一種新型高增益準z源逆變器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種新型高增益準Z源逆變器電路，包括電壓源，由第一電感、第一二極管、第一電容、第四電感、第四電容和第四二極管構成的第一準Z源單元，由第二電感、第二電容、第三二極管、第三電感和第三電容構成的第二準Z源單元，第二二極管，第五二極管，三相逆變橋，輸出濾波電感、濾波電容和負載。整個電路結合了兩個準Z源單元各自的單級升降壓特性，具有更高的輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關器件的電壓應力，且電路啟動時不存在沖擊電流。
【專利說明】
一種新型高増益準Z源逆變器
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電力電子電路技術領域，具體涉及一種新型高增益準Z源逆變器電路。
【背景技術】
[0002] 在燃料電池發(fā)電、光伏發(fā)電中，由于單個太陽能電池或者單個燃料電池提供的直 流電壓較低，無法滿足現有用電設備的用電需求，也不能滿足并網的需求，往往需要將多個 電池串聯起來達到所需的電壓。這種方法一方面大大降低了整個系統(tǒng)的可靠性，另一方面 還需解決串聯均壓問題。為此，需要能夠把低電壓轉換為高電壓的高增益變換器電路。近幾 年提出的Z源升壓變換器是一種高增益變換器電路，但該電路具有較高的阻抗網絡電容電 壓應力，電源電流不連續(xù)，輸出與輸入不共地，且電路啟動時存在很大啟動沖擊電流問題， 限制了該電路在實際中的應用。

【發(fā)明內容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于克服上述現有技術的不足，提供一種新型高增益準Z源逆變器 電路，具體技術方案如下。
[0004] -種新型高增益準Z源逆變器，包括電壓源、第一準Z源單元、第二準Z源單元、三相 逆變橋、輸出濾波電容、濾波電感和三相對稱負載。所述第一準Z源單元由第一電感、第一二 極管、第一電容、第四電感、第四電容和第四二極管構成;所述第二準Z源單元由第二電感、 第二電容、第三電感、第三電容和第三二極管構成。
[0005] 上述的一種新型高增益準Z源逆變器中：所述電壓源的正極分別與第一電感的一 端、第二二極管的陽極、第三電容的負極和第四電容的負極連接;所述第一電感的另一端分 別與第一二極管的陽極和第一電容的負極連接;所述第一二極管的陰極分別與第二二極管 的陰極和第二電感的一端連接;所述第二電感的另一端分別與第二電容的負極和第三二極 管的陽極連接;所述第三二極管的陰極分別與第三電感的一端和第三電容的正極連接;所 述第三電的另一端分別與第四二極管的陽極和第五二極管的陽極連接;所述第四二極管的 陰極分別與第四電容的正極和第四電感的一端連接;所述第四電感的另一端分別與第二電 容的正極、第一電容的正極、第五二極管的陰極和三相逆變橋的正極性端連接;所述電壓源 的負極與三相逆變橋的負極性端連接。
[0006] 當三相逆變橋的橋臂直通交流側負載短路時，所述第一二極管第三二極管和第四 二極管均關斷。所述電壓源和第一電容對第一電感充電；所述電壓源和第二電容對第二電 感充電;所述電壓源和第三電容對第三電感充電;所述電壓源和第四電容對第四電感充電。 當三相逆變橋的橋臂非直通接入交流側負載時，所述第一二極管、第三二極管和第四二極 管均導通，第二二極管和第五二極管關斷。第一電感和第二電感對第三電容充電，形成回 路;第一電感、第二電感和第三電感一起對第四電容充電，形成回路;第三電感和第四電感 一起給第二電容充電，形成回路;第二電感、第三電感和第四電感一起給與第一電容充電， 形成回路;所述電壓源與第一電感、第二電感、第三電感和第四電感一起通過三相逆變橋給 交流側負載進行供電。整個電路結合了兩個準Z源單元各自的單級升降壓特性，具有較高的 輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關器件的電壓應力，且電路不存在啟動 電流沖擊問題。
