一种新型开关电容准Z源单级可升压逆变电路

本发明属于dc-ac变换设备，具体涉及一种新型开关电容准z源单级可升压逆变电路。

背景技术：

1、在新能源发展的进程中，dc/ac逆变器在并网系统中逐渐担任起了越来越重要的角色，因此对于dc/ac逆变器的研究与创新也成为新能源并网系统的主要研究方向之一，但传统的dc/ac逆变器普遍存在结构复杂、工作效率较低等问题。

2、文献(peng f z.z-source inverter[j].ieee transactions on industryapplication,2003,39(2):504-510)提出了一种新型单级升降压z源逆变电路，可以将升压与并网两种功能有机结合，在传统逆变零状态上引入了直通信号，因此这种新型单级升降压z源逆变电路具有结构简单，安全可靠等优点。但是此电路也并不能避免传统z源逆变器的升压能力不足等缺点，在获取高升压比的同时，必须要有较高的占空比作为基础，但较高的占空比会限制其应用范围，造成不必要的能源损耗。文献(anderson j,peng f z.fourquasi-z-source inverters[c].2008ieee power electronics specialistsconference.ieee,2008:2743-2749)提出了一种新型低损耗的准z源逆变器，此类准z源逆变器具有较低的元器件应力以及较少的元器件应用，较传统的z源逆变器相比，还具有连续的输入电流、输入输出端共地等优点，但受制于升压能力有限的特点，不能应用于广泛的高电压需求电路中。文献(nguyen mk,lim y c,and park s j.improved trans-z-sourceinverter with continuous input current and boost inversion capability[j].ieeetransactions on power electronics,2013,28(10):4500-4509)提出了一种改进型的trans-z源逆变器，此类逆变器可以提供连续的输入电流以及更高的升压能力，与传统的z源与准z源逆变器相比，在相同的匝比和输入输出电压下，改进的逆变器具有更高的调制指数，可以减少直流母线上的电压应力，减小电流纹波，但是改进的逆变器在启动时会抑制谐振电流，可能会损坏设备。

技术实现思路

1、针对上述技术问题，本发明提供一种新型开关电容准z源单级可升压逆变电路；可以在较低占空比的前提下，得到较强的升压能力，相较于传统的逆变器而言，此类逆变电路可以在较少的元器件、较低的电流电压应力的条件下，获得更高的电压增益，更高的工作效率以及更好的逆变效果，在当今逆变电路研究领域中，具有较高的参考价值。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、一种新型开关电容准z源单级可升压逆变电路，所述电路包括：直流电源、第一电感l1、第一二极管d1、第一电容c1、第二电容c2、磁性耦合电感增压单元和开关模块；

4、所述开关模块通过导通或截止的切换，控制所述直流电源以及所述磁性耦合电感增压单元向负载提供能量或控制所述直流电源以及所述磁性耦合电感增压单元向负载停止提供能量；

5、所述磁性耦合电感增压单元具有相互耦合的绕组，通过改变所述耦合绕组的匝数比，实现输出电压对所述直流电源电压的升压变换。

6、进一步地，所述第一电感l1的一端和所述直流电源的正极连接，另一端和所述第一二极管d1的阳极以及所述第二电容c2的负极连接；所述第一二极管d1的阴极和所述第一电容c1的正极连接，所述第一电容c1的负极和所述直流电源的负极连接。

7、进一步地，所述磁性耦合电感增压单元包括第一绕组ln21、第二绕组ln22、第二一二极管d21、第二二二极管d22、第二三二极管d23、第二四二极管d24、第二一电容c21、第二二电容c22、第二三电容c23、第二四电容c24；所述第一绕组ln21与所述第二绕组ln22相互耦合，且匝数比为1:n；n取0～1。

8、进一步地，所述第一二极管d1、所述第二一二极管d21、所述第二二二极管d22、所述第二三二极管d23和所述第二四二极管d24为快恢复二极管。

9、进一步地，在所述磁性耦合电感增压单元中，第一绕组ln21的同名端与所述第一电容c1的正极及所述第一二极管d1的阴极相连，第一绕组ln21的异名端与所述第二一二极管d21的阳极和所述第二一电容c21的负极相连；第二绕组ln22的同名端和所述第二一电容c21的正极、第二四电容c24的负极以及第二三二极管d23的阴极相连；第二绕组ln22的异名端和第二二电容c22的负极、第二三电容c23的正极、第二四二极管d24的阳极相连；第二三二极管d23的阳极和所述第二一二极管d21的阴极、第二三电容c23的负极相连；第二四二极管d24的阴极和所述第二四电容c24的正极、所述第二二二极管d22的阳极相连。

