專利名稱：一種高升壓倍數(shù)的直通物理分離型z源逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及Z源逆變器，屬于電力電子變換裝置，詳細講是一種升壓因子和逆變因子之間無耦合關(guān)系，高升壓倍數(shù)的直通物理分離型Z源逆變器。
背景技術(shù)：
文獻(F.Z. Peng, Z-source inverter, IEEE Trans. Ind. Appl., 2003,39(2): 504- 510)提出了原始Z源逆變器，其結(jié)構(gòu)如附圖I所示，通過在直流電源與逆變橋之間加入一個X形阻抗網(wǎng)絡(luò)，改善了逆變器的性能，它相比傳統(tǒng)的電壓源和電流源逆變器，具有如下優(yōu)良特性(1)同時具備升壓和降壓的能力，升壓與降壓的倍數(shù)由升壓因子和逆變因子共同決定；(2)在SVPWM控制算法中允許加入直通矢量，消除了死區(qū)，提高了輸出波 形的正弦度。但是原始Z源逆變器存在下列缺陷1、實際可插入的直通矢量不能多于一個開關(guān)周期中的零矢量，導(dǎo)致實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)非常有限。2、升壓因子和逆變因子之間存在相互依賴關(guān)系，兩者此消彼長，紅字改為不能同時升高，降低了控制策略的靈活性。具體而言，原始Z源逆變器存在如下缺陷a源逆變器的升壓是通過加入直通矢量來完成，其升壓倍數(shù)與所加入的直通矢量百分比有關(guān)，直通占空比越大升壓倍數(shù)越大。為了保證逆變輸出波形不受影響，直通矢量只能插入到SVPWM中零矢量的部分，因此最大的直通占空比不能超過零矢量在一個開關(guān)周期中的百分比，因此實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)是非常有限的。逆變因子越大，一個開關(guān)周期中的零矢量越少，且直通矢量只能用零矢量代替，而直通矢量又決定著升壓因子，因此逆變因子和升壓因子相互依賴，呈耦合關(guān)系。目前還沒有任何文獻對上述原始Z源逆變器存在的兩方面缺陷提出解決方案。文獻(Chandana Jayampathi Gajanayake, Fang Lin Luo , Hoay Beng Gooi, et al.Extended-Boost Z-Source Inverters IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,2010，25 (10) : 2642-2654)對原始Z源逆變器進行改進，提出了電容輔助升壓和二極管輔助升壓型Z源逆變器,提高了升壓因子。文獻(Ding Li, Feng Gao, Poh Chiang Loh, et al.Hybrid-Source Impedance Networks: Layouts and Generalized Cascading Concepts.IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, 2011，26 (7) : 2028-2040)提出了 Z 源阻抗網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)的概念，通過增加拓撲結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度能很大程度上提高升壓因子。但是這兩種對原始Z源逆變器的改進都需要增加大量額外的功率器件，并且這兩種改進都仍然沒有解除升壓因子和逆變因子之間的耦合關(guān)系，沒有突破直通矢量比必須少于零矢量的局限性，實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)還是非常有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種升壓因子和逆變因子之間無耦合關(guān)系，直通占空比獨立控制，實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)高的直通物理分離型Z源逆變器。本發(fā)明解決上述現(xiàn)有技術(shù)的不足所采用的技術(shù)方案是
一種高升壓倍數(shù)的直通物理分離型Z源逆變器，包括直流電壓源(DC)、第一阻斷二極管(Dl)和第二阻斷二極管(D2)、Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、以及三相逆變橋，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由第一電感(LI)、第二電感(L2)和第一電容(Cl)、第二電容(C2)組成X形結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括全控開關(guān)器件(iST-IGBT)、大電容(ultra_C)和功率二極管(D_S);直流電源(DC)的正極與第一阻斷二極管(Dl)的陽極相連，第一阻斷二極管(Dl)的陰極與Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中第一電感(LI)的一端以及第一電容(Cl)的正極相連，第二阻斷二極管(D2)的陰極與第一電感(LI)的另一端以及第二電容(C2)的正極相連，第一電容(Cl)、第二電容(C2)的負極分別與第二電感(L2)的兩端連接，同時第一電容(Cl)的負極還與第二阻斷二極管(D2)的陰極相連，第二電容(C2)的負極還與全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的集電極并接于功率二極管(D_S)的陽極，全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的發(fā)射極與直流電源(DC)的負極相連，功率二極管(D_S)的陰極與三相逆變橋的正極輸入端相連，大電容(ultra_C)與三相逆變橋并聯(lián),大電容(ultra_C)的正極和負極分別與三相逆變橋的正極輸入端和負極輸入端對應(yīng)連接，三相逆變橋的負極輸入端連接到直流電源(DC)的負極。全控開關(guān)器件iST-IGBT可以單獨控制Z源的直通占空比(isolatedShoot-Through)，所以這個IGBT稱為iST-IGBT。