CN103368430A

CN103368430A - 单级升压逆变器

Info

Publication number: CN103368430A
Application number: CN2013102839702A
Authority: CN
Inventors: 周玉斐; 黄文新
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2013-07-08
Filing date: 2013-07-08
Publication date: 2013-10-23

Abstract

本发明公开了单级升压逆变器，属于电力电子器件的技术领域。所述单级升压逆变器包括依次连接的无源网络和逆变器，无源网络包括：由正向串联的第一绕组（N1）、第二绕组（N2）构成的抽头电感（Lt），电感（L），二极管（D），第一电容（C1），第二电容（C2）。电路结构大为简化，降低***的损耗和成本，增加可靠性；在相同的逆变桥直通占空比和输入电压下，大幅度提高升压性能。

Description

单级升压逆变器

技术领域

本发明公开了单级升压逆变器，属于电力电子器件的技术领域。

背景技术

传统的电压源逆变器，通常存在下列局限或不足：

（1）交流输出电压只能低于而不能高于直流母线电压。因此，传统电压源逆变器是一个降压式逆变器。对于直流电压较低，需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换场合，需要前级增加一个额外的DC/DC升压式变换器。

（2）交流负载必须为电感性或与交流电源连接不得不串联电感，才能使电压源逆变器能够正常工作。

（3）每个桥臂的上、下开关器件不能同时导通，否则，桥臂发生直通短路，损坏开关管。由电磁干扰造成的误触发导致的直通问题是变换器可靠性的主要杀手。

分布式发电***在能量转化时依赖的因素较多，如风力发电***、太阳能光伏发电***和燃料电池发电***都具有输出电压变化范围大的特性，而用电负载或并网均要求分布式发电***输出相对稳定的电压。因此，***中的变换电路多采用带DC/DC无源网络的电压源并网逆变器。电压源逆变器将直流电能逆变并传输到电网，DC/DC无源网络将波动较大的输入电压提升到一稳定的值，以满足逆变器调制所需幅值交流电压的要求。

在一些特定的电机控制及电能变换的应用场合，正是由于存在以上不足，传统的电压源逆变器恰是实现***功能的瓶颈，制约了相关技术的发展与进步。如在电动汽车与混合动力汽车的电力驱动***中，需要在电压源逆变器前级加入DC/DC无源网络，提升母线电压，有效地提升电机恒转矩区的范围，提升电机的加速性能，特别是高速段的加速性能，使车辆的动力性能提升；在轨道交通电力牵引领域，也需要加入DC/DC无源网络，在供电电压产生较大的波动，甚至是较大的跌落时，提升母线电压，提高高速运行的车辆行驶的稳定性。

在传统的电压源逆变器前***一级DC/DC无源网络的方案，增加了***的成本，降低了变换效率，且增加的功率开关器件及其驱动电路也降低了***的可靠性。因此，研究一种拓扑简单、高效、高可靠性的适应较大输入电压变化范围的逆变器，具有很大的现实意义。

2002年提出的Z源电压型逆变器（Z-SourceInverter），在输入电源和逆变桥间***包括电容和电感的无源网络，形成阻抗源逆变器。电压型Z源逆变器省去了DC-DC升压电路。引入的无源网络将逆变器的主电路与电源耦合，克服了上述传统电压源逆变器的不足，且利用一级变换，实现升降压功能。Z源逆变器的控制方法的特点在于运用传统电压源逆变器所不允许的“直通零矢量”状态。所谓“直通零矢量”，就是将逆变桥的上下功率管直通，控制其作用时间，使电感电流增长。因“直通零矢量”在传统零矢量中***，对逆变器PWM输出没有影响。在直通零矢量状态时，无源网络储存能量；桥臂处于有效矢量状态时，无源网络和输入源串联向负载输出能量。以较低的输入电压，得到期望的逆变器输出电压。与传统电压源逆变器相比，Z源逆变器的缺点包括：ZSI只是通过控制桥臂的直通时间来调节母线电压幅值，其升压能力受到调制比的限制，过大的直通占空比反而会减小调制比和输出电压幅值；ZSI的电容电压应力等于母线电压的平均值，如果是高压应用场合，需要高压电容，或由电容串联实现，体积较大；ZSI存在开机冲击电流；Z源逆变器拓扑的逆变桥母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续变化很大。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。这些技术难点使得Z源变换器并未真正实用，还正处于不断的改进研究中。

现有的带抽头电感的单级升压逆变器有电路结构复杂，升压性能差的缺陷。发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述背景技术的不足，提供了单级升压逆变器。

