CN1852021A - L源逆变器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种L源逆变器，包括三相逆变桥，还包括：一个串联于电源正端与三相逆变桥之间的电感(L)，三相逆变桥并联有一条由电容(C)和功率开关器件(T7)相串联的支路；三相逆变桥输出端与需要进行控制的电动机的三相连接。本发明的L源逆变器还包括一个串联于电感(L)与三相逆变桥之间的二极管(D)。本发明可将直流母线的电压比输入直流电压进行抬升，拓扑较Z源逆变器简化，且L、C间由于串联了二极管而没有了自由振荡的条件；直流母线电压等于电容电压，电容电压基本恒定，不给逆变器控制增加复杂性。
Description
一、技术领域
本发明涉及一种逆变器，尤其涉及一种配合燃料电池外特性的电机驱动逆变器。
二、背景技术
传统的逆变电路有两类：电压源逆变器(V-Source Inverter)和电流源逆变器(I-Source Inverter)，电压源逆变器将输入的直流电压转变为输出交流电压，在电力传动方面的应用非常广阔。一般来说，中小功率的交流电力传动系统都是基于电压源逆变器的。电压源逆变器的输入直流电压可以由电网或旋转交流电机经整流滤波得到，也可由蓄电池、燃料电池或光伏电池得到，分别对应一般工业应用场合(如变频器)、电动车、再生能源发电等场合。在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因此采用自控型正向导通器件，如IGBT、PowerMOSFET等，为了使逆变器的开关具有自由的方向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。电压源逆变器的一个重要特点就是输出交流电压波形不受负载参数的影响。一般的逆变器的结构包含二极管整流器的前端(交流供电)或直流电源，直流环节电容器和逆变桥，如附图1所示。采用这种电压源逆变器的电力传动系统存在下列局限或不足：
(1)这种电压源逆变器是降压式逆变器，其输出交流电压低于输入电压。例如，常见的三相变频器为380V三相交流输入，在不计其内部的压降，在合适的线性调制策略下，最大输出线电压也仅为380V。不能适合需要提高输出电压的场合。
(2)电压跌落往往使电力传动系统中断工作，会使重要的负载和生产过程工作异常。超过90％的与电能质量有关的故障是源于瞬间的(特别是0.1~0.2s)低于正常值10~50％的电压跌落。电容器是一个相对小的储能元件，不足以使直流电压在这样的电压跌落的情况下保持正常值。对于敏感负载来说，缺少电压度越能力是一个严重的问题。
(3)整流滤波电路的对供电电网造成谐波污染。
(4)每个桥臂的上下开关器件不允许同时导通，否则会损坏器件；由电磁干扰造成的误触发导致的直通是影响其可靠性的主要因素。
对于普通逆变器的不足，将二极管整流换成PWM整流电路基本上能够克服，且使能量能够双向流动，还可实现PFC功能，已在许多的场合中得到应用。但是这种背靠背的形式增加了系统的复杂性，提高了成本，并使可靠性有所下降。
近年来，随着经济的发展和人口的激增，世界范围内的能源供需矛盾日益突出，石油资源将在四十年内、煤炭资源将在百年内基本消耗殆尽。世界各国都在一方面节能降耗，一方面寻求新的替代能源。同时，传统的能源的利用还有一个明显的不足：造成环境污染。因此，各种绿色能源的开发利用变得越来越重要。风力发电、光伏发电、燃料电池发电等新型再生能源发电将被广泛开发应用。这些能源发电有一个共同特点是：所发出的电能随外界因素的变化而变化，引起电压波动，如风强、光照、负载大小等。电力电子技术的开发应用将有效地解决这方面的问题，发出高品质的电能。这些发电方式中，燃料电池最受世人瞩目，在能量变换效率、功率密度、安全性、可靠性、清洁性、可控性等方面有着其他电能发生装置不可比拟的优越性。燃料电池广泛应用于各种独立供电系统，如空间技术领域、工作电站、不间断后备电源、便携式电源、车辆电源等。特别是电动车辆的供电电源，燃料电池在综合性能上是唯一可行的。但是，燃料电池的输出电压是直流电压，且随负载的变化，输出电压波动范围很大，并且燃料电池的输出电压不高。