本發(fā)明涉及電力電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器。

背景技術(shù)：

z源逆變器在輸入源和逆變橋之間接入了一個x形的lc阻抗網(wǎng)絡(luò)，兼具升壓和降壓的獨(dú)特性質(zhì)，且由于其在較低占空比下較之boost變換器具有更高的電壓增益，使得其廣泛應(yīng)用于燃料電池發(fā)電和光伏發(fā)電中。傳統(tǒng)的z源逆變器存在著電源電流不連續(xù)和輸入輸出不共地等缺陷，近年來提出的準(zhǔn)z源逆變器很好地解決了這兩個問題，且通過多級準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)可以獲得相當(dāng)高的電壓增益。然而，多級準(zhǔn)z源的級聯(lián)隨之增加了電感、電容等無源器件的數(shù)量，使得電路的體積、重量和成本大大增加，限制了該電路在以系統(tǒng)體積、重量和成本為限制因素的低功耗電路中的應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種綜合準(zhǔn)z源高增益特性和有源開關(guān)電容并聯(lián)充電串聯(lián)放電特性的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器，極大地減少了無源器件的數(shù)量，以更低占空比實現(xiàn)了更高的輸出電壓增益，提高了系統(tǒng)的功率密度，在以電路體積、重量和成本為主要限制因素的低功耗電路應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案為：一種有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器，包括電壓源、準(zhǔn)z源單元、有源開關(guān)電容單元、單相逆變橋、輸出濾波電感、輸出濾波電容和負(fù)載；所述準(zhǔn)z源單元由第一電感、第二電感、第一電容、第一二極管、第二二極管構(gòu)成；所述有源開關(guān)電容單元由mos管、第二電容、第三二極管、第四二極管構(gòu)成；所述電壓源的正極與第一電感的一端連接；所述第一電感的另一端分別與第一二極管的陽極和第二二極管的陽極連接；所述第一二極管的陰極分別與第一電容的正極和第二電感的一端連接；所述第二二極管的陰極分別與第三二極管的陽極、第二電感的另一端和mos管的漏極連接；所述mos管的源極分別與第二電容的負(fù)極和第四二極管的陽極連接；所述第三二極管的陰極分別與第二電容的正極和單相逆變橋的正極性端連接；所述電壓源的負(fù)極分別與第一電容的負(fù)極、第四二極管的陰極和單相逆變橋的負(fù)極性端連接；所述單相逆變橋通過并聯(lián)的輸出濾波電感和輸出濾波電容與負(fù)載連接。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點與有益效果：

1、與傳統(tǒng)的z源逆變器相比，所用的電感和電容數(shù)量一樣，但電壓增益顯著提升。

2、與帶開關(guān)阻抗網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型升壓準(zhǔn)z源逆變器相比，電壓增益相同，但電感數(shù)量和電容數(shù)量分別減少了兩個，因而極大地減少了無源器件的數(shù)量，以更低占空比實現(xiàn)更高的輸出電壓增益，提高了系統(tǒng)的功率密度，在以電路體積、重量和成本為主要限制因素的低功耗電路應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢，因而應(yīng)用范圍更廣。

3、輸入電流連續(xù)，輸入與逆變橋共地，且電路不存在啟動沖擊問題。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所述有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器的電路原理圖。

圖2是圖1所示有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器進(jìn)行模態(tài)分析的簡化等效電路圖。

圖3a是本發(fā)明的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器在其單相逆變橋直通時的等效電路圖。

圖3b是本發(fā)明的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器在其單相逆變橋非直通時的等效電路圖。

圖4a是本發(fā)明電路的升壓因子曲線與基于二極管的兩級拓展的準(zhǔn)z源逆變器、有源開關(guān)電容/開關(guān)電感準(zhǔn)z源逆變器和傳統(tǒng)z源逆變器的升壓因子曲線比較圖。

圖4b是以vi＝30v，直通占空比d＝0.25，調(diào)制度m＝0.5為例給出了本發(fā)明電路直流側(cè)相關(guān)變量的仿真結(jié)果圖。

圖4c是以vi＝30v，直通占空比d＝0.25，調(diào)制度m＝0.5為例給出了本發(fā)明電路交流側(cè)相關(guān)變量的仿真結(jié)果圖。

