本實(shí)用新型涉及電力電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器電路。

背景技術(shù)：

在燃料電池發(fā)電、光伏發(fā)電中，由于單個(gè)太陽能電池或者單個(gè)燃料電池提供的直流電壓較低，無法滿足現(xiàn)有用電設(shè)備的用電需求，也不能滿足并網(wǎng)的需求，往往需要將多個(gè)電池串聯(lián)起來達(dá)到所需的電壓。這種方法一方面大大降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，另一方面還需解決串聯(lián)均壓?jiǎn)栴}。為此，需要能夠把低電壓轉(zhuǎn)換為高電壓的高增益變換器電路。近幾年提出的Z源升壓變換器是一種高增益變換器電路，但該電路具有較高的阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓應(yīng)力，電源電流不連續(xù)，輸出與輸入不共地，且電路啟動(dòng)時(shí)存在很大啟動(dòng)沖擊電流問題，限制了該電路在實(shí)際中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器電路，具體技術(shù)方案如下。

一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器，包括電壓源、第一準(zhǔn)Z源單元、第二準(zhǔn)Z源單元、三相逆變橋、輸出濾波電容、濾波電感和三相對(duì)稱負(fù)載。所述第一準(zhǔn)Z源單元由第一電感、第一二極管、第一電容、第四電感、第四電容和第四二極管構(gòu)成；所述第二準(zhǔn)Z源單元由第二電感、第二電容、第三電感、第三電容和第三二極管構(gòu)成。

上述的一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器中：所述電壓源的正極分別與第一電感的一端、第二二極管的陽極、第三電容的負(fù)極和第四電容的負(fù)極連接；所述第一電感的另一端分別與第一二極管的陽極和第一電容的負(fù)極連接；所述第一二極管的陰極分別與第二二極管的陰極和第二電感的一端連接；所述第二電感的另一端分別與第二電容的負(fù)極和第三二極管的陽極連接；所述第三二極管的陰極分別與第三電感的一端和第三電容的正極連接；所述第三電的另一端分別與第四二極管的陽極和第五二極管的陽極連接；所述第四二極管的陰極分別與第四電容的正極和第四電感的一端連接；所述第四電感的另一端分別與第二電容的正極、第一電容的正極、第五二極管的陰極和三相逆變橋的正極性端連接；所述電壓源的負(fù)極與三相逆變橋的負(fù)極性端連接。

當(dāng)三相逆變橋的橋臂直通交流側(cè)負(fù)載短路時(shí)，所述第一二極管第三二極管和第四二極管均關(guān)斷。所述電壓源和第一電容對(duì)第一電感充電；所述電壓源和第二電容對(duì)第二電感充電；所述電壓源和第三電容對(duì)第三電感充電；所述電壓源和第四電容對(duì)第四電感充電。當(dāng)三相逆變橋的橋臂非直通接入交流側(cè)負(fù)載時(shí)，所述第一二極管、第三二極管和第四二極管均導(dǎo)通，第二二極管和第五二極管關(guān)斷。第一電感和第二電感對(duì)第三電容充電，形成回路；第一電感、第二電感和第三電感一起對(duì)第四電容充電，形成回路；第三電感和第四電感一起給第二電容充電，形成回路；第二電感、第三電感和第四電感一起給與第一電容充電，形成回路；所述電壓源與第一電感、第二電感、第三電感和第四電感一起通過三相逆變橋給交流側(cè)負(fù)載進(jìn)行供電。整個(gè)電路結(jié)合了兩個(gè)準(zhǔn)Z源單元各自的單級(jí)升降壓特性，具有較高的輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，且電路不存在啟動(dòng)電流沖擊問題。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型電路具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：本實(shí)用新型結(jié)合了兩個(gè)準(zhǔn)Z源單元各自的單級(jí)升降壓特性，具有更高的輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，且電路不存在啟動(dòng)沖擊電流，因而更適合應(yīng)用于燃料電池發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型具體實(shí)施方式中的一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器電路。

圖2是對(duì)圖1所示一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器進(jìn)行模態(tài)分析的簡(jiǎn)化等效電路。

圖3a、圖3b分別是圖1所示一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器在其三相逆變橋直通時(shí)和非直通時(shí)的等效電路圖。

圖4a為本實(shí)用新型電路的升壓因子曲線與開關(guān)電感Z源逆變器、基于二極管二級(jí)拓展的準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子曲線比較圖。

圖4b為四種逆變器的調(diào)制系數(shù)M與交流側(cè)輸出電壓增益G的關(guān)系曲線圖。

圖4c為四種逆變器中開關(guān)器件電壓應(yīng)力的比較圖。

圖4d為以V_i＝10V，直通占空比D＝0.25為例給出了本實(shí)用新型電路直流側(cè)和交流側(cè)相關(guān)變量的仿真結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