因此燃料电池供电时，往往首先是向一级DC-DC变换器供电，稳定输出电压，再向下级负载供电，如附图2所示。显然，添加一级电力电子变换，使得整个系统的效率及可靠性有所下降。若燃料电池直接用于电动汽车的驱动电压源逆变器供电时，随着驱动功率的增加，燃料电池的输出直流电压下降，这与驱动电机高速大功率运行要求电压高相矛盾，设计时往往不得不加大电机和传动系统的尺寸。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的配合燃料电池外特性的电动车驱动逆变器意义重大。
2002年美国彭方正教授提出了一种Z源功率逆变器电压源逆变器(Z-SourceInverter)，可以认为是一种新的逆变器拓扑。该Z源逆变器引进了一个Z源网络，将逆变器的主电路与电源耦合，该Z源网络的引进，可以克服上述问题。其结构如附图3、附图4所示，和传统的电力传统系统类似，它也由三部分组成：二极管整流器直流环节电路或直流电压源、Z源网络和三相逆变桥。Z源逆变器的工作原理的最大的特点是可以对逆变桥的直流电压进行调节，即Z源变换器可以将直流电容器的电压升高到大于整流器平均直流电压的期望值。当输入电压跌落或负载需要较高电压时，运用其普通逆变器所没有的“直通零矢量”状态，可以实现输出电压的升高。所谓“直通零矢量”，就是在逆变器输出零矢量状态中，控制逆变桥的上下功率管直通，使电感电流增长。当退出直通零矢量时，电感储能使得直流母线电压增长。以较低的输入电压，得到期望的逆变器母线电压。当然，实际应用中，电容器电压的最大值受到器件额定电压的限制。直通零矢量也不影响逆变器的零矢量的状态，逆变器的输出不变。但是这种逆变器也存在如下不足：
(1)由于增加了一个Z源网络，是一个包含了电感、电容的二端口网络，在一定条件下，Z源网络的电感和电容器会发生谐振，在设计和控制Z源逆变器时必须考虑避免谐振的策略，一旦发生谐振，将很容易损坏电路；
(2)母线电压为电容电压减去电感压降，母线电压不能充分利用电容的电压等级；并且当电感电流断续或方向改变时，Z源逆变器拓扑的逆变桥直流母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续而变化很大。电压将有跌落，逆变器的调制算法必须考虑电压变化的影响，使得逆变器控制的复杂程度增加；
(3)要求两只电容元件对称，电容故障对这种系统电路是灾难性的；
(4)Z源逆变器应用于电力传动系统最大的问题是不能实现向电源的能量回馈运行，从附图3中可见如果是电池供电，必须在电池与Z源网络之间插入一只二极管，其原因是，如果没有阻断二极管，当电机发电运行时，电感电流方向改变，向电池回馈能量，而电机总是要需求的无功的，输送无功开关状态构成的通路要求从电容流向电机，但输送无功时Z源网络的两只电感电流将通过逆变器桥臂反并联二极管短路，逆变器直流电压为零，电机将不能工作，如果要回馈能量将另外建立回馈通道，这使得这种电路的实用面大打折扣。
三、发明内容
1、发明目的：本发明的目的是提供一种拓扑简单、效率高、可靠性高的配合燃料电池外特性的电动车驱动逆变器。
2、技术方案：为了达到上述的发明目的，本发明的L源逆变器包括三相逆变桥，它还包括：一个串联于电源正端与三相逆变桥之间的电感，三相逆变桥并联有一条由电容和功率开关器件相串联的支路，此电容的放电电流流过此功率开关器件，电容的充电电流从该功率开关器件的反并联二极管流过，三相逆变桥的输出端与需要进行控制的电动机的三相连接。
当上述的三相逆变桥状态为零矢量时，与电容相串联的功率管是关断的。
本发明的逆变器还包括一个串联于电感与三相逆变桥之间的二极管，此二极管起隔断逆变器直流母线的高压与直流电源低压的作用，其正端与电感一端连接，负端与三相逆变桥连接，该二极管并联有一个开关器件，该开关器件的作用是形成电能从逆变器向电源回馈的通路。如果应用于输入交流电整流的直流电场合，由于整流桥起隔断作用，二极管可省去。
该电路工作基原理解释如下：
