CN207354075U - 一种改进型双向串联z源三电平逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，涉及电力电子领域，具有启动冲击电流小、具备能量双向流动能力、不存在非正常运行状态、Z源电容电压应力小、输出电平数增加，波形正弦度提高等优点。一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，包括第一直流电源，第一直流电源的正极同第一串联式Z网络和第五电容一极相连，所述的第一直流电源的负极同第二串联式Z网络和第六电容一极相连，第一串联式Z网络和第二串联式Z网络均同三电平NPC逆变器电路相连，五电容的另一极同第六电容的另一极、第十五二极管的正极、第十六二极管的正极、第十七二极管的正极、第十八二极管的负极、第十九二极管的负极、第二十二极管的负极相连接。

Description

一种改进型双向串联Z源三电平逆变器

技术领域

本实用新型涉及电力电子领域，尤其涉及一种改进型双向串联Z源三电平逆变器。

背景技术

Z源逆变器解决了传统逆变器桥臂上下不能同时导通，需要加入死区时间控制的问题。并且能够提升直流链电压，简化了系统结构，提升了效率，但传统Z源逆变器Z源网络中电容电压应力过大，导致实际应用中电容体积大，成本高，启动冲击电流大，容易损坏电容，存在不正常工作状，不具备能量双向流动能力。

实用新型内容

针对上述现有技术中的不足，本实用新型的实施例提供一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，实现了启动冲击电流小、具备能量双向流动能力、Z源电容电压应力小、输出电平数增加，波形正弦度提高、不存在非正常运行状态。

为解决上述技术问题，本实用新型的实施例采用如下技术方案，具体如下：

一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，包括：第一直流源；第一串联式Z网络，其一端同所述第一直流源的正极和第五电容的一极相连接；第二串联式Z网络，其一端同所述第一直流源的负极和第六电容的一极相连接；第一串联式Z网络和第二串联式Z网络均同三电平NPC逆变器电路相连接，NPC三电平逆变器同U相负载、V相负载、W相负载相连接。

所述的第一串联式Z源网络包括第一电容和第二电容，所述的第一电容的一极同第一电感的一极同第一直流源的正极和第五电容的一极相连接，第一电容的另一极同第一开关管的集电极、第一二极管的负极和第二电感的一极相连接，第二电容的一极同第二电感的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接，第二电容的另一极同第一电感的另一极、第一二极管的正极和第一开关管的发射极相连接。

所述的第二串联式Z源网络包括第三电容和第四电容，所述的第三电容的一极同第三电感的一极、第六电容的一极和第一直流源的负极相连接，第三电容的另一极同第二开关管的发射极、第二二极管的正极和第四电感的一极相连接，第四电容的一极同第三电感的另一极、第二二极管的负极和第二开关管的集电极相连接，第四电容的另一极同第四电感的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接。

所述的三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC 逆变分电路、第二三电平NPC 逆变分电路以及第三三电平NPC 逆变分电路，其中第一三电平NPC 逆变分电路包扩第三开关管，第三开关管的集电极同第三二极管的负极相连接，第三开关管的发射极同第三二极管的正极、第十五二极管的负极、第四开关管的集电极、第四二极管的负极相连接，第四开关管的发射极同第四二极管的正极、U相负载、第五开关管的集电极、第五二极管的负极相连接，第五开关管的发射极同第五二极管的正极、第十八二极管的正极、第六开关管的集电极、第六二极管的负极相连接，第六开关管的发射极同第六二极管的正极相连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第七开关管，第七开关管的集电极同第七二极管的负极相连接，第七开关管的发射极同第七二极管的正极、第十六二极管的负极、第八开关管的集电极、第八二极管的负极相连接，第八开关管的发射极同第八二极管的正极、V相负载、第九开关管的集电极、第九二极管的负极相连接，第九开关管的发射极同第九二极管的正极、第十九二极管的正极、第十开关管的集电极、第十二极管的负极相连接，第十开关管的发射极同第十二极管的正极相连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第十一开关管，第十一开关管的集电极同第十一二极管的负极相连接，第十一开关管的发射极同第十一二极管的正极、第十七二极管的负极、第十二开关管的集电极、第十二二极管的负极相连接，第十二开关管的发射极同第十二二极管的正极、W相负载、第十三开关管的集电极、第十三二极管的负极相连接，第十三开关管的发射极同第十三二极管的正极、第二十二极管的正极、第十四开关管的集电极、第十四二极管的负极相连接，第十四开关管的发射极同第十四二极管的正极相连接；所述的第三开关管的集电极同第七开关管的集电极、第十一开关管的集电极和第二电容的一极相连接；所述的第六开关管的发射极同第十开关管的发射极、第十四开关管的发射极和第三电容的一极相连接；所述的第五电容的另一极同第六电容的另一极、第十五二极管的正极、第十六二极管的正极、第十七二极管的正极、第十八二极管的负极、第十九二极管的负极、第二十二极管的负极相连接。

