CN110768552A - 抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器 - Google Patents

Abstract

一种抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，属于电力电子技术领域。本发明针对现有双线圈耦合电感型阻抗源逆变器存在直流链电压尖峰过高易造成开关器件击穿的问题。它包括逆变桥电路，还包括电源电路以及钳位电路；所述电源电路包括直流电源V_in、电感L_in、二极管D₁、双线圈耦合电感单元及电容C₁；钳位电路包括电容C₂、电容C₃和二极管D₂；逆变桥电路用于为电网或负载供电。本发明能够回收以电压尖峰形式消耗在开关管上的能量，进一步提高了逆变器的效率。

Description

抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器

技术领域

本发明涉及抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，属于电力电子技术领域。

背景技术

双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，例如T源逆变器、LCCT型Z源逆变器及Γ源逆变器等，是未来适用于光伏发电，风力发电，生物质能发电等新能源的理想高升压比阻抗源逆变器。然而，目前的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器普遍具有直流链电压尖峰过高的问题。

在耦合电感型阻抗源逆变器的传统设计中，为了应对直流链电压尖峰过高而造成开关管击穿的问题，往往采用更高耐压的开关器件。然而由于高耐压的开关管器件掺杂度较低，电导调制效应较弱，故而有更高的导通电阻。这样的开关器件在工作的时候会产生更大的功率损耗。这不仅降低了电源的效率，同时也增大了开关器件失效的风险，而且相应散热片的体积也会增大，使得电源的便携性减弱。

因此，针对以上不足，需要提供一种新的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，以能够钳位住直流链电压，从而提高逆变器的效率。

发明内容

针对现有双线圈耦合电感型阻抗源逆变器存在直流链电压尖峰过高易造成开关器件击穿的问题，本发明提供一种抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器。

本发明的一种抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，包括逆变桥电路，还包括电源电路以及钳位电路；

所述电源电路包括直流电源V_in、电感L_in、二极管D₁、双线圈耦合电感单元及电容C₁；

钳位电路包括电容C₂、电容C₃和二极管D₂；

直流电源V_in的正极连接电感L_in的一端，电感L_in的另一端连接二极管D₂的阳极，二极管D₂的阴极连接电容C₃的一端，电容C₃的另一端连接直流电源V_in的负极；

双线圈耦合电感单元包括两个串联连接的耦合电感，两个耦合电感的两端与中间引出端作为双线圈耦合电感单元的三个连接端；

二极管D₁的阳极连接二极管D₂的阴极，二极管D₁的阴极连接双线圈耦合电感单元的第一连接端，双线圈耦合电感单元的第二连接端与直流电源V_in的负极之间连接电容C₁，双线圈耦合电感单元的第三连接端与二极管D₂的阳极之间连接电容C₂；

双线圈耦合电感单元的第三连接端连接逆变桥电路的正向输入端，逆变桥电路的负向输入端连接直流电源V_in的负极；逆变桥电路用于为电网或负载供电。

根据本发明的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，所述双线圈耦合电感单元的第一种形式包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

根据本发明的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，所述逆变桥电路的输入电压V_dc为：

式中K为耦合电感系数，

d为直通占空比；

令

则输入电压V_dc为：

则逆变桥电路的输出电压v_o为：

v_o＝BMV_in，

式中M为调制比。

根据本发明的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，所述双线圈耦合电感单元的第二种形式包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的异名端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

根据本发明的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，所述双线圈耦合电感单元的第三种形式包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的同名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第二连接端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端。

本发明的有益效果：本发明针对现有的改进型T源逆变器、LCCT型Z源逆变器以及Γ源逆变器而提出，对具有不同连接形式双线圈耦合电感单元的逆变器，配合钳位电路实现对直流链电压尖峰的抑制，从而避免了开关器件被击穿的隐患，确保逆变器的运行稳定性；同时，本发明能够回收以电压尖峰形式消耗在开关管上的能量，进一步提高了逆变器的效率。

附图说明

图1是本发明所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器的具体实施例一的结构示意图；图中逆变桥电路包括四个开关管S₁、S₂、S₃和S₄；图中L_f为逆变桥电路的输出滤波电感，C_f为逆变桥电路的输出滤波电容；

图2是本发明所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器的具体实施例二的结构示意图；

图3是本发明所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器的具体实施例三的结构示意图；

图4是以具体实施例一为例的逆变器工作波形图；图中G_SW为开关管驱动信号，i_C1为流经电容C₁的电流，i_C2为流经电容C₂的电流，i_C3为流经电容C₃的电流，i₁为流经N₁的电流，i₂为流经N₂的电流，i_D2为流经二极管D₂的电流，v_D1为二极管D₁两端的电压，v_D2为二极管D₂两端的电压；