10、其中，磁性耦合电感增压单元的第一绕组、第二绕组相互耦合，且匝数比为1:n。其有益效果是通过耦合电感的变压器磁效应进行耦合绕组升压，既避免了变换器出现极限占空比情况，还可以减小开关管导通和开关损耗；功率开关管，用于改变变换器的工作状态。

11、进一步地，所述开关模块为传统逆变桥，包括上桥臂功率开关管s1、s3、s5以及下桥臂功率开关管s2、s4、s6；

12、下桥臂功率开关管s2、s4、s6的源极均与所述第一电容c1的负极及所述直流电源的负极相连，上桥壁功率开关管s1、s3、s5的漏极均与所述第二电容c2的正极、第二二电容c22的的正极以及所述第二二二极管d22的阴极相连；

13、负载rload的两端分别与上桥臂功率开关管s1、s3、s5的漏极和下桥臂功率开关管s2、s4、s6的源极相连。

14、进一步地，所述开关模块的中的功率开关管s1～s6接受外部设备提供的开关信号。

15、进一步地，所述开关模块的导通或截止采用单极性的spwm控制方式。

16、spwm控制方式有单极性模式和双极性模式，与单极性模式相比，双极性spwm模式控制电路和主电路比较简单，但是单极性spwm模式要比双极性spwm模式输出电压中、高次谐波分量小得多，本发明采用单极性的spwm控制方法实现开关模块的导通或截止，能够提高开关模块的工作效率，减小开关损耗。

17、进一步地，当功率逆变桥为直通状态时：

18、第一二极管d1以及磁性耦合电感增压单元中的第二三二极管d23、第二四二极管d24关断，磁性耦合电感增压单元的第二一二极管d21、第二二二极管d22导通；第二电容c2与直流电源串联给第一电感l1充电，第一电感l1储存能量，第二电容c2释放能量；

19、第一电容c1以及磁性耦合电感增压单元的第二三电容c23、第二四电容c24给第一绕组ln21、第二绕组ln22充电，并通过第一绕组ln21、第二绕组ln22给磁性耦合电感增压单元的第二一电容c21、第二二电容c22充电，第一绕组ln21、第二绕组ln22以及磁性耦合电感增压单元的第二一电容c21、第二二电容c22储存能量，第一电容c1以及磁性耦合电感增压单元的第二三电容c23、第二四电容c24释放能量；

20、进一步地，当功率逆变桥为非直通状态时：

21、第一二极管d1以及磁性耦合电感增压单元第二三二极管d23、第二四二极管d24导通，磁性耦合电感增压单元的第二一二极管d21、第二二二极管d22关断；第一电感l1释放能量，第一电感l1与直流电源一起给第一电容c1充电，第一电容c1储存能量；

22、第一绕组ln21、第二绕组ln22、第二一电容c21、第二二电容c22、第一电感l1与直流电源一起串联将能量释放到负载；

23、第一绕组ln21、第二绕组ln22、第二一电容c21、第二二电容c22给第二电容c2充电，第二电容c2储存能量；

24、第二绕组ln22分别通过磁性耦合电感增压单元的第二三二极管d23、第二四二极管d24给磁性耦合电感增压单元的第二三电容c23、第二四电容c24充电，磁性耦合电感增压单元的第二三电容c23、第二四电容c24储存能量。

25、本发明的有益技术效果：

26、本发明提供的新型开关电容准z源单级可升压逆变电路与现有的dc-ac升压变换器相比，通过磁性耦合电感增压单元替代原有boost电路中的储能电感，其中，第一绕组、第二绕组相互耦合，且匝数比为1:n，能够对变换器形成开关管的导通占空比和耦合电感匝数比的双自由度调节，避免了极限占空比情况的出现，实现了在较小占空比的情况下宽范围电压输出的功能，减小了电磁干扰，增加了电路工作的可靠性。

27、本发明提供的新型开关电容准z源单级可升压逆变电路整体结构设计合理，电学原理可靠，使用安全，环境友好，操作简单，功率密度高，具有较大的应用潜力。