CN107834881A - 一种高升压能力型z源逆变器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，在Z源网络前级设有开关管S₇和电感L₇，该开关管S₇和电感L₇结合输入二极管D_in。该高升压能力型Z源逆变器拓扑结构还包含六个电感值相同的电感L₁～L₆，两个电容值相同的电容C₁、C₂以及十二个相同的二极管，其中L₁、L₃、L₅、D₁～D₆组成上开关电感单元，L₂、L₄、L₆、D₇～D₁₂组成下开关电感单元。本发明提高了Z源逆变器的升压能力，也增加了Z源逆变器对输入电压的适用范围。

Description

一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构

技术领域

本发明涉及Z源逆变器领域，具体是一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构。

背景技术

目前，电力电子功率变换技术便被广泛应用到可再生能源发电中，逆变器是其中不可或缺的电力电子功率变换器。实践表明，逆变器性能的优良与否直接决定着可再生能源发电电能质量的高低。

但在可再生能源发电领域，输入电压通常是大范围变化的，当输入电压较低时，逆变器若要维持正常的输出电压幅值，则需其具有较强的升压能力。而现有Z源逆变器升压能力相对较弱。尽管现有技术中对现有Z源逆变器有多种改进，但现有Z源逆变器依然存在升压能力弱、对输入电压的适用范围相对窄的问题。为此，本发明提供一种新型的Z源逆变器拓扑结构，用于提高Z源逆变器的升压能力。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，用于提高Z源逆变器的升压能力，并用于增加Z源逆变器对输入电压的适用范围。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，包括直流电源U_dc，所述直流电源U_dc的正极与第七电感L₇的第一端相连，第七电感L₇的第二端分别与二极管D_in的阳极以及第七开关管S₇的第一端相连，所述二极管D_in的阴极分别与第一电容C₁的正极和第五电感L₅的第一端相连，第五电感L₅的第二端分别与第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连；

第一开关管S₁的第二端分别与逆变器的第一输出端口a及第四开关管S₄的第一端相连，所述第三开关管S₃的第二端分别与逆变器的第二输出端口b及第六开关管S₆的第一端相连，所述第五开关管S₅的第二端分别与逆变器的第三输出端口c及第二开关管S₂的第一端相连；

第二开关管S₂的第二端分别与第六开关管S₆的第二端、第四开关管S₄的第二端、第一电容C₁的负极及第二电感L₂的第一端相连；第二电感L₂的第二端分别与第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；

其中，第二电感L₂的电感值与第五电感L₅的电感值相等，第一电容C₁的电容值与第二电容C₂的电容值相等。

作为优选，二极管D_in的阴极和第一电容C₁的正极与第五电感L₅的第一端之间设有第一电感L₁、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第五二极管D₅和第六二极管D₆，第一电感L₁的第一端分别与第一电容C₁的正极、二极管D_in的阴极及第一二极管D₁的阳极相连，所述第一二极管D₁的阴极分别与第三二极管D₃的阳极、第三电感L₃的第一端及第五二极管D₅的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第二二极管D₂的阳极及第一电感L₁的第二端相连，第二二极管D₂的阴极分别与第三电感L₃的第二端及第六二极管D₆的阳极相连，第六二极管D₆的阴极分别与第三二极管D₃的阴极及第五电感L₅的第一端相连；

第二开关管S₂的第二端、第六开关管S₆的第二端、第四开关管S₄的第二端及第一电容C₁的负极与第二电感L₂的第一端之间设有第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂、第四电感L₄和第六电感L₆；第六电感L₆的第一端分别与第二开关管S₂的第二端、第四开关管S₄的第二端、第六开关管S₆的第二端、第十二极管D₁₀的阳极及第一电容C₁的负极相连，第六电感L₆的第二端分别与第十二二极管D₁₂的阳极及第九二极管D₉的阳极相连，第十二极管D₁₀的阴极分别与第十二二极管D₁₂的阴极、第四电感L₄的第一端及第八二极管D₈的阳极相连，第九二极管D₉的阴极分别与第十一二极管D₁₁的阳极及第四电感L₄的第二端相连，第八二极管D₈的阴极和第十一二极管D₁₁的阴极均与第二电感L₂的第一端相连；

