所述第一准Z源单元由第一电感、第一二极管、第一电容、第四电感、第四电容和第四二 极管构成；所述第二准Z源单元由第二电感、第二电容、第三电感、第三电容和第三二极管构成。

上述的一种新型高增益准Z源逆变器中：所述电压源的正极分别与第一电感的一端、第二二极管的阳极、第三电容的负极和第四电容的负极连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第二二极管的阴极和第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的负极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第三电感的一端和第三电容的正极连接；所述第三电的另一端分别与第四二极管的阳极和第五二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第四电容的正极和第四电感的一端连接；所述第四电感的另一端分别与第二电容的正极、第一电容的正极、第五二极管的阴极和三相逆变桥的正极性端连接；所述电压源的负极与三相逆变桥的负极性端连接。

当三相逆变桥的桥臂直通交流侧负载短路时，所述第一二极管第三二极管和第四二极管均关断。所述电压源和第一电容对第一电感充电；所述电压源和第二电容对第二电感充电；所述电压源和第三电容对第三电感充电；所述电压源和第四电容对第四电感充电。当三相逆变桥的桥臂非直通接入交流侧负载时，所述第一二极管、第三二极管和第四二极管均导通，第二二极管和第五二极管关断。第一电感和第二电感对第三电容充电，形成回路；第一电感、第二电感和第三电感一起对第四电容充电，形成回路；第三电感和第四电感一起给第二电容充电，形成回路；第二电感、第三电感和第四电感一起给与第一电容 充电，形成回路；所述电压源与第一电感、第二电感、第三电感和第四电感一起通过三相逆变桥给交流侧负载进行供电。整个电路结合了两个准Z源单元各自的单级升降压特性，具有较高的输出电压增益，输出与输入共地，减小了逆变桥中开关器件的电压应力，且电路不存在启动电流冲击问题。

与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：本发明结合了两个准Z源单元各自的单级升降压特性，具有更高的输出电压增益，输出与输入共地，减小了逆变桥中开关器件的电压应力，且电路不存在启动冲击电流，因而更适合应用于燃料电池发电和光伏发电等新能源发电技术领域。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中的一种新型高增益准Z源逆变器电路。

图2是对图1所示一种新型高增益准Z源逆变器进行模态分析的简化等效电路。

图3a、图3b分别是图1所示一种新型高增益准Z源逆变器在其三相逆变桥直通时和非直通时的等效电路图。

图4a为本发明电路的升压因子曲线与开关电感Z源逆变器、基于二极管二级拓展的准Z源逆变器和传统Z源逆变器的升压因子曲线比较图。

图4b为四种逆变器的调制系数M与交流侧输出电压增益G的关系曲线图。

图4c为四种逆变器中开关器件电压应力的比较图。

图4d为以V_i＝10V，直通占空比D＝0.25为例给出了本发明电路直流侧和 交流侧相关变量的仿真结果图。

具体实施方式

以上内容已经对本发明的技术方案作了详细说明，以下结合附图对本发明的具体实施作进一步描述。

参考图1，本发明所述的一种新型高增益准Z源逆变器，其包括电压源，由第一电感、第一二极管、第一电容、第四电感、第四电容和第四二极管构成的第一准Z源单元，由第二电感、第二电容、第三二极管、第三电感和第三电容构成的第二准Z源单元，第二二极管，第五二极管，三相逆变桥，输出滤波电感、滤波电容和负载。所述电压源的正极分别与第一电感的一端、第二二极管的阳极、第三电容的负极和第四电容的负极连接；所述第一电感的另一端分别与第一二极管的阳极和第一电容的负极连接；所述第一二极管的阴极分别与第二二极管的阴极和第二电感的一端连接；所述第二电感的另一端分别与第二电容的负极和第三二极管的阳极连接；所述第三二极管的阴极分别与第三电感的一端和第三电容的正极连接；所述第三电的另一端分别与第四二极管的阳极和第五二极管的阳极连接；所述第四二极管的阴极分别与第四电容的正极和第四电感的一端连接；所述第四电感的另一端分别与第二电容的正极、第一电容的正极、第五二极管的阴极和三相逆变桥的正极性端连接；所述电压源的负极与三相逆变桥的负极性端连接。

图3a、图3b给出了本发明电路的工作过程等效电路图。图3a、图3b分别是逆变桥直通和非直通时段的等效电路图。图中实线表示变换器中有电流流 过的部分，虚线表示变换器中无电流流过的部分。

