一種單級(jí)升壓逆變器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種單級(jí)升壓逆變器，包括耦合電感、電容Ⅰ、電容Ⅱ、二極管、輸入電感、逆變橋；其中耦合電感包括繞組Ⅰ、繞組Ⅱ，所述繞組Ⅰ、繞組Ⅱ分別包括第一端、第二端，所述繞組Ⅰ的第一端與繞組Ⅱ的第一端互為同名端，所述繞組Ⅰ的第二端與繞組Ⅱ的第二端互為同名端；所述繞組Ⅰ的第一端與繞組Ⅱ的第一端連接，繞組Ⅰ、繞組Ⅱ的匝比n有一定范圍限制，當(dāng)1<n≤2時(shí)，其升壓能力較高。該方案利用較小的匝比實(shí)現(xiàn)較高的升壓能力，流過(guò)逆變器的總功率是由耦合電感和電容共同提供，因此耦合電感的體積和重量相應(yīng)的減小，該逆變器輸入電流連續(xù)，抑制了啟動(dòng)時(shí)的諧振電流對(duì)器件造成的損壞。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種單級(jí)升壓逆變器【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種單級(jí)升壓逆變器，尤其適合直流母線需要升壓供電的電動(dòng)汽車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和輸入電壓變化的新能源發(fā)電系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)電壓源型逆變器的一般結(jié)構(gòu)是由二極管整流器的前端(交流供電)或直流電源，直流環(huán)節(jié)的濾波電容器和逆變橋組成，如圖1所示。通常這種電壓源型逆變器存在下列局限或不足:
[0003](I)交流負(fù)載必須為電感性或與交流電源連接不得不串聯(lián)電感，才能使電壓源逆變器能夠正常工作。
[0004](2)交流輸出電壓被限制只能低于而不能超過(guò)直流母線電壓，因此，對(duì)于DC/AC功率變換，傳統(tǒng)電壓源逆變器是一個(gè)降壓式逆變器。對(duì)于直流電壓較低，需要較高的交流輸出電壓的DC/AC功率變換場(chǎng)合，需要一個(gè)額外的DC/DC升壓式變換器，這個(gè)額外的功率變換級(jí)增加了系統(tǒng)的成本，降低了變換效率。
[0005](3)每個(gè)橋臂的上、下器件不能同時(shí)導(dǎo)通，不管是有意為之，還是因?yàn)殡姶鸥蓴_造成的，否則，會(huì)發(fā)生直通短路，損壞器件。由電磁干擾造成的誤觸發(fā)導(dǎo)致的直通問(wèn)題是變換器可靠性的主要?dú)⑹帧?br> [0006]在一些特定的電機(jī)控制及電能變換的應(yīng)用場(chǎng)合，正是由于存在以上不足，普通的電壓源逆變器恰是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能的瓶頸，制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。
[0007]在純電動(dòng)汽車(chē)與混合動(dòng)力汽車(chē)的電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，直流電壓一般由蓄電池電壓決定，所以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的恒轉(zhuǎn)矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍決定于電池電壓，進(jìn)一步升速，則進(jìn)入恒功率范圍，車(chē)輛的加速能力將下降， 若要改善高速操控性能，驅(qū)動(dòng)逆變器的直流電壓能進(jìn)行升壓調(diào)節(jié)，則能有效地提升車(chē)輛的操控性能。例如以Prius為代表的驅(qū)動(dòng)技術(shù)方案是將電池電壓經(jīng)過(guò)DC/DC變換器升壓，得到穩(wěn)定的直流電壓后，再供給電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。但是，這種拓?fù)湓陔妷涸葱湍孀兤髑安迦胍患?jí)Boost升壓斬波電路，實(shí)現(xiàn)了兩級(jí)變換，效率低，可靠性較差，增加了系統(tǒng)的成本。在日新月異發(fā)展的軌道交通電力牽引領(lǐng)域，也同樣存在類(lèi)似的問(wèn)題，電力牽引的供電電壓常會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，特別是有較大的跌落，這對(duì)正常行駛的高速運(yùn)行的車(chē)輛牽引出力有影響，如果能使逆變器具有母線電壓自行調(diào)節(jié)功能，將會(huì)大大提升行駛的穩(wěn)定性。因此，研究一種拓?fù)浜?jiǎn)單、效率高、可靠性高，并且適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的逆變器意義重大。
