CN109842313A - 一种开关升压型准z源逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种开关升压型准z源逆变器，开关升压模块中包括第一开关管、第一电容、第一电感、第一二极管和第二二极管，第一电感的第一端连接电源的正极，第一电感的第二端连接第一电容的第一端，由于在第一电容与电源之间增设了第一电感，在启动电路时，第一电感可以延缓进入第一电容的电流，从而减小了电路启动时的启动电流。此外，本申请中的准z源升压模块中包括第二电感、第三电感、第二电容和第三电容，由于增加了第二电容，第三电容，可以在第二电容以及第三电容分配相应的电压应力，最终落在第一电容、第二电容和第三电容上的电压应力较小。

Description

一种开关升压型准z源逆变器

技术领域

本发明涉及电子电源领域，特别涉及一种开关升压型准z源逆变器。

背景技术

随着新能源并网量越来越大，使用光伏发电等可再生能源发电得到了越来越多的推广。单个太阳能电池能公开的直流电压较低，一方面，无法满足现有用电设备的需求，另一方面，其给逆变器直流侧供电时输出交流电压较小，不能满足逆变器并网的并网输出的交流电压需求。基于此，传统的做法往往将将多个太阳能电池串联起来增加电压等级以达到用电设备和逆变器并网时的电压需求，但是采用该种方法会使得供电系统的体积大大增加，并且还需要解决串联电池的均压问题。

近几年提出的开关升压型准z源逆变器是一种高增益变换电路，很好的解决了上述普通逆变器所存在的问题，如图1，图1为现有技术中传统的开关升压型准z源逆变器的电路结构示意图，包括：电源、全桥逆变桥模块、开关升压模块和滤波模块组成，采用图1该种电路结构，电路中电容C1上的电压应力较大，且存在电路启动时启动冲击电流较大的问题。