[0007] 與現有技術相比，本發(fā)明電路具有如下優(yōu)點和技術效果:本發(fā)明結合了兩個準z源 單元各自的單級升降壓特性，具有更高的輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中 開關器件的電壓應力，且電路不存在啟動沖擊電流，因而更適合應用于燃料電池發(fā)電和光 伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術領域。
【附圖說明】
[0008] 圖1是本發(fā)明【具體實施方式】中的一種新型高增益準Z源逆變器電路。
[0009] 圖2是對圖1所示一種新型高增益準Z源逆變器進行模態(tài)分析的簡化等效電路。
[0010] 圖3a、圖3b分別是圖1所示一種新型高增益準Z源逆變器在其三相逆變橋直通時和 非直通時的等效電路圖。
[0011] 圖4a為本發(fā)明電路的升壓因子曲線與開關電感Z源逆變器、基于二極管二級拓展 的準Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子曲線比較圖。
[0012] 圖4b為四種逆變器的調制系數M與交流側輸出電壓增益G的關系曲線圖。
[0013] 圖4c為四種逆變器中開關器件電壓應力的比較圖。
[0014] 圖4d為以Vi = 10V，直通占空比D = 0.25為例給出了本發(fā)明電路直流側和交流側 相關變量的仿真結果圖。
【具體實施方式】
[0015] 以上內容已經對本發(fā)明的技術方案作了詳細說明，以下結合附圖對本發(fā)明的具體 實施作進一步描述。
[0016] 參考圖1，本發(fā)明所述的一種新型高增益準Z源逆變器，其包括電壓源，由第一電 感、第一二極管、第一電容、第四電感、第四電容和第四二極管構成的第一準Z源單元，由第 二電感、第二電容、第三二極管、第三電感和第三電容構成的第二準Z源單元，第二二極管， 第五二極管，三相逆變橋，輸出濾波電感、濾波電容和負載。所述電壓源的正極分別與第一 電感的一端、第二二極管的陽極、第三電容的負極和第四電容的負極連接;所述第一電感的 另一端分別與第一二極管的陽極和第一電容的負極連接;所述第一二極管的陰極分別與第 二二極管的陰極和第二電感的一端連接;所述第二電感的另一端分別與第二電容的負極和 第三二極管的陽極連接;所述第三二極管的陰極分別與第三電感的一端和第三電容的正極 連接;所述第三電的另一端分別與第四二極管的陽極和第五二極管的陽極連接;所述第四 二極管的陰極分別與第四電容的正極和第四電感的一端連接;所述第四電感的另一端分別 與第二電容的正極、第一電容的正極、第五二極管的陰極和三相逆變橋的正極性端連接;所 述電壓源的負極與三相逆變橋的負極性端連接。
[0017] 圖3a、圖3b給出了本發(fā)明電路的工作過程等效電路圖。圖3a、圖3b分別是逆變橋直 通和非直通時段的等效電路圖。圖中實線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換 器中無電流流過的部分。
[0018] 本發(fā)明的工作過程如下：
[0019] 階段1，如圖3a:當三相逆變橋的橋臂直通交流側負載短路時，所述第一二極管Di 第三二極管D3和第四二極管D4均關斷。所述電壓源Vi和第一電容&對第一電感U充電；所述 電壓源Vi和第二電容C 2對第二電感L2充電；所述電壓源Vi和第三電容C3對第三電感L3充電； 所述電壓源I和第四電容C 4對第四電感L4充電。
[0020] 階段2,如圖3b:當三相逆變橋的橋臂非直通接入交流側負載時，所述第一二極管 Di、第三二極管D3和第四二極管D4均導通，第二二極管D2和第五二極管D5關斷。第一電感1^和 第二電感L 2對第三電容C3充電，形成回路;第一電感1^、第二電感L2和第三電感L 3-起對第四 電容C4充電，形成回路;第三電感L3和第四電感L4一起給第二電容&充電，形成回路;第二電 感1^ 2、第三電感L3和第四電感L4一起給與第一電容&充電，形成回路;所述電壓源Vi與第一電 感1^、第二電感L 2、第三電感L3和第四電感L4 一起通過三相逆變橋給交流側負載進行供電。