[0008]2002年，彭方正教授提出了 Z源逆變器，如圖2所示，在傳統(tǒng)逆變器中加入了無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，將逆變器的主電路與電源耦合。該Z源網(wǎng)絡(luò)的引進(jìn)，可以克服上述傳統(tǒng)電壓源型逆變器的不足。對(duì)于Z源逆變器工作原理的相關(guān)研究已有多個(gè)文獻(xiàn)報(bào)道，其最大的特點(diǎn)是可以對(duì)逆變橋的直流母線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，即Z源逆變器可以將直流電容器的電壓升高到大于整流器平均直流電壓的期望值。當(dāng)輸入電壓跌落或負(fù)載需要較高電壓時(shí)，運(yùn)用傳統(tǒng)電壓型逆變器所沒(méi)有的“直通零矢量”狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升高。所謂“直通零矢量”，就是在逆變器輸出零矢量狀態(tài)中，控制逆變橋的上下功率管直通，使電感電流增長(zhǎng)。因“直通零矢量”仍屬于零矢量，對(duì)逆變器調(diào)制PWM輸出沒(méi)有影響。當(dāng)處于非直通零矢量時(shí)，電感將原先儲(chǔ)存的能量釋放使得直流母線電壓增長(zhǎng)。以較低的輸入電壓，得到期望的逆變器直流母線電壓。Z源逆變器最重要的一點(diǎn)是“直通零矢量”不影響逆變器的零矢量狀態(tài)的輸出，也就是逆變器的負(fù)載PWM電壓不變，輸出電壓不受影響。
[0009]近年來(lái)，許多學(xué)者將Z源變換器應(yīng)用在綠色能源、電力傳動(dòng)等方面，Z源逆變器的優(yōu)點(diǎn)可以有效地調(diào)節(jié)逆變器直流母線電壓的大小，克服了傳統(tǒng)電壓源型逆變器的不足，但是這種逆變器也存在起動(dòng)沖擊電流、諧振、電容需高耐壓等不足。
[0010]2008年，彭方正教授課題組針對(duì)Z源逆變器存在的缺陷和不足，進(jìn)行了改進(jìn)，提出了 quas1-Z-source (準(zhǔn)Z源逆變器)，如圖3所示，輸入電流連續(xù)，避免了啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生沖擊電流。
[0011]由于Z源逆變器和準(zhǔn)Z源逆變器的升壓能力相同，為了提高電壓增益，減小電壓應(yīng)力，2011年，本課題組提出了帶抽頭電感的單級(jí)升壓逆變器，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。2011年，彭方正教授課題組又提出了輸入電流斷續(xù)的trans-Z-source逆變器；
[0012]2012年,其他學(xué)者對(duì)trans-Z-source逆變器進(jìn)行了改進(jìn),在trans-Z-source逆變器的輸入端加入了 LC網(wǎng)絡(luò)，使輸入電流連續(xù)，如圖5所示。
[0013]現(xiàn)有的逆變器結(jié)構(gòu)都是在直通占空比一定的情況下，隨著匝比的增加，電壓增益就相應(yīng)的增大，為了實(shí)現(xiàn)很高的電壓增益，必須增大匝比，這樣，高頻變壓器(耦合電感)的體積、重量、損耗也隨著匝比的增加而相應(yīng)的增大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種匝比小、增益高的單極升壓逆變器，解決了高頻變壓器體積、重量、損耗大的問(wèn)題。
[0015]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用以下技術(shù)方案:
[0016]一種單級(jí)升壓逆變器，包括耦合電感、電容1、電容I1、二極管、輸入電感、逆變橋；其中耦合電感包括繞組1、繞組II ;所述繞組1、繞組II分別包括第一端、第二端，且所述繞組I的第一端與繞組II的第一端互為同名端，所述繞組I的第二端與繞組II的第二端互為同名端；所述繞組I的第一端與繞組II的第一端連接，且與所述二極管的陰極連接；外部輸入電源的正極與所述輸入電感的一端連接，所述輸入電感的另一端分別與所述二極管的陽(yáng)極、所述電容II的一端連接；所述繞組I的第二端分別與所述電容II的另一端、逆變橋輸入端的正極連接；所述繞組II的第二端與所述電容I的一端連接；外部輸入電源的負(fù)極分別與所述電容I的另一端、逆變橋輸入端的負(fù)極連接。
[0017]所述繞組I與繞組II的匝比大于I且小于等于2。
[0018]所述電容1、電容II為電解電容，其中，所述電容I的正極與所述繞組II的第二端連接，所述電容I的負(fù)極分別與所述逆變橋輸入端的負(fù)極、外部電源的負(fù)極連接；所述電容II的正極分別與所述繞組I的第二端、逆變橋輸入端的正極連接，電容II的負(fù)極分別與所述輸入電感的另一端、二極管的陽(yáng)極連接。
[0019]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0020]1、拓?fù)浜?jiǎn)單，通過(guò)較小的匝比實(shí)現(xiàn)較高的電壓增益，減小了耦合電感的體積，重量。
[0021]2、輸入電壓變化范圍大。通過(guò)耦合電感匝比的合理配置可以穩(wěn)定直流母線電壓的大小。
[0022]3、效率高、可靠性高。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和Z源逆變器都允許直通現(xiàn)象，把直通狀態(tài)作為一種正常的工作狀態(tài)，避免了因電磁干擾等造成直通損壞功率器件的問(wèn)題。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過(guò)一級(jí)變換而非兩級(jí)變換就可實(shí)現(xiàn)升壓逆變的目的。
[0023]4、輸入端加入LC網(wǎng)絡(luò)使得輸入電流連續(xù)，解決了啟動(dòng)時(shí)沖擊電流大的問(wèn)題，同時(shí)也拓寬了升壓能力。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0024]圖1為現(xiàn)有技術(shù)中電壓源逆變器。
[0025]圖2為現(xiàn)有技術(shù)中Z源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖3為現(xiàn)有技術(shù)中quas1-Z-source逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0027]圖4為現(xiàn)有技術(shù)中帶抽頭電感的單級(jí)升壓逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0028]圖5為現(xiàn)有技術(shù)中具有LC網(wǎng)絡(luò)的trans-Z-source逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0029]圖6為本發(fā)明單級(jí)升壓逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖。
[0030]圖7為本發(fā)明單級(jí)升壓逆變器的直通狀態(tài)等效電路圖。
[0031]圖8為本發(fā)明單級(jí)升壓逆變器的非直通狀態(tài)等效電路圖。
[0032]圖9為本發(fā)明仿真波形圖。
[0033]圖10為本發(fā)明輸入電流和直流母線電壓仿真波形的展開(kāi)圖。
[0034]圖11為本發(fā)明耦合電感繞組L2、繞組LI兩端的電壓波形以及二極管VDl承受的電壓波形。
【具體實(shí)施方式】
[0035]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)及工作過(guò)程作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0036]根據(jù)附圖6所示，本發(fā)明的單級(jí)升壓逆變器是在附圖5基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括:電源U1、耦合電感Lc、電容Cl、電容C2、二極管VDl、輸入電感L3、逆變橋；其中耦合電感Lc包括繞組L1、L2，所述繞組L1、繞組L2分別包括第一端、第二端；所述電源Ui的正極與所述輸入電感L3的一端連接，電流iin從電源Ui流向輸入電感L3 ;所述輸入電感L3的另一端分別與所述二極管VDl的陽(yáng)極、所述電容C2的一端連接；所述二極管VDl的陰極分別與所述繞組L1、L2的第一端連接；所述繞組LI的第二端分別與所述電容C2的另一端、逆變橋輸入端的正極連接；所述繞組L2的第二端與所述電容Cl的一端連接；所述電源Ui的負(fù)極分別與所述電容Cl的另一端、逆變橋輸入端的負(fù)極連接，所述逆變橋包括開(kāi)關(guān)管Tl?T6 ;所述繞組L1、L2的匝數(shù)分別為N1、N2。