本发明的工作过程如下：

阶段1，如图3a：当三相逆变桥的桥臂直通交流侧负载短路时，所述第一二极管D₁第三二极管D₃和第四二极管D₄均关断。所述电压源V_i和第一电容C₁对第一电感L₁充电；所述电压源V_i和第二电容C₂对第二电感L₂充电；所述电压源V_i和第三电容C₃对第三电感L₃充电；所述电压源V_i和第四电容C₄对第四电感L₄充电。

阶段2，如图3b：当三相逆变桥的桥臂非直通接入交流侧负载时，所述第一二极管D₁、第三二极管D₃和第四二极管D₄均导通，第二二极管D₂和第五二极管D₅关断。第一电感L₁和第二电感L₂对第三电容C₃充电，形成回路；第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃一起对第四电容C₄充电，形成回路；第三电感L₃和第四电感L₄一起给第二电容C₂充电，形成回路；第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄一起给与第一电容C₁充电，形成回路；所述电压源V_i与第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄一起通过三相逆变桥给交流侧负载进行供电。

综上情况，设定逆变桥的直通占空比为D，开关周期为T_s。并设定V_L1、V_L2、V_L3和V_L4分别为第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄两端的电压，V_C1、V_C2、V_C3和V_C4分别为第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃和第四电容C₄两端的电压，V_PN为逆变桥直流侧链电压。当逆变器进入稳态工作后，得出以下的电压关系推导过程。

阶段1：逆变桥直通(相当于S₁闭合)期间，对应的等效电路图3a所示，因此有如下公式：

V_{L1_on}＝V_i+V_C1 (1)

V_{L2_on}＝V_i+V_C2 (2)

V_{L3_on}＝V_i+V_C3 (3)

V_{L4_on}＝V_i+V_C4 (4)

V_PN＝0 (5)

逆变桥的直通时间为DT_s。

阶段2：逆变桥非直通(相当于S₁断开)期间，对应的等效电路如图3b所示，因此有如下公式：

V_{L1_off}＝V_C1-V_C2-V_C3 (6)

V_{L2_off}＝V_C2-V_C1 (7)

V_{L3_off}＝V_C3-V_C4 (8)

V_L4-off＝V_C4-V_C3-V_C2 (9)

V_PN＝V_i-V_{L1_off}-V_{L2_off}-V_{L3_off}-V_{L4_off} (10)

逆变桥的非直通时间为(1-D)T_s。

根据以上分析，对分别第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃和第四电感L₄运用电感伏秒数守恒原理，联立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(6)、式(7)、式(8)和式(9)可得：

D(V_i+V_C1)+(1-D)(V_C1-V_C2-V_C3)＝0 (11)

D(V_i+V_C2)+(1-D)(V_C2-V_C1)＝0 (12)

D(V_i+V_C3)+(1-D)(V_C3-V_C4)＝0 (13)

D(V_i+V_C4)+(1-D)(V_C4-V_C3-V_C2)＝0 (14)

联立式(11)、式(12)、式(13)和式(14)，可得出第一电容C₁的电压V_C1、第二电容C₂的电压V_C2、第三电容C₃的电压V_C3、第四电容C₄的电压V_C4与电压源V_i之间的关系式分别为：

$V_{C2}=V_{C3}=\frac{D(2-D)}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(15\right)$

$V_{C1}=V_{C4}=\frac{3D-2D^2}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(16\right)$

则把式(15)和式(16)代入式(10)，可得三相逆变桥直流链电压V_PN的表达式为：：

$V_{PN}=\frac{1}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(17\right)$

则本发明电路的升压因子(Boost Factor)B为：

$B=\frac{V_{PN}}{V_i}=\frac{1}{1-4D+2D^2}---\left(18\right)$

对应的交流侧输出电压增益为：

G＝MB＝(0～∞) (19)

如图4a所示为本发明电路的升压因子曲线与开关电感Z源逆变器、基于二极管二级拓展的准Z源逆变器和传统Z源逆变器的升压因子曲线比较图；图中包括本发明电路的升压因子曲线，开关电感Z源逆变器的升压因子曲线，基于二极管二级拓展的准Z源逆变器的升压因子曲线，传统Z源逆变器的升压因子曲线。由图可知，本发明电路在占空比D不超过0.29的情况下，升压 因子B就可以达到很大，明显高于其他逆变器拓扑结构的升压因子，且本发明电路的占空比D不会超过0.29。