图5是图4中[t₀,t₁]时间段，逆变器的直通模式等效电路图；图中I_in为输入电流，v_Lin为电感L_in的两端电压，V_LK为漏感L_K的两端电压，V_C1为电容C1两端电压，V_C2为电容C2两端电压，V_C3为电容C3两端电压，i_st为流经开关管SW的电流，v_dc为开关管SW的两端电压(直流母线电压),Io为负载电流，v_LM为电感L_M的两端电压。

图6是图4中[t₁,t₂]时间段，逆变器的直通模式等效电路图；

图7是图4中[t₂,t₃]时间段，逆变器的非直通模式等效电路图；

图8是图4中[t₃,t₀]时间段，逆变器的非直通模式等效电路图；

图9是现有改进型T源逆变器电路的直通模式等效工作电路图；

图10是现有改进型T源逆变器电路的非直通模式等效工作电路图；

图11是以具体实施一的逆变器为例，输入电压电流和输出电压电流的实验波形图；

图12是以具体实施一的逆变器为例，电路中二极管电流电压和直流链电压的实验波形图；

图13是现有改进型T源逆变器电路的二极管电流电压和直流链电压的实验波形图；

图14是具体实施例一所述的逆变器与现有改进型T源逆变器的效率对比图；图14中标记的新型阻抗源逆变器配置1为本发明具体实施例一所述的逆变器。

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作出创造性劳动的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。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

具体实施方式一、结合图1至图3所示，本发明提供了一种抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，包括逆变桥电路，还包括电源电路以及钳位电路；

所述电源电路包括直流电源V_in、电感L_in、二极管D₁、双线圈耦合电感单元及电容C₁；

钳位电路包括电容C₂、电容C₃和二极管D₂；

直流电源V_in的正极连接电感L_in的一端，电感L_in的另一端连接二极管D₂的阳极，二极管D₂的阴极连接电容C₃的一端，电容C₃的另一端连接直流电源V_in的负极；

双线圈耦合电感单元包括两个串联连接的耦合电感，两个耦合电感的两端与中间引出端作为双线圈耦合电感单元的三个连接端；

二极管D₁的阳极连接二极管D₂的阴极，二极管D₁的阴极连接双线圈耦合电感单元的第一连接端，双线圈耦合电感单元的第二连接端与直流电源V_in的负极之间连接电容C₁，双线圈耦合电感单元的第三连接端与二极管D₂的阳极之间连接电容C₂；

双线圈耦合电感单元的第三连接端连接逆变桥电路的正向输入端，逆变桥电路的负向输入端连接直流电源V_in的负极；逆变桥电路用于为电网或负载供电。

本实施方式针对现有的改进型T源逆变器、LCCT型Z源逆变器以及Γ源逆变器而提出，其核心包括原本阻抗源逆变器和由电容C2、C3和二极管D2构成的电容钳位结构，其中C2是公共器件。

下面对所述阻抗源逆变器的具体实施形式进行详细的说明：

具体实施例一：

对于所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，结合图1所示，对双线圈耦合电感单元进一步说明：

所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

本实施例所述的逆变器，针对于改进型T源逆变器而设计。

进一步，结合图1所示，所述逆变桥电路的输入电压V_dc为：

式中K为耦合电感系数，

d为直通占空比；

令

则输入电压V_dc为：

则逆变桥电路的输出电压v_o为：

v_o＝BMV_in，

式中M为调制比。

本实施例所述的逆变器的工作模式分为直通模式和非直通模式，其中，直通模式和非直通模式下均包含了线性区。在线性区中，漏感上的电流会缓慢线性地改变，因而在漏感两端不会有大的电压尖峰出现。结合图4所示的工作波形图，及图5至图8所示各个模式下的等效电路，其中逆变器的交流输出可被等效为一个电流源I₀，逆变桥则可被等效为开关管SW。在直通模式下，等效开关管SW闭合。而在非直通状态下，等效开关管SW断开。

图4所示，其中[t₀,t₁]的时间间隔很短，对电路中无源器件的能量并没有影响，所以可以忽略。在[t₃,t₀]时间段中，二极管D₂断开，出现在二极管D₂两端的反向电压以及出现在直流链上的电压跌落很小，因而也可以忽略，所以可以将图7和图8视为同一个等效电路。在对电感L_M和L_in应用伏秒平衡原理后，可以得到新型Y源逆变器的升压公式：

由公式(1)可知，直通占空比d和调制比M的范围：

0≤d<d_max＝1/(1+K),0<M<M_max＝1-d (2)

式中d_max为直通占空比的预设最大值，M_max为调制比的预设最大值。

对直流链电压的抑制：

结合图9和图10所示，对于现有改进型T源逆变器，其中耦合电感被等效为一个理想的耦合电感和一个漏感，漏感由一个波浪线表示。

图9中，流过漏感的电流为：

i₁＝0 (3)

