專利名稱：一種單級升壓逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單級升壓逆變器，尤其適合直流母線需由低壓升壓供電的電機驅(qū) 動系統(tǒng)和適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的新能源發(fā)電逆變場合。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的電壓源逆變器輸入直流電壓輸出交流電壓，應(yīng)用非常廣闊。電壓源逆變器 的輸入直流電壓可以由電網(wǎng)或旋轉(zhuǎn)交流電機經(jīng)整流濾波得到，也可由蓄電池、燃料電池或 光伏電池得到，分別對應(yīng)一般工業(yè)應(yīng)用場合(如變頻器)，電動車、可再生能源分布式發(fā)電等 場合。在電壓源逆變器中，由于輸入直流電壓的緣故，功率半導(dǎo)體器件總是保持正向偏置， 因此采用自控型正向?qū)ㄆ骷?，如IGBT、PowerMOSFET等，為了使逆變器的開關(guān)具有自由的 方向電流，往往在自關(guān)斷器件上反并聯(lián)一個續(xù)流二極管。電壓源逆變器的一個重要特點就 是輸出交流電壓波形不受負(fù)載參數(shù)的影響。采用電壓源逆變器的一般結(jié)構(gòu)包含二極管整流 器的前端(交流供電)或直流電源，直流環(huán)節(jié)電容器和逆變橋，如附圖1所示。通常這種電 壓源逆變器存在下列局限或不足。(1)交流負(fù)載必須為電感性或與交流電源連接不得不串聯(lián)電感，才能使電壓源逆 變器能夠正常工作。(2)交流輸出電壓被限制只能低于而不能超過直流母線電壓，因此，對于DC/AC功 率變換，傳統(tǒng)電壓源逆變器是一個降壓式逆變器。對于直流電壓較低，需要較高的交流輸出 電壓的DC/AC功率變換場合，需要一個額外的DC/DC升壓式變換器，這個額外的功率變換 級增加了系統(tǒng)的成本，降低了變換效率。(3)每個橋臂的上、下器件不能同時導(dǎo)通，不管是有意為之，還是因為電磁干擾造 成的，否則，會發(fā)生直通短路，損壞器件。由電磁干擾造成的誤觸發(fā)導(dǎo)致的直通問題是變換 器可靠性的主要殺手。在一些特定的電機控制及電能變換的應(yīng)用場合，正是由于存在以上不足，普通的 電壓源逆變器恰是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的瓶頸，制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展與進步。如在電動汽車與 混合動力汽車的電力驅(qū)動系統(tǒng)中，直流電壓一般由蓄電池電壓決定，所以驅(qū)動電機的恒轉(zhuǎn) 矩輸出的轉(zhuǎn)速范圍決定于電池電壓，進一步升速，則進入恒功率范圍，車輛的加速能力將下 降，若要改善高速操控性能，驅(qū)動逆變器的直流電壓能進行升壓調(diào)節(jié)，則能有效地提升車輛 的操控性能。在日新月異發(fā)展的軌道交通電力牽引領(lǐng)域，也同樣存在類似的問題，電力牽引 的供電電壓常會產(chǎn)生較大的波動，特別是有較大的跌落，這對正常行駛的高速運行的車輛 牽引出力有影響，如果能使逆變器具有母線電壓自行調(diào)節(jié)功能，將會大大提升行駛的穩(wěn)定 性。下面以可再生能源分布式發(fā)電為背景介紹并網(wǎng)逆變系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀。風(fēng)能發(fā)電機、太陽能光電池和燃料電池堆等再生能源發(fā)電系統(tǒng)在轉(zhuǎn)化能量時依賴 的因素較多，因此所有分布式發(fā)電電能都有著輸出電壓變化范圍大的特性，而用電負(fù)載或 并網(wǎng)均要求分布式發(fā)電系統(tǒng)輸出相對穩(wěn)定的電壓。所以，分布式電能發(fā)電裝置對電力電子技術(shù)變換裝置的要求是在寬功率范圍內(nèi)高效運行；能適應(yīng)較大范圍輸入電壓變化，恒壓 輸出；電力電子技術(shù)變換裝置要能對其進行有效控制來實現(xiàn)高效的運行等。