CN107517016A - 具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比y源逆变器 - Google Patents

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Abstract

具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，涉及逆变器技术领域。本发明是为了解决现有Y源逆变器输入电流不连续、启动冲击电流大且耦合电感的漏感导致母线出现电压尖峰的问题。本发明所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，在电路刚启动时，直流电源Vin通过输入电感Lin和二极管D1向电解电容C1充电。此时输入电流几乎全部流经二极管D1，为电解电容C1充电，三端耦合电感中几乎没有电流，电路中的逆变桥电路中无电流流过。经过数个开关周期后，电解电容C1电压逐渐达到平衡，三端耦合电感中才有电流。本发明的逆变器适用于交流电机驱动、电源、混合动力电动汽车、太阳能电池系统和其它工业中。

Description

具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器
技术领域
本发明属于逆变器技术领域。
背景技术
传统的电压源和电流源逆变器由于结构简单，成本较低，在交流电机驱动、电源、混合动力电动汽车、太阳能电池系统和其它工业中有着重要的应用。但是由于传统逆变器存在负载感性和容性的限制，升压或降压逆变器的两级式复杂结构以及死区时间导致输出电压波形畸变等问题。在2002年，一种阻抗源逆变器—Z源逆变器被提出，它不同于传统的电压源和电流源逆变器，在电源与逆变桥之间加入一个由电感和电容组成的阻抗网络替代了传统Boost电路，利用同一桥臂上、下两个开关的直通来提升直流母线电压。克服了加入死区时间带来的输出电压波形畸变的问题，增加了系统可靠性。同时作为单级系统，减少了有源器件个数，系统的控制复杂程度降低，安全性获得很大提高。
为了进一步提高Z源拓扑的升压比，结合磁耦合技术，人们提出了一系列的阻抗源逆变器拓扑结构。耦合电感的引入使阻抗源逆变器拥有更高的升压比，因此直通占空比就可以相应的减少，进而增加调制比以提高直流母线电压的利用率。LCCT-qZSI具有输入电流连续，较高抗EMI性能的优点；Trans-Z源逆变器，在降低元器件数量的同时，利用耦合电感提高输出电压范围，升压系数由1/(1-2d)增加到1/[1-(2+ntz)d](ntz为耦合电感的匝数比)；Γ-Z源逆变器，相对于Trans-Z元器件数量相同只是位置略有不同，Γ-Z源逆变器通过减少匝数比ngz来提高升压因子，其升压因子为1/{1-[1+1/(ngz-1)]d}。综合以上阻抗源拓扑的优点，2014年，提出了Y源阻抗网络。相比于其他耦合电感阻抗网络，Y源逆变器具有更高的升压能力，同时由于三端耦合电感匝数比选择的灵活多变，可以更加灵活地满足各种设计需要，具有更广泛的应用前景。
但是，Y源逆变器也有缺点，比如输入电流不连续；具有很大的启动冲击电流；耦合电感的漏感导致母线出现电压尖峰，同时带来直通占空比的丢失。
发明内容
本发明是为了解决现有Y源逆变器输入电流不连续、启动冲击电流大且耦合电感的漏感导致母线出现电压尖峰及直通占空比丢失的问题，现提供具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器。
具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，包括Y源网络电路和逆变桥电路，Y源网络电路为逆变桥电路供电，逆变桥电路为负载或电网供电，
Y源网络电路包括：输入电感Lin、电解电容C1、电解电容C2、二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2和耦合电感N3；
输入电感Lin的一端连接直流电源Vin的正极，输入电感Lin的另一端同时连接二极管D1的阳极和电解电容C2的负极，二极管D1的阴极同时连接电解电容C1的正极和耦合电感N3的异名端，电解电容C1的负极连接直流电源Vin的负极，电解电容C2的正极连接耦合电感N1的同名端，耦合电感N1的异名端、耦合电感N2的同名端和耦合电感N3的同名端相耦合，耦合电感N2的异名端作为Y源网络电路的正向输出端，电解电容C1的负极作为Y源网络电路的负向输出端。
本发明提出一种具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，该逆变器克服了传统Y源逆变器输入电流不连续，启动冲击电流大等缺点。本发明具有更高的升压比，磁芯的尺寸减小了33％，并且对耦合电感漏感的影响有一定的抑制作用，母线电压尖峰减小了20％，直通占空比损失减小了33％。此外，由于加入的电解电容可以阻止磁芯的饱和，系统性能更加稳定。
本发明的逆变器适用于交流电机驱动、电源、混合动力电动汽车、太阳能电池系统和其它工业中。
附图说明
图1为本发明所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器的电路结构示意图；
图2为本发明所述的高升压比Y源逆变器在直通模式下的电路原理图；
图3为本发明所述的高升压比Y源逆变器在非直通模式下的电路原理图；
图4为输入电压电流和输出电压电流的实验波形图；
图5为二极管电流电压和母线电压的实验波形图。
具体实施方式
具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，包括Y源网络电路和逆变桥电路，Y源网络电路为逆变桥电路供电，逆变桥电路为负载或电网供电；
Y源网络电路包括：输入电感Lin、电解电容C1、电解电容C2、二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2和耦合电感N3；
输入电感Lin的一端连接直流电源Vin的正极，输入电感Lin的另一端同时连接二极管D1的阳极和电解电容C2的负极，二极管D1的阴极同时连接电解电容C1的正极和耦合电感N3的异名端，电解电容C1的负极连接直流电源Vin的负极，电解电容C2的正极连接耦合电感N1的同名端，耦合电感N1的异名端、耦合电感N2的同名端和耦合电感N3的同名端相耦合，耦合电感N2的异名端作为Y源网络电路的正向输出端，电解电容C1的负极作为Y源网络电路的负向输出端。