本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：

单级升压逆变器，包括依次连接的无源网络和逆变桥，所述无源网络包括：由正向串联的第一绕组、第二绕组构成的抽头电感，电感，二极管，第一电容，第二电容，所述电感一端接直流电源正极，所述二极管阳极、第二电容一极分别与所述电感另一端连接，所述二极管阴极与所述第二绕组同名端连接，所述第二电容另一极与所述第一绕组非同名端连接，所述第一电容一极与所述第一绕组同名端、第二绕组非同名端连接，所述第一电容另一极接直流电源负极。

单级升压逆变器，包括依次连接的无源网络和逆变桥，所述无源网络包括：由正向串联的第一绕组、第二绕组构成的抽头电感，电感，二极管，第一电容，第二电容，所述电感一端、第一电容一极分别与直流电源正极连接，所述第一电容另一极与所述第一绕组同名端、第二绕组非同名端连接，所述二极管阳极、第二电容一极分别与所述电感另一端连接，所述二极管阴极与所述第二绕组同名端连接，所述第二电容另一极与所述第一绕组非同名端连接。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：电路结构大为简化，降低***的损耗和成本，增加可靠性；在相同的逆变桥直通占空比和输入电压下，大幅度提高升压性能。

附图说明

图1为单级升压逆变器Ⅰ的电路图。

图2为单级升压逆变器Ⅱ的电路图。

图3（a）至图3（c）为单级升压逆变器Ⅰ中无源网络的工作模态图。

图4（a）至图4（c）为单级升压逆变器Ⅱ中无源网络的工作模态图。

图5为本发明提出的单级升压逆变器、现有带抽头电感的单级升压逆变器和Z源逆变器升压比的比较。

图中标号说明：Uin为直流电压源，L为电感，D为二极管，N1、N2分别为第一、第二绕组，Lt为抽头电感，C1、C2分别为第一、第二电容，T为逆变桥，T1、T2、T3、T4、T5、T6为第一至第六开关管。

具体实施方式

下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：

具体实施例一：单级升压逆变器Ⅰ如图1所示，包括依次连接的无源网络和逆变桥T，无源网络包括：由正向串联的第一绕组N1、第二绕组N2构成的抽头电感Lt，电感L，二极管D，第一电容C1，第二电容C2，电感L一端接直流电源Uin正极，二极管D阳极、第二电容C2一极分别与电感L另一端连接，二极管D阴极与第二绕组N2同名端连接，第二电容C另一极与第一绕组N1非同名端连接，第一电容C1一极与第一绕组N1同名端、第二绕组N2非同名端连接，第一电容C1另一极接直流电源Uin负极。逆变桥T可以是单相逆变桥，也可以是三相逆变桥，图中是由第一至第六开关管T1至T6构成的三相逆变桥。

根据稳态时，一个直通周期内抽头电感第一绕组N1两端的平均电压为零，得：

U_{C 1} D_{0} = \frac{U_{C 2}}{1 + N} (1 - D_{0}) - - - (1),

式（1）中，U_C1、U_C2分别为第一电容电压、第二电容电压，D₀为逆变桥臂直通占空比，N为抽头电感中两个绕组的匝数比N2/N1。

一个直通周期内电感L上的平均电压为零，得：

(U_{C 1} + U_{in}) D_{0} = (U_{C 1} - \frac{{NU}_{C 2}}{1 + N} - U_{in}) (1 - D_{0}) - - - (2),

得到第一电容电压U_C1、第二电容电压U_C2为：

U_{C 1} = \frac{1 - D_{0}}{1 - (2 + N) D_{0}} U_{in} - - - (3),

U_{C 2} = \frac{(1 + N) D_{0}}{1 - (2 + N) D_{0}} U_{in} - - - (4),

进一步得到母线电压幅值U_b的表达式为：

U_{b} = \frac{1}{1 - (2 + N) D_{0}} U_{in} - - - (5) .

进而得到升压比B，

单级升压逆变器Ⅰ的无源网络工作模式如图3所示：

模态1：如图3（a）所示，直通零矢量状态，逆变桥T直通，第一电容C1将能量转移给第一绕组N1，同时第二绕组N2感应电势，电压左“+”右“-”，二极管D截止，此外第二电容C2和输入直流电源串联给电感L充电，电感L两端电压左“+”右“-”；

模态2：如图3（b）所示，传统零矢量状态，逆变桥T开路，第一绕组N1电流从最大值开始下降，与第二绕组N2串联，给第二电容C2充电，同时第二绕组N2和电感L、输入直流电源串联给第一电容C1充电，电感L电流也从最大值下降；

模态3：如图3（c）所示，有效矢量状态，第一绕组N1与第二绕组N2、电感L、直流电源串联向负载释放能量，母线电压提升；同时第二绕组N2和电感L、直流电源串联继续给第一电容C1充电。