作为一种优选，所述开关管为IGBT或MOSFET。

本实用新型采用上述技术方案，具有以下有益效果：所述双向串联型Z源三电平逆变器为单级升降压逆变器，较传统的Z源逆变器而言，转换效率更高，成本更低。

本实用新型所述双向串联型Z源三电平逆变器结构具有的优点在于为由上下结构对称的Z源网络构成，有利于维持中点点位平衡；在Z源逆变器启动时，Z源电感与逆变器开关管并联的二极管不构成回路，内在抑制启动电流；将传统结构上的二极管替换为开关管，使系统具备了能量双向流动能力，适用于单级储能系统，并且消除了非正常工作状态。

附图说明

为了更清楚的说明本实用新型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的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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 为一种改进型双向串联Z源三电平逆变器的电路结构图；

图2为图1显示的双向串联型Z源三电平逆变器的非直通状态等效电路图；

图3为图1显示的双向串联型Z源三电平逆变器的上直通状态等效电路图；

图4为图1显示的双向串联型Z源三电平逆变器的下直通状态等效电路图；

图5为传统Z源逆变器电容电压与改进型Z源逆变器电容电压比较仿真图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，本实用新型实施例提供了一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，包括：第一直流源BUS1；第一串联式Z网络，其一端同所述第一直流源BUS1的正极和第五电容C5的一极相连接；第二串联式Z网络，其一端同所述第一直流源BUS1的负极和第六电容C6的一极相连接；第一串联式Z网络和第二串联式Z网络均同三电平NPC逆变器电路相连接，NPC三电平逆变器同U相负载、V相负载、W相负载相连接。

所述的第一串联式Z源网络包括第一电容C1和第二电容C2，所述的第一电容C1的一极同第一电感L1的一极同第一直流源BUS1的正极和第五电容C5的一极相连接，第一电容C1的另一极同第一开关管Q1的集电极、第一二极管D1的负极和第二电感L2的一极相连接，第二电容C2的一极同第二电感L2的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接，第二电容C2的另一极同第一电感L1的另一极、第一二极管D1的正极和第一开关管Q1的发射极相连接。

所述的第二串联式Z源网络包括第三电容C3和第四电容C4，所述的第三电容C3的一极同第三电感L3的一极、第六电容C6的一极和第一直流源BUS1的负极相连接，第三电容C3的另一极同第二开关管Q2的发射极、第二二极管D2的正极和第四电感L4的一极相连接，第四电容C4的一极同第三电感L3的另一极、第二二极管D2的负极和第二开关管Q2的集电极相连接，第四电容C4的另一极同第四电感L4的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接。

所述的三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC 逆变分电路、第二三电平NPC 逆变分电路以及第三三电平NPC 逆变分电路，其中第一三电平NPC 逆变分电路包扩第三开关管Q3，第三开关管Q3的集电极同第三二极管D3的负极相连接，第三开关管Q3的发射极同第三二极管D3的正极、第十五二极管D15的负极、第四开关管Q4的集电极、第四二极管D4的负极相连接，第四开关管Q4的发射极同第四二极管D4的正极、U相负载、第五开关管Q5的集电极、第五二极管D5的负极相连接，第五开关管Q5的发射极同第五二极管D5的正极、第十八二极管D18的正极、第六开关管Q6的集电极、第六二极管D6的负极相连接，第六开关管Q6的发射极同第六二极管D6的正极相连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第七开关管Q7，第七开关管Q7的集电极同第七二极管D7的负极相连接，第七开关管Q7的发射极同第七二极管D7的正极、第十六二极管D16的负极、第八开关管Q8的集电极、第八二极管D8的负极相连接，第八开关管Q8的发射极同第八二极管D8的正极、V相负载、第九开关管Q9的集电极、第九二极管D9的负极相连接，第九开关管Q9的发射极同第九二极管D9的正极、第十九二极管D19的正极、第十开关管Q10的集电极、第十二极管D10的负极相连接，第十开关管Q10的发射极同第十二极管D10的正极相连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第十一开关管Q11，第十一开关管Q11的集电极同第十一二极管D11的负极相连接，第十一开关管Q11的发射极同第十一二极管D11的正极、第十七二极管D17的负极、第十二开关管Q12的集电极、第十二二极管D12的负极相连接，第十二开关管Q12的发射极同第十二二极管D12的正极、W相负载、第十三开关管的Q13集电极、第十三二极管D13的负极相连接，第十三开关管Q13的发射极同第十三二极管D13的正极、第二十二极管D20的正极、第十四开关管Q14的集电极、第十四二极管D14的负极相连接，第十四开关管Q14的发射极同第十四二极管D14的正极相连接；所述的第三开关管Q3的集电极同第七开关管Q7的集电极、第十一开关管Q11的集电极和第二电容C2的一极相连接；所述的第六开关管Q6的发射极同第十开关管Q10的发射极、第十四开关管Q14的发射极和第三电容C3的一极相连接；所述的第五电容C5的另一极同第六电容C6的另一极、第十五二极管D15的正极、第十六二极管D16的正极、第十七二极管D17的正极、第十八二极管D18的负极、第十九二极管D19的负极、第二十二极管D20的负极相连接。

