CN111130374B - 一种低直流链电压尖峰的t源逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器涉及一种采用电容钳位电路的T源逆变器，目的是为了克服现有T源逆变器在开关管上消耗功率过大导致效率低的问题，其中，二极管D1的正极与直流电源的正极连接，二极管D1的负极与耦合电感N1的同名端连接；耦合电感N1的异名端与二极管D2的正极连接、二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端连接；电容C1的一端连接于二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端之间、另一端与直流电源的负极连接；电容C2的一端连接于耦合电感N1的异名端和二极管D2的正极之间、另一端与耦合电感N2的异名端连接；耦合电感N2的异名端与逆变桥连接，逆变桥作为T源逆变器的输出端输出交流电。

Description

一种低直流链电压尖峰的T源逆变器
技术领域
本发明涉及一种T源逆变器，具体涉及一种采用电容钳位电路的T源逆变器。
背景技术
T源逆变器是未来适用于光伏发电，风力发电，水力发电等新能源场景的理想高升压比阻抗源逆变器。
但是，目前的T源逆变器具有直流链电压尖峰过高的问题。为了避免耦合电感型阻抗源逆变器中的开关管被过高的电压尖峰击穿，传统的做法是在设计时采用高耐压的开关管器件。但是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，因此这样的开关管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相应地增大，使得电源的便携性减弱。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有T源逆变器在开关管上消耗功率过大导致效率低的问题，提供了一种低直流链电压尖峰的T源逆变器。
本发明的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器，包括二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2、逆变桥和电容钳位电路；
电容钳位电路包括电容C1、电容C2和二极管D2；
二极管D1的正极与直流电源的正极电气连接，二极管D1的负极与耦合电感N1的同名端电气连接；
耦合电感N1的异名端与二极管D2的正极电气连接、二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端电气连接；
电容C1的一端电气连接于二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端之间、另一端与直流电源的负极电气连接；
电容C2的一端电气连接于耦合电感N1的异名端和二极管D2的正极之间、另一端与耦合电感N2的异名端电气连接；
耦合电感N2的异名端与逆变桥电气连接，逆变桥作为T源逆变器的输出端输出交流电。
本发明的有益效果是：本发明的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器可以完全钳位住直流母线的电压，并且能够回收以电压尖峰的形式消耗在开关管上的能量，进一步提高逆变器的效率。
附图说明
图1为.本发明的T源逆变器的电路拓扑图；
图2为图1中本发明的T源逆变器电路拓扑图的等效电路拓扑图；其中Vin为直流输入电压，vD1二极管D1两端的反向电压、LK为漏感电感、VLK为漏感LK两端电压、i1'为等效电路中流入耦合电感理想绕组N1的电流、LM为耦合电感的励磁电感、IM为流入励磁电感的电流、vLM为励磁电感两端的电压、iD2为流入二极管D2的电流、vD2为二极管D2两端的反向电压、iC2为流入电容C2的电流、VC2为电容C2两端的电压、i1为流过漏感LK的电流、i2为流入耦合电感绕组N2的电流、Vdc为直流母线电压、Io为交流输出电流、iC1为流过电容C1的电流、VC1为电容C1的两端电压；
图3为本发明的T源逆变器的工作波形；其中GSW为开关SW的开关状态；
图4为本发明的T源逆变器工作在直通模式下的等效电路图，对应图3中的[t0,t1]；其中iST为直通状态下流入逆变桥的电流；
图5为本发明的T源逆变器工作在直通模式下的等效电路图，对应图3中的[t1,t2]；
图6为本发明的T源逆变器工作在非直通模式下的等效电路图，对应图3中的[t2,t3]；
图7为本发明的T源逆变器工作在非直通模式下的等效电路图，对应图3中的[t3,t0]；
图8为现有T源逆变器工作在直通模式下的等效电路图；
图9为现有T源逆变器工作在非直通模式下的等效电路图；
图10为本发明的T源逆变器输入电压、输出电流和输出电压的实验波形；其中，vo为输出电压；
图11为本发明的T源逆变器中二极管电压电流波形以及母线电压的实验波形；
图12为现有T源逆变器的二极管电压电流波形以及母线电压的实验波形；
图13为本发明的T源逆变器和现有T源逆变器的效率对比；其中三角形点线图本发明的T源逆变器的效率曲线，菱形点线图为现有T源逆变器的效率曲线。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器，包括二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2、逆变桥和电容钳位电路；
电容钳位电路包括电容C1、电容C2和二极管D2；
二极管D1的正极与直流电源的正极电气连接，二极管D1的负极与耦合电感N1的同名端电气连接；
耦合电感N1的异名端与二极管D2的正极电气连接、二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端电气连接；
电容C1的一端电气连接于二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端之间、另一端与直流电源的负极电气连接；
电容C2的一端电气连接于耦合电感N1的异名端和二极管D2的正极之间、另一端与耦合电感N2的异名端电气连接；
耦合电感N2的异名端与逆变桥电气连接，逆变桥作为T源逆变器的输出端输出交流电。
具体地，新型的T源逆变器如图1所示，包括现有的T源逆变器和由电容C1，电容C2和二极管D2所构成的电容钳位电路，其中电容C1是T源逆变器与电容钳位电路所共有的电容。
本发明的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器工作原理如下：
本发明的T源逆变器工作时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。为方便分析，如图2所示，本发明的T源逆变器的交流输出被等效为一个电流源，逆变桥则被等效为开关管SW。本发明的T源逆变器的工作波形如图3所示，各个模式下的等效电路如图4～图7所示。其中在直通模式下，等效开关SW闭合。而对应的在非直通状态下，等效开关SW断开。
其中[t0,t1]的时间间隔很短，对本发明的T源逆变器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母线上的电压跌落很小，因而也可以忽略，所以可以将图6和图7视为同一个等效电路。在对电感LM应用伏秒平衡原理后，可以得到本发明的T源逆变器的升压公式：
Figure BDA0002315596350000031
其中，K为耦合电感系数
Figure BDA0002315596350000032
由公式(1)可知，直通占空比d和调制比M的范围：
0≤d＜dmax＝1/K,0＜M＜Mmax＝1-d (2)
直流母线电压的抑制：原本的T源逆变器电路的等效工作电路图如图8和图9所示，其中耦合电感被等效为一个理想的耦合电感和一个漏感，其中漏感为LK。
在图8中，流过漏感的电流为
i1＝0 (3)
在图9中，流过漏感的电流为
Figure BDA0002315596350000041
在图8和图9中，当等效开关SW由导通到关断时，流过直流母线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(3)中计算出来的电流值(即0)变化到从(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
Figure BDA0002315596350000042
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母线上的电压，因而在直流母线上产生电压尖峰。
在本发明的T源逆变器中，当电路从图5所示的工作状态转变到图6所示的工作状态时。即使等效开关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，电容钳位电路还将漏感上的能量储存到了电容之中，使得电路的效率也得到了提升。
综上，本发明提出的本发明的T源逆变器具有以下优点：抑制直流母线电压尖峰，提高电路效率。
为了验证本发明的T源逆变器，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，逆变器直流母线电压200V，输出额定电压为110VAC、50Hz，负载R＝60Ω，开关频率为10kHz。
图10为本发明的T源逆变器的输入电压、输出电流和输出电压的实验波形，直通占空比为0.15，输出电压为151V(理论值为160V)。
图11为本发明的T源逆变器中二极管电压电流波形以及母线电压波形，在本发明的T源逆变器中，母线电压为190V，而电压尖峰仅约为20V，有效地消除了母线上的电压尖峰。作为对比，图12展示了现有T源逆变器的二极管电压电流波形以及母线电压波形。在T源逆变器中，由于漏感等的影响，母线电压为184V，而电压尖峰达到了194V。
图13是现有T源逆变器和本发明的T源逆变器的效率对比图，在功率等级较低时，由于本发明的T源逆变器有更多的器件，因此效率略低于现有的T源逆变器；而在较高功率等级时，漏感能量的回收大于器件热量的损耗，因此可以看到本发明的T源逆变器在功率等级较高时效率更高。

