一種單級耦合電感zeta電抗源逆變器的制造方法
【專利摘要】本實用新型屬于直流與交流逆變設備【技術(shù)領域】，涉及一種單級耦合電感ZETA電抗源逆變器；其功率開關(guān)管S7一端與直流電源Vg的正極相連，另一端與耦合電感的第一繞組L1相連，耦合電感的兩個繞組L1和L2的公共端與電源Vg負極相連，三相電壓型橋式逆變電路單元由六個帶二極管D1～D6的功率開關(guān)管S1～S6連接組成，功率開關(guān)管S1與S4相連，功率開關(guān)管S2與S5和功率開關(guān)管S3與S6分別相連，功率開關(guān)管S1的另一端與功率開關(guān)管S2和S3的另一端相連并接于電容器C的正極，功率開關(guān)管S4的另一端與功率開關(guān)管S5和S6的另一端相連并接于耦合電感第一繞組L1與第二繞組L2的公共端；其整體結(jié)構(gòu)設計合理，電學原理可靠，逆變效果好，使用安全，操作簡單，逆變環(huán)境友好。
【專利說明】—種單級耦合電感ZETA電抗源逆變器

【技術(shù)領域】
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[0001]本實用新型屬于直流與交流逆變設備【技術(shù)領域】，涉及一種新型高升壓增益直流-交流逆變器，特別是一種單級耦合電感ZETA電抗源逆變器。

【背景技術(shù)】
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[0002]目前，可再生能源和新能源的發(fā)展迫切需要高效節(jié)能的電能轉(zhuǎn)換電路以充分利用來之不易的能量。分布式發(fā)電系統(tǒng)作為電網(wǎng)的有益補充，在邊遠地區(qū)和環(huán)境特殊的地域具有十分明顯的優(yōu)勢。光伏模塊和燃料電池的電壓等級對系統(tǒng)影響較大，高電壓需多個模塊的串聯(lián)，這會極大增加系統(tǒng)的成本及故障率。在現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)的兩級電路解決方案雖能實現(xiàn)升壓及并網(wǎng)功能，但亦會造成電路結(jié)構(gòu)復雜，效率低等問題。Z源逆變電路(ZSI)作為一種單級逆變電路可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的兩級電路來實現(xiàn)升壓及并網(wǎng)功能，大大簡化了電路結(jié)構(gòu)，增強了逆變電路的安全性。但Z源逆變電路獨特升壓原理限制了該電路的升壓能力，獲得高電壓增益必然降低逆變電器的調(diào)制因子，在一定程度上限制了其應用范圍。為解決該問題，可通過引入開關(guān)電容提升ZSI的升壓能力，獲得較高升壓比，但這樣會造成電路結(jié)構(gòu)復雜，增加樣機重量和體積，并同時會帶來漏感的相應增加，降低逆變器功率密度，限制了其應用場合。因此，尋求一種結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，適用于高升壓場合的逆變電路裝置已成為本領域研發(fā)人員正在探討的技術(shù)任務，為了做到上述設想，申請者已取得國家自然科學基金的資助項目(51477079)和山東省自然科學基金的(ZR2013EEM020)項目，以期達到預期的設想。


【發(fā)明內(nèi)容】

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[0003]本實用新型的發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點，尋求設計一種新型結(jié)構(gòu)的高升壓增益單級耦合電感ZETA電抗源逆變器，用于直流和交流電之間的逆變場合，能夠克服傳統(tǒng)單級可升壓逆變電路升壓能力不足的缺點，在調(diào)制因子較大時，能夠得到較大的升壓能力，在電路所用元器件較少條件下，實現(xiàn)較高的功率密度并降低成本和故障率。