具体实施例二：单级升压逆变器Ⅱ如图2所示，包括依次连接的无源网络和逆变桥T，无源网络包括：由正向串联的第一绕组N1、第二绕组N2构成的抽头电感Lt，电感L，二极管D，第一电容C1，第二电容C2，电感L一端、第一电容C1一极分别与直流电源Uin正极连接，第一电容C1另一极与第一绕组N1同名端、第二绕组N2非同名端连接，二极管D阳极、第二电容C2一极分别与电感L另一端连接，二极管D阴极与第二绕组N2同名端连接，第二电容C2另一极与第一绕组N1非同名端连接。逆变桥T可以是单相逆变桥，也可以是三相逆变桥，图中是由第一至第六开关管T1至T6构成的三相逆变桥。

根据稳态时，一个直通周期内抽头电感第一绕组N1两端的平均电压为零，得；

(U_{C 1} + U_{in}) D_{0} = \frac{U_{C 2}}{1 + N} (1 - D_{0}) - - - (6),

根据稳态时，一个直通周期内电感L上的平均电压为零，得：

(U_{C 2} + U_{in}) D_{0} = (U_{C 1} - \frac{{NU}_{C 2}}{1 + N}) (1 - D_{0}) - - - (7),

得到第一电容电压U_C1、第二电容电压U_C2为：

U_{C 1} = U_{C 2} = \frac{(1 + N) D_{0}}{1 - (2 + N) D_{0}} U_{in} - - - (8),

进一步得到母线电压U_b幅值的表达式为：

U_{b} = U_{in} + U_{C 1} + \frac{U_{C 2}}{1 + N} = \frac{1}{1 - (2 + N) D_{0}} U_{in} - - - (9),

单级升压逆变器Ⅱ中无源网络工作模态如图4所示：

模态1：如图4（a）所示，直通零矢量状态，逆变桥T直通，直流电源通过第一电容C1将能量转移给第一绕组N1，同时第二绕组N2感应电势，电压左“+”右“-”，二极管D截止，此外第二电容C2和直流电源串联给电感L充电，电感L两端电压左“+”右“-”；

模态2：如图4（b）所示，传统零矢量状态，逆变桥T开路，第一绕组N1电流从最大值开始下降，与第二绕组N2串联，给第二电容C2充电，同时第二绕组N2和电感L串联给第一电容C1充电，电感L电流也从最大值下降；

模态3：如图4（c）所示，有效矢量状态，第一绕组N1与第二绕组N2、电感L、直流电源串联向负载释放能量，母线电压提升；同时第二绕组N2和电感L串联继续给第一电容C1充电。

如图5所示的升压比与逆变桥桥臂直通占空比的关系图：本发明所述的单级升压逆变器的升压比上升速度远大于Z源逆变器以及现有的带抽头电感的单级升压逆变器，且升压比也远远大于Z源逆变器以及现有的带抽头电感的单级升压逆变器的升压比。

综上所述：本发明涉及的单级升压逆变器具有以下有益效果：

（1）在现有的带抽头电感的单级升压逆变器的基础上，减少了两个二极管，电路结构大为简化，可降低***的损耗和成本，增加可靠性；

（2）在相同的逆变桥直通占空比和输入电压下，可大幅度提高升压性能。

Claims

1.单级升压逆变器，包括依次连接的无源网络和逆变桥，其特征在于，所述无源网络包括：由正向串联的第一绕组（N1）、第二绕组（N2）构成的抽头电感（Lt），电感（L），二极管（D），第一电容（C1），第二电容（C2），所述电感（L）一端接直流电源（Uin）正极，所述二极管（D）阳极、第二电容（C2）一极分别与所述电感（L）另一端连接，所述二极管（D）阴极与所述第二绕组（N2）同名端连接，所述第二电容（C2）另一极与所述第一绕组（N1）非同名端连接，所述第一电容（C1）一极与所述第一绕组（N1）同名端、第二绕组（N2）非同名端连接，所述第一电容（C1）另一极接直流电源（Uin）负极。

2.单级升压逆变器，包括依次连接的无源网络和逆变桥，其特征在于，所述无源网络包括：由正向串联的第一绕组（N1）、第二绕组（N2）构成的抽头电感（Lt），电感（L），二极管（D），第一电容（C1），第二电容（C2），所述电感（L）一端、第一电容（C1）一极分别与直流电源（Uin）正极连接，所述第一电容（C1）另一极与所述第一绕组（N1）同名端、第二绕组（N2）非同名端连接，所述二极管（D）阳极、第二电容（C2）一极分别与所述电感（L）另一端连接，所述二极管（D）阴极与所述第二绕组（N2）同名端连接，所述第二电容（C2）另一极与所述第一绕组（N1）非同名端连接。