CN113922690B - 一种改进型三耦合电感准z源升压逆变器及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于DC‑AC变换设备技术领域，涉及一种改进型三耦合电感准Z源升压逆变器及控制方法，该逆变器包括直流电源、三耦合电感单元和开关模块，开关模块通过导通或截止的切换，控制直流电源以及三耦合电感单元是否向负载提供或停止提供能量；所述三耦合电感单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换；其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，操作简单，功率密度高，工作安全，环境友好，应用潜力较大。

Description

一种改进型三耦合电感准Z源升压逆变器及控制方法

技术领域

本发明属于DC-AC变换设备技术领域，涉及一种改进型三耦合电感准Z源升压逆变器及控制方法。

背景技术

伴随社会进程的发展，能源匮乏问题与环境恶化问题日益突出，推动了可再生能源的加速发展。光能作为清洁的可再生能源之一，具有较高的发展应用潜力。一般的光伏发电***先把光伏电池进行多级串联，继而将输出电压利用DC/AC逆变器输出至电网，然而，多级串联不但提高了生产制造成本，而且设备故障率明显提高。为此，可将光伏发电***的输出端同电网***之间引入DC/DC升压变换器，先行升压，后行逆变，只是，这种DC/DC-DC/AC的结构会导致***结构复杂、工作效率低等问题。

文献“Peng F Z.Z Source Inverter[J].IEEE Transactions on IndustryApplication,2003,39(2):504-510”提出一种新型单级升降压逆变电路，将直通状态引入传统逆变零状态中，达到升压和并网相结合的目的，同时电路具有结构清晰、可靠性强等优点。但是Z源逆变器的自身结构机理体现出其升压能力不足，想要高升压的条件是需要较高的直通占空比，此时逆变器的调制因子受到局限，从而限制了其应用范围。文献“Ahmed HF,Cha H,Kim S H and Kim H G.Switched-coupled-inductor quasi-Z-source inverter[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2016,31(2):1241-1254”提出的变压器型Z源逆变器(Trans-ZSI)将传统储能电感用耦合电感替代，达到升压比、直通占空比双自由度调节，当工作于较小直通占空比时，可以调节耦合电感匝数比，以得到较高的直流链升压比。此条件下，逆变调制因子也较大，从而得到较大的逆变电压增益。不过，耦合电感的匝数比过高会导致较高的漏感和串联电阻参数等问题，致使变换器工作效率不高，同时漏感释放的能量会产生很高的直流链电压尖峰，使逆变效果变差，进而变换器工作性能受到影响。文献“Nguyen M K,Lim Y C,and Park S J.Improved trans-Z-source inverter withcontinuous input current and boost inversion capability[J].IEEE Transactionson Power Electronics,2013,28(10):4500-4509”提出的改进Trans-Z源逆变器(ImprovedTrans-ZSI)，相较于qZSI只多加了一个电感，结构简洁，器件少，与相似类型逆变器比较，最大优势是大幅减小了耦合绕组的体积。不过，耦合绕组的存在同样导致二极管在非直通状态下电流应力变大，二极管所在支路的损耗提高，进而降低了电路的效率。

针对上述不足，可对多级电路进行级联，在较小的直通占空比情况下，得到较高的电压增益，但同样存在电路中元器件的数量增加，电路的复杂程度变高，电路工作效率有所降低。因此，寻求一种在较低直通占空比下能获得较高的电压增益、结构简单、工作效率高、逆变效果好的逆变电路已经成为本领域的研究热点。

发明内容

为解决上述现有技术所存在的缺陷，本发明提出一种改进型三耦合电感准Z源升压逆变器及控制方法，电压增益高，电路结构简单，工作效率高，故障率低，输入、输出端共地，输入电流工作于连续模态，逆变效果好。

为了实现上述目的，本发明所述改进型三耦合电感准Z源升压逆变器，包括直流电源、三耦合电感单元和开关模块，三耦合电感单元的输入端与直流电源相连，输出端与开关模块相连，开关模块通过导通或截止的切换，控制直流电源以及三耦合电感单元是否向负载提供或停止提供能量；三耦合电感单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换。

进一步的，所述开关模块为传统逆变桥，包括六个功率开关管，上桥壁功率开关管的漏极分别与三耦合电感单元的第二电容、第三电容的正极及第二二极管的阴极相连，下桥壁功率开关管的源极分别与直流电源的负极、三耦合电感单元的第一电容的负极及功率开关管的源极相连。