本实施方式保留了传统Y源逆变器的三端耦合电感(N1、N2、N3)和电解电容C1。与传统Y源逆变器的的区别是：本实施方式中耦合电感N2和N3的位置发生了调换，增加了输入电感Lin和电解电容C2，同时改变了二极管D1的位置。
在电路刚启动时，直流电源Vin通过输入电感Lin和二极管D1向电解电容C1充电。此时输入电流几乎全部流经二极管D1，用于为电解电容C1充电，三端耦合电感中几乎没有电流，因此电路中的逆变桥电路中无电流流过。经过数个开关周期后，电解电容C1电压逐渐达到平衡，三端耦合电感中才有电流。
输入电感Lin会缓冲输入电流的冲击，使传统Y源逆变器中断续的输入电流变为连续，优化了系统的表现，具有更广泛的应用范围。电解电容C1充电过程使电路在启动时直流母线电流得到缓冲，从而保护主电路免受电流冲击。
具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器作进一步说明，本实施方式中，逆变桥电路为单相全桥逆变电路。
本实施方式中，逆变桥电路包括开关管S1、S2、S3和S4，S1和S2为一个桥臂，S3和S4为一个桥臂，两个桥臂相互并联，并与Y源网络电路的正、负向输出端并联。
具体实施方式三：参照图2和图3具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一或二所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器作进一步说明，本实施方式中，所述高升压比Y源逆变器包括直通模式和非直通模式，
直通模式下，二极管D1截止，电解电容C1给耦合电感N2和耦合电感N3充电，电解电容C2通过耦合电感N1和耦合电感N2放电；
非直通模式下，二极管D1导通，电解电容C1通过直流电源Vin、输入电感Lin和二极管D1充电，耦合电感N1和耦合电感N3给电解电容C2充电。
本实施方式中，可以在Y源网络电路的正、负向输出端之间视为存在一个等效开关SW，当直通模式下，等效开关SW视为闭合；当非直通模式下，等效开关SW视为断开。
具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一或二所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器作进一步说明，本实施方式中，所述高升压比Y源逆变器的升压公式为：
Vo＝BMVin
其中，Vdc为高升压比Y源逆变器直流母线电压，K为耦合电感系数，Vin为高升压比Y源逆变器的输入电压值，d为直通占空比，M为调制比，B为升压系数，Vo为高升压比Y源逆变器输出电压；N1、N2和N3分别为耦合电感N1、N2和N3的匝数；
直通占空比d的范围为0≤d<dmax＝1/(1+K)，
调制比M的范围为0<M<Mmax＝1-d。
在传统Y源逆变器中，升压公式为：
Vo＝BcMVin
其中Bc为传统Y源逆变器的升压系数。
对比本实施方式所述的Y源逆变器，可以看出当耦合电感系数K相同时，本实施方式的Y源逆变器具有更高的升压比。即在达到相同升压比时，本实施方式Y源逆变器需要较小的直通占空比d，进而允许更高的调制比M，直流母线利用率更高。
表1 耦合电感电流比较表
根据表1所示，其中，P为逆变器功率，Kc为传统Y源逆变器耦合电感系数，dc为传统Y源逆变器直通占空比，iN1,rms、iN2,rms和iN3,rms分别为耦合电感N1、N2和N3的电流有效值，△iN1、△iN2和△iN3分别为耦合电感N1、N2和N3在状态转换时的电流变化量。
对于耦合电感N3，有效值差别不大。但可以明显看出的是本发明Y源逆变器耦合电感N1和N2的电流有效值远小于传统Y源逆变器。因此有：
其中，Ncj为传统Y源逆变器耦合电感匝数，icj,rms为传统Y源逆变器耦合电感电流有效值，Nj为本发明Y源逆变器耦合电感匝数，ij,rms为本发明Y源逆变器耦合电感电流有效值。
耦合电感磁芯尺寸与电感值的大小和流过电流的平方成正比，且电感值的大小与绕组匝数平方成正比。由上式可知，本发明Y源逆变器所需的耦合磁芯尺寸小于传统Y源逆变器。
具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式四所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器作进一步说明，本实施方式中，耦合电感的漏感可以引起直通占空比的丢失，所述高升压比Y源逆变器的直通占空比损失△d为：
其中，H＝(N2-N3)△iN1LN1-(N1+N3)△iN2LN2+(N1+N2)△iN3LN3，LN2、LN1和LN3分别为耦合电感N1、N2和N3的漏感感值，T为开关周期。
根据上述可知占空比的损失与升压比成反比，与漏感的大小和耦合电感中电流的变化成正比，与输入电压和开关周期成反比，同时还和耦合电感匝数比有关。
在传统Y源逆变器中直通占空比损失△dc为：
Hc与H的表达形式相同，但电流变化量不同。
表1中分别列出了各电感电流变化，当绕组因数以及升压系数相同时，|△iN1|<|△iN1,c|，|△iN2|<|△iN2,c|，|△iN3|<|△iN3,c|，即|H|<|Hc|，且由于N1+N3>N1+N2可以得到△d<△dc，Δd<Δdc，即新型Y源逆变器相比于传统Y源逆变器具有更小的直通占空比损失。
由于直通时母线的直通电流和非直通时的负载电流不匹配。因此流过漏感的电流会在瞬间跌落，就会在漏感上产生一个很大的电压，导致直流母线电压产生尖峰。如果没有合适的吸收电路，过高的电压尖峰很容易烧坏功率管，影响逆变器的运行。
虽然传统Y源逆变器和本发明的Y源逆变器都因为漏感的存在产生直流母线电压尖峰，但是本发明提出的新拓扑由于其特殊的结构，电解电容C2的存在会减小漏感LN1的感抗，因此，可以等效为减小了漏感，进而减小母线电压尖峰。
为了验证本发明方法的实用性，设计了基于DSP TMS320F2812的200W实验平台。耦合电感系数K＝3，(N1:N2:N3＝40:40:80)，升压系数B＝2.5，调制比M＝0.8。输入电压为80V，逆变器直流母线电压200V，输出额定电压为110V AC、50Hz，负载R＝60Ω，开关频率为10kHz。
图3为新型Y源逆变器输入电流Iin电压Vin，输出电流Io电压Vo实验波形。直通占空比为0.15，输出电压为150V(理论值为160V)。可以看出，本发明提出的拓扑在相同升压比下具有更小的直通占空比，并且电压丢失较小。
图4为二极管电压VD1电流iD1波形。在新型Y源逆变器中，丢失时间仅为200ns(2.67％)。可以清晰的看到新型Y源逆变器具有较小的直通占空比损失。