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的主體結(jié)構(gòu)包括直流電源\、由第一繞組U和第二繞組L2組成的耦合電感(第一繞組U與第二繞組L2的匝數(shù)比為NP:NS,為具體表示耦合電感的模型，在圖1中標記出耦合電感的第一繞組Q和第二繞組L2的漏感分別為Llk、L2k及勵磁電感為Lm)、電容器C、功率開關(guān)管S7和由功率開關(guān)管Si?S6及二極管Di?D6組成的三相電壓型橋式逆變電路單元；耦合電感的第一繞組U與第二繞組L2互為同名端，功率開關(guān)管s7 一端與直流電源Vg的正極相連,另一端與稱合電感的第一繞組Q相連，稱合電感的兩個繞組u和l2的公共端與電源\負極相連；三相電壓型橋式逆變電路單元由六個帶反并聯(lián)二極管Di?D6的功率開關(guān)管Si?S6連接組成，各二極管與各功率開關(guān)管的標號為一一對應并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管Si?S6選用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)或電力場效應晶體管(M0SFET)，功率開關(guān)管Si與功率開關(guān)管S4相連，并在其公共端引出一組橋臂作為三相電壓式橋型逆變電路單兀的一相輸出端；功率開關(guān)管s2與s5和功率開關(guān)管s3與s6分別相連并在公共端分別引出另外兩組橋臂；功率開關(guān)管Si的另一端與功率開關(guān)管s2、s3的另一端相連并接于電容器C的正極，功率開關(guān)管s4的另一端與功率開關(guān)管s5、s6的另一端相連并接于耦合電感第一繞組U與第二繞組L2的公共端；三相電壓型橋式逆變電路單元的六個開關(guān)管Si?s6均接受外部設備提供的開關(guān)信號。
[0005]本實用新型涉及的單級耦合電感ZETA電抗源逆變器利用逆變電路逆變橋的續(xù)流二極管Di?D6代替ZETA電路的整流二極管，利用耦合電感U、L2代替ZETA電路中儲能電感，能夠在小直通占空比Dsh的情況下提高直流鏈電壓值；該單級耦合電感ZETA電抗源逆變器有兩種工作模式:一是功率開關(guān)管&關(guān)斷且三相電壓型橋式逆變電路單元處于直通狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換模式，由于功率開關(guān)管S7關(guān)斷，前一階段電感Lm存儲的能量通過耦合電感第二繞組L2經(jīng)三相橋式電壓型逆變電路的續(xù)流二極管Di?D6為電容C充電，能量由耦合電感第二繞組L2轉(zhuǎn)移至電容器C，滿足NSVU = NPVL2,VL2 = -Vc ;二是功率開關(guān)管S7導通且三相電壓型橋式逆變電路單元處于非直通狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換模式，功率開關(guān)管S7導通，直流電源\與耦合電感第一繞組Q形成回路，給電感1^充電，經(jīng)耦合關(guān)系將能量傳遞至第二繞組1^2，電容C與耦合電感第二繞組l2放電，通過三相電壓型橋式逆變電路為負載供給能量，滿足vu =Vg>VPN = VC+VL2,NSVL1 = NpVL2 ;利用耦合電感兩個繞組U、L2的電感伏秒平衡法則，得直流鏈電壓VPN = NVg/Dsh = BVg，B為直流鏈電壓增益，N為耦合電感次級繞組和初級繞組匝比Ns:NP,由式中看出，單級耦合電感ZETA電抗源逆變器實現(xiàn)直流鏈升壓的同時，消除直通占空比Dsh和調(diào)制因子的限制。
[0006]本實用新型涉及的逆變器在一個穩(wěn)態(tài)工作周期中有4個工作狀態(tài):工作狀態(tài)一是功率開關(guān)管s7導通，三相電壓型橋式逆變電路處于非直通狀態(tài)，電源Vg給電感Lm充電，電感電流逐漸上升，同時連同電容C存儲的能量經(jīng)過三相電壓型橋式逆變電路一起給負載供電，此時輸出電流為負載額定電流；工作狀態(tài)二是三相電壓型橋式逆變電路單元進入傳統(tǒng)零狀態(tài)，此時直流鏈電路和交流負載之間沒有能量交換，三相電壓型橋式逆變電路單元前的直流側(cè)輸出電流ilMd為零，電感Lm由電源Vg繼續(xù)充電，電感電流上升至最大值，為下一個工作狀態(tài)存儲能量；工作狀態(tài)三是經(jīng)上一個狀態(tài)后，直通信號加至三相電壓型橋式逆變電路單元逆變橋的功率開關(guān)上，同時將直流側(cè)功率開關(guān)S7關(guān)斷，電感Lm中儲存的能量通過耦合電感第二繞組L2釋放經(jīng)續(xù)流二極管Di?D6形成充電回路，給電容C充電，由于電感k不斷向電容C釋放能量，電感電流下降至最低值；工作狀態(tài)四是三相電壓型橋式逆變電路單元進入另一個傳統(tǒng)零狀態(tài)，交流負載與直流鏈電路無能量交換，電感Lm與直流電源Vg再次形成充電回路，電感繼續(xù)儲存能量為下一個循環(huán)周期的電能傳遞做準備。
