CN104734547A - 一种升压单元z源逆变器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种升压单元Z源逆变器，所述Z源结构中设有一个升压单元，所述升压单元包括耦合电感、第三电容以及第二功率二极管，其中耦合电感包括正向串联的第一绕组和第二绕组，第一绕组的异名端与第三电容的一端和第二功率二极管阳极连接，第二绕组的同名端与第三电容的另一端相连，第二绕组的异名端与第二功率二极管阴极连接。较传统的准Z源逆变器而言，输入电压范围更宽，转换效率更高，在低压输入时具有更高的升压特性。

Description

一种升压单元Z源逆变器

技术领域

本发明涉及升压单元Z源逆变器，属于电力电子变换器领域。

背景技术

逆变器广泛应用于电机驱动，不间断供电电源，静态无功发生器和补偿器以及有源滤波等场合。传统的逆变器电路一般为两级式结构，前级为直直升压变换器，后级为逆变器，两级式结构中直流链需要加入去耦电容，体积重量大，同时需要对前后两级进行分别控制，导致传统逆变器结构整体结构复杂，控制繁琐。

为了解决传统逆变器的以上问题，有学者提出了Z源逆变器的概念。Z源逆变器是一种单级升降压逆变器，它通过引入Z源网络将直流源与逆变器侧耦合起来，利用桥臂直通来实现升压，其输入电压范围宽，可靠性高。但是，Z源逆变器存在一定的缺点：升压能力一般，在一些输入电压较低的场合，需要较高的直通占空比，增加了系统的导通损耗，降低了效率，因此，Z源逆变器应用在低电压输入的场合依然受到限制。

因此，针对Z源逆变器升压能力有限，效率有待提高等缺点，提升该类逆变器性能，具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种匝比小、输入电压范围更宽、升压特性好的升压单元Z源逆变器，解决了采用高频变压器升压体积、重量、损耗大的问题。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种升压单元Z源逆变器，包括依次连接的Z源结构和逆变桥，所述Z源结构中设有一个升压单元，所述升压单元包括耦合电感、第三电容以及第二功率二极管，其中耦合电感包括正向串联的第一绕组和第二绕组，第一绕组的异名端与第三电容的一端和第二功率二极管阳极连接，第二绕组的同名端与第三电容的另一端相连，第二绕组的异名端与第二功率二极管阴极连接。

进一步的，所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与直流电压源正极连接，另一端与第一功率二极管的阳极和第二电容的一端连接；第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的一端连接，第一电容的另一端与直流电压源负极、逆变桥输入端负极连接，第二电容的另一端及升压单元中第二绕组的异名端和逆变桥输入端正极连接。

进一步的，所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与第一电容的一端、逆变桥输入端负极连接，第一电感的另一端与第一功率二极管的阳极和第二电容的一端连接；第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的另一端连接，升压单元中第二绕组的异名端与第二电容另一端连接和直流电压源负极相连，直流电压源正极连接到逆变桥输入端正极。

进一步的，所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与第一电容的一端、逆变桥输入端负极连接，第一电感的另一端与直流电压源的负极和第二电容的一端连接，直流电压源的正极与第一功率二极管阳极连接，第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的另一端连接，升压单元中第二绕组的异名端与第二电容另一端和逆变桥输入端正极连接。

进一步的，所述逆变桥包括三个桥臂，第一桥臂上串联第一、第二功率开关管，第二桥臂上串联第三、第四功率开关管，第三桥臂上串联第五、第六功率开关管；其中，第一、第三、第五功率开关管的阳极连接到逆变桥输入端正极，第二、第四、第六功率开关管的阴极连接到逆变桥输入端负极。

作为一种优选，所述功率开关管为MOS管或者IGBT管。

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：所述升压单元Z源逆变器为单级升降压逆变器，较传统的Z源逆变器而言，输入电压范围更宽，转换效率更高，在低压输入时具有更高的升压特性。

第一种结构具有的优点在于升压单元位于第一电容与第二电容之间，升压工作时，直流链电压被两电容电压钳位，由耦合电感漏感带来的电压尖峰不会增加直流链功率器件应力；另外，直流电压源与第一电感串联，使输入电流处于连续(CCM)模式，可延长直流电压源使用寿命。

