专利名称：一种高升压倍数的直通物理分离型z源逆变器的制作方法
技术领域：
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：
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I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。具体而言，原始Z源逆变器存在如下缺陷a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。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 Z 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Z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
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。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)、第一阻断二极管(Dl)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(LI)、第二电感(L2)和第一电容(Cl)、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(Dl)的阳极相连，第一阻断二极管(Dl)的阴极与Z源阻抗网络中第一电感(LI)的一端以及第一电容(Cl)的正极相连，第二阻断二极管(D2)的阴极与第一电感(LI)的另一端以及第二电容(C2)的正极相连，第一电容(Cl)、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(Cl)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。全控开关器件iST-IGBT可以单独控制Z源的直通占空比(isolatedShoot-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)。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Z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0 — 50%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。
图I是原始Z源逆变器拓扑电路。图2是本发明的拓扑电路。图3是本发明在30%直通占空比时的稳态逆变输出。图4是本发明在40%直通占空比时的稳态逆变输出。
具体实施例方式如图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Dl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LI、第二电感L2和第一电容Cl、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Dl的阳极相连，第一阻断二极管Dl的阴极与Z源阻抗网络中第一电感LI的一端以及第一电容Cl的正极相连，第二阻断二极管D2的阴极与第一电感LI的另一端以及第二电容C2的正极相连，第一电容Cl、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Cl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。本发明的全控开关器件(iST-IGBT)的直通占空比可以独立的在0 — 50%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。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Matlab\Simulink。相关符号说明如下
为输入直流源DC的电压。为大电容(ultra_C)上的电压，也是直流母线电压。Fac为三相交流输出线电压。按照附图2搭建电路，直流输入电源DC的电压Vsc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IOKHz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匕e。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。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
M = 10a 8 = 0 84。在原始z源逆变器拓扑结构中，如果逆变因子为o. 84，那么最大可插入
I
的直通占空比为〗-i￥ = I - 0.84 = 0.16 = 16%，但是在本发明提出的直通物理分离型Z源逆变器拓扑结构中，却可以插入30%的直通占空比，这实现了升压因子和逆变因子的解耦控制，突破了直通占空比必须小于零矢量的局限性。 在附图4中进一步增加直通占空比到40%，观察直通占空比在40%时系统的稳态输出，可以看出直流输入电压48V经Z源阻抗网络母线电压可以升压到240V，最后输出线电压
峰值为201. 6V的交流电，逆变因子M =0.8375。在原始Z源逆变器拓扑结构中，其
240
最大可插入的直通占空比为I-M = I-0.84= 0.16 = 16% ,但是在本发明提出的Z源逆变器拓扑结构中，却插入了 40%的直通占空比，这进一步证实了本发明的Z源逆变器拓扑结构具有升压因子和逆变因子课解耦控制的优良特性，可插入的直通占空比不再受到有限零矢量的约束。
从仿真结果可以看出，低电压输入电源经本发明可以升压到很高的电压并逆变输出且保持较高的逆变因子，其直通矢量物理分离控制的基本思想是可行的。与原始Z源逆变器相比，本发明可以实现升压因子和逆变因子之间的解耦控制，解除两者之间的相互依赖关系，实际可插入的直通占空比可以根据具体需要任意的改变，而不必因零矢量有限而限制可插入的直通占空比，因此本发明的拓扑结构升压能力更强，控制更灵活。
权利要求
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(Dl)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(LI)、第二电感(L2)和第一电容(Cl)、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(Dl)的阳极相连，第一阻断二极管(Dl)的阴极与Z源阻抗网络中第一电感(LI)的一端以及第一电容(Cl)的正极相连，第二阻断二极管(D2)的阴极与第一电感(LI)的另一端以及第二电容(C2)的正极相连，第一电容(Cl)、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(Cl)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。
全文摘要
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。
文档编号H02M7/521GK102751896SQ201210224628
公开日2012年10月24日 申请日期2012年7月3日 优先权日2012年7月3日
发明者张华强, 曹煊, 朱子文, 王新生 申请人:哈尔滨工业大学(威海)