进一步的，所述三耦合电感单元包括第一电感、三耦合电感、第一二极管、第二二极管、第三二级管、第一电容、第二电容和第三电容；其中三耦合电感由第一绕组、第二绕组、第三绕组相互耦合组成，三个绕组的匝数比为1:n₁:n₂；第一电感的正极与直流电源的正极相连，负极分别与第一二极管、第三二极管的阳极及第二电容的负极相连；第一绕组同名端分别与第二绕组的异名端、第三二极管的阴极及第一电容的正极相连，异名端与第三绕组的异名端及第二二极管的阳极相连；第二绕组的同名端与第一二极管的阴极相连；第三绕组的同名端与第三电容的负极相连。

本发明所述开关模块信号采用单极性的SVPWM控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。

本发明所述逆变器有两种工作状态，一是当功率逆变桥为直通状态时，第一二极管、二二极管截止；第一电感为储能状态，第一电容、第二电容、第三电容为放能状态；直流电源为耦合电感供电，第一绕组与第一电容、第三电容及第三绕组串联，经功率开关管形成回路；二是当功率逆变桥为非直通状态时，第一二极管、第二二极管导通，第一电容、第二电容、第三电容为储能状态；第一电感、第一绕组、第二绕组共同为负载提供能量，第三绕组通过第三电容及第二二极管形成回路储存能量；第三二极管只在功率开关管关断瞬间导通，使功率开关管电压钳位于第一电容、二电容之和。

本发明与现有的DC-AC升压变换器相比，通过由第一电感、第一绕组、第二绕组、第三绕组、第一二极管、第二二极管、第三二极管和第一电容、第二电容、第三电容组成的三耦合电感单元替代原有Boost电路中的储能电感，对变换器形成开关管导通占空比和耦合电感匝数比的双自由度调节，避免了极限占空比情况的出现，以此达到对开关器件损耗的减小，且能在较小占空比的情况下宽范围电压输出的效果，减小了电磁扰动影响，增加了电路工作的稳定性。其电路整体结构设计合理，电学原理可靠，操作简单，功率密度高，工作安全，环境友好，应用潜力较大。

附图说明

图1为本发明的主体电路结构与工作原理示意图。

图2为本发明的功率开关管开始导通的工作状态示意图。

图3为本发明的功率开关管关断的工作状态示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

实施例1：

本实施例得到改进型三耦合电感准Z源升压逆变器的电路结构如图1所示，由直流电源V_g、第一电感L₁、三耦合电感、功率开关管S₁～S₆、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃和负载R_load组成。功率开关管通过接受外部设备提供的开关信号来进行导通或截止的切换，控制直流电源和三耦合电感单元是否向负载R_load提供或停止提供能量；本实施例所述三耦合电感单元包括第一电感L₁、三耦合电感、第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃、第一电容C₁、第二电容C₂、第三电容C₃；第一电感L₁的正极与直流电源V_g的正极相连，负极与第一二极管D₁、第三二极管D₃的阳极及第二电容C₂的负极相连；三耦合电感的第一绕组L₂₁同名端与第二绕组L₂₂的异名端、第三二极管D₃的阴极及第一电容C₁的正极相连，异名端与第三绕组L₂₃的异名端及第二二极管D₂的阳极相连；第二绕组L₂₂的同名端与第一二极管D₁的阴极相连；第三绕组L₂₃的同名端与第三电容C₃的负极相连；六个功率开关管S₁～S₆上桥壁功率开关管S₁、S₃、S₅的漏极与三耦合电感单元的第二电容C₂、第三电容C₃的正极及第二二极管D₂的阴极相连，直流电源V_g的负极与第一电容C₁的负极及功率开关管S₂、S₄、S₆的源极相连。三耦合电感单元第一绕组L₂₁、第二绕组L₂₂、第三绕组L₂₃相互耦合，且匝数比为1:n₁:n₂。其有益效果是通过耦合电感的变压器磁效应进行耦合绕组升压，既避免了变换器出现极限占空比情况，还可以减小开关管导通和开关损耗；功率开关管用于改变变换器的工作状态。

本实施例所述第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃均为快恢复二极管，快恢复二极管具有开关特性优良、反向恢复速度快等特点，快恢复二极管与普通PN结二极管在结构上有所差异，它是一种PIN结型二极管，通过在P型与N型硅材料两者之间加入了基区I，构成PIN硅片。由于基区非常薄，反向恢复电荷微小，因此快恢复型二极管应用在本发明中可以实现反向恢复速度快，正向压降小，反向耐压值大的作用。