(A)非直通状态

非直通状态，逆变桥等效为电源，电容两端电压不能突变，电容和电源向逆变桥和电感充电，如图2所示。

在非直通状态下有：

(B)上直通状态

上直通状态，对于上部分等效电路，由于Z源电感电流不能突变，Z源电感给Z源电容和直流侧电容充电，Z源电感电流反向减小，下部分等效电路电容两端电压不能突变，电容和电源向逆变桥和电感充电，如图3所示。

在上直通状态下有：

(C)下直通状态

下直通状态，对于下部分等效电路，由于Z源电感电流不能突变，Z源电感给Z源电容和直流侧电容充电，Z源电感电流反向减小，上部分等效电路电容两端电压不能突变，电容和电源向逆变桥和电感充电，如图4所示。

在下直通状态下有：

根据伏秒平衡原理，一个开关周期Z源电感电压为零，Z源电容电压为：式中，D ₀为上或下直通占空比。

在直通占空比一定时，改进型拓扑的Z源电容电压应力远小于传统Z源逆变器Z源电容电压应力，如图5所示。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内，因此，本实用新型的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，其特征在于包括：第一直流源；第一串联式Z网络，其一端同所述第一直流源的正极和第五电容的一极相连接；第二串联式Z网络，其一端同所述第一直流源的负极和第六电容的一极相连接；第一串联式Z网络和第二串联式Z网络均同三电平NPC逆变器电路相连接，NPC三电平逆变器同U相负载、V相负载、W相负载相连接。

2.根据权利要求1所述的一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第一串联式Z源网络包括第一电容和第二电容，所述的第一电容的一极同第一电感的一极同第一直流源的正极和第五电容的一极相连接，第一电容的另一极同第一开关管的集电极、第一二极管的负极和第二电感的一极相连接，第二电容的一极同第二电感的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接，第二电容的另一极同第一电感的另一极、第一二极管的正极和第一开关管的发射极相连接。

3.根据权利要求2所述的一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，其特征在于所述的第二串联式Z源网络包括第三电容和第四电容，所述的第三电容的一极同第三电感的一极、第六电容的一极和第一直流源的负极相连接，第三电容的另一极同第二开关管的发射极、第二二极管的正极和第四电感的一极相连接，第四电容的一极同第三电感的另一极、第二二极管的负极和第二开关管的集电极相连接，第四电容的另一极同第四电感的另一极和NPC三电平逆变器电路相连接。

4.根据权利要求3所述的一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，其特征在于三电平NPC逆变电路包括相互并联的第一三电平NPC 逆变分电路、第二三电平NPC 逆变分电路以及第三三电平NPC 逆变分电路，其中第一三电平NPC 逆变分电路包扩第三开关管，第三开关管的集电极同第三二极管的负极相连接，第三开关管的发射极同第三二极管的正极、第十五二极管的负极、第四开关管的集电极、第四二极管的负极相连接，第四开关管的发射极同第四二极管的正极、U相负载、第五开关管的集电极、第五二极管的负极相连接，第五开关管的发射极同第五二极管的正极、第十八二极管的正极、第六开关管的集电极、第六二极管的负极相连接，第六开关管的发射极同第六二极管的正极相连接；第二三电平NPC逆变分电路包括第七开关管，第七开关管的集电极同第七二极管的负极相连接，第七开关管的发射极同第七二极管的正极、第十六二极管的负极、第八开关管的集电极、第八二极管的负极相连接，第八开关管的发射极同第八二极管的正极、V相负载、第九开关管的集电极、第九二极管的负极相连接，第九开关管的发射极同第九二极管的正极、第十九二极管的正极、第十开关管的集电极、第十二极管的负极相连接，第十开关管的发射极同第十二极管的正极相连接；第三三电平NPC逆变分电路包括第十一开关管，第十一开关管的集电极同第十一二极管的负极相连接，第十一开关管的发射极同第十一二极管的正极、第十七二极管的负极、第十二开关管的集电极、第十二二极管的负极相连接，第十二开关管的发射极同第十二二极管的正极、W相负载、第十三开关管的集电极、第十三二极管的负极相连接，第十三开关管的发射极同第十三二极管的正极、第二十二极管的正极、第十四开关管的集电极、第十四二极管的负极相连接，第十四开关管的发射极同第十四二极管的正极相连接；所述的第三开关管的集电极同第七开关管的集电极、第十一开关管的集电极和第二电容的一极相连接；所述的第六开关管的发射极同第十开关管的发射极、第十四开关管的发射极和第三电容的一极相连接；所述的第五电容的另一极同第六电容的另一极、第十五二极管的正极、第十六二极管的正极、第十七二极管的正极、第十八二极管的负极、第十九二极管的负极、第二十二极管的负极相连接。

5.根据权利要求3所述的一种改进型双向串联Z源三电平逆变器，其特征在于，所述的开关管为IGBT或MOSFET。