具體實施方式

下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

參見圖1所示，本實施例所提供的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器，包括電壓源vi、準(zhǔn)z源單元、有源開關(guān)電容單元、單相逆變橋，輸出濾波電感、輸出濾波電容和負(fù)載r。所述準(zhǔn)z源單元由第一電感l(wèi)1、第二電感l(wèi)2、第一電容c1、第一二極管d1、第二二極管d2構(gòu)成；所述有源開關(guān)電容單元由mos管s、第二電容c2、第三二極管d3、第四二極管d4構(gòu)成。所述電壓源vi的正極與第一電感l(wèi)1的一端連接；所述第一電感l(wèi)1的另一端分別與第一二極管d1的陽極和第二二極管d2的陽極連接；所述第一二極管d1的陰極分別與第一電容c1的正極和第二電感l(wèi)2的一端連接；所述第二二極管d2的陰極分別與第三二極管d3的陽極、第二電感l(wèi)2的另一端和mos管s的漏極連接；所述mos管s的源極分別與第二電容c2的負(fù)極和第四二極管d4的陽極連接；所述第三二極管d3的陰極分別與第二電容c2的正極和單相逆變橋的正極性端連接；所述電壓源vi的負(fù)極分別與第一電容c1的負(fù)極、第四二極管d4的陰極和單相逆變橋的負(fù)極性端連接；所述單相逆變橋通過并聯(lián)的輸出濾波電感l(wèi)f和輸出濾波電容cf與負(fù)載r連接。

當(dāng)逆變橋直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq閉合)同時mos管s導(dǎo)通時，所述第二二極管d2導(dǎo)通，第一二極管d1、第三二極管d3和第四二極管d4均關(guān)斷，單相逆變橋交流側(cè)負(fù)載短路。電路形成兩個回路，分別是：所述電壓源vi串聯(lián)第二電容c2一起給第一電感l(wèi)1儲能，形成回路；所述第一電容c1串聯(lián)第二電容c2一起給第二電感l(wèi)2儲能，形成回路。當(dāng)逆變橋非直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq關(guān)斷)同時mos管s關(guān)斷時，所述第二二極管d2關(guān)斷，第一二極管d1、第三二極管d3和第四二極管d4均導(dǎo)通。電路形成三個回路，分別是：所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1串聯(lián)一起給第一電容c1充電，形成回路；所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2串聯(lián)一起給第二電容c2充電，形成回路；所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2串聯(lián)一起通過逆變橋給交流側(cè)負(fù)載供電，形成回路。整體電路輸入電流連續(xù)，輸入與逆變橋共地，與傳統(tǒng)的z源逆變器相比，所用的電感和電容數(shù)量一樣，但電壓增益顯著提升。與帶開關(guān)阻抗網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型升壓準(zhǔn)z源逆變器相比，電壓增益相同，但電感數(shù)量和電容數(shù)量分別減少了兩個，極大地減少了系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高了系統(tǒng)的功率密度。且電路不存在啟動沖擊問題。

圖3a、圖3b給出了本發(fā)明電路的工作過程圖。圖3a、圖3b分別是逆變橋直通和非直通期間的等效電路圖。圖中實線表示電路中有電流流過的部分，虛線表示電路中無電流流過的部分。

結(jié)合圖3a、圖3b，本實施例上述的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器的工作過程如下：

階段1，如圖3a：當(dāng)逆變橋直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq閉合)同時mos管s導(dǎo)通時，所述第二二極管d2導(dǎo)通，第一二極管d1、第三二極管d3和第四二極管d4均關(guān)斷，單相逆變橋交流側(cè)負(fù)載短路。電路形成兩個回路，分別是：所述電壓源vi串聯(lián)第二電容c2一起給第一電感l(wèi)1儲能，形成回路；所述第一電容c1串聯(lián)第二電容c2一起給第二電感l(wèi)2儲能，形成回路。

階段2，如圖3b：當(dāng)逆變橋非直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq關(guān)斷)同時mos管s關(guān)斷時，所述第二二極管d2關(guān)斷，第一二極管d1、第三二極管d3和第四二極管d4均導(dǎo)通。電路形成三個回路，分別是：所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1串聯(lián)一起給第一電容c1充電，形成回路；所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2串聯(lián)一起給第二電容c2充電，形成回路；所述電壓源vi與第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2串聯(lián)一起通過逆變橋給交流側(cè)負(fù)載供電，形成回路。