发明内容

本发明的目的在于公开一种开关升压型准z源逆变器，降低了电路中电容C1上的电压应力，同时也降低了电路启动时启动冲击电流。

为实现上述目的，本发明实施例公开了如下技术方案：

本发明实施例公开了一种开关升压型准z源逆变器，包括：

电源、全桥逆变桥模块和与所述全桥逆变桥连接的滤波模块，还包括：开关升压模块、分别与所述开关升压模块和所述全桥逆变桥模块连接的准z源升压模块；

其中，所述开关升压模块包括：第一端与所述电源的正极连接，第二端分别与第一开关管的第一端和第一电容的第一端连接的第一电感；

阴极与所述第一开关管的第一端连接，阳极与所述第一开关管的第二端连接的第一二极管；

阳极与所述第一电容的第二端连接，阴极分别与所述第一开关管的第二端和所述电源的负极连接的第二二极管；

所述准z源升压模块包括：第二电感、第三电感、第二电容和第三电容；

其中，所述第二电感的第一端分别与所述第一电感的第一端和所述第二电容的第一端连接，第二端分别与所述第三电容的第一端和所述第三二极管的阳极连接；

所述第三电感的第一端分别与所述第二电容的第二端和所述第三二极管的阴极连接，第二端分别与所述第三电容的第二端和所述全桥逆变桥模块连接。

可选的，所述第一开关管具体为NPN型场效应晶体管。

可选的，所述全桥逆变桥模块包括：第二开关管、阴极与所述第二开关管的第一端连接，阳极与所述第二开关管的第二端连接的第四二极管；

第三开关管、阴极分别与所述第三开关管的第一端和所述第二开关管的第二端连接，阳极与所述第三开关管的第二端连接的第五二极管；

第一端与所述第二开关管的第一端连接的第四开关管，阴极与所述第四开关管的第一端连接，阳极与所述第四开关管的第二端连接第六二极管；

第五开关管和阴极分别与所述第四开关管的第二端和所述第五开关管的第一端连接，阳极与所述第五开关管的第二端连接的第七二极管。

可选的，所述滤波模块包括：滤波电感、滤波电容和负载；

其中，所述滤波电感的第一端分别与所述第四开关管的第二端和所述第五开关管的第一端连接；

所述滤波电感的第二端分别与所述滤波电容的第一端和所述负载的第一端连接；

所述滤波电容的第二端分别与所述负载的第二端、所述第二开关管的第二端以及所述第三开关管的第一端连接。

可选的，还包括：与所述滤波模块连接的过流保护装置。

可选的，所述过流保护装置具体为熔断器。

可见，本发明公开的一种开关升压型准z源逆变器，包括电源、全桥逆变桥模块和与全桥逆变桥连接的滤波模块，开关升压模块、分别与开关升压模块和全桥逆变桥模块连接的准z源升压模块。其中，在开关升压模块中包括第一开关管、第一电容、第一电感、第一二极管和第二二极管，第一电感的第一端连接电源的正极，第一电感的第二端连接第一电容的第一端，由于在第一电容与电源之间增设了第一电感，在启动电路时，第一电感可以延缓进入第一电容的电流，从而减小了电路启动时的启动电流。此外，本申请中的准z源升压模块中包括第二电感、第三电感、第二电容和第三电容，由于增加了第二电容，第三电容，可以在第二电容以及第三电容分配相应的电压应力，最终落在第一电容、第二电容和第三电容上的电压应力相对较小。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术中传统的开关升压型准z源逆变器的电路结构示意图；

图2(a)为现有技术中开关升压型准z源逆变器处于直通状态时的等效电路图；

图2(b)为现有技术中开关升压型准z源逆变器处于非直通状态时的等效电路图；

图3为本发明实施例提供的一种开关升压型准z源逆变器的电路结构示意图；

图4(a)为本发明实施例提供的一种图3中电路在直通工作状态下的等效电路图；

图4(b)为本发明实施例提供的一种图3中电路在非直通工作状态下的等效电路图；

图5为本发明实施例提供的z源逆变器的电压应力与现有技术中传统z源逆变器的电压应力对比曲线示意图；

图6为本发明实施例提供的开关升压型准z源逆变器的升压因子与现有技术中的准z源逆变器的升压因子对比曲线图；

图7为本发明实施例提供的开关升压型准z源逆变器的电压增益与现有技术中的准z源逆变器的电压增益对比曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种开关升压型准z源逆变器，降低了电路中电容C1上的电压应力，同时也降低了电路启动时启动冲击电流。

现有技术中的开关升压型准z源逆变器的结构参见图1，图1中，电源的电压为_Vin，全桥逆变器模块侧的电压为_VPN；当开关升压型准z源逆变器处于直通状态时，其等效电路图请参见图2(a)，当开关升压型准z源逆变器处于非直通状态时，其等效电路图请参见图2(b)；图2(a)为现有技术中开关升压型准z源逆变器处于直通状态时的等效电路图，图2(b)为现有技术中开关升压型准z源逆变器处于非直通状态时的等效电路图，图2(a)中，电容C1的电压应力如下式表示：

V_C1＝V_L1

全桥逆变桥侧的电压V_PN＝0。

图2(b)中，电容C1的电压应力如下式表示：

V_in＝V_L1+V_C1

V_PN＝V_C1

由于开关升压型准z源逆变器由直通状态切换到非直通状态时，间隔时间较短，在非直通状态下电容C1的电压应力仍然可以用公式V_C1＝V_L1表示，根据电感的伏秒平衡原理可以得到下式：

DV_C1+(1-D)(V_in-V_C1)＝0

经过推理得到电容C1的电压应力，具体采用下式表示：

其中，D为直通占空比。

采用现有技术中图1结构的开关升压型准z源逆变器，电容C1上的电压应力与电源的输出电压之间的关系为V_C1即为电容C1上的电压应力。同时，在电路启动时，D1导通，电源的输出电流会全部流入电容C1，即电路启动时的启动电流较大。