針對分布式電 能輸入功率與輸出電壓變化范圍大的特性，以風(fēng)力發(fā)電為例，系統(tǒng)中的變換電路多采用帶 Boost變換器的電壓型并網(wǎng)逆變器。如附圖2所示為傳統(tǒng)的帶有DC/DC升壓變換器的風(fēng)力 發(fā)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng)。其中，電壓型逆變器將直流電能逆變并傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，Boost變換器將風(fēng) 力發(fā)電機輸出整流得較低且波動較大的電壓進行穩(wěn)壓滿足并網(wǎng)逆變器的交直流電壓變比 關(guān)系。但是，這種拓?fù)湓陔妷盒筒⒕W(wǎng)逆變器前插入一級Boost升壓斬波電路，增加了系統(tǒng)的 成本，并且電壓型逆變器本身的前述不足并沒有克服。太陽能光伏電池的電力電子控制發(fā) 電并網(wǎng)裝置的拓?fù)渫ǔＲ才c風(fēng)力發(fā)電類似。燃料電池的輸出電壓隨負(fù)載的加大而減小，夕卜 特性較軟。因此，研究一種拓?fù)浜唵?、效率高、可靠性高的適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的逆 變器意義重大。在當(dāng)前全球能源供應(yīng)日益緊張的背景下，可再生能源分布式發(fā)電的控制與變換、 交流起動機控制、電動汽車驅(qū)動、新型起動發(fā)電技術(shù)等等，都離不開電力電子逆變技術(shù)。因 此，開發(fā)新型、高效、高可靠的升壓逆變技術(shù)，具有很大的現(xiàn)實意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷提供一種拓?fù)浜唵?、效率高、可靠性高?適合直流母線需由低壓升壓供電和適應(yīng)較大輸入電壓變化范圍的單級可升壓逆變器拓?fù)?及其控制技術(shù)。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案
本發(fā)明一種單級升壓逆變器，包括一只原副邊繞組緊耦合且N1<N2的耦合電感，Nl 為耦合電感原邊繞組、N2為耦合電感副邊繞組；勵磁電感的一端與第一二極管的負(fù)極、第 二二極管的正極和第一電容的一端連接，另一端與第三二極管的正極相連；第一二極管的 正極與電源正極相連，第二二極管的負(fù)極連接到耦合電感副邊繞組的一端；副邊繞組的另 一端與第三二極管的負(fù)和逆變橋的直流母線正端連接；第二電容的一端與直流母線正端相 連，另一端與電源負(fù)極相連；第一電容的另一端與逆變橋的直流母線負(fù)端和電感的一端相 連，電感的另一端與電源負(fù)極相連。優(yōu)選地，逆變橋為三相或單相。優(yōu)選地，第一電容、第二電容均為有極性電容。本發(fā)明提出了一種單級升壓逆變電路，利用耦合電感做能量傳輸元件用，實現(xiàn)大 壓差電能轉(zhuǎn)移傳遞，正如上述工作原理分析。此單級升壓逆變器拓?fù)鋬H使用一級變換電路， 巧妙的運用傳統(tǒng)逆變器所不允許的直通零矢量使得逆變器直流母線電壓得到提升，能克服 傳統(tǒng)電壓型逆變器的不足，實現(xiàn)對母線電壓的調(diào)節(jié)，適合應(yīng)用于需要升壓逆變或適應(yīng)較大 輸入電壓變化范圍的新能源發(fā)電逆變場合，而且不怕電磁干擾造成的直通，避免了由死區(qū) 導(dǎo)致的輸出電流波形畸變，而且注入的直通零矢量也不影響交流輸出電壓。與傳統(tǒng)的DC/ DC+DC/AC變換器相比減少了開關(guān)管數(shù)目，減少了 一級額外升壓電路，電路拓?fù)浜喕?，降低?逆變器控制的復(fù)雜性，而且此拓?fù)渑c傳統(tǒng)電壓源逆變器和DC/DC+DC/AC變換器相比在同等 工作條件下開關(guān)器件功率(SDP)要小，效率要高。


圖1傳統(tǒng)電壓源逆變器
圖2前級帶有DC/DC升壓變換器的風(fēng)電并網(wǎng)逆變系統(tǒng) 圖3本發(fā)明單級升壓逆變器的結(jié)構(gòu)示意圖 圖4單級升壓逆變器的工作模式 圖5輸出線電壓、相電流、直流母線電壓仿真波形
