CN2012102246280A 一种高升压倍数的直通物理分离型Z源逆变器 1-8VIP

(10)申请公布号 CN 102751896 A (43)申请公布日 2012.10.24 CN 102751896 A *CN102751896A* (21)申请号 201210224628.0 (22)申请日 2012.07.03 H02M 7/521(2006.01) (71)申请人 哈尔滨工业大学 （威海） 地址 264209 山东省威海市高技区文化西路 2 号 (72)发明人 王新生 张华强 朱子文 曹煊 (74)专利代理机构 威海科星专利事务所 37202 代理人 于涛 (54) 发明名称 一种高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变 器 (57) 摘要 一种高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变 器， 涉及 Z 源逆变器， 包括直流电压源、 第一阻断 二极管和第二阻断二极管、 Z 源阻抗网络、 以及三 相逆变桥， Z 源阻抗网络由第一电感、 第二电感和 第一电容、 第二电容组成 X 形结构， 其特征在于还 包括全控开关器件、 大电容和功率二极管， 第二电 容的负极与全控开关器件的集电极并接于功率二 极管的阳极， 全控开关器件的发射极与直流电源 的负极相连， 功率二极管的阴极与三相逆变桥的 正极输入端相连， 大电容与三相逆变桥并联， 电容 的正极和负极分别与三相逆变桥的正极输入端和 负极输入端对应连接。本发明升压因子和逆变因 子之间无耦合关系， 直通占空比独立控制， 实际可 实现的升压倍数高。 (51)Int.Cl. 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页 1/1 页 2 1. 一种高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变器， 包括直流电压源 （DC） 、 第一阻断二 极管 （D1） 和第二阻断二极管 （D2） 、 Z 源阻抗网络、 以及三相逆变桥， Z 源阻抗网络由第一电 感 （L1） 、 第二电感 （L2） 和第一电容 （C1） 、 第二电容 （C2） 组成 X 形结构， 其特征在于还包括 全控开关器件 （iST-IGBT） 、 大电容 （ultra_C） 和功率二极管 （D_S） ； 直流电源 （DC） 的正极 与第一阻断二极管 （D1） 的阳极相连， 第一阻断二极管 （D1） 的阴极与 Z 源阻抗网络中第一 电感 （L1） 的一端以及第一电容 （C1） 的正极相连， 第二阻断二极管 （D2） 的阴极与第一电感 （L1） 的另一端以及第二电容 （C2） 的正极相连， 第一电容 （C1） 、 第二电容 （C2） 的负极分别与 第二电感 （L2） 的两端连接， 同时第一电容 （C1） 的负极还与第二阻断二极管 （D2） 的阴极相 连， 第二电容 （C2） 的负极还与全控开关器件 （iST-IGBT） 的集电极并接于功率二极管 （D_S） 的阳极， 全控开关器件 （iST-IGBT） 的发射极与直流电源 （DC） 的负极相连， 功率二极管 （D_ S） 的阴极与三相逆变桥的正极输入端相连， 大电容 （ultra_C） 与三相逆变桥并联， 大电容 （ultra_C） 的正极和负极分别与三相逆变桥的正极输入端和负极输入端对应连接， 三相逆 变桥的负极输入端连接到直流电源 （DC） 的负极。 权 利 要 求 书 CN 102751896 A 2 1/4 页 3 一种高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变器 技术领域 0001 本发明涉及 Z 源逆变器， 属于电力电子变换装置， 详细讲是一种升压因子和逆变 因子之间无耦合关系， 高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变器。 背景技术 0002 文 献 （F. Z. Peng, Z-source inverter, IEEE Trans. Ind. Appl., 2003, 39(2): 504- 510） 提出了原始Z源逆变器， 其结构如附图1所示， 通过在直流电源与逆变桥 之间加入一个 X 形阻抗网络， 改善了逆变器的性能， 它相比传统的电压源和电流源逆变器， 具有如下优良特性 ：（1） 同时具备升压和降压的能力， 升压与降压的倍数由升压因子和逆 变因子共同决定 ；（2） 在 SVPWM 控制算法中允许加入直通矢量， 消除了死区， 提高了输出波 形的正弦度。但是原始 Z 源逆变器存在下列缺陷 ： 1、 实际可插入的直通矢量不能多于一个 开关周期中的零矢量， 导致实际可实现的升压倍数非常有限。