[0007]本實用新型與現(xiàn)有單級可升壓逆變技術(shù)相比，通過引入耦合電感代替ZETA電路中的電感，增加直流鏈電壓升壓比，使得直流鏈電壓最大值可通過耦合電感匝比與直通占空比進行雙自由度調(diào)節(jié)，升壓增益與直通占空比成反比例關(guān)系，消除直通占空比與調(diào)制因子的限制，在較大調(diào)制因子情況下依舊能夠得到較高的電壓增益；同時減少逆變電路元器件數(shù)量，提高電路的功率密度，在可調(diào)度式分布式并網(wǎng)系統(tǒng)中，儲能元件的電壓等級小，減少其串聯(lián)個數(shù)，降低成本和故障率，適合應用于要求升壓較高的逆變場合，如光伏并網(wǎng)、燃料電池等新能源應用系統(tǒng)；其整體結(jié)構(gòu)設計合理，電學原理可靠，電路元件省，逆變效果好，使用安全，操作簡單，逆變環(huán)境友好。【專利附圖】

【附圖說明】:
[0008]圖1為本實用新型的主體電路結(jié)構(gòu)與工作原理示意圖。

【具體實施方式】
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[0009]下面通過附圖并結(jié)合具體實施例對本實用新型的技術(shù)方案及其相關(guān)工作原理進行詳細說明。
[0010]實施例:
[0011]本實施例涉及的單級耦合ZETA電抗源逆變器的主體結(jié)構(gòu)包括直流電源Vg，由第一繞組u和第二繞組L2組成的耦合電感結(jié)構(gòu)，第一繞組Li與第二繞組L2的匝數(shù)比為NP:NS,為具體表示耦合電感的模型，在圖1中標記出耦合電感第一繞組U和第二繞組L2的漏感Llk、L2k及勵磁電感Lm，電容器C，功率開關(guān)管S7、由功率開關(guān)管Si?S6和二極管Di?D6組成的三相電壓型橋式逆變電路單元；耦合電感的第一繞組U與第二繞組L2互為同名端，功率開關(guān)管s7 一端與直流電源Vg的正極相連,另一端與稱合電感的第一繞組Q相連,稱合電感的兩個繞組u、l2的公共端與電源\負極相連；三相電壓型橋式逆變電路單元由六個帶反并聯(lián)二極管Di?D6的功率開關(guān)管Si?S6連接組成，各二極管與各功率開關(guān)管的標號為一一對應并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管Si?S6選用絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)或電力場效應晶體管(M0SFET)，功率開關(guān)管Si與功率開關(guān)管S4相連，并在其公共端引出一組橋臂作為三相電壓式橋型逆變電路單兀的一相輸出端；功率開關(guān)管s2與s5和功率開關(guān)管s3與s6分別相連并在公共端分別引出另外兩組橋臂；功率開關(guān)管Si的另一端與功率開關(guān)管s2、s3的另一端相連并接于電容器C的正極，功率開關(guān)管s4的另一端與功率開關(guān)管s5、s6的另一端相連并接于耦合電感第一繞組U與第二繞組L2的公共端；三相電壓型橋式逆變電路單元的六個開關(guān)管Si?s6均接受外部設備提供的開關(guān)信號。
[0012]本實施例涉及的單級耦合電感ZETA電抗源逆變器利用逆變電路逆變橋的續(xù)流二極管Di?D6代替ZETA電路的整流二極管，利用耦合電感1^丄2代替ZETA電路中儲能電感，能夠在小直通占空比Dsh的情況下提高直流鏈電壓值；該單級耦合電感ZETA電抗源逆變器有兩種工作模式:一是功率開關(guān)管&關(guān)斷且三相電壓型橋式逆變電路單元處于直通狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換模式，由于功率開關(guān)管S7關(guān)斷，前一階段電感Lm存儲的能量通過耦合電感第二繞組L2經(jīng)三相橋式電壓型逆變電路的續(xù)流二極管Di?D6為電容C充電，能量由耦合電感第二繞組L2轉(zhuǎn)移至電容器C，滿足NSVU = NPVL2, VL2 = -Vc ;二是功率開關(guān)管S7導通且三相電壓型橋式逆變電路單元處于非直通狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換模式，功率開關(guān)管S7導通，直流電源\與耦合電感第一繞組Q形成回路，給電感1^充電，經(jīng)耦合關(guān)系將能量傳遞至第二繞組1^2，電容C與耦合電感第二繞組l2放電，通過三相電壓型橋式逆變電路為負載供給能量，滿足vu =Vg>VPN = VC+VL2,NSVL1 = NpVL2 ;利用耦合電感兩個繞組U、L2的電感伏秒平衡法則，得直流鏈電壓VPN = NVg/Dsh = BVg，B為直流鏈電壓增益，N為耦合電感次級繞組和初級繞組匝比Ns:NP,由式中看出，單級耦合電感ZETA電抗源逆變器實現(xiàn)直流鏈升壓的同時，消除直通占空比Dsh和調(diào)制因子的限制。
[0013]本實施例在一個穩(wěn)態(tài)工作周期中有4個工作狀態(tài):工作狀態(tài)一是功率開關(guān)管S7導通，三相電壓型橋式逆變電路處于非直通狀態(tài)，電源\給電感Lm充電，電感電流逐漸上升，同時連同電容C存儲的能量經(jīng)過三相電壓型橋式逆變電路一起給負載供電，此時輸出電流為負載額定電流；工作狀態(tài)二是三相電壓型橋式逆變電路單元進入傳統(tǒng)零狀態(tài)，此時直流鏈電路和交流負載之間沒有能量交換，三相電壓型橋式逆變電路單元前的直流側(cè)輸出電流ilMd為零，電感Lm由電源Vg繼續(xù)充電，電感電流上升至最大值，為下一個工作狀態(tài)存儲能量；工作狀態(tài)三是經(jīng)上一個狀態(tài)后，直通信號加至三相電壓型橋式逆變電路單元逆變橋的功率開關(guān)上，同時將直流側(cè)功率開關(guān)S7關(guān)斷，電感Lm中儲存的能量通過耦合電感第二繞組L2釋放經(jīng)續(xù)流二極管Di?D6形成充電回路，給電容C充電，由于電感k不斷向電容C釋放能量，電感電流下降至最低值；工作狀態(tài)四是三相電壓型橋式逆變電路單元進入另一個傳統(tǒng)零狀態(tài)，交流負載與直流鏈電路無能量交換，電感Lm與直流電源Vg再次形成充電回路，電感繼續(xù)儲存能量為下一個循環(huán)周期的電能傳遞做準備。
[0014]本實施例在實踐應用中得到了證實，各項指標參數(shù)均符合設計目的要求，達到了預期的發(fā)明效果，其逆變過程安全可靠，整體裝置運行穩(wěn)定。
【權(quán)利要求】
1.一種單級耦合電感ZETA電抗源逆變器，其特征在于主體結(jié)構(gòu)包括直流電源Vg、由第一繞組L1和第二繞組L2組成的耦合電感、電容器C、功率開關(guān)管S7和由功率開關(guān)管S1?S6及二極管D1?D6組成的三相電壓型橋式逆變電路單元；耦合電感的第一繞組L1與第二繞組L2互為同名端，功率開關(guān)管S7 一端與直流電源Vg的正極相連，另一端與耦合電感的第一繞組L1相連，耦合電感的兩個繞組L1和L2的公共端與電源Vg負極相連；三相電壓型橋式逆變電路單元由六個帶反并聯(lián)二極管D1?D6的功率開關(guān)管S1?S6連接組成，各二極管與各功率開關(guān)管的標號為一一對應并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率開關(guān)管S1與功率開關(guān)管S4相連，并在其公共端引出一組橋臂；功率開關(guān)管S2與S5和功率開關(guān)管S3與S6分別相連并在公共端分別引出另外兩組橋臂；功率開關(guān)管S1的另一端與功率開關(guān)管S2、S3的另一端相連并接于電容器C的正極，功率開關(guān)管S4的另一端與功率開關(guān)管s5、s6的另一端相連并接于耦合電感第一繞組L1與第二繞組L2的公共端。
【文檔編號】H02M7/5387GK204068754SQ201420549719
【公開日】2014年12月31日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】丁新平, 王伯榮, 苑紅 申請人:青島理工大學