图4b为四种逆变器的调制系数M与交流侧输出电压增益G的关系曲线图，由图可知在具有相同的交流侧输出电压增益G的情况下，本发明电路比其他三种逆变器电路可以用到更大的调制系数M对逆变器进行调制，进而提高了逆变器的直流电压利用率，改善了交流侧输出电压波形的质量。

图4c为四种逆变器中开关器件电压应力的比较，由图可知本发明电路逆变桥中开关器件的电压应力要比其他三种逆变器拓扑都要小，进而减小了使用开关器件的成本费用。

仅作为实例，图4d以输入电压V_i＝10V，直通占空比D＝0.25为例给出了本发明电路直流侧和交流侧相关变量的仿真结果。D＝0.25时，升压因子B＝8，则逆变桥直流侧链电压V_PN＝B*V_i＝80V，电容电压V_C1＝V_C2＝35V，V_C3＝V_C4＝50V。此外，图4d中还给出了电感电流i_L1(＝i_L4)和i_L3(＝i_L2)的波形，交流侧输出相电压V_outphase和输出线电压V_outline的波形，以及三相对称电阻负载两端电压V_R的波形。

综上所述，本发明电路结合了两个准Z源单元各自的单级升降压特性，具有较高的输出电压增益，输出与输入共地，减小了逆变桥中开关器件的电压应力，且不存在电路启动冲击电流的问题。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作 的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种新型高增益准Z源逆变器，其特征在于包括电压源（V_i）、第一准Z源单元、第二准Z源单元、三相逆变桥、输出滤波电容、滤波电感和三相对称负载；所述第一准Z源单元由第一电感（L₁）、第一二极管（D₁）、第一电容（C₁）、第四电感（L₄）、第四电容（C₄）和第四二极管（D₄）构成；所述第二准Z源单元由第二电感（L₂）、第二电容（C₂）、第三电感（L₃）、第三电容（C₃）和第三二极管（D₃）构成。

2.根据权利要求1所述的一种新型高增益准Z源逆变器，其特征在于所述电压源（V_i）的正极分别与第一电感（L₁）的一端、第二二极管（D₂）的阳极、第三电容（C₃）的负极和第四电容（C₄）的负极连接；所述第一电感（L₁）的另一端分别与第一二极管（D₁）的阳极和第一电容（C₁）的负极连接；所述第一二极管（D₁）的阴极分别与第二二极管（D₂）的阴极和第二电感（L₂）的一端连接；所述第二电感（L₂）的另一端分别与第二电容（C₂）的负极和第三二极管（D₃）的阳极连接；所述第三二极管（D₃）的阴极分别与第三电感（L₃）的一端和第三电容（C₃）的正极连接；所述第三电感（L₃）的另一端分别与第四二极管（D₄）的阳极和第五二极管（D₅）的阳极连接；所述第四二极管（D₄）的阴极分别与第四电容（C₄）的正极和第四电感（L₄）的一端连接；所述第四电感（L₄）的另一端分别与第二电容（C₂）的正极、第一电容（C₁）的正极、第五二极管（D₅）的阴极和三相逆变桥的正极性端连接；所述电压源（V_i）的负极与三相逆变桥的负极性端连接。

3.根据权利要求1所述的一种新型高增益准Z源逆变器，其特征在于当三相逆变桥的桥臂直通交流侧负载短路时，所述第一二极管（D₁）第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）均关断；所述电压源（V_i）和第一电容（C₁）对第一电感（L₁）充电；所述电压源（V_i）和第二电容（C₂）对第二电感（L₂）充电；所述电压源（V_i）和第三电容（C₃）对第三电感（L₃）充电；所述电压源（V_i）和第四电容（C₄）对第四电感（L₄）充电；当三相逆变桥的桥臂非直通接入交流侧负载时，所述第一二极管（D₁）、第三二极管（D₃）和第四二极管（D₄）均导通，第二二极管（D₂）和第五二极管（D₅）关断；第一电感（L₁）和第二电感（L₂）对第三电容（C₃）充电，形成回路；第一电感（L₁）、第二电感（L₂）和第三电感（L₃）一起对第四电容（C₄）充电，形成回路；第三电感（L₃）和第四电感（L₄）一起给第二电容（C₂）充电，形成回路；第二电感（L₂）、第三电感（L₃）和第四电感（L₄）一起给与第一电容（C₁）充电，形成回路；所述电压源（V_i）与第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第三电感（L₃）和第四电感（L₄）一起通过三相逆变桥给交流侧负载进行供电。