为了解决上述技术问题，本申请提供了一种开关升压型准z源逆变器，请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种开关升压型准z源逆变器的电路结构示意图，包括：电源V_in，全桥逆变桥模块301和与全桥逆变器模块301连接的滤波模块302，还包括：开关升压模块303和分别与开关升压模块303和全桥逆变桥模块301连接的准z源升压模块304。

其中，开关升压模块303包括：第一端与电源V_in的正极连接，第二端分别与第一开关管S₀的第二端和第一电容C₃的第一端连接的第一电感L₁；阳极与第一电容C₃的第二端连接，阴极与第一开关管S₀的第一端连接，阳极与第一开关管S₀的第二端连接的第一二极管D₁，阴极分别与第一开关管S₀的第二端和电源V_in的负极连接的第二二极管D₂。

准z源升压模块304包括：第二电感L₂、第三电感L₃、第二电容C₂和第三电容C₁；其中，第二电感L₂的第一端分别与第一电感L₁的第一端和第二电容C₂的第一端连接，第二端分别与第三电容C₁的第一端和第三二极管D₃的阳极连接，第三电感L₃的第一端分别与第二电容C₂的第二端和第三二极管D₃的阴极连接，第二端分别与第三电容C₁的第二端和全桥逆变桥模块301连接。

全桥逆变桥模块301包括第二开关管S₁和第四二极管D₄，第三开关管S₂和第五二极管D₅，第四开关管S₃和第六二极管D₆，第五开关管S₄和第七二极管D₇，其中，各个开关管和二极管的对应连接关系请参见图2。

滤波模块302包括：滤波电感L_f、滤波电容C_f和负载R，其中，滤波电感L_f的第一端分别与第四开关管S₃的第二端和第五开关管S₄的第一端连接；滤波电感L_f的第二端分别与滤波电容C_f的第一端和负载R的第一端连接，滤波电容C_f的第二端分别与负载R的第二端、第二开关管S₁的第二端以及第三开关管S₂的第一端连接。

需要说明的是，在图3的基础上，增加和删减元器件以达到与本申请同样目的的电路也属于本申请的保护范围。

作为本发明可选的实施例，第一开关管S₀可以为NPN型场效应晶体管。

在开关升压型准z源逆变器接入负载时，为避免开关升压型准z源逆变器的输出电压/电流过高而导致负载故障，作为本发明可选的实施例，还包括：与滤波模块302连接的过流保护装置，过流保护装置可选为熔断器、继电器等。

下面对图3结构中的电路原理进行详细说明，请参见图4(a)和图4(b)，图4(a)为本发明实施例提供的一种图3中电路在直通工作状态下的等效电路图，图4(b)为本发明实施例提供的一种图3中电路在非直通工作状态下的等效电路图。

首先，对于图4(a)而言，当全桥逆变桥模块301处于直通状态时，第一开关管S₀导通，第一二极管D₁和第二二极管D₂均截止，对应于图4(a)中的虚线部分表示第一二极管D₁和第二二极管D₂均截止；电源V_in可以通过第一电感L₁回路续流，使输入电流连续，将电源V_in的电能进行储存，第一电容C₃和第三电容C₁串联对第二电感L₂充电，第二电容C₂和第三电容C₁串联对第三电感L₃充电。

对于图4(b)而言，当全桥逆变桥模块301处于非直通状态时，第一开关管第一开关管S₀关断，第一二极管D₁和第二二极管D₂均导通，对应于图4(b)中的虚线部分表示第一开关管S₀关断；电源V_in与第一电感L₁串联为第三电容C₁充电，第二电感L₂与第二电容C₂形成回路，为第二电容C₂充电，第三电感L₃与第一电容C₃形成回路为第一电容C₃充电。

下面针对于图4(a)和图4(b)，对本申请提出的开关升压型准z源逆变器的电容的电压应力和启动电流进行分析，电容的电压应力的推导公式如下：

当全桥逆变器模块301处于图4(a)中的工作状态时，第一开关管S₀导通，第一二极管D₁和第二二极管D₂均截止，此时，对应于图4(a)中的各元器件有如下的电压关系：