圖6耦合電感電流連續(xù)模式下直流母線電壓、耦合電感的勵磁電感(Lm)和副邊繞組 (N2)電流展開波形
圖7耦合電感電流斷續(xù)模式下直流母線電壓、耦合電感的勵磁電感(Lm)和副邊繞組 (N2)電流展開波形。
具體實施例方式如附圖3所示，本發(fā)明單級升壓逆變器拓?fù)湓趥鹘y(tǒng)電壓型逆變器三相開關(guān)橋B前， 增加了 一個由無源器件組成的升壓網(wǎng)絡(luò)一只原副邊繞組緊耦合且N1<N2的耦合電感，其 等效模型為理想變壓器和勵磁電感的并聯(lián)，勵磁電感Lm的一端與第一二極管Dl的陰極連 接，同時連接第二二極管D2的陽極和第一電容Cl的一端，另一端與第三二極管D3的陽極 相連，第一二極管Dl的陽極與電源正極相連，第二二極管D2的陰極連接到耦合電感副邊繞 組N2的一端，副邊繞組N2的另一端與第三二極管D3的陰極相連，并與逆變橋B的直流母線 正端連接，第二電容C2的一端與直流母線正端相連，另一端與電源負(fù)極相連，第一電容Cl 的另一端與逆變橋B的直流母線負(fù)端連接，同時與電感L的一端相連，電感L的另一端與電 源負(fù)極相連，逆變橋可以為三相也可以為單相，分別對應(yīng)三相應(yīng)用和單相應(yīng)用。通過適當(dāng)?shù)?調(diào)整直通零矢量時間和耦合電感匝數(shù)的設(shè)計可以達(dá)到所需要的升壓效果。利用耦合電感做 能量傳輸元件用，實現(xiàn)大壓差電能轉(zhuǎn)移傳遞。與輸入直流電壓源Vin串聯(lián)的第一二極管Dl 是必須的，防止高電壓的逆變器直流母線電流回灌，母線電壓下跌。該電路對逆變器直流母線電壓控制方式利用傳統(tǒng)電壓源逆變器所不允許的三相 逆變橋上下開關(guān)管直通這一獨特的“直通零矢量”狀態(tài)，調(diào)節(jié)其作用時間，實現(xiàn)逆變器輸入 側(cè)直流母線電壓的可控提升，從而逆變輸出期望的交流電壓。這里需說明直通零矢量是在 傳統(tǒng)零矢量中注入的，且直通零矢量與傳統(tǒng)零矢量對負(fù)載的作用效果是等效的，都是使負(fù) 載短路，自然續(xù)流，所以注入的直通零矢量對逆變器交流輸出電壓沒有任何影響。該電路中耦合電感的原副邊繞組設(shè)計成緊耦合，且m<N2，可以工作在電流連續(xù)模 式或斷續(xù)模式。電流連續(xù)工作模式如附圖4 (a)、(b)、(c)所示，包括模態(tài)1、2、3;電流斷續(xù) 工作模式如附圖4 (&)、(13)、((3)、((1)所示，包括模態(tài)1、2、3、4。模態(tài)1:橋臂B開始直通， 第一電容Cl電壓大于輸入直流電壓源Vin，阻斷二極管Dl截止，第一電容Cl通過耦合電感 的勵磁電感Lm放電，勵磁電感Lm中電流從最小值開始上升，此時原邊繞組m兩端電壓左 “ + ”右“_”，感應(yīng)到副邊繞組N2的電壓左“ + ”右“-”，且大于原邊繞組附兩端電壓，因此二 極管D2截止，此外第二電容C2通過橋臂B將能量轉(zhuǎn)移給電感L，電感L兩端電壓左“_”右 “ + ” ；模態(tài)2 橋臂B進入開路狀態(tài)，勵磁電感Lm中電流停止增加，從最大值開始下降，勵磁 電感Lm中儲存的能量經(jīng)過原邊繞組附釋放，感應(yīng)到副邊繞組左“_”右“ + ”，二極管Dl和二 極管D2正向?qū)ǎ边吚@組N2與輸入直流電壓源Vin正極串聯(lián)，電流從零快速上升到最大值，能量釋放給第二電容C2，此外電感L與輸入直流電壓源Vin串聯(lián)給第一電容Cl充電； 模態(tài)3 副邊繞組N2與輸入直流電壓源Vin正極串聯(lián)給第二電容C2和負(fù)載供電，副邊繞組 N2中電流從最大值開始下降，勵磁電感Lm中儲存的能量繼續(xù)通過原邊繞組m釋放，電感L 與電源Vin串聯(lián)給第一電容Cl充電；模態(tài)4 勵磁電感Lm中電流降到零，感應(yīng)到副邊繞組 N2的電壓也降到零，副邊繞組N2中電流為零，二極管D2、二極管D3截止，第二電容C2給負(fù) 載供電，電感L與電源Vin串聯(lián)給第一電容Cl充電，電感L上感應(yīng)電壓仍為左“ + ”右“-”， 直到下次橋臂B直通時刻開始反向。 