[0037]本實(shí)施例電容Cl、C2均采用電解電容。
[0038]二極管VDl是必須的，使耦合電感在直通時(shí)存儲(chǔ)能量。
[0039]該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的工作模態(tài)如附圖7、附圖8所示，其工作過(guò)程為:
[0040]模態(tài)1:附圖7所示電路逆變橋處于直通狀態(tài)時(shí)的等效電路，電路有兩個(gè)回路，其回路方向在附圖7中已用虛線標(biāo)出，電源％、輸入電感L3、電容C2組成一個(gè)回路；電容Cl、耦合電感Lc組成另一個(gè)回路。電源Ui和電容C2向輸入電感L3放電，其輸入電感L3與電源Ui相連的一端電壓為正，另一端電壓為負(fù)，兩端電壓為Uu。電容Cl放電,稱(chēng)合電感Lc存儲(chǔ)能量，其繞組LI兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繞組LI的第一端電壓為正，第二端電壓為負(fù)，其兩端電壓為Uu ;L2兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，繞組L2的第一端電壓為正，第二端電壓為負(fù)，其兩端電壓為隊(duì)2,繞組L1、L2輸出的電流分別為iu、L。二極管VDl兩端承受的電壓為uVD1=-uu_uu,二極管VDl承受反向電壓而截止，其耦合電感Lc的繞組L1、繞組L2承受的電壓波形以及二極管VDl兩端電壓波形如附圖11所示，在直通狀態(tài)時(shí)二極管VDl承受的電壓波形在負(fù)半軸為負(fù)值?？傊?，電路處于直通狀態(tài)時(shí)，電容Cl、C2釋放能量，輸入電感L3和耦合電感Lc儲(chǔ)能；繞組L1、繞組L2的匝數(shù)分別為N1、N2，匝比為η=Ν1/Ν2，Ν1>Ν2。根據(jù)對(duì)以上電路的分析，可得出以下表達(dá)式:
[0041]
【權(quán)利要求】
1.一種單級(jí)升壓逆變器，包括耦合電感、電容1、電容I1、二極管、輸入電感、逆變橋；其中耦合電感包括繞組1、繞組II ;所述繞組1、繞組II分別包括第一端、第二端，且所述繞組I的第一端與繞組II的第一端互為同名端，所述繞組I的第二端與繞組II的第二端互為同名端；其特征在于:所述繞組I的第一端與繞組II的第一端連接，且與所述二極管的陰極連接；外部輸入電源的正極與所述輸入電感的一端連接，所述輸入電感的另一端分別與所述二極管的陽(yáng)極、所述電容II的一端連接；所述繞組I的第二端分別與所述電容II的另一端、逆變橋輸入端的正極連接；所述繞組II的第二端與所述電容I的一端連接；外部輸入電源的負(fù)極分別與所述電容I的另一端、逆變橋輸入端的負(fù)極連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級(jí)升壓逆變器，其特征在于:所述繞組I與繞組II的匝比大于I且小于等于2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單級(jí)升壓逆變器，其特征在于:所述電容1、電容II為電解電容，其中，所述電容I的正極與所述繞組II的第二端連接，所述電容I的負(fù)極分別與所述逆變橋輸入端的負(fù)極、外部電源的負(fù)極連接；所述電容II的正極分別與所述繞組I的第二端、逆變橋輸入端的正極連接，電容II的負(fù)極分別與所述輸入電感的另一端、二極管的陽(yáng)極連。
【文檔編號(hào)】H02M7/44GK103457496SQ201310358565
【公開(kāi)日】2013年12月18日 申請(qǐng)日期:2013年8月15日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月15日
【發(fā)明者】李春杰, 黃文新 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)