其中，第一电感L₁和电源的电压V_in关系如下：

V_L1＝V_in

第二电感L₂与第一电容C₃和第三电容C₁之间的关系如下：

V_L2＝V_C1+V_C3

第三电感L₃与第二电容C₂和第三电容C₁之间的关系如下：

V_L3＝V_C2+V_C3

全桥逆变器模块301侧的电压V_PN如下式表示：

V_PN＝0

全桥逆变器模块301的直通时间和第一开关管S₀的导通时间均记为DTs。

当全桥逆变器模块301处于非直通工作状态时，第一开关管S₀关断，第一二极管D₁和第二二极管D₂均导通，此时，对应于图4(b)中的各元器件有如下的电压关系：

第一电感L₁、电源的电压V_in和第一电容C₃之间的关系如下式：

V_L1＝V_in-V_C3

第二电感L₂与第二电容C₂之间的关系如下式：

V_L2＝-V_C2

第三电感L₃与第三电容C₁之间的关系如下式：

V_L3＝-V_C1

全桥逆变器模块301侧的电压V_PN与第一电容C₃、第二电容C₂和第三电容C₁如下式表示：

V_PN＝V_C1+V_C2+V_C3

假设全桥逆变桥模块301的逆变桥臂的非直通时间和第一开关管S₀的关断时间均为(1-D)Ts。

根据以上全桥逆变桥模块301处于直通和非直通状态时的分析，分别对第一电感L₁、第二电感L₂和第三电感L₃运用电感的伏秒平衡原理，可以得出如下关系式：

DV_in+(1-D)(V_in-V_C3)＝0

D(V_in+V_C3)+(1-D)(-V_C2)＝0

D(V_C2+V_C3)+(1-D)(-V_C1)＝0

根据以上各式，第一电容C₃的电压V_C3、第二电容C₂上的电压V_C2以及第三电容C₁上的电压V_C1的电压和电源V_PN之间的关系式可以采用下式表示：

请参见图5，图5为本发明实施例提供的z源逆变器的电压应力与现有技术中传统z源逆变器的电压应力对比曲线示意图，联立以上各式：

令

可得

如图5中所示，当时，本发明实施例中的所有电容(第一电容C₃、第二电容C₂和第三电容C₁)两端的电压应力均小于传统z源逆变器，当时，本发明电路中的第一电容C₃的电压应力仍远小于传统z源逆变器。本申请中的传统z源逆变器指的是本申请现有技术中记载的图1中的结构。

全桥逆变器模块301的直流链电压V_PN与直流电压源V_in之间的关系式可以采用下式表示：

计算全桥逆变器模块301的直流链电压V_PN与直流电压源V_in的比值可以得到升压因子B，升压因子B可以采用下式表示：

本申请提出的开关升压型准z源逆变器的升压因子B与传统的准z源逆变器的升压因子B的对比图，请参见图6，图6为本发明实施例提供的开关升压型准z源逆变器的升压因子与现有技术中的准z源逆变器的升压因子对比曲线图，图6中的传统z源逆变器指的是本申请现有技术中图1中的结构类型的逆变器，显而易见的是，在占空比相同的情况下，本申请提供的开关升压型准z源逆变器的升压效果明显高于现有技术中的准z源逆变器。

对应于交流侧输出的电压增益G可以采用下式计算：

其中，V_O为开关升压型准z源逆变器的输出电压，M为调制比。

本申请提出的开关升压型准z源逆变器的交流侧的输出电压增益G与现有技术中的准z源逆变器的输出电压增益G对比图，请参见图7，图7为本发明实施例提供的开关升压型准z源逆变器的电压增益与现有技术中的准z源逆变器的电压增益对比曲线图，图7中的传统z源逆变器指的是本申请现有技术中图1中的结构类型的逆变器，显而易见的是，在调制比相同的条件下，本申请提出的开关升压型准z源逆变器的电压增益明显高于现有技术中的准z源逆变器的输出电压增益G。