[0021] 綜上情況，設定逆變橋的直通占空比為D，開關周期為Ts。并設定Vl1、Vl 2、Vl3和Vw分 別為第一電感Li、第二電感L2、第三電感L 3和第四電感L4兩端的電壓，VC1、VC2、VC3和V C4分別為 第一電容&、第二電容C2、第三電容C3和第四電容C4兩端的電壓，V?為逆變橋直流側鏈電壓。 當逆變器進入穩(wěn)態(tài)工作后，得出以下的電壓關系推導過程。
[0022] 階段1:逆變橋直通(相當于51閉合)期間，對應的等效電路圖3a所示，因此有如下 公式：
[0023] VLi_〇n = Vi+Vci (1)
[0024] VL2_on = Vi+Vc2 (2)
[0025] VL3_〇n = Vi+Vc3 (3)
[0026] VL4_〇n = Vi+Vc4 (4)
[0027] Vpn = 0 (5)
[0028] 逆變橋的直通時間為DTS。
[0029]階段2:逆變橋非直通（相當于51斷開）期間，對應的等效電路如圖3b所示，因此有 如下公式：
[0030] Vn_〇ff = Vci_Vc2_Vc3 (6)
[0031] VL2_〇ff = Vc2_Vci (7)
[0032] VL3_〇ff = Vc3-Vc4 (8)
[0033] Vl4-〇ff = Vc4_Vc3_Vc2 (9)
[0034] VPN = Vi-Vn_〇f f-VL2_of f~VL3_of f~VL4_of f (10)
[0035] 逆變橋的非直通時間為（l-D)Ts。
[0036] 根據以上分析，對分別第一電感U、第二電感L2、第三電感L3和第四電感L4運用電 感伏秒數守恒原理，聯立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(6)、式(7)、式(8)和式(9)可得：
[0037] D (Vi+Vci) + (1-D) (Vci-Vc2-Vc3) = 0 (11)
[0038] D (Vi+Vc2) + (1 -D) (Vc2-Vci) = 0 (12)
[0039] D (Vi+Vcs) + (1 -D) (Vc3-Vc4) = 0 (13)
[0040] D (Vi+Vc4) + (1 -D) (Vc4-Vc3-Vc2) = 0 (14)
[0041] 聯立式（11)、式（12)、式（13)和式（14)，可得出第一電容&的電壓VC1、第二電容C 2 的電壓VC2、第三電容C3的電壓VC3、第四電容C4的電壓VC4與電壓源Vi之間的關系式分別為： (15) (10;
[0044] 則把式(15)和式(16)代入式(10)，可得三相逆變橋直流鏈電壓VPN的表達式為：：
(17)
[0046] 則本發(fā)明電路的升壓因子(Boost Factor)B為：
(18)
[0048]對應的交流側輸出電壓增益為：
[0049] g=MB=(0 ~①）(19)
[0050]如圖4a所示為本發(fā)明電路的升壓因子曲線與開關電感Z源逆變器、基于二極管二 級拓展的準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，開關電感Z源逆變器的升壓因子曲線，基于二極管二級拓展的準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D不超過 0.29的情況下，升壓因子B就可以達到很大，明顯高于其他逆變器拓撲結構的升壓因子，且 本發(fā)明電路的占空比D不會超過0.29。
[0051]圖4b為四種逆變器的調制系數M與交流側輸出電壓增益G的關系曲線圖，由圖可知 在具有相同的交流側輸出電壓增益G的情況下，本發(fā)明電路比其他三種逆變器電路可以用 到更大的調制系數M對逆變器進行調制，進而提高了逆變器的直流電壓利用率，改善了交流 側輸出電壓波形的質量。
[0052]圖4c為四種逆變器中開關器件電壓應力的比較，由圖可知本發(fā)明電路逆變橋中開 關器件的電壓應力要比其他三種逆變器拓撲都要小，進而減小了使用開關器件的成本費 用。
