CN107565814A - 一种适用于燃料电池发电的高增益准z源开关升压逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器，包括电压源，由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一二极管构成的准Z源网络，由第二二极管、第三二极管、第三电容和MOS管S₇构成的开关升压单元，三相逆变桥，输出滤波电感、滤波电容和负载。本发明整个电路结合了准Z源单元和开关升压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和开关管开通瞬间的冲击电流。

Description

一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器

技术领域

本发明涉及电力电子电路技术领域，具体涉及一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器。

背景技术

随着现代社会的发展和可再生新能源的开发利用，使用燃料电池实现清洁发电的应用得到了越来越多的推广。但是，由于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，三相逆变器的交流输出电压也不能满足并网的需求，故往往需要将多个电池串联起来以达到所需的输出电压等级。这种方法一方面增加了整个系统的体积，大大降低了整个系统的可靠性，另一方面还需解决相应的串联均压问题。为此，需要研究提出一些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源升压变换器和开关升压变换器都是一种高增益变换器电路，但由于传统Z源变换器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，以及开关升压变换器输出电压增益比较低的缘故，限制了这两种变换器电路在实际生产生活中的拓展应用。因此，有必要进一步研究和发明一些具有更高输出电压增益的变换器拓扑结构。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器，具体技术方案如下。

一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源逆变器电路，包括电压源、准Z 源单元、开关升压单元、三相逆变桥、输出滤波电感、滤波电容和交流侧三相负载。所述准Z源单元由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和第一二极管构成；所述开关升压单元由第二二极管、第三二极管、第三电容和MOS 管S₇构成。

进一步地，所述适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器电路的具体连接方式为：电压源的正极与第一电感的一端连接；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电感的一端和第二电容的正极连接；所述第二电感的另一端分别与第一电容的正极、第二二极管的阳极和MOS管的漏极连接；所述第二二极管的阴极分别与三相逆变桥的正极性端和第三电容的正极连接；所述第三电容的负极分别与第三二极管的阳极和MOS管的源极连接；所述第三二极管的阴极分别与三相逆变桥的负极性端、第二电容的负极和电压源的负极连接。

与现有技术相比，本发明电路具有如下优点和技术效果：输出电压增益更高，对启动冲击电流具有很好的抑制作用，减小了逆变桥中开关器件的电压应力，可靠性提高，且输出与输入共地，因而更适合应用于光伏发电和燃料电池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高增益准Z源开关升压逆变器电路。

图2是图1所示一种高增益准Z源开关升压逆变器进行模态分析的简化等效电路图。

图3a、图3b分别是图1所示一种高增益准Z源开关升压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准Z源逆变器、基于二极管一级拓展的准Z源逆变器、基于电容一级拓展的准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为五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，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四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；

图4d以V_in＝20V，直通占空比D＝0.2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

以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述说明，但本发明的实施方式不限于此。需指出的是，以下若有未特别详细说明之过程或参数，均是本领域技术人员可参照现有技术理解或实现的。

参考图1，本实例的一种高增益准Z源开关升压逆变器电路，其包括电压源V_in、准Z源网络、开关升压单元、三相逆变桥、输出滤波电感、滤波电容和三相对称负载。所述准Z源网络由第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂和第一二极管D₁构成；所述开关升压单元由第二二极管D₂、第三二极管D₃、第三电容C₃和MOS管S₇构成。当逆变桥直通(相当于S闭合) 同时MOS管S₇导通时，所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃均关断，第二电容C₂和第三电容C₃串联，一起对第二电感L₂充电；所述电压源V_in与第一电容C₁和第三电容C₃串联，一起对第一电感L₁充电。当三相逆变桥的桥臂非直通时(相当于S关断)，接入交流侧负载，同时MOS管S₇关断时，所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃均导通，所述电压源V_in与第一电感L₁串联，一起对第二电容C₂充电，形成回路；第二电感 L₂向第一电容C₁充电储能，形成回路；同时，电压源V_in与第一电感L₁、第二电感L₂串联，一起对第三电容C₃充电，与此同时，通过三相逆变桥给交流侧负载供电。整个电路结构简单，具有较高的输出电压增益，输出与输入共地，且电路不存在启动电流冲击和开关管开通瞬间的电流冲击问题。

本发明电路的具体连接如下：所述电压源的正极与第一电感的一端连接；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电感的一端和第二电容的正极连接；所述第二电感的另一端分别与第一电容的正极、第二二极管的阳极和MOS管的漏极连接；所述第二二极管的阴极分别与三相逆变桥的正极性端和第三电容的正极连接；所述第三电容的负极分别与第三二极管的阳极和MOS管的源极连接；所述第三二极管的阴极分别与三相逆变桥的负极性端、第二电容的负极和电压源的负极连接。

图3a、图3b给出了本发明电路的工作过程图。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：逆变桥直通(相当于S闭合)同时MOS管S₇导通时，所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃均关断，第二电容C₂和第三电容C₃串联，一起对第二电感L₂充电；所述电压源V_in与第一电容C₁和第三电容C₃串联，一起对第一电感L₁充电。

阶段2，如图3b：逆变桥非直通(相当于S关断)同时MOS管S₇关断时，逆变桥交流侧负载接入主电路。所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃均导通，所述电压源V_in与第一电感L₁串联，一起对第二电容C₂充电，形成回路；第二电感L₂向第一电容C₁充电储能，形成回路；同时，电压源 V_in与第一电感L₁、第二电感L₂串联，一起对第三电容C₃充电，与此同时，通过三相逆变桥给交流侧负载供电。