第二种结构具有的优点在于直流电压源位于升压单元和逆变桥之间，避免了升压单元Z源逆变器启动冲击大的缺点，另外减小了第一电容电压应力。

第三种结构具有的优点在于降低了第一电容电压应力，可采用应力更低的元件，减小损耗，提高效率。

附图说明

图1为一种升压单元Z源逆变器的电路结构图；

图2为图1显示的升压单元Z源逆变器的工作模态图；

图3为图1显示的升压单元Z源逆变器的工作模态图；

图4为图1显示的升压单元Z源逆变器的工作模态图；

图5为图1显示的升压单元Z源逆变器的仿真波形图；

图6为图1显示的升压单元Z源逆变器的仿真波形图；

图7为图1显示的升压单元Z源逆变器的仿真波形图；

图8为一种升压单元Z源逆变器的电路结构图；

图9为一种升压单元Z源逆变器的电路结构图；

图中标号说明：V_dc-直流电压源；V_c1-第一电容电压，V_c2-第二电容电压，V_o-输出交流电压，V_pn-直流链电压，i_in-第一电感L1电流，V_CVL-第三电容C_VL电压，V_L3-耦合电感第二绕组电压。

具体实施方式

本发明提供一种升压单元Z源逆变器，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚，明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1所述的一种升压单元Z源逆变器包括Z源结构、升压单元和逆变桥，升压单元Z源逆变器输入端接直流电压源，输出端连接滤波电感和滤波电容。在本实施例中，将常规Z源结构中的第二电感用升压单元代替。

具体的说，本实施例提供的Z源结构包括：直流电压源V_dc、第一电感L₁、升压单元、第一电容C₁、第二电容C₂以及第一功率二极管D_in；其中：第一电感L₁的一端与直流电压源正极连接，第一电感L₁的另一端与第一功率二极管D_in的阳极和第二电容C₂的一端连接；第一功率二极管D_in的阴极与升压单元的一端和第一电容C₁的一端连接，第一电容C₁的另一端与直流电压源V_dc负极和逆变桥输入端负极连接，第二电容C₂的另一端及升压单元的另一端和逆变桥输入端正极连接。

上述升压单元，包括：耦合电感、第三电容C_VL、第二功率二极管D₂；所述耦合电感包括第一绕组L3，第二绕组L4。该第一绕组L3的同名端与第一功率二极管D_in阴极、第一电容C₁的一端连接，第一绕组L3的异名端与第三电容C_VL的一端和第二功率二极管D₂阳极连接；第三电容C_VL的另一端与第二绕组L4同名端连接，第二功率二极管D₂的阴极与第二绕组L4的异名端、第二电容C₂的另一端以及逆变桥输入端正极连接。

本实施例中采用的逆变桥结构包括：第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；其中，第一桥臂包括串联的功率开关管S₁和S₂，第二桥臂包括串联的功率开关管S₃和S₄，第三桥臂包括串联的功率开关管S₅和S₆；其中，第一、第三、第五功率开关管的阳极连接到逆变桥输入端正极，第二、第四、第六功率开关管的阴极连接到逆变桥输入端负极；逆变桥输入端正极与耦合电感第二绕组L₄异名端、第二功率二极管D₂阴极和第二电容C₂相连，第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂的另一端与直流电压源V_dc负极、第一电容C₁连接。

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的桥臂中点为逆变器输出端，滤波电感和滤波电容与输出端串联，负载并接在滤波电容上。

耦合电感可等效为漏感Llk和理想变压器串联模型，其中，激磁电感为Lm，理想变压器原边副边匝比为n2和n3。

(A):非直通状态1

非直通状态，功率二极管D_in导通，D₂关断，耦合电感原边L₂，副边L₃和升压电容C_VL串联共同为直流链供电，电感电流i_L3线性减小。t₀时刻，逆变桥同一桥臂上下开关管同时开通，Z源逆变器工作于桥臂直通状态，功率二极管D_in关断，二极管D₂开通，漏感电流i_Llk线性增大，耦合电感副边通过二极管D₂对电容C_VL充电，此状态持续时间为D_shT_S，工作模态图如图2所示。

耦合电感副边N₃满足，

v_CVL＝v_{N3_sh}

根据耦合电感的匝比n及v_C1的表达式，可推出漏感L_lk的电压满足

$L_{\mathrm{lk}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Llk}}}{\mathrm{dt}}=v_{C1}-\frac{v_{\mathrm{CVL}}}{n}$

(B):非直通状态1

t₁时刻时，逆变桥侧进入有效矢量状态，可将逆变桥等效为一个电流源，此时二极管D_in导通，由于漏感的存在，流过耦合电感原边电流i_L2逐渐减小(C_VL容值较大，忽略由于反向造成的震荡过程)，二极管的电流i_D2线性减小，直到减小到零后二极管关断，定义此阶段为非直通状态1，工作模态图如图3所示。设非直通状态1持续时间为D_nsh1T_s，电容电压v_C1，v_C2及直流链峰值电压v_pn满足以下关系

v_C1+v_C2＝v_pn

漏感L_lk两端的电压满足

$L_{\mathrm{lk}}\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Llk}}}{\mathrm{dt}}=v_{\mathrm{pn}}-v_{C1}-\frac{v_{\mathrm{CVL}}}{n}$