[0053]僅作為實例，圖4d以輸入電壓Vi = 10V，直通占空比D = 0.25為例給出了本發(fā)明電 路直流側和交流側相關變量的仿真結果。D = 0.25時，升壓因子B = 8,則逆變橋直流側鏈電 壓VpN = B*Vi = 80V，電容電壓VC1 = VC2 = 35V，VC3 = VC4 = 50V。此外，圖4d中還給出了電感電流 iLl ( = iL4)和iL3( = iL2)的波形，父流側輸出相電壓Voutphase和輸出線電壓Voutline的波形，以及 三相對稱電阻負載兩端電壓Vr的波形。
[0054]綜上所述，本發(fā)明電路結合了兩個準Z源單元各自的單級升降壓特性，具有較高的 輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關器件的電壓應力，且不存在電路啟動 沖擊電流的問題。
[0055]上述實施例為本發(fā)明較佳的實施方式，但本發(fā)明的實施方式并不受所述實施例的 限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡化， 均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種新型高增益準Z源逆變器，其特征在于包括電壓源(1)、第一準Z源單元、第二準Z 源單元、三相逆變橋、輸出濾波電容、濾波電感和三相對稱負載;所述第一準Z源單元由第一 電感(L1)、第一二極管(D 1)、第一電容(C1)、第四電感(L4)、第四電容(C4)和第四二極管(D4) 構成;所述第二準Z源單元由第二電感(L 2)、第二電容(C2)、第三電感(L3)、第三電容(C3)和 第三二極管(D 3)構成。2. 根據權利要求1所述的一種新型高增益準Z源逆變器，其特征在于所述電壓源(1)的 正極分別與第一電感(L1)的一端、第二二極管(D 2)的陽極、第三電容(C3)的負極和第四電容 (C4)的負極連接;所述第一電感(Li)的另一端分別與第一二極管(Di)的陽極和第一電容 (C 1)的負極連接;所述第一二極管(D1)的陰極分別與第二二極管(D2)的陰極和第二電感 (L 2)的一端連接;所述第二電感(L2)的另一端分別與第二電容（C2)的負極和第三二極管 (D 3)的陽極連接;所述第三二極管(D3)的陰極分別與第三電感(L3)的一端和第三電容(C 3) 的正極連接;所述第三電感(L3)的另一端分別與第四二極管(D4)的陽極和第五二極管(D 5) 的陽極連接;所述第四二極管(D4)的陰極分別與第四電容(C4)的正極和第四電感(L 4)的一 端連接;所述第四電感(L4)的另一端分別與第二電容(C2)的正極、第一電容(C 1)的正極、第 五二極管(D5)的陰極和三相逆變橋的正極性端連接;所述電壓源(V1)的負極與三相逆變橋 的負極性端連接。3. 根據權利要求1所述的一種新型高增益準Z源逆變器，其特征在于當三相逆變橋的橋 臂直通交流側負載短路時，所述第一二極管(D 1)第三二極管(D3)和第四二極管(D4)均關斷； 所述電壓源(V i)和第一電容(C1)對第一電感(L1)充電;所述電壓源(Vi)和第二電容(C 2)對第 二電感(L2)充電；所述電壓源(Vi)和第三電容(C 3)對第三電感(L3)充電；所述電壓源(Vi)和 第四電容(C4)對第四電感(L4)充電；當三相逆變橋的橋臂非直通接入交流側負載時，所述第 一二極管(DD、第三二極管(D 3)和第四二極管(D4)均導通，第二二極管(D2)和第五二極管 (D 5)關斷;第一電感(1^)和第二電感(L2)對第三電容(C3)充電，形成回路;第一電感(1^)、第 二電感(L 2)和第三電感(L3)-起對第四電容(C4)充電，形成回路;第三電感(L3)和第四電感 (L 4)一起給第二電容(C2)充電，形成回路;第二電感(L2)、第三電感(L 3)和第四電感(L4)一起 給與第一電容(C1)充電，形成回路;所述電壓源(V 1)與第一電感(LD、第二電感(L2)、第三電 感(L3)和第四電感(L 4) 一起通過三相逆變橋給交流側負載進行供電。
【文檔編號】H02M7/5387GK105958855SQ201610508636
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年6月30日
【發(fā)明人】張波, 朱小全, 丘東元
【申請人】華南理工大學