本实施例开关信号采用SVPWM控制方法生成，包括双极性SVPWM和单极性控制方法。不同于单极性模式，双极性SVPWM模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性SVPWM模式要比双极性SVPWM模式输出电压中、高次谐波分量小得多，本发明采用单极性的SVPWM控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。

本实施例的工作状态示意图如图2和图3所示，在一个工作周期内，一共有二种工作状态，图2为直通状态时的工作状态示意图，图3为非直通状态时的工作状态示意图：

直通状态时，功率开关管处于导通状态，第一二极管D₁、第二二极管D₂、第三二极管D₃反向截止；直流电源V_g和第二电容C₂为第一电感L₁提供能量；第一电容C₁、第三电容C₃将能量转移到耦合电感第一绕组L₂₁、第三绕组L₂₃；满足V_L1-V_C2-V_g＝0,V_L21-V_L22-V_C3-V_C1＝0；

非直通状态时，功率开关管处于关断状态，第一二极管D₁、第二二极管D₂导通，第三二极管D₃反向截止；直流电源V_g、三耦合电感的第一绕组L₂₁、第二绕组L₂₃通过第一二极管D₁、第二二极管D₂为后级提供能量，三耦合电感的第三绕组L₂₃通过第二二极管D₂为第三电容C₃提供能量；此时第一电容C₁、第二电容C₂储存能量；满足V_L1+V_L22+V_C1-V_g＝0,V_L21+V_L22-V_L23-V_C3+V_C2＝0；第三二极管D₃只在功率开关管关断瞬间导通，使功率开关管电压钳位于第一电容C₁、二电容C₂之和，利用第一绕组L₂₁、第二绕组L₂₂、第二绕组L₂₂的电感伏秒平衡法则，得到输出电压的表达式为：

其中，B为该变换器的电压增益，D为占空比。

本实施例的电路结构加入了三耦合电感单元后，由于增加了耦合绕组间的匝数比这一调节量，通过调节匝数比可以实现最大效率的宽范围电压值输出，变换器实现了占空比和匝数比的双自由度调节，规避了工作于极限占空比的情况。另外，本实施例在升压能力相同的条件下，减小了耦合绕组的数量和单个耦合绕组的体积，减小了器件的电压应力，从而增强了变换器的转换效率。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (3)

1.一种改进型三耦合电感准Z源升压逆变器的控制方法，所述改进型三耦合电感准Z源升压逆变器，包括直流电源、三耦合电感单元和开关模块，三耦合电感单元的输入端与直流电源相连，输出端与开关模块相连，开关模块通过导通或截止的切换，控制直流电源以及三耦合电感单元是否向负载提供或停止提供能量；三耦合电感单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换；所述三耦合电感单元包括第一电感、三耦合电感、第一二极管、第二二极管、第三二级管、第一电容、第二电容和第三电容；其中三耦合电感由第一绕组、第二绕组、第三绕组相互耦合组成，三个绕组的匝数比为1:n ₁:n ₂；第一电感的正极与直流电源的正极相连，负极分别与第一二极管、第三二极管的阳极及第二电容的负极相连；第一绕组同名端分别与第二绕组的异名端、第三二极管的阴极及第一电容的正极相连，异名端与第三绕组的同名端及第二二极管的阳极相连；第二绕组的同名端与第一二极管的阴极相连；第三绕组的异名端与第三电容的负极相连，其特征在于：当开关模块为直通状态时，第一二极管、第二二极管截止；第一电感为储能状态，第一电容、第二电容、第三电容为放能状态；直流电源为第一电感供电，第一绕组与第一电容、第三电容及第三绕组串联，经功率开关管形成回路；当开关模块为非直通状态时，第一二极管、第二二极管导通，第一电容、第二电容、第三电容为储能状态；第一电感、第一绕组、第二绕组共同为负载提供能量，第三绕组通过第三电容及第二二极管形成回路储存能量；第三二极管只在功率开关管关断瞬间导通，使功率开关管电压钳位于第一电容、第二电容之和。

2.根据权利要求1所述改进型三耦合电感准Z源升压逆变器的控制方法，其特征在于：所述开关模块为传统逆变桥，包括六个功率开关管，上桥臂功率开关管的漏极分别与三耦合电感单元的第二电容、第三电容的正极及第二二极管的阴极相连，下桥臂功率开关管的源极分别与直流电源的负极、三耦合电感单元的第一电容的负极相连。

3.根据权利要求2所述改进型三耦合电感准Z源升压逆变器的控制方法，其特征在于：所述开关模块的信号采用单极性的SVPWM控制方法实现开关模块的导通或截止。