利用Saber軟件對此拓?fù)溥M行仿真給出工作波形，仿真條件輸入直流電壓源 Vin=280V，要求逆變輸出380V50HZ三相交流電，逆變器開關(guān)頻率fS=IOKHz，調(diào)制度M=O. 8， 直通占空比DO=O. 2，三相對稱阻感負(fù)載I Z I =30歐姆，功率因數(shù)0.8，耦合電感電流連續(xù) 時勵磁電感Lm=200uH，原副邊繞組匝比N2/N1=3，耦合電感電流斷續(xù)時勵磁電感Lm=IOOuH, 原副邊繞組匝比N2/N1=3，采用三相直通簡單升壓控制，單級升壓逆變器部分工作波形如附 圖5所示，在耦合電感電流連續(xù)情況下的工作波形附圖6所示，在耦合電感電流斷續(xù)情況下 的工作波形附圖8所示。附圖6中逆變輸出交流側(cè)線電壓(波形1)，相電流(波形2)，直流 母線電壓(波形3)，波形3是密集的離散波，將時軸展開，由附圖6可以看出直通零矢量作用 期間和非作用期間的勵磁電感Lm電流及逆變橋B母線電壓的波形。附圖6中波形1為直 通零矢量作用信號，波形2為耦合電感副邊繞組N2電流波形，波形3為勵磁電感Lm電流波 形，波形4為逆變橋直流母線電壓波形。勵磁電感Lm電流連續(xù)，即在有效矢量作用時間內(nèi)， 耦合電感副邊繞組N2持續(xù)給第二電容C2和負(fù)載供電直到下個直通零矢量到來。附圖7中 波形次序如附圖6所示，勵磁電感Lm電流連續(xù)，即在有效矢量作用時間內(nèi)，耦合電感副邊繞 組N2中電流到零后，由第二電容C2給負(fù)載供電直到下個直通零矢量到來。直流母線電壓 為第一電容Cl電壓加第二電容C2電壓減去輸入直流電壓源Vin，由輸入側(cè)的280V提升到 700V，升壓效果明顯，順利進行了 380V三相交流電的逆變，負(fù)載電流正弦度很好。
權(quán)利要求
1.一種單級升壓逆變器，其特征在于包括一只原副邊繞組緊耦合且N1<N2的耦合電 感，Nl為耦合電感原邊繞組、N2為耦合電感副邊繞組；勵磁電感(Lm)的一端與第一二極管 (Dl)的負(fù)極、第二二極管(D2)的正極和第一電容(Cl)的一端連接，另一端與第三二極管 (D3)的正極相連；第一二極管(Dl)的正極與電源正極相連，第二二極管(D2)的負(fù)極連接到 耦合電感副邊繞組的一端；副邊繞組(N2)的另一端與第三二極管(D3)的負(fù)和逆變橋(B)的 直流母線正端連接；第二電容(C2)的一端與直流母線正端相連，另一端與電源負(fù)極相連； 第一電容(Cl)的另一端與逆變橋(B)的直流母線負(fù)端和電感(L)的一端相連，電感(L)的 另一端與電源負(fù)極相連。
2.如權(quán)利要求1所述的一種單級升壓逆變器，特征在于逆變橋(B)為三相或單相。
3.如權(quán)利要求1所述的一種單級可升壓逆變器，其特征在于，第一電容(Cl)、第二電容 (C2)均為有極性電容。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種單級升壓逆變器，包括一只原副邊繞組緊耦合且N1<N2的耦合電感；勵磁電感的一端與第一二極管的負(fù)極、第二二極管的正極和第一電容的一端連接，另一端與第三二極管的正極相連；第一二極管的正極與電源正極相連，第二二極管的負(fù)極連接到耦合電感副邊繞組的一端；副邊繞組的另一端與第三二極管的負(fù)和逆變橋的直流母線正端連接；第二電容的一端與直流母線正端相連，另一端與電源負(fù)極相連；第一電容的另一端與逆變橋的直流母線負(fù)端和電感的一端相連，電感的另一端與電源負(fù)極相連。本發(fā)明運用傳統(tǒng)逆變器所不允許的直通零矢量使得逆變器直流母線電壓得到提升，克服傳統(tǒng)電壓型逆變器的不足，不怕電磁干擾造成的直通，也無需插入死區(qū)。
文檔編號H02M7/521GK102104341SQ201110046688
公開日2011年6月22日 申請日期2011年2月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年2月28日
發(fā)明者周玉斐, 黃文新 申請人:南京航空航天大學(xué)