CN109756140A - 一种具有提高升压比的y源逆变器 - Google Patents

一种具有提高升压比的y源逆变器 Download PDF

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周自超
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Abstract

一种具有提高升压比的Y源逆变器，涉及逆变器技术领域。解决了现有Y源逆变器存在漏感，造成Y源逆变器输出电压受限，影响逆变器的效率的问题。本发明包括Y源耦合电路、逆变桥电路和钳位电路；钳位电路包括电容C2、电容C3和二极管D2；电容C3的正极和二极管D2的负极同时连接Y源耦合电路的信号输入端；二极管D2的正极连接电容C2负极和电源Vin的正极，电容C3的负极同时连接电源Vin的负极和逆变桥电路的负极输入端；电容C2的正极连接Y源耦合电路的信号输出端；逆变桥电路的正极输入端连接Y源耦合电路的信号输出端；所述逆变桥电路的交流输出端用于为电网或负载供电。本发明适用于作为逆变器使用。

Description

一种具有提高升压比的Y源逆变器
技术领域
本发明涉及逆变器技术领域。
背景技术
太阳能光伏发电系统主要由蓄电池组，电池控制组和光伏逆变器组成，逆变器是光伏发电系统的关键设备，它将光伏输出的较大波动的直流电转换为幅值和频率稳定的交流电提供给电网，因此要求其具有较高的可靠性和转换效率[5]。传统的逆变器有以下几点缺陷，以电压源逆变器为例，电压源逆变器的输出交流电压的幅值只能低于直流母线电压，所以需要较高的直流输入电压，这就需要在逆变器和电源之间串联一个Boost升压变换电路，但是额外的Boost升压电路又增加了系统的成本和体积，两级式电路形式也增加了逆变系统的控制复杂程度。
同一时刻若同一桥臂上下两个开关同时导通，会产生巨大的直通电流损坏开关器件，为了杜绝逆变器出现直通现象，必须注入死区时段，这会导致逆变器输出电压波形发生畸变。
近几年提出的一系列带有耦合电感的阻抗源变换器(Coupled-InductorImpedance-Source Inverter,CI-ISI)在高升压场合比较适用。和其他阻抗源变换器相比，CI-ISI可以在小的直通占空比的情况下获得更高的升压比。此外，由于CI-ISI的升压比可以通过调整匝数比来改变，所以理论上升压比并没有限制。Y源逆变器作为一种新兴的CI-ISI，性能优越，采用耦合电感和电容，利用控制逆变桥臂的直通来提升直流母线电压。
虽然耦合电感的引入提高了阻抗源逆变器的升压性能，但是耦合电感中的漏感却会给电路带来很大的问题。阻抗源逆变器是通过切换直通(Shoot-Through,ST)状态和非直通(Non-Shoot-Through,NST)状态进行工作的，在状态的切换过程中，由于耦合电感中的电流在瞬时发生改变，所以在漏感两端会有很大的电压尖峰产生。目前，所有CI-ISI都会将这个电压尖峰耦合到直流链电压上，电压尖峰为逆变器开关管带来了很大的电压应力。因此在逆变器开关管的成本及特性受到控制的情况下，CI-ISI的输出电压往往不能够做得太高，否则会导致开关管的损坏。这个特性限制了CI-ISI的实际应用。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有Y源逆变器存在漏感，造成Y源逆变器输出电压受限，影响逆变器的效率的问题，提出了一种具有提高升压比的Y源逆变器。
本发明所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器，包括Y源耦合电路和逆变桥电路，其特征在于，还包括钳位电路；钳位电路包括电容C2、电容C3和二极管D2；
电容C3的正极和二极管D2的负极同时连接Y源耦合电路的信号输入端；二极管D2的正极同时连接电容C2负极和电源Vin的正极，电容C3的负极同时连接电源Vin的负极和逆变桥电路的负极输入端；
电容C2的正极连接Y源耦合电路的信号输出端；逆变桥电路的正极输入端连接Y源耦合电路的信号输出端；所述逆变桥电路的交流输出端用于为电网或负载供电。
本发明所述的Y源逆变器具有很小的直流母线电压尖峰，并且能够回收消耗在开关管上的能量，在高功率的情况下提高逆变器的效率。本发明所述的Y源逆变器具有连续的输入电流，适用于光伏，蓄电池等应用领域。不会向输入侧引入大的电流谐波，有效保证了电源的寿命。
附图说明
图1是本发明所述具有提高升压比的Y源逆变器的电路图；
图2是直通状态下Y源逆变器电路的等效电路图；
图3是非直通状态下Y源逆变器电路的等效电路图；
图4是输入电压电流和输出电压电流的波形图；
图5是Y源逆变器的二极管电流电压和母线电压的波形图；
图6是Y源逆变器的二极管电流电压和母线电压的波形图；
图7是现有Y源逆变器和本发明的Y源逆变器的效率对比图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，包括Y源耦合电路和逆变桥电路，还包括钳位电路；钳位电路包括电容C2、电容C3和二极管D2；
电容C3的正极和二极管D2的负极同时连接Y源耦合电路的信号输入端；二极管D2的正极同时连接电容C2负极和电源Vin的正极，电容C3的负极同时连接电源Vin的负极和逆变桥电路的负极输入端；
电容C2的正极连接Y源耦合电路的信号输出端；逆变桥电路的正极输入端连接Y源耦合电路的信号输出端；所述逆变桥电路的交流输出端用于为电网或负载供电。
本发明所述的Y源逆变器具有很好的升压能力，能够在单级的情况下实现较高的升压比，使得逆变器整体的体积不会太大，实现了高功率密度。本发明所述的Y源逆变器由于减少了由直流母线电压尖峰导致的开关损耗，因此可以工作在高开关频率条件下，实现逆变器的高频化，具有良好的动态性能。
具体实施方式二：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器作进一步说明，
Y源耦合电路包括耦合电感N1、耦合电感N2、耦合电感N3、电容C1和二极管D1；