(C):非直通状态2

当耦合电感原边电流减小到于副边电流大小相等时，二极管D₂关断，此时，耦合电感原边、副边串联(此时耦合电感以单电感模式工作)，共同为直流链供电，等效电路图如图4所示，则可推出此时直流链电压表达式为

$v_{\mathrm{pn}}=v_{C1}+v_{\mathrm{CVL}}-(L_{\mathrm{lk}}+(n^2+1)L_m)\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Llk}}}{\mathrm{dt}}$

根据电感伏秒平衡，联立以上各式，可推出直流链峰值电压v_pn在输入平均电流i_in，直通占空比D_sh，漏感L_lk和匝比n的表达式为

$\begin{array}{c}{v}_{\mathrm{pn}}=({2i}_{\mathrm{in}}{L}_{\mathrm{lk}}((n+2)D_{\mathrm{sh}}-1-n)+{D_{\mathrm{sh}}}^2{T}_s(n+1)V_{\mathrm{dc}}+\\ \frac{\sqrt{{({2i}_{\mathrm{in}}{L}_{\mathrm{lk}}((n+2)D_{\mathrm{sh}}-1-n)+{D_{\mathrm{sh}}}^2{T}_s(n+1)V_{\mathrm{dc}})}^2-8{D_{\mathrm{sh}}}^2{T}_s{(n+1)}^2{i}_{\mathrm{in}}{L}_{\mathrm{lk}}n{V}_{\mathrm{dc}}((n+2)D_{\mathrm{sh}}-1))}}{2{D_{\mathrm{sh}}}^2{T}_s(n+1)(1-(n+2)D_{\mathrm{sh}})}\end{array}$

采用本实施例提供的升压单元Z源逆变器进行仿真实验，得到以下结果：当输入电压V_dc＝50V，直通占空比D_sh＝0.18，第二绕组与第一绕组匝比为1.2时，负载R＝50Ω的仿真波形如图5、图6所示；从图中可以看出，采用较小的直通占空比时，可获得较高的直流链峰值电压，电压增益较高。匝比设置越高，增益越高。

当输入电压V_dc＝200V，直通占空比D_sh＝0，第二绕组与第一绕组匝比为1.2，负载R＝50Ω时的仿真波形如图7所示。此时，电压抬升准Z源电路不升压，电路工作原理与普通的电压源逆变器类似，工作于降压状态。

可见，本发明所述升压单元Z源逆变器，输入电压范围宽，较传统的准Z源逆变器而言，转换效率高，在低压输入时具有更高的升压特性。

实施例2

如图8所示的升压单元Z源逆变器，为本发明提供的另一种实施方式，其包括Z源结构、升压单元和逆变桥。该Z源结构包括两组电容、两组电感、一个升压单元以及跨接在两组电感电容中点的一个功率二极管。上述升压单元包括耦合电感、电容以及功率二极管。所述耦合电感包括第一绕组、第二绕组，通过设置第二绕组与第一绕组的匝比确定输出电压增益。在本实施例中，将常规Z源结构中的第二电感用升压单元代替。

具体的说，本实施例提供的Z源结构包括：直流电压源V_dc、第一电感L₁、升压单元、第一电容C₁、第二电容C₂以及第一功率二极管D_in；其中：第一电感L₁的一端与第一电容C₁的一端、逆变桥输入端负极连接，第一电感L₁的另一端与第一功率二极管D_in的阳极和第二电容C₂的一端连接；第一功率二极管D_in的阴极与升压单元的一端以及第一电容C₁的另一端连接，升压单元的另一端与第二电容另一端连接以及逆变桥输入端正极连接。

上述升压单元包括：耦合电感、第三电容C_VL、第二功率二极管D₂；所述耦合电感包括第一绕组L3，第二绕组L4。该第一绕组L3的同名端与第一功率二极管D_in阴极、第一电容C₁的一端连接，第一绕组L3的异名端与第三电容C_VL的一端和第二功率二极管D₂阳极连接，第三电容C_VL的另一端与第二绕组L4同名端连接，第二功率二极管D₂的阴极与第二绕组L4的异名端、第二电容C₂的另一端和直流电压源V_dc负极连接，直流电压源V_dc正极与逆变桥输入端正极连接。

逆变桥包括：第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；其中，第一桥臂包括串联的功率开关管S₁和S₂，第二桥臂包括串联的功率开关管S₃和S₄，第三桥臂包括串联的功率开关管S₅和S₆，所述第一、第二、第三桥臂上管S₁，S₃，S₅的阳极为逆变桥输入端正极，与直流电压源V_dc正极相连，所述第一、第二、第三桥臂上管S₂，S₄，S₆的阴极为逆变桥输入端负极，与第一电感L₁一端、第一电容C₁一端连接。

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的桥臂中点为逆变器输出端，滤波电感和滤波电容与输出端串联，负载并接在滤波电容上。