在图10中，流过漏感的电流为：

在图9及图10中，当开关管由导通到关断时，流过直流链的电流会在瞬间发生改变，同时又使得流过漏感的电流在瞬间从0变化到公式(4)中计算出来的电流值。根据电感电压和电流变化速率的关系：

可以发现，当电流变化速率过快时，会在漏感两端产生很大的电压，这个电压同时也抬高了直流链上的电压，因而在直流链上产生电压尖峰。

在本实施例所述的逆变器中，当电路从图6所示的工作状态转变到图7所示的工作状态时，即使开关管SW断开，二极管D₂也会即刻导通，构成新的电流回路，因此流过漏感的电流不会立刻发生变化。同时，钳位电路还将漏感上的能量储存到了电容之中，电路的效率也得到了提升。类似地，对于具体实施例二和具体实施例三，在分别和现有LCCT型Z源逆变器和Γ源逆变器对比时，可以得到类似地提升。

综上，可以得出结论，本发明的所述的逆变器能够抑制直流链电压尖峰，提高电路效率。

为了验证本发明方法的实用性，设计了基于DSP TMS320F28335的200W实验平台。耦合电感系数K＝3(N₁:N₂＝60:20)，升压系数B＝2.5，调制比M＝0.8。输入电压为80V，逆变器直流链电压200V，输出额定电压为110V AC、50Hz，负载R＝60Ω，开关频率为10kHz。

图11所示，得到直通占空比为0.12，输出电压为148V(理论值为160V)。

由图12可知，逆变器的直流链电压为190V，而电压尖峰仅约为20V，有效地消除了直流链上的电压尖峰。

作为对比，在图13中直流链电压为186V，而电压尖峰达到了86V。

由图14可知，在功率等级较低时，由于本发明所述的电感型阻抗源逆变器有更多的器件，因此效率略低于T源逆变器；而在较高功率等级时，漏感能量的回收将大于器件热量的损耗。因此可以看到本发明所述电感型阻抗源逆变器在功率等级较高时效率更高。

具体实施例二：

对于所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，结合图2所示，对双线圈耦合电感单元进一步说明：

所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的异名端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

本实施例所述的逆变器，针对于现有LCCT型Z源逆变器而设计。

具体实施例三：

对于所述抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，结合图3所示，对双线圈耦合电感单元进一步说明：

所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的同名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第二连接端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端。

本实施例所述的逆变器，针对于现有Γ源逆变器而设计。

由于本发明所提出的三种新型双线圈耦合电感型阻抗源逆变器的结构类似，因此对具体实施例二和三的工作原理可结合具体实施例一的工作原理类推，不再赘述。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (5)

1.一种抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，包括逆变桥电路，其特征在于，还包括电源电路以及钳位电路；

所述电源电路包括直流电源V_in、电感L_in、二极管D₁、双线圈耦合电感单元及电容C₁；

钳位电路包括电容C₂、电容C₃和二极管D₂；

直流电源V_in的正极连接电感L_in的一端，电感L_in的另一端连接二极管D₂的阳极，二极管D₂的阴极连接电容C₃的一端，电容C₃的另一端连接直流电源V_in的负极；

双线圈耦合电感单元包括两个串联连接的耦合电感，两个耦合电感的两端与中间引出端作为双线圈耦合电感单元的三个连接端；

二极管D₁的阳极连接二极管D₂的阴极，二极管D₁的阴极连接双线圈耦合电感单元的第一连接端，双线圈耦合电感单元的第二连接端与直流电源V_in的负极之间连接电容C₁，双线圈耦合电感单元的第三连接端与二极管D₂的阳极之间连接电容C₂；

双线圈耦合电感单元的第三连接端连接逆变桥电路的正向输入端，逆变桥电路的负向输入端连接直流电源V_in的负极；逆变桥电路用于为电网或负载供电。

2.根据权利要求1所述的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，其特征在于，所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

3.根据权利要求2所述的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，其特征在于，

所述逆变桥电路的输入电压V_dc为：

式中K为耦合电感系数，d为直通占空比；

令则输入电压V_dc为：

则逆变桥电路的输出电压v_o为：

v_o＝BMV_in，

式中M为调制比。

4.根据权利要求1所述的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，其特征在于，所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的异名端连接耦合电感N₂的异名端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端，耦合电感N₂的同名端作为所述第二连接端。

5.根据权利要求1所述的抑制直流链电压尖峰的双线圈耦合电感型阻抗源逆变器，其特征在于，所述双线圈耦合电感单元包括耦合电感N₁和耦合电感N₂，

耦合电感N₁的同名端作为所述第一连接端，耦合电感N₁的同名端连接耦合电感N₂的同名端，耦合电感N₂的异名端作为所述第二连接端，耦合电感N₁的异名端作为所述第三连接端。

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