综上情况，当逆变桥直通时MOS管S₇导通，当逆变桥非直通时MOS管 S₇关断。故设定逆变桥的直通占空比为D，则MOS管S₇的导通占空比同样为D，设定开关周期为T_s。并设定V_L1和V_L2分别为第一电感L₁和第二电感L₂两端的电压，V_C1、V_C2和V_C3分别为第一电容C₁、第二电容C₂和第三电容C₃的电压，V_S为MOS管S₇漏极与源极之间的电压，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S闭合)同时MOS管S₇导通期间，对应的等效电路图3a所示，因此有如下公式：

V_{L1_on}＝V_in+V_C1+V_C3 (1)

V_{L3_on}＝V_C2+V_C3 (2)

V_S＝V_PN＝0 (3)

逆变桥的直通时间和MOS管S的导通时间均为DT_s。

阶段2：逆变桥非直通(相当于S关断)同时MOS管S₇关断期间，对应的等效电路如图3b所示，因此有如下公式：

V_L1-off＝V_in-V_C2 (4)

V_L2-off＝-V_C1 (5)

V_C3＝V_C1+V_C2 (6)

V_S＝V_C3 (7)

逆变桥非直通时间和MOS管S₇的关断时间均为(1-D)T_s。

根据以上分析，对第一电感L₁和第三电感L₂分别运用电感伏秒数守恒原理，联立式(1)、式(2)、式(4)和式(5)可得：

V_in+DV_C1+DV_C3＝(1-D)V_C2 (9)

DV_C2+DV_C3＝(1-D)V_C1 (10)

因而，联立式(6)、式(9)和式(10)可得出第一电容C₁的电压V_C1和第二电容C₂的电压V_C2电压源V_i之间的关系式为：

第三电容C₃的电压V_C3与电源电压V_i的关系式为：

MOS管S₇两端的漏源极之间的电压为：

逆变桥直流侧链电压V_PN为：

则本发明逆变器电路的升压因子(Boost Factor)B为：

对应的交流侧输出电压增益G为：

G＝MB＝(0,∞) (17)

如图4a所示为本发明电路的升压因子曲线与开关电感准Z源逆变器、基于二极管一级拓展的准Z源逆变器、基于电容一级拓展的准Z源逆变器和传统Z源逆变器的升压因子曲线比较图；图中红色实线表示本发明电路的升压因子曲线，蓝色实线表示开关电感准Z源逆变器的升压因子曲线，洋红色实线表示基于电容一级拓展的准Z源逆变器的升压因子曲线，黑色实线表示基于二极管一级拓展的准Z源逆变器的升压因子曲线，黑色虚线表示传统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0.25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0.25。

图中红色实线表示本发明电路的升压因子曲线，蓝色实线表示开关电感准 Z源逆变器的升压因子曲线，洋红色实线表示基于电容一级拓展的准Z源逆变器的升压因子曲线，黑色实线表示基于二极管一级拓展的准Z源逆变器的升压因子曲线，黑色虚线表示传统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0.25的情况下，升压因子B就可以达到很大，明显高于另外三种逆变器的升压因子，且本发明电路的占空比D不会超过0.25。

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，本发明电路比其他四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为这五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四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。

图4d以V_in＝20V，直通占空比D＝0.2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＝0.2时，对应的升压因子B＝5，逆变桥直流链电压V_PN＝B*V_in＝100V，电容电压V_C1＝40V，V_C2＝60V，V_C3＝100V。此外，图4d 中还给出了电感电流i_L1和i_L2的波形，交流侧输出相电压V_phase和输出线电压 V_line的波形，以及流过三相对称电阻负载的电流波形i_load。

综上所述，本发明电路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和开关管开通瞬间的冲击电流。

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)

1.一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器，其特征在于包括电压源（V_in）、准Z源网络、开关升压单元、三相逆变桥、输出滤波电感、滤波电容和三相对称负载；所述准Z源网络由第一电感（L₁）、第二电感（L₂）、第一电容（C₁）、第二电容（C₂）和第一二极管（D₁）构成；第四二极管（D₄）、第五二极管（D₅）和第六二极管（D₆）构成；所述开关升压单元由第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）、第三电容（C₃）和MOS管（S₇）构成。

2.根据权利要求1所述的一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器，其特征在于所述电压源（V_in）的正极与第一电感（L₁）的一端连接；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）的阴极分别与第二电感（L₂）的一端和第二电容（C₂）的正极连接；所述第二电感（L₂）的另一端分别与第一电容（C₁）的正极、第二二极管（D₂）的阳极和MOS管（S₇）的漏极连接；所述第二二极管（D₂）的阴极分别与三相逆变桥的正极性端和第三电容（C₃）的正极连接；所述第三电容（C₃）的负极分别与第三二极管（D₃）的阳极和MOS管（S₇）的源极连接；所述第三二极管（D₃）的阴极分别与三相逆变桥的负极性端、第二电容（C₂）的负极和电压源（V_in）的负极连接。

3.根据权利要求1所述的一种适用于燃料电池发电的高增益准Z源开关升压逆变器，其特征在于当三相逆变桥的桥臂直通，交流侧负载短路，同时MOS管（S₇）导通时，所述第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）均关断，第二电容（C₂）和第三电容（C₃）串联，一起对第二电感（L₂）充电；所述电压源（V_in）与第一电容（C₁）和第三电容（C₃）串联，一起对第一电感（L₁）充电；当三相逆变桥的桥臂非直通，接入交流侧负载，同时MOS管（S₇）关断时，所述第一二极管（D₁）、第二二极管（D₂）、第三二极管（D₃）均导通，所述电压源（V_in）与第一电感（L₁）串联，一起对第二电容（C₂）充电，形成回路；第二电感（L₂）向第一电容（C₁）充电储能，形成回路；同时，电压源（V_in）与第一电感（L₁）、第二电感（L₂）串联，一起对第三电容（C₃）充电，与此同时，通过三相逆变桥给交流侧负载供电。