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N3的异名端为Y源耦合电路的信号输入端，耦合电感N1的同名端连接二极管D1的正极；
耦合电感N2的异名端连接电容C1的负极，电容C1的正极连接二极管D1的负极作为Y源耦合电路的信号输出端。
具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器作进一步说明，还包括输入电感Lin，输入电感Lin的一端用于连接电源Vin的正极，输入电感Lin的另一端同时连接二极管D2的正极和电容C2的负极。
具体实施方式四：下面结合图2和图3说明本实施方式，本实施方式对实施方式一所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器作进一步说明，逆变桥电路等效为开关SW，当直通模式时，等效开关SW闭合，当非直通模式时，等效开关SW断开。
具体实施方式五：本实施方式对实施方式一所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器作进一步说明，
Y源逆变器的升压公式：
其中，Vdc为Y源逆变器的直流母线电压，K是耦合电感的匝数比，Vin为输入电源电压，Vo为Y源逆变器的输出电压，M为调制比，d为直通状态时的占空比，B为升压系数。
本发明电路包括电源Vin，输入电感Lin，耦合电感N1，N2，N3，三个电容C1，C1，C2，两个二极管D1，D2和逆变器桥臂开关管S1，S2，S3，S4。可电容C2，C3和二极管D2组成了钳位电路，使得直流母线上不会产生电压尖峰。
具体实施方式六：本实施方式对实施方式一所述的一种具有提高升压比的Y源逆变器作进一步说明，电容C1、电容C2和电容C3均为电解电容。
本发明所述的Y源逆变器工作模式和传统Y源逆变器相同，分为直通模式和非直通模式。两种模式的等效电路如图2和3所示。为了方便分析，负载被等效为一个电流源，逆变桥桥臂的直通模式和非直通模式可以等效为开关SW的闭合和断开。如图2在直通模式下，等效开关SW闭合。如图3所示在非直通状态下，等效开关断开。
本发明所述的Y源逆变器的钳位电路包括电容C2，C3和二极管D2在图1看到当电路从直通模式变为非直通模式时，二极管D2会导通，使得母线上的电压最多不超过VC2+VC3。因此母线尖峰能够被消除。
为了验证本发明所述的Y源逆变器的实用性，设计了基于DSP TMS320F28335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40kHz。
图4为新型Y源逆变器输入电流电压，输出电流电压实验波形。直通占空比为0.13，输出电压为155V(理论值为160V)，图中，t为时间，10ms/div表示10ms每格；同理，图5和图6中的div也代表图中的每个格。
图5为二极管电压电流波形以及母线电压波形。在新型Y源逆变器中，母线电压为200V，而电压尖峰仅为30V，有效地消除了母线上的电压尖峰。作为对比，图6展示了原本Y源逆变器的二极管电压电流波形以及母线电压波形。在Y源逆变器中，母线电压为200V，而电压尖峰达到了330V。
图7是现有的Y源逆变器和本发明的Y源逆变器的效率对比图，可以看到本发明的Y源逆变器在低功率时效率较现有Y源逆变器效率高，这是因为增加的器件加剧了电路中的功率损耗。而在高功率的情况下，由于钳位电路回收了由电压尖峰导致的部分开关损耗，因而具有更高的效率。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种具有提高升压比的Y源逆变器，包括Y源耦合电路和逆变桥电路，其特征在于，还包括钳位电路；钳位电路包括电容C2、电容C3和二极管D2；
电容C3的正极和二极管D2的负极同时连接Y源耦合电路的信号输入端；二极管D2的正极同时连接电容C2负极和电源Vin的正极，电容C3的负极同时连接电源Vin的负极和逆变桥电路的负极输入端；
电容C2的正极连接Y源耦合电路的信号输出端；逆变桥电路的正极输入端连接Y源耦合电路的信号输出端；所述逆变桥电路的交流输出端用于为电网或负载供电。
2.根据权利要求1所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，其特征在于，Y源耦合电路包括耦合电感N1、耦合电感N2、耦合电感N3、电容C1和二极管D1；
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N3的异名端为Y源耦合电路的信号输入端，耦合电感N1的同名端连接二极管D1的正极；
耦合电感N2的异名端连接电容C1的负极，电容C1的正极连接二极管D1的负极作为Y源耦合电路的信号输出端。
3.根据权利要求1所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，其特征在于，还包括输入电感Lin，输入电感Lin的一端用于连接电源Vin的正极，输入电感Lin的另一端同时连接二极管D2的正极和电容C2的负极。
4.根据权利要求1所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，其特征在于，逆变桥电路等效为开关SW，当直通模式时，等效开关SW闭合，当非直通模式时，等效开关SW断开。
5.根据权利要求1所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，其特征在于，Y源逆变器的升压公式：
其中，Vdc为Y源逆变器的直流母线电压，K是耦合电感的匝数比，Vin为输入电源电压，Vo为Y源逆变器的输出电压，M为调制比，d为直通状态时的占空比，B为升压系数。
6.根据权利要求1所述一种具有提高升压比的Y源逆变器，其特征在于，电容C1、电容C2和电容C3均为电解电容。
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