Claims (2)

1.一种低直流链电压尖峰的T源逆变器，其特征在于，包括二极管D1、耦合电感N1、耦合电感N2、逆变桥和电容钳位电路；耦合电感N1和耦合电感N2之间的耦合系数为K；
所述电容钳位电路包括电容C1、电容C2和二极管D2；
二极管D1的正极与直流电源的正极电气连接，二极管D1的负极与耦合电感N1的同名端电气连接；
耦合电感N1的异名端与二极管D2的正极、与电容C2的一端同时连接，二极管D2的负极与耦合电感N2的同名端、与电容C1的一端同时连接；
电容C1的另一端与直流电源的负极电气连接；
电容C2的另一端与耦合电感N2的异名端电气连接；同时，耦合电感N2的异名端与逆变桥的正极电气连接，逆变桥的负极与直流电源的负极电气连接，逆变桥作为T源逆变器的输出端输出交流电。
2.根据权利要求1所述的一种低直流链电压尖峰的T源逆变器，其特征在于，所述T源逆变器的输入电压为Vin，直流母线电压为Vdc，输出电压为vo，则Vin、Vdc和vo满足下式：
Figure FDA0003108385230000011
其中，K为耦合电感系数，d为直通占空比、M为调制比；
且直通占空比d和调制比M的范围如下：
0≤d＜dmax＝1/K,0＜M＜Mmax＝1-d。
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