以上內(nèi)容已經(jīng)對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作了詳細(xì)說明，以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的具體實(shí)施作進(jìn)一步描述。

參考圖1，本實(shí)用新型所述的一種新型高增益準(zhǔn)Z源逆變器，其包括電壓源，由第一電感、第一二極管、第一電容、第四電感、第四電容和第四二極管構(gòu)成的第一準(zhǔn)Z源單元，由第二電感、第二電容、第三二極管、第三電感和第三電容構(gòu)成的第二準(zhǔn)Z源單元，第二二極管，第五二極管，三相逆變橋，輸出濾波電感、濾波電容和負(fù)載。所述電壓源的正極分別與第一電感的一端、第二二極管的陽極、第三電容的負(fù)極和第四電容的負(fù)極連接；所述第一電感的另一端分別與第一二極管的陽極和第一電容的負(fù)極連接；所述第一二極管的陰極分別與第二二極管的陰極和第二電感的一端連接；所述第二電感的另一端分別與第二電容的負(fù)極和第三二極管的陽極連接；所述第三二極管的陰極分別與第三電感的一端和第三電容的正極連接；所述第三電的另一端分別與第四二極管的陽極和第五二極管的陽極連接；所述第四二極管的陰極分別與第四電容的正極和第四電感的一端連接；所述第四電感的另一端分別與第二電容的正極、第一電容的正極、第五二極管的陰極和三相逆變橋的正極性端連接；所述電壓源的負(fù)極與三相逆變橋的負(fù)極性端連接。

圖3a、圖3b給出了本實(shí)用新型電路的工作過程等效電路圖。圖3a、圖3b分別是逆變橋直通和非直通時(shí)段的等效電路圖。圖中實(shí)線表示變換器中有電流流過的部分，虛線表示變換器中無電流流過的部分。

本實(shí)用新型的工作過程如下：

階段1，如圖3a：當(dāng)三相逆變橋的橋臂直通交流側(cè)負(fù)載短路時(shí)，所述第一二極管D₁第三二極管D₃和第四二極管D₄均關(guān)斷。所述電壓源V_i和第一電容C₁對(duì)第一電感L₁充電；所述電壓源V_i和第二電容C₂對(duì)第二電感L₂充電；所述電壓源V_i和第三電容C₃對(duì)第三電感L₃充電；所述電壓源V_i和第四電容C₄對(duì)第四電感L₄充電。

階段2，如圖3b：當(dāng)三相逆變橋的橋臂非直通接入交流側(cè)負(fù)載時(shí)，所述第一二極管D₁、第三二極管D₃和第四二極管D₄均導(dǎo)通，第二二極管D₂和第五二極管D₅關(guān)斷。第一電感L₁和第二電感L₂對(duì)第三電容C₃充電，形成回路；第一電感L₁、第二電感L₂和第三電感L₃一起對(duì)第四電容C₄充電，形成回路；第三電感L₃和第四電感L₄一起給第二電容C₂充電，形成回路；第二電感L₂、第三電感L₃和第四電感L₄一起給與第一電容C₁充電，形成回路；所述電壓源V_i與第一電感L₁、第二電感L₂、第三電感L₃和第四電感L₄一起通過三相逆變橋給交流側(cè)負(fù)載進(jìn)行供電。

綜上情況，設(shè)定逆變橋的直通占空比為D，開關(guān)周期為T_s。并設(shè)定V_L1、V_L2、V_L3和V_L4分別為第一電感L₁、第二電感L₂、第三電感L₃和第四電感L₄兩端的電壓，V_C1、V_C2、V_C3和V_C4分別為第一電容C₁、第二電容C₂、第三電容C₃和第四電容C₄兩端的電壓，V_PN為逆變橋直流側(cè)鏈電壓。當(dāng)逆變器進(jìn)入穩(wěn)態(tài)工作后，得出以下的電壓關(guān)系推導(dǎo)過程。

階段1：逆變橋直通(相當(dāng)于S₁閉合)期間，對(duì)應(yīng)的等效電路圖3a所示，因此有如下公式：

V_{L1_on}＝V_i+V_C1 (1)

V_{L2_on}＝V_i+V_C2 (2)

V_{L3_on}＝V_i+V_C3 (3)

V_{L4_on}＝V_i+V_C4 (4)

V_PN＝0 (5)

逆變橋的直通時(shí)間為DT_s。

階段2：逆變橋非直通(相當(dāng)于S₁斷開)期間，對(duì)應(yīng)的等效電路如圖3b所示，因此有如下公式：

V_{L1_off}＝V_C1-V_C2-V_C3 (6)

V_{L2_off}＝V_C2-V_C1 (7)

V_{L3_off}＝V_C3-V_C4 (8)

V_{L4_off}＝V_C4-V_C3-V_C2 (9)