Claims (5)

1.具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，包括Y源网络电路和逆变桥电路，Y源网络电路为逆变桥电路供电，逆变桥电路为负载或电网供电，其特征在于，
Y源网络电路包括：输入电感Lin、电解电容C1、电解电容C2、二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2和耦合电感N3；
输入电感Lin的一端连接直流电源Vin的正极，输入电感Lin的另一端同时连接二极管D1的阳极和电解电容C2的负极，二极管D1的阴极同时连接电解电容C1的正极和耦合电感N3的异名端，电解电容C1的负极连接直流电源Vin的负极，电解电容C2的正极连接耦合电感N1的同名端，耦合电感N1的异名端、耦合电感N2的同名端和耦合电感N3的同名端相耦合，耦合电感N2的异名端作为Y源网络电路的正向输出端，电解电容C1的负极作为Y源网络电路的负向输出端。
2.根据权利要求1所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，其特征在于，逆变桥电路为单相全桥逆变电路。
3.根据权利要求1或2所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，其特征在于，所述高升压比Y源逆变器包括直通模式和非直通模式，
直通模式下，二极管D1截止，电解电容C1给耦合电感N2和耦合电感N3充电，电解电容C2通过耦合电感N1和耦合电感N2放电；
非直通模式下，二极管D1导通，电解电容C1通过直流电源Vin、输入电感Lin和二极管D1充电，耦合电感N1和耦合电感N3给电解电容C2充电。
4.根据权利要求1或2所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，其特征在于，所述高升压比Y源逆变器的升压公式为：
<mrow> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </mfrac> <msub> <mi>V</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>BV</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow>
Vo＝BMVin
其中，Vdc为高升压比Y源逆变器直流母线电压，K为耦合电感系数，d为直通占空比，Vin为高升压比Y源逆变器的输入电压值，B为升压系数，M为调制比，Vo为高升压比Y源逆变器输出电压。
5.根据权利要求4所述的具有抑制耦合电感漏感影响的高升压比Y源逆变器，其特征在于，高升压比Y源逆变器的直通占空比损失△d为：
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>d</mi> <mo>=</mo> <mo>|</mo> <mfrac> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>K</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mi>H</mi> </mrow> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>N</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>N</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>)</mo> <msub> <mi>TV</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow>
其中，T为开关周期，H＝(N2-N3)ΔiN1LN1-(N1+N3)ΔiN2 L N2+(N 1+N 2)ΔiN3LN3，
N1、N2和N3分别为耦合电感N1、N2和N3的匝数，
△iN1、△iN2和△iN3分别为耦合电感N1、N2和N3在状态转换时的电流变化量，
LN2、LN1和LN3分别为耦合电感N1、N2和N3的漏感感值。
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