2、 升压因子和逆变因子之间 存在相互依赖关系， 两者此消彼长， 红字改为 : 不能同时升高， 降低了控制策略的灵活性。 0003 具体而言， 原始 Z 源逆变器存在如下缺陷 ： Z 源逆变器的升压是通过加入直通矢量 来完成， 其升压倍数与所加入的直通矢量百分比有关， 直通占空比越大升压倍数越大。 为了 保证逆变输出波形不受影响， 直通矢量只能插入到 SVPWM 中零矢量的部分， 因此最大的直 通占空比不能超过零矢量在一个开关周期中的百分比， 因此实际可实现的升压倍数是非常 有限的。逆变因子越大， 一个开关周期中的零矢量越少， 且直通矢量只能用零矢量代替， 而 直通矢量又决定着升压因子， 因此逆变因子和升压因子相互依赖， 呈耦合关系。 0004 目前还没有任何文献对上述原始 Z 源逆变器存在的两方面缺陷提出解决方案。 文献 （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） 对原始 Z 源逆变器进行改进， 提出了电容辅助升压和二极管辅助 升压型Z源逆变器， 提高了升压因子。 文献 （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） 提出了源阻抗网 络级联的概念， 通过增加拓扑结构的复杂度能很大程度上提高升压因子。但是这两种对原 始源逆变器的改进都需要增加大量额外的功率器件， 并且这两种改进都仍然没有解除升 压因子和逆变因子之间的耦合关系， 没有突破直通矢量比必须少于零矢量的局限性， 实际 可实现的升压倍数还是非常有限的。 发明内容 0005 本发明的目的是解决上述现有技术的不足， 提供一种升压因子和逆变因子之间无 耦合关系， 直通占空比独立控制， 实际可实现的升压倍数高的直通物理分离型 Z 源逆变器。 0006 本发明解决上述现有技术的不足所采用的技术方案是 ： 一种高升压倍数的直通物理分离型 Z 源逆变器， 包括直流电压源 （DC） 、 第一阻断二极 说 明 书 CN 102751896 A 3 2/4 页 4 管 （D1） 和第二阻断二极管 （D2） 、 Z 源阻抗网络、 以及三相逆变桥， Z 源阻抗网络由第一电感 （L1） 、 第二电感 （L2） 和第一电容 （C1） 、 第二电容 （C2） 组成X形结构， 其特征在于还包括全控 开关器件 （iST-IGBT） 、 大电容 （ultra_C） 和功率二极管 （D_S） ； 直流电源 （DC） 的正极与第一 阻断二极管 （D1） 的阳极相连， 第一阻断二极管 （D1） 的阴极与Z源阻抗网络中第一电感 （L1） 的一端以及第一电容 （C1） 的正极相连， 第二阻断二极管 （D2） 的阴极与第一电感 （L1） 的另 一端以及第二电容 （C2） 的正极相连， 第一电容 （C1） 、 第二电容 （C2） 的负极分别与第二电感 （L2） 的两端连接， 同时第一电容 （C1） 的负极还与第二阻断二极管 （D2） 的阴极相连， 第二电 容 （C2） 的负极还与全控开关器件 （iST-IGBT） 的集电极并接于功率二极管 （D_S） 的阳极， 全 控开关器件 （iST-IGBT） 的发射极与直流电源 （DC） 的负极相连， 功率二极管 （D_S） 的阴极与 三相逆变桥的正极输入端相连， 大电容 （ultra_C） 与三相逆变桥并联， 大电容 （ultra_C） 的 正极和负极分别与三相逆变桥的正极输入端和负极输入端对应连接， 三相逆变桥的负极输 入端连接到直流电源 （DC） 的负极。 0007 全 控 开 关 器 件 iST-IGBT 可 以 单 独 控 制 Z 源 的 直 通 占 空 比 （isolated Shoot-Through） ， 所以这个IGBT称为iST-IGBT。 大电容ultra_C用于平缓加入直通占空比 后所导致的母线电压波动， 同时提供释放瞬间大电流的能力， 称这个电容为大电容 ultra_ C。功率二极管的加入是为了避免直通时大电容 （ultra_C） 通过全控开关器件 （iST-IGBT） 放电， 这个功率二极管主要起到分隔全控开关器件 （iST-IGBT） 和大电容 （ultra_C） 的作 用， 称这个功率二极管为 D_S（Diode _Seperate） 。 0008 全控开关器件 （iST-IGBT） 实现 Z 源直通矢量的分离独立控制， 突破了 SVPWM 控制 算法中直通占空比必须少于零矢量的局限性。本发明提出的直通物理分离型 Z 源逆变器 的工作原理和工作过程如下 ： 当全控开关器件 （iST-IGBT） 导通时， 直流源 （DC） 与源网络 共地， 同时全控开关器件 （iST-IGBT） 给直流电源 （DC） 和 Z 源阻抗网络的两个电感提供了 闭合回路， 直流电源 （DC） 给两个电感充电， 储存电能的电感可以当做等效直流源。