由上式可以推导出输出电压V_O，如下式：

其中，D为占空比。

可见，本发明公开的一种开关升压型准z源逆变器，包括电源、全桥逆变桥模块和与全桥逆变桥连接的滤波模块，开关升压模块、分别与开关升压模块和全桥逆变桥模块连接的准z源升压模块。其中，在开关升压模块中包括第一开关管、第一电容、第一电感、第一二极管和第二二极管，第一电感的第一端连接电源的正极，第一电感的第二端连接第一电容的第一端，由于在第一电容与电源之间增设了第一电感，在启动电路时，第一电感可以对进入第一电容的电流进行延缓，从而减小了电路启动时的启动电流。此外，本申请中的准z源升压模块中包括第二电感、第三电感、第二电容和第三电容，由于增加了第二电容，第三电容，可以在第二电容以及第三电容分配相应的电压应力，最终落在第一电容、第二电容和第三电容上的电压应力相对较小。

以上对本申请所公开的一种开关升压型准z源逆变器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

Claims (6)

1.一种开关升压型准z源逆变器，包括：电源、全桥逆变桥模块和与所述全桥逆变桥连接的滤波模块，其特征在于，还包括：开关升压模块、分别与所述开关升压模块和所述全桥逆变桥模块连接的准z源升压模块；

其中，所述开关升压模块包括：第一端与所述电源的正极连接，第二端分别与第一开关管的第一端和第一电容的第一端连接的第一电感；

阴极与所述第一开关管的第一端连接，阳极与所述第一开关管的第二端连接的第一二极管；

阳极与所述第一电容的第二端连接，阴极分别与所述第一开关管的第二端和所述电源的负极连接的第二二极管；

所述准z源升压模块包括：第二电感、第三电感、第二电容和第三电容；

其中，所述第二电感的第一端分别与所述第一电感的第二端和所述第二电容的第一端连接，第二端分别与所述第三电容的第一端和所述第三二极管的阳极连接；

所述第三电感的第一端分别与所述第二电容的第二端和所述第三二极管的阴极连接，第二端分别与所述第三电容的第二端和所述全桥逆变桥模块连接。

2.根据权利要求1所述的开关升压型准z源逆变器，其特征在于，所述第一开关管具体为NPN型场效应晶体管。

3.根据权利要求1所述的开关升压型准z源逆变器，其特征在于，所述全桥逆变桥模块包括：第二开关管、阴极与所述第二开关管的第一端连接，阳极与所述第二开关管的第二端连接的第四二极管；

第三开关管、阴极分别与所述第三开关管的第一端和所述第二开关管的第二端连接，阳极与所述第三开关管的第二端连接的第五二极管；

第一端与所述第二开关管的第一端连接的第四开关管，阴极与所述第四开关管的第一端连接，阳极与所述第四开关管的第二端连接第六二极管；

第五开关管和阴极分别与所述第四开关管的第二端和所述第五开关管的第一端连接，阳极与所述第五开关管的第二端连接的第七二极管。

4.根据权利要求3所述的开关升压型准z源逆变器，其特征在于，所述滤波模块包括：滤波电感、滤波电容和负载；

其中，所述滤波电感的第一端分别与所述第四开关管的第二端和所述第五开关管的第一端连接；

所述滤波电感的第二端分别与所述滤波电容的第一端和所述负载的第一端连接；

所述滤波电容的第二端分别与所述负载的第二端、所述第二开关管的第二端以及所述第三开关管的第一端连接。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的开关升压型准z源逆变器，其特征在于，还包括：与所述滤波模块连接的过流保护装置。

6.根据权利要求5所述的开关升压型准z源逆变器，其特征在于，所述过流保护装置具体为熔断器。