綜上情況，當(dāng)逆變橋直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq閉合)時mos管s導(dǎo)通，當(dāng)逆變橋非直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq關(guān)斷)時mos管s關(guān)斷。一個開關(guān)周期內(nèi)，設(shè)逆變橋直通占空比為d，則mos管s的導(dǎo)通占空比同樣為d，設(shè)第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2兩端的電壓分別為vl1和vl2，設(shè)第一電容c1和第二電容c2兩端的電壓分別為vc1和vc2，設(shè)逆變橋直流側(cè)的電壓為vdc，得出以下電壓增益的推導(dǎo)過程。

階段1：逆變橋直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq閉合)同時mos管s導(dǎo)通期間，對應(yīng)等效電路圖如圖3a，因此有如下公式：

vl1_on＝vi+vc2(1)

vl2_on＝vc1+vc2(2)

逆變橋的直通時間和mos管s導(dǎo)通時間為dts。

階段2：逆變橋非直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq關(guān)斷)同時mos管s關(guān)斷期間，對應(yīng)等效電路圖如圖3b，因此有如下公式：

vl1_off＝vi-vc1(3)

vl2_off＝vc1-vc2(4)

逆變橋的非直通時間和mos管s關(guān)斷時間為(1-d)ts。

由以上分析，根據(jù)電感的伏秒特性，對第一電感l(wèi)1和第二電感l(wèi)2分別應(yīng)用電感伏秒平衡原理，有，

(vi+vc2)d+(vi-vc1)(1-d)＝0(5)

(vc1+vc2)d+(vc1-vc2)(1-d)＝0(6)

綜上，聯(lián)立式(5)和式(6)可得出第一電容c1的電壓vc1和第二電容c2的電壓vc2與電壓源vi之間的關(guān)系式為：

在逆變橋直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq閉合)同時mos管s導(dǎo)通期間，逆變橋直流側(cè)的電壓vdc為零，在逆變橋非直通(相當(dāng)于圖2簡化等效電路中的seq關(guān)斷)同時mos管s關(guān)斷期間，逆變橋直流側(cè)的電壓vdc與第二電容c2的電壓vc2相等，為vdc_max,即

則本發(fā)明電路的升壓因子(boostfactor)b為：

對應(yīng)的交流側(cè)輸出電壓增益g為：

g＝mb＝(0～∞)(11)

由式(11)可知，本發(fā)明的有源開關(guān)電容準(zhǔn)z源逆變器的電壓增益為與傳統(tǒng)的z源逆變器相比，所用的電感和電容數(shù)量一樣，但電壓增益顯著提升。與帶開關(guān)阻抗網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)型升壓準(zhǔn)z源逆變器相比，電壓增益相同，但電感數(shù)量和電容數(shù)量分別減少了兩個，極大地減少了系統(tǒng)的體積、重量和成本，提高了系統(tǒng)的功率密度。

圖4a是本發(fā)明電路的升壓因子曲線與基于二極管的兩級拓展的準(zhǔn)z源逆變器、有源開關(guān)電容/開關(guān)電感準(zhǔn)z源逆變器和傳統(tǒng)z源逆變器的升壓因子曲線比較圖：圖中包括本發(fā)明電路的升壓因子曲線，基于二極管的兩級拓展的準(zhǔn)z源逆變器的升壓因子曲線，有源開關(guān)電容/開關(guān)電感準(zhǔn)z源逆變器的升壓因子曲線，傳統(tǒng)z源逆變器的升壓因子曲線。由圖可知，本發(fā)明電路在占空比不超過0.29的情況下，升壓因子顯著高于其他逆變器拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)的升壓因子，且本發(fā)明電路的占空比不會超過0.29。

圖4b是本發(fā)明電路在vi＝30v，直通占空比d＝0.25，調(diào)制度m＝0.5的情況下直流側(cè)相關(guān)變量的仿真結(jié)果。d＝0.25時，升壓因子b＝8，逆變橋直流側(cè)電壓峰值vdc_max＝b*vi＝240v，第二電容電壓vc2＝vdc_max＝240v，第一電容電壓vc1＝120v，mos管s兩端電壓vs＝240v。圖4b中的電路波形由上至下依次為：mos管s兩端電壓vs的波形、逆變橋直流側(cè)電壓vdc的波形、第一電容電壓vc1的波形、第二電容電壓vc2的波形、第一電感電流il1的波形、第一電感電流il2的波形。

圖4c為交流側(cè)經(jīng)lc濾波后的負(fù)載兩端電壓v0的波形。

以上所述之實施例子只為本發(fā)明之較佳實施例，并非以此限制本發(fā)明的實施范圍，故凡依本發(fā)明之形狀、原理所作的變化，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。