该高升压能力型Z源逆变器拓扑结构还包括第四二极管D₄和第七二极管D₇；第四二极管D₄的阴极分别与第五电感L₅的第二端、第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连，第四二极管D₄的阳极分别与第二二极管D₂的阴极、第三电感L₃的第二端及第六二极管D₆的阳极相连；第七二极管D₇的阳极分别与第九二极管D₉的阴极、第十一二极管D₁₁的阳极及第四电感L₄的第二端相连，第七二极管D₇的阴极分别与第二电感L₂的第二端、第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；

其中，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆，电感值相等；

其中，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂，具有相同的二极管型号。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明在Z源网络前级设有开关管S₇和电感L₇，结合输入二极管D_in，允许桥臂直通或开路并通过调节直通或开路的时间占空比实现自由升/降压功能，从而可在一定程度上提高逆变器的升压能力；

(2)本发明还提供了一种包含6个电感值相同的电感L₁～L₆、2个电容值相同的电容C₁、C₂以及12个相同的二极管的Z源逆变器拓扑结构，其中L₁、L₃、L₅、D₁～D₆组成上开关电感单元，L₂、L₄、L₆、D₇～D₁₂组成下开关电感单元，这在一定程度上进一步提高了逆变器的升压能力，增加了Z源逆变器对输入电压的适用范围。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明所述Z源逆变器的拓扑结构的具体实施方式1的结构示意图；

图2为本发明所述Z源逆变器的拓扑结构的具体实施方式2的结构示意图；

图3为图2所示Z源逆变器处于直通状态时的等效电路示意图；

图4为图2所示Z源逆变器处于非直通状态时的等效电路示意图；

图5为图2所示Z源逆变器的拓扑结构的仿真波形图示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。

具体实施方式1：

如图1所示，本发明的一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，包括直流电源U_dc，所述直流电源U_dc的正极与第七电感L₇的第一端相连，第七电感L₇的第二端分别与二极管D_in的阳极以及第七开关管S₇的第一端相连，所述二极管D_in的阴极分别与第一电容C₁的正极和第五电感L₅的第一端相连，第五电感L₅的第二端分别与第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连；第一开关管S₁的第二端分别与逆变器的第一输出端口a及第四开关管S₄的第一端相连，所述第三开关管S₃的第二端分别与逆变器的第二输出端口b及第六开关管S₆的第一端相连，所述第五开关管S₅的第二端分别与逆变器的第三输出端口c及第二开关管S₂的第一端相连；第二开关管S₂的第二端分别与第六开关管S₆的第二端、第四开关管S₄的第二端、第一电容C₁的负极及第二电感L₂的第一端相连；第二电感L₂的第二端分别与第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；其中，第二电感L₂的电感值与第五电感L₅的电感值相等，第一电容C₁的电容值与第二电容C₂的电容值相等。

本发明在Z源网络前级设有开关管S₇和电感L₇，结合输入二极管D_in，允许桥臂直通或开路并通过调节直通或开路的时间占空比实现自由升/降压功能，从而可在一定程度上提高逆变器的升压能力。

具体实施方式2：

如图2所示，本发明的一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，包括直流电源U_dc，所述直流电源U_dc的正极与第七电感L₇的第一端相连，第七电感L₇的第二端分别与二极管D_in的阳极及第七开关管S₇的第一端相连，所述二极管D_in的阴极分别与第一电容C₁的正极、第一电感L₁的第一端及第一二极管D₁的阳极相连，所述第一二极管D₁的阴极分别与第三二极管D₃的阳极、第三电感L₃的第一端及第五二极管D₅的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第二二极管D₂的阳极及第一电感L₁的第二端相连；第二二极管D₂的阴极分别与第三电感L₃的第二端、第六二极管D₆的阳极及第四二极管D₄的阳极相连，第六二极管D₆的阴极分别与第三二极管D₃的阴极及第五电感L₅的第一端相连，第五电感L₅的第二端分别与第四二极管D₄的阴极、第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连；第一开关管S₁的第二端分别与逆变器的第一输出端口a及第四开关管S₄的第一端相连，第三开关管S₃的第二端分别与逆变器的第二输出端口b及第六开关管S₆的第一端相连，第五开关管S₅的第二端分别与逆变器的第三输出端口c及第二开关管S₂的第一端相连；第二开关管S₂的第二端分别与第四开关管S₄的第二端、第六开关管S₆的第二端、第十二极管D₁₀的阳极、第六电感L₆的第一端、及第一电容C₁的负极相连；第六电感L₆的第二端分别与第十二二极管D₁₂的阳极及第九二极管D₉的阳极相连，第十二极管D₁₀的阴极分别与第十二二极管D₁₂的阴极、第四电感L₄的第一端及第八二极管D₈的阳极相连，第八二极管D₈的阴极分别与第二电感L₂的第一端和第十一二极管D₁₁的阴极相连，第十一二极管D₁₁的阳极分别与第四电感L₄的第二端、第九二极管D₉的阴极及第七二极管D₇的阳极相连，第二电感L₂的第二端分别与第七二极管D₇的阴极、第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；其中，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆，电感值相等；第一电容C₁的电容值与第二电容C₂的电容值相等；第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂，具有相同的二极管型号。