大電容ultra_C用于平緩加入直通占空比后所導(dǎo)致的母線電壓波動，同時提供釋放瞬間大電流的能力，稱這個電容為大電容ultra_C。功率二極管的加入是為了避免直通時大電容(ultra_C)通過全控開關(guān)器件(iST-IGBT)·放電，這個功率二極管主要起到分隔全控開關(guān)器件(iST-IGBT)和大電容(ultra_C)的作用，稱這個功率二極管為D_S (Diode _Seperate)。全控開關(guān)器件(iST-IGBT)實現(xiàn)Z源直通矢量的分離獨立控制，突破了 SVPWM控制算法中直通占空比必須少于零矢量的局限性。本發(fā)明提出的直通物理分離型Z源逆變器的工作原理和工作過程如下當(dāng)全控開關(guān)器件(iST-IGBT)導(dǎo)通時，直流源(DC)與Z源網(wǎng)絡(luò)共地，同時全控開關(guān)器件(iST-IGBT)給直流電源(DC)和Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的兩個電感提供了閉合回路，直流電源(DC)給兩個電感充電，儲存電能的電感可以當(dāng)做等效直流源。當(dāng)全控開關(guān)器件(iST-IGBT)斷開時，直流電源(DC)與三相逆變橋共地，直流電源(DC)和電感等效直流源同時向三相逆變橋負載供電，其輸出電壓等于直流電源(DC)和電感等效直流源電壓之和，輸出電壓高于直流電源(DC)電壓，從而實現(xiàn)升壓功能。直通物理分離型Z源逆變器(iST-ZSI)拓撲結(jié)構(gòu)中已經(jīng)將直通矢量的控制從物理結(jié)構(gòu)上分離出來，全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的直通占空比可以獨立的在0 — 50%之間根據(jù)實際需要來靈活調(diào)整，而不必局限于一個開關(guān)周期中的零矢量，提高了實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)。另一方面，不同于原始Z源逆變器，全控開關(guān)器件(iST-IGBT)并不是用直通矢量去代替零矢量，插入多少直通矢量不需要考慮一個開關(guān)周期中有多少零矢量，也即升壓因子和逆變因子都可以各自獨立調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了升壓因子和逆變因子的解耦控制。


圖I是原始Z源逆變器拓撲電路。圖2是本發(fā)明的拓撲電路。圖3是本發(fā)明在30%直通占空比時的穩(wěn)態(tài)逆變輸出。圖4是本發(fā)明在40%直通占空比時的穩(wěn)態(tài)逆變輸出。
具體實施例方式如圖2所示的高升壓倍數(shù)的直通物理分離型Z源逆變器，包括直流電壓源DC、第一阻斷二極管Dl和第二阻斷二極管D2、Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、以及三相逆變橋，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由第一電感LI、第二電感L2和第一電容Cl、第二電容C2組成X形結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的特征在于還包括全控開關(guān)器件iST-IGBT、大電容ultra_C和功率二極管D_S ;直流電源DC的正極與第一阻斷二極管Dl的陽極相連，第一阻斷二極管Dl的陰極與Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中第一電感LI的一端以及第一電容Cl的正極相連，第二阻斷二極管D2的陰極與第一電感LI的另一端以及第二電容C2的正極相連，第一電容Cl、第二電容C2的負極分別與第二電感L2的兩端連接，同時第一電容Cl的負極還與第二阻斷二極管D2的陰極相連，第二電容(C2)的負極還與全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的集電極并接于功率二極管(D_S)的陽極，全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的發(fā)射極與直流電源(DC)的負極相連，功率二極管(D_S)的陰極與三相逆變橋的正極輸入端相連，大電容(ultra_C)與三相逆變橋并聯(lián),大電容(ultra_C)的正極和負極分別與三相逆變橋的正極輸入端和負極輸入端對應(yīng)連接，三相逆變橋的負端連接到直流電源(DC)的負 極。本發(fā)明的全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的直通占空比可以獨立的在0 — 50%之間根據(jù)實際需要來靈活調(diào)整，而不必局限于一個開關(guān)周期中的零矢量，提高了實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)。全控開關(guān)器件(iST-IGBT)并不是用直通矢量去代替零矢量，插入多少直通矢量不需要考慮一個開關(guān)周期中有多少零矢量，也即升壓因子和逆變因子都可以各自獨立調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)了升壓因子和逆變因子的解耦控制。以下通過一個具體的仿真范例對本發(fā)明的技術(shù)方案和實施細節(jié)作進一步的詳細說明，對其優(yōu)良特性進行驗證，仿真平臺為Matlab\Simulink。相關(guān)符號說明如下
為輸入直流源DC的電壓。為大電容(ultra_C)上的電壓，也是直流母線電壓。Fac為三相交流輸出線電壓。按照附圖2搭建電路，直流輸入電源DC的電壓Vsc為48V，采用SVPWM算法實現(xiàn)逆
變橋六個開關(guān)管的控制，逆變輸出經(jīng)LC濾波得到50Hz三相交流電。單獨采用IOKHz的開關(guān)頻率和不同的直通占空比控制全控開關(guān)器件iST-IGBT的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而控制升壓因子，實現(xiàn)不同的升壓倍數(shù)。在全控開關(guān)器件iST-IGBT的直通占空比在30%和40%分別進行仿