V_PN＝V_i-V_{L1_off}-V_{L2_off}-V_{L3_off}-V_{L4_off} (10)

逆變橋的非直通時(shí)間為(1-D)T_s。

根據(jù)以上分析，對(duì)分別第一電感L₁、第二電感L₂、第三電感L₃和第四電感L₄運(yùn)用電感伏秒數(shù)守恒原理，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(3)、式(4)、式(6)、式(7)、式(8)和式(9)可得：

D(V_i+V_C1)+(1-D)(V_C1-V_C2-V_C3)＝0 (11)

D(V_i+V_C2)+(1-D)(V_C2-V_C1)＝0 (12)

D(V_i+V_C3)+(1-D)(V_C3-V_C4)＝0 (13)

D(V_i+V_C4)+(1-D)(V_C4-V_C3-V_C2)＝0 (14)

聯(lián)立式(11)、式(12)、式(13)和式(14)，可得出第一電容C₁的電壓V_C1、第二電容C₂的電壓V_C2、第三電容C₃的電壓V_C3、第四電容C₄的電壓V_C4與電壓源V_i之間的關(guān)系式分別為：

$V_{C2}=V_{C3}=\frac{D(2-D)}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(15\right)$

$V_{C1}=V_{C4}=\frac{3D-2D^2}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(16\right)$

則把式(15)和式(16)代入式(10)，可得三相逆變橋直流鏈電壓V_PN的表達(dá)式為：：

$V_{PN}=\frac{1}{1-4D+2D^2}{V}_i---\left(17\right)$

則本實(shí)用新型電路的升壓因子(Boost Factor)B為：

$B=\frac{V_{PN}}{V_i}=\frac{1}{1-4D+2D^2}---\left(18\right)$

對(duì)應(yīng)的交流側(cè)輸出電壓增益為：

G＝MB＝(0～∞) (19)

如圖4a所示為本實(shí)用新型電路的升壓因子曲線與開關(guān)電感Z源逆變器、基于二極管二級(jí)拓展的準(zhǔn)Z源逆變器和傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子曲線比較圖；圖中包括本實(shí)用新型電路的升壓因子曲線，開關(guān)電感Z源逆變器的升壓因子曲線，基于二極管二級(jí)拓展的準(zhǔn)Z源逆變器的升壓因子曲線，傳統(tǒng)Z源逆變器的升壓因子曲線。由圖可知，本實(shí)用新型電路在占空比D不超過0.29的情況下，升壓因子B就可以達(dá)到很大，明顯高于其他逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓因子，且本實(shí)用新型電路的占空比D不會(huì)超過0.29。

圖4b為四種逆變器的調(diào)制系數(shù)M與交流側(cè)輸出電壓增益G的關(guān)系曲線圖，由圖可知在具有相同的交流側(cè)輸出電壓增益G的情況下，本實(shí)用新型電路比其他三種逆變器電路可以用到更大的調(diào)制系數(shù)M對(duì)逆變器進(jìn)行調(diào)制，進(jìn)而提高了逆變器的直流電壓利用率，改善了交流側(cè)輸出電壓波形的質(zhì)量。

圖4c為四種逆變器中開關(guān)器件電壓應(yīng)力的比較，由圖可知本實(shí)用新型電路逆變橋中開關(guān)器件的電壓應(yīng)力要比其他三種逆變器拓?fù)涠家?，進(jìn)而減小了使用開關(guān)器件的成本費(fèi)用。

僅作為實(shí)例，圖4d以輸入電壓V_i＝10V，直通占空比D＝0.25為例給出了本電路直流側(cè)和交流側(cè)相關(guān)變量的仿真結(jié)果。D＝0.25時(shí)，升壓因子B＝8，則逆變橋直流側(cè)鏈電壓V_PN＝B*V_i＝80V，電容電壓V_C1＝V_C2＝35V，V_C3＝V_C4＝50V。此外，圖4d中還給出了電感電流i_L1(＝i_L4)和i_L3(＝i_L2)的波形，交流側(cè)輸出相電壓V_outphase和輸出線電壓V_outline的波形，以及三相對(duì)稱電阻負(fù)載兩端電壓V_R的波形。

綜上所述，本實(shí)用新型電路結(jié)合了兩個(gè)準(zhǔn)Z源單元各自的單級(jí)升降壓特性，具有較高的輸出電壓增益，輸出與輸入共地，減小了逆變橋中開關(guān)器件的電壓應(yīng)力，且不存在電路啟動(dòng)沖擊電流的問題。

上述實(shí)施例為本實(shí)用新型較佳的實(shí)施方式，但本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不受所述實(shí)施例的限制，其他的任何未背離本實(shí)用新型的精神實(shí)質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替代、組合、簡(jiǎn)化，均應(yīng)為等效的置換方式，都包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。