本发明在Z源网络前级增设了开关管S₇和电感L₇，该增设的开关管S₇和电感L₇与输入二极管D_in相结合，被设置在Z源网络的前级，提高了逆变器的升压能力。

本发明所述的高升压能力型Z源逆变器，包括由6个电感值相同的电感L₁～L₆，2个电容值相同的电容C₁、C₂以及12个相同的二极管组成，其中L₁、L₃、L₅、D₁～D₆组成上开关电感单元。上述上、下开关电感单元的使用，进一步提高了逆变器的升压能力，增加了逆变器对输入电压的适应范围。

本发明所述的高升压能力型Z源逆变器，借助直通零矢量进行升压工作，整个工作过程分为直通状态和非直通状态，其工作原理图如图3和图4所示。

其中，本发明所述的新型Z源逆变器满足对称网络

在开关频率足够高的情况下，有

本发明所述的新型Z源逆变器工作在直通零矢量时，称其工作在直通状态，U_PN＝0，此状态期间内控制开关管S₇导通，等效电路如图3所示。当本发明所述的新型Z源逆变器工作在直通状态时，结合图3，二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₇、D₈、D₉和D₁₀导通，D₅、D₆、D₁₁和D₁₂关断，电感L₁、L₃、L₅和L₂、L₄、L₆均相互并联并分别由电容C₁和C₂充电，且电感L₁上的电压U_L为

U_L＝U_C， (1.3)

前级电感L₇上的电压U_L7为

U_L7＝U_dc。 (1.4)

当本发明所述的新型Z源逆变器工作在有效矢量及传统零矢量时，则称其工作在非直通状态，此状态下逆变桥等效为一个恒流源，此状态期间内控制开关管S₇导通，等效电路如图4所示。其中，当本发明所述的新型Z源逆变器工作在非直通状态时，结合图4，Z源网络中二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₇、D₈、D₉和D₁₀关断，D₅、D₆、D₁₁和D₁₂导通，电感L₁、L₃、L₅和L₂、L₄、L₆均相互串联并分别向两个电容及负载放电，电感L₁上的电压为

且前级电感L₇上的电压U_L7为

U_L7＝U_dc-U_C-3U_L＝U_dc-2U_C+U_PN。 (1.6)

在本实施方式中，本发明所述的新型Z源逆变器在一个开关周期T内处于直通时间为t₀，直通占空比为D₀＝t₀/T，当其稳态运行时，第一电感L₁两端的电压满足伏秒平衡原理，即

解得

电感L₇两端的电压也满足伏秒平衡原理，即

U_dct₀+(U_dc-2U_C+U_PN)(T-t₀)＝0， (1.9)

解得直流链峰值电压为

Z源网络电容电压为

定义高升压能力型Z源逆变器的升压因子为

由式(1.9)知当D₀≤1/4时可实现升压功能，且输出交流相电压峰值为

其中，开关管S₇的开关工作状态与高升压能力型Z源逆变器的直通状态同步，即：高升压能力型Z源逆变器工作在直通状态时，S₇处于导通状态；高升压能力型Z源逆变器工作在非直通状态时，S₇处于关断状态。使用时只需将直通状态通过驱动电路驱动S₇导通即可。可见增设开关管S₇并未带来控制复杂度的增加。此外，输入电源U_dc的阳极串联的电感L₃具有抑制启动冲击电流的作用。