真實驗，被觀察對象為直流母線電壓和三相交流輸出線電壓匕e。仿真實驗旨在驗
證本發(fā)明實現(xiàn)升壓因子和逆變因子解耦控制的可行性，突破直通矢量必須少于零矢量的局限性，以及改善升壓能力的明顯效果。附圖3為30%直通占空比時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，從圖3中可以看出直流輸入電壓48V經(jīng)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)升壓到120V，最后輸出線電壓峰值為100. 8V的交流電，逆變因子
M = 10a 8 = 0 84。在原始z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，如果逆變因子為o. 84，那么最大可插入
I
的直通占空比為〗-i￥ = I - 0.84 = 0.16 = 16%，但是在本發(fā)明提出的直通物理分離型Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，卻可以插入30%的直通占空比，這實現(xiàn)了升壓因子和逆變因子的解耦控制，突破了直通占空比必須小于零矢量的局限性。 在附圖4中進一步增加直通占空比到40%，觀察直通占空比在40%時系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)輸出，可以看出直流輸入電壓48V經(jīng)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)母線電壓可以升壓到240V，最后輸出線電壓
峰值為201. 6V的交流電，逆變因子M =0.8375。在原始Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，其
240
最大可插入的直通占空比為I-M = I-0.84= 0.16 = 16% ,但是在本發(fā)明提出的Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)中，卻插入了 40%的直通占空比，這進一步證實了本發(fā)明的Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)具有升壓因子和逆變因子課解耦控制的優(yōu)良特性，可插入的直通占空比不再受到有限零矢量的約束。
從仿真結(jié)果可以看出，低電壓輸入電源經(jīng)本發(fā)明可以升壓到很高的電壓并逆變輸出且保持較高的逆變因子，其直通矢量物理分離控制的基本思想是可行的。與原始Z源逆變器相比，本發(fā)明可以實現(xiàn)升壓因子和逆變因子之間的解耦控制，解除兩者之間的相互依賴關(guān)系，實際可插入的直通占空比可以根據(jù)具體需要任意的改變，而不必因零矢量有限而限制可插入的直通占空比，因此本發(fā)明的拓撲結(jié)構(gòu)升壓能力更強，控制更靈活。
權(quán)利要求
1.一種高升壓倍數(shù)的直通物理分離型Z源逆變器，包括直流電壓源(DC)、第一阻斷二極管(Dl)和第二阻斷二極管(D2)、Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、以及三相逆變橋，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由第一電感(LI)、第二電感(L2)和第一電容(Cl)、第二電容(C2)組成X形結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括全控開關(guān)器件(iST-IGBT)、大電容(ultra_C)和功率二極管(D_S);直流電源(DC)的正極與第一阻斷二極管(Dl)的陽極相連，第一阻斷二極管(Dl)的陰極與Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中第一電感(LI)的一端以及第一電容(Cl)的正極相連，第二阻斷二極管(D2)的陰極與第一電感(LI)的另一端以及第二電容(C2)的正極相連，第一電容(Cl)、第二電容(C2)的負極分別與第二電感(L2)的兩端連接，同時第一電容(Cl)的負極還與第二阻斷二極管(D2)的陰極相連，第二電容(C2)的負極還與全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的集電極并接于功率二極管(D_S)的陽極，全控開關(guān)器件(iST-IGBT)的發(fā)射極與直流電源(DC)的負極相連，功率二極管(D_S)的陰極與三相逆變橋的正極輸入端相連，大電容(ultra_C)與三相逆變橋并聯(lián)，大電容(ultra_C)的正極和負極分別與三相逆變橋的正極輸入端和負極輸入端對應(yīng)連接，三相逆變橋的負極輸入端連接到直流電源(DC)的負極。
全文摘要
一種高升壓倍數(shù)的直通物理分離型Z源逆變器，涉及Z源逆變器，包括直流電壓源、第一阻斷二極管和第二阻斷二極管、Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、以及三相逆變橋，Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由第一電感、第二電感和第一電容、第二電容組成X形結(jié)構(gòu)，其特征在于還包括全控開關(guān)器件、大電容和功率二極管，第二電容的負極與全控開關(guān)器件的集電極并接于功率二極管的陽極，全控開關(guān)器件的發(fā)射極與直流電源的負極相連，功率二極管的陰極與三相逆變橋的正極輸入端相連，大電容與三相逆變橋并聯(lián)，電容的正極和負極分別與三相逆變橋的正極輸入端和負極輸入端對應(yīng)連接。本發(fā)明升壓因子和逆變因子之間無耦合關(guān)系，直通占空比獨立控制，實際可實現(xiàn)的升壓倍數(shù)高。
文檔編號H02M7/521GK102751896SQ201210224628
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月3日
發(fā)明者張華強, 曹煊, 朱子文, 王新生 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)