该电路对逆变器直流母线控制方式采用了与Z源逆变器相近的思想，运用普通逆变器所没有的“直通零矢量”状态，三相逆变桥上下开关管直通，使输入电感电流迅速增长，在“常规矢量”时，电感储能一部分通过逆变桥向电机供电，一部分向电容C充电。调节直通零矢量的开通时间，可实现直流母线电压的调节。与Z源逆变器相比，主回路中仅采用一个功率电感，与电容C串联一只功率管T7，电容充电电流经T7的反并联二极管流通，电容放电电流经功率管流通。很显然，T7的导通时机是：在“常规矢量”工作时，T7导通，使电容正常工作，当“直通零矢量”应用前，必须关断T7。因“直通零矢量”是在零矢量中发出的状态，所以T7的开通信号与零矢量信号互补即可，逻辑易于实现。如果供电电源是电池或其它电压源，并要使逆变器直流母线电压大大高于电源电压，则电感串联的二极管D是必须的，防止逆变器直流母线电流回灌，母线电压下跌。如果输入是交流电整流，则二极管D是不必要的。如果逆变器的直流母线电压不要大的抬升，如只是补偿一下象燃料电池那样的软外特性造成的电压下降，能满足电感电流连续，二极管D也可省去。该电路同样可实现能量从电机回馈至电源，这时可看作类似“Buck”电路的工况。如果串联了二极管D，则向电池回馈能量就要增加旁路的功率开关T8。有能量回馈通道，使得该电路方便应用于起动/发电系统。
3、有益效果：本发明的逆变器的电路可将直流母线的电压比输入直流电压进行抬升，拓扑较Z源逆变器简化，且L、C间由于串联了二极管而没有了自由振荡的条件；直流母线电压等于电容电压，电容电压基本恒定，不给逆变器控制增加复杂性。
四、附图说明
图1是电压源逆变器；
图2是传统的应用于燃料电池的逆变器示意图；
图3是应用于燃料电池的Z源逆变器示意图；
图4是应用于调速驱动的Z源逆变器示意图；
图5是本发明的L源逆变器的一种结构的示意图；
图6是本发明的L源逆变器的另一种结构的示意图。
五、具体实施方式
实施例1：如图5所示，本实施例的逆变器应用于供电电源是电池或其它电压源，并要使逆变器直流母线电压大大高于电源电压，它包括一个与电源一端相连接的电感L，一个正端与电感L另一端连接的二极管D，二极管D并联有一个开关器件T8；二极管D的负端连接有三相逆变桥，三相逆变桥由三条并联的支路组成，每条支路包括两个开关件，每个开关件分别并联有一个功率管，其中一个功率管的负端与另一个功率管的正端连接，正端与电源的另一端连接，另一个功率管的负端与二极管D的负端连接；三相逆变桥还并联有一条支路，该支路包括一个相串联的电解电容C和功率开关器件T7，电解电容C正端与逆变器的直流母线正极连接，负端与功率开关器件T7的反并联二极管的正端连接，该反并联二极管的负端与逆变器的直流母线负极连接，再与电源的负端连接；需要进行控制的电动机的三相分别接三相逆变桥输出。
电解电容C及功率器件的具体选型可按一般电机控制逆变器电路的要求，由负载(电机)的容量、工作电压、工作频率等因素选择，通常三相逆变桥的功率开关器件T1～T6及独立开关器件T7、T8选择IGBT，低压应用和频率较高的场合采用功率MOSFET。
实施例2：如图6所示，本实施例的逆变器应用于供电电源为交流电的整流场合，或者是逆变器的直流母线电压不要大的抬升的场合，则省略去实施例1中的二极管D和开关器件T8即可实现。
Claims (3)
1、一种L源逆变器，包括三相逆变桥，其特征在于，它还包括：一个串联于电源正端与三相逆变桥之间的电感(L)，三相逆变桥并联有一条由电容(C)和功率开关器件(T7)相串联的支路，电容(C)正端与三相逆变桥的直流母线正极连接，负端与功率开关器件(T7)的反并联二极管正端连接，该反并联二极管负端与三相逆变桥的直流母线负极连接，再与电源的负端连接；三相逆变桥输出端与需要进行控制的电动机的三相连接。
2、如权利要求1所述的L源逆变器，其特征在于，还包括一个串联于电感(L)与三相逆变桥之间的二极管(D)，其正端与电感(L)一端连接，负端与三相逆变桥连接，该二极管(D)并联有一个开关器件(T8)，形成电能从逆变器向电源回馈的通路。
3、如权利要求1或2所述的L源逆变器，其特征在于，三相逆变桥状态为零矢量时，与电容(C)串联的功率开关器件(T7)是关断的。
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