此外，在本实施方式中，为验证该高升压能力型Z源逆变器的，搭建Matlab/Simulink仿真模型进行仿真验证。具体仿真参数设置如下：输入电源U_dc＝48V，Z源网络电感L₁＝L₂＝L₃＝L₄＝1mH，电容C₁＝C₂＝1000μF，开关频率f＝10kHz，滤波电感L_f＝1mH，滤波电容C_f＝20μF，调制因子M＝0.8，直通占空比D₀＝0.17，仿真时间为0.2s。仿真效果如图5所示。由图5所示可知，该新拓扑对应的电容电压为250V、电感电流为51A、直流链电压为450V、输出电压峰值为180V。仿真结果表明，本发明所述的高升压能力型Z源逆变器拓扑的升压能力相对较高、对输入电压的适用范围相对较大。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施方式技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，其特征在于：

包括直流电源U_dc，所述直流电源U_dc的正极与第七电感L₇的第一端相连，第七电感L₇的第二端分别与二极管D_in的阳极以及第七开关管S₇的第一端相连，所述二极管D_in的阴极分别与第一电容C₁的正极和第五电感L₅的第一端相连，第五电感L₅的第二端分别与第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连；

第一开关管S₁的第二端分别与逆变器的第一输出端口a及第四开关管S₄的第一端相连，所述第三开关管S₃的第二端分别与逆变器的第二输出端口b及第六开关管S₆的第一端相连，所述第五开关管S₅的第二端分别与逆变器的第三输出端口c及第二开关管S₂的第一端相连；

第二开关管S₂的第二端分别与第六开关管S₆的第二端、第四开关管S₄的第二端、第一电容C₁的负极及第二电感L₂的第一端相连；第二电感L₂的第二端分别与第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；

其中，第二电感L₂的电感值与第五电感L₅的电感值相等，第一电容C₁的电容值与第二电容C₂的电容值相等。

2.根据权利要求1所述的高升压能力型Z源逆变器拓扑结构，其特征在于：

二极管D_in的阴极和第一电容C₁的正极与第五电感L₅的第一端之间设有第一电感L₁、第三电感L₃、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第五二极管D₅和第六二极管D₆，第一电感L₁的第一端分别与第一电容C₁的正极、二极管D_in的阴极及第一二极管D₁的阳极相连，所述第一二极管D₁的阴极分别与第三二极管D₃的阳极、第三电感L₃的第一端及第五二极管D₅的阴极相连，第五二极管D₅的阳极分别与第二二极管D₂的阳极及第一电感L₁的第二端相连，第二二极管D₂的阴极分别与第三电感L₃的第二端及第六二极管D₆的阳极相连，第六二极管D₆的阴极分别与第三二极管D₃的阴极及第五电感L₅的第一端相连；

第二开关管S₂的第二端、第六开关管S₆的第二端、第四开关管S₄的第二端及第一电容C₁的负极与第二电感L₂的第一端之间设有第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂、第四电感L₄和第六电感L₆；第六电感L₆的第一端分别与第二开关管S₂的第二端、第四开关管S₄的第二端、第六开关管S₆的第二端、第十二极管D₁₀的阳极及第一电容C₁的负极相连，第六电感L₆的第二端分别与第十二二极管D₁₂的阳极及第九二极管D₉的阳极相连，第十二极管D₁₀的阴极分别与第十二二极管D₁₂的阴极、第四电感L₄的第一端及第八二极管D₈的阳极相连，第九二极管D₉的阴极分别与第十一二极管D₁₁的阳极及第四电感L₄的第二端相连，第八二极管D₈的阴极和第十一二极管D₁₁的阴极均与第二电感L₂的第一端相连；

该高升压能力型Z源逆变器拓扑结构还包括第四二极管D₄和第七二极管D₇；第四二极管D₄的阴极分别与第五电感L₅的第二端、第二电容C₂的正极、第一开关管S₁的第一端、第三开关管S₃的第一端及第五开关管S₅的第一端相连，第四二极管D₄的阳极分别与第二二极管D₂的阴极、第三电感L₃的第二端及第六二极管D₆的阳极相连；第七二极管D₇的阳极分别与第九二极管D₉的阴极、第十一二极管D₁₁的阳极及第四电感L₄的第二端相连，第七二极管D₇的阴极分别与第二电感L₂的第二端、第二电容C₂的负极、第七开关管S₇的第二端及直流电源U_dc的负极相连；

其中，第一电感L₁、第二电感L₂、第三电感L₃、第四电感L₄、第五电感L₅和第六电感L₆，电感值相等；

其中，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第四二极管D₄、第五二极管D₅、第六二极管D₆、第七二极管D₇、第八二极管D₈、第九二极管D₉、第十二极管D₁₀、第十一二极管D₁₁和第十二二极管D₁₂，具有相同的二极管型号。