实施例3

如图9所示的升压单元Z源逆变器，包括Z源结构、升压单元和逆变桥。所述Z源结构包括两组电容、两组电感、升压单元以及跨接在两组电感电容中点的直流电压源以及一个功率二极管。所述升压单元包括耦合电感和电容以及功率二极管，耦合电感包括第一绕组，第二绕组，通过设置第二绕组与第一绕组的匝比确定输出电压增益。

具体的说，本实施例提供的Z源结构包括：直流电压源V_dc、第一电感L₁、第二电感L₂、第一电容C₁、第二电容C₂以及第一功率二极管D_in；其中：第一电感L₁的一端与第一电容C₁的一端、逆变桥负端连接，第一电感L₁的另一端与直流电压源V_dc的负极和第二电容C₂的一端连接；直流电压源V_dc的正极与第一功率二极管D_in阳极连接，第一功率二极管D_in的阴极与升压单元的一端以及第一电容C₁的另一端连接，升压单元的另一端与第二电容另一端以及逆变桥正端连接。

上述升压单元包括：耦合电感、第三电容C_VL、第二功率二极管D₂；所述耦合电感包括第一绕组L3，第二绕组L4。所述第一绕组L3的同名端与第一功率二极管D_in阴极、第一电容C₁的一端连接，第一绕组L3的异名端与第三电容C_VL的一端、第二功率二极管D₂阳极连接，第三电容C_VL的另一端与第二绕组L4同名端连接，第二绕组L4异名端连接第二功率二极管D₂的阴极、第二电容C₂的另一端以及逆变桥输入端阳极连接。

逆变桥包括：第一桥臂，第二桥臂，第三桥臂；其中，第一桥臂包括串联的功率开关管S₁和S₂，第二桥臂包括串联的功率开关管S₃和S₄，第三桥臂包括串联的功率开关管S₅和S₆，所述第一、第二、第三桥臂上管S₁，S₃，S₅的阳极为逆变桥的正端，与第二绕组L4的异名端和第二电容C2另一端连接，所述第一、第二、第三桥臂上管S₂，S₄，S₆的阴极为逆变桥的负端，与第一电感L₁一端、第一电容C₁一端连接。

第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的桥臂中点为逆变器输出端，滤波电感和滤波电容与输出端串联，负载并接在滤波电容上。

实例2和实例3的分析过程和方法参照实例1。可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种升压单元Z源逆变器，包括依次连接的Z源结构和逆变桥，其特征在于：所述Z源结构中设有一个升压单元，所述升压单元包括耦合电感、第三电容以及第二功率二极管，其中耦合电感包括正向串联的第一绕组和第二绕组，第一绕组的异名端与第三电容的一端和第二功率二极管阳极连接，第二绕组的同名端与第三电容的另一端相连，第二绕组的异名端与第二功率二极管阴极连接。

2.根据权利要求1所述的一种升压单元Z源逆变器，其特征在于：所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与直流电压源正极连接，另一端与第一功率二极管的阳极和第二电容的一端连接；第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的一端连接，第一电容的另一端与直流电压源负极、逆变桥输入端负极连接，第二电容的另一端及升压单元中第二绕组的异名端和逆变桥输入端正极连接。

3.根据权利要求1所述的一种升压单元Z源逆变器，其特征在于：所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与第一电容的一端、逆变桥输入端负极连接，第一电感的另一端与第一功率二极管的阳极和第二电容的一端连接；第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的另一端连接，升压单元中第二绕组的异名端与第二电容另一端连接和直流电压源负极相连，直流电压源正极连接到逆变桥输入端正极。

4.根据权利要求1所述的一种升压单元Z源逆变器，其特征在于：所述Z源结构还包括直流电压源、第一电感、第一电容、第二电容以及第一功率二极管；其中，

第一电感的一端与第一电容的一端、逆变桥输入端负极连接，第一电感的另一端与直流电压源的负极和第二电容的一端连接，直流电压源的正极与第一功率二极管阳极连接，第一功率二极管的阴极与升压单元中第一绕组的同名端以及第一电容的另一端连接，升压单元中第二绕组的异名端与逆变桥输入端正极和第二电容的另一端连接。

5.根据权利要求2至4所述的一种升压单元Z源逆变器，其特征在于：所述逆变桥包括三个桥臂，第一桥臂上串联第一、第二功率开关管，第二桥臂上串联第三、第四功率开关管，第三桥臂上串联第五、第六功率开关管；其中，第一、第三、第五功率开关管的阳极连接到逆变桥输入端正极，第二、第四、第六功率开关管的阴极连接到逆变桥输入端负极。

6.根据权利要求5所述的一种升压单元Z源逆变器，其特征在于：所述功率开关管为MOS管或者IGBT管。