当全控 开关器件 （iST-IGBT） 断开时， 直流电源 （DC） 与三相逆变桥共地， 直流电源 （DC） 和电感等 效直流源同时向三相逆变桥负载供电， 其输出电压等于直流电源 （DC） 和电感等效直流源 电压之和， 输出电压高于直流电源 （DC） 电压， 从而实现升压功能。直通物理分离型 Z 源逆 变器 （iST-ZSI） 拓扑结构中已经将直通矢量的控制从物理结构上分离出来， 全控开关器件 （iST-IGBT） 的直通占空比可以独立的在 050% 之间根据实际需要来灵活调整， 而不必局 限于一个开关周期中的零矢量， 提高了实际可实现的升压倍数。另一方面， 不同于原始 Z 源 逆变器， 全控开关器件 （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 需要考虑一个开关周期中有多少零矢量， 也即升压因子和逆变因子都可以各自独立调节， 从而实现了升压因子和逆变因子的解耦控制。 附图说明 0009 图 1 是原始 Z 源逆变器拓扑电路。 0010 图 2 是本发明的拓扑电路。 0011 图 3 是本发明在 30% 直通占空比时的稳态逆变输出。 0012 图 4 是本发明在 40% 直通占空比时的稳态逆变输出。 说 明 书 CN 102751896 A 4 3/4 页 5 具体实施方式 0013 如图2所示的高升压倍数的直通物理分离型Z源逆变器， 包括直流电压源DC、 第一 阻断二极管 D1 和第二阻断二极管 D2、 Z 源阻抗网络、 以及三相逆变桥， Z 源阻抗网络由第一 电感 L1、 第二电感 L2 和第一电容 C1、 第二电容 C2 组成 X 形结构， 本发明的特征在于还包括 全控开关器件 iST-IGBT、 大电容 ultra_C 和功率二极管 D_S ； 直流电源 DC 的正极与第一阻 断二极管 D1 的阳极相连， 第一阻断二极管 D1 的阴极与 Z 源阻抗网络中第一电感 L1 的一端 以及第一电容 C1 的正极相连， 第二阻断二极管 D2 的阴极与第一电感 L1 的另一端以及第二 电容 C2 的正极相连， 第一电容 C1、 第二电容 C2 的负极分别与第二电感 L2 的两端连接， 同 时第一电容 C1 的负极还与第二阻断二极管 D2 的阴极相连， 第二电容 （C2） 的负极还与全控 开关器件 （iST-IGBT） 的集电极并接于功率二极管 （D_S） 的阳极， 全控开关器件 （iST-IGBT） 的发射极与直流电源 （DC） 的负极相连， 功率二极管 （D_S） 的阴极与三相逆变桥的正极输入 端相连， 大电容 （ultra_C） 与三相逆变桥并联， 大电容 （ultra_C） 的正极和负极分别与三相 逆变桥的正极输入端和负极输入端对应连接， 三相逆变桥的负端连接到直流电源 （DC） 的负 极。 0014 本发明的全控开关器件 （iST-IGBT） 的直通占空比可以独立的在 050% 之间根据 实际需要来灵活调整， 而不必局限于一个开关周期中的零矢量， 提高了实际可实现的升压 倍数。全控开关器件 （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 要考虑一个开关周期中有多少零矢量， 也即升压因子和逆变因子都可以各自独立调节， 从 而实现了升压因子和逆变因子的解耦控制。 0015 以下通过一个具体的仿真范例对本发明的技术方案和实施细节作进一步的详细 说明， 对其优良特性进行验证， 仿真平台为 MatlabSimulink。 0016 相关符号说明如下 ： 为输入直流源 DC 的电压。 0017 为大电容 （ultra_C） 上的电压， 也是直流母线电压。 0018 为三相交流输出线电压。 0019 按照附图 2 搭建电路， 直流输入电源 DC 的电压为 48V， 采用 SVPWM 算法实现逆 变桥六个开关管的控制， 逆变输出经LC滤波得到50Hz三相交流电。 单独采用10KHz的开关 频率和不同的直通占空比控制全控开关器件 iST-IGBT 的导通和关断， 从而控制升压因子， 实现不同的升压倍数。在全控开关器件 iST-IGBT 的直通占空比在 30% 和 40% 分别进行仿 真实验， 被观察对象为直流母线电压和三相交流输出线电压。仿真实验旨在验 证本发明实现升压因子和逆变因子解耦控制的可行性， 突破直通矢量必须少于零矢量的局 限性， 以及改善升压能力的明显效果。 0020 附图 3 为 30% 直通占空比时系统的稳态输出， 从图 3 中可以看出直流输入电 压 48V 经 Z 源阻抗网络升压到 120V， 最后输出线电压峰值为 100.8V 的交流电， 逆变因子 。在原始 Z 源逆变器拓扑结构中， 如果逆变因子为 0.84， 那么最大可插入 的直通占空比为， 但是在本发明提