三相高增益Buck‑Boost集成式升压逆变器 |
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| 申请号 | CN201710491002.9 | 申请日 | 2017-06-23 | 公开(公告)号 | CN107196548A | 公开(公告)日 | 2017-09-22 |
| 申请人 | 南通大学; | 发明人 | 秦岭; 罗松; 王亚芳; 尹铭; 冯志强; 候虚虚; 许骥; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种三相高增益Buck‑Boost集成式升压逆变器，包括防反 二极管 D1‑D3，升压电感L1， 开关 管S1‑S6，防反二极管D1的一端连接有升压电感L1，防反二极管D1的另一端并联连接有开关管S1和开关管S2；所述防反二极管D2的一端连接有升压电感L1，防反二极管D2的另一端并联连接有开关管S3和开关管S4；防反二极管D3的一端连接有升压电感L1，防反二极管D3的另一端并联连接有开关管S5和开关管S6。本发明的逆变器实现了三个Buck‑Boost变换器和三相全桥逆变器的集成，将原本由两级功率变换实现的功能由单级功率变换实现，降低了系统体积和成本，提高了系统集成度。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器，其特征在于：包括防反二极管D1-D3，升压电感L1，开关管S1-S6，所述防反二极管D1的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D1的另一端并联连接有开关管S1和开关管S2；所述防反二极管D2的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D2的另一端并联连接有开关管S3和开关管S4；所述防反二极管D3的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D3的另一端并联连接有开关管S5和开关管S6。 |
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| 说明书全文 | 三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器技术领域背景技术[0002] 光伏电池的输出电压通常较低，且受光照强度、环境温度的影响而大范围波动，往往需要升压逆变装置将其逆变为可用的稳定交流电压。采用具有升压能力的DC-DC变换器(如Boost变换器、Boost-Buck变换器等)与电压型全桥逆变器级联，可以方便地实现升压逆变。然而，这种方案存在元件数量多，成本高以及集成度较低等缺点。为此，近年来越来越多的学者开始将研究目光转向单级式升压逆变器。目前，已见诸报道的单级式升压逆变器主要有：电流型逆变器、Z源逆变器、差动式逆变器、加合式逆变器、集成式逆变器等。集成式逆变器通过共用功率器件，将升压式变换器和传统全桥逆变器集成在一起。与前四种相比，集成式逆变器显著减少了元件数量，降低了系统成本并提高了集成度。 发明内容[0003] 发明目的：本发明的目的是为了解决现有技术中的不足，提供一种三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器，该逆变器实现了三个Buck-Boost变换器和三相全桥逆变器的集成，将原本由两级功率变换实现的功能由单级功率变换实现，降低了系统体积和成本，提高了系统集成度。 [0004] 技术方案：本发明所述的一种三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器，包括防反二极管D1-D3，升压电感L1，开关管S1-S6，所述防反二极管D1的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D1的另一端并联连接有开关管S1和开关管S2；所述防反二极管D2的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D2的另一端并联连接有开关管S3和开关管S4；所述防反二极管D3的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D3的另一端并联连接有开关管S5和开关管S6。 [0006] 进一步的，所述防反二极管D2的阴极连接有升压电感L1，所述防反二极管D2的阳极并联连接有开关管S3和开关管S4。 [0007] 进一步的，所述防反二极管D3的阴极连接有升压电感L1，所述防反二极管D3的阳极并联连接有开关管S5和开关管S6。 [0008] 进一步的，还包括滤波电感Lo1-Lo3，滤波电容Co1-Co3，所述的滤波电感Lo1-Lo3各自的其中一端分别与防反二极管D1-D3的阳极连接，滤波电感Lo1-Lo3各自的另一端分别与滤波电容Co1-Co3一一对应连接。 [0009] 进一步的，还包括升压滤波电容Cin，所述升压滤波电容Cin的正极与升压电感L1连接，升压滤波电容Cin的负极与开关管S2、开关管S4、开关管S6连接。 [0010] 上述一种三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器的调制方法，是通过采用三相SPWM调制方法，来实现三相Buck-Boost集成式逆变器的直流电压泵升和输出电压正弦化。 [0013] 图2为本发明逆变器的拓扑结构演化示意图； [0014] 图3为本发明调制方法中的三相调制波时序图； [0015] 图4为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0016] 图5为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0017] 图6为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0018] 图7为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0019] 图8为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0020] 图9为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0021] 图10为本发明调制方法中的其中一个模态等效电路图； [0022] 图11为本发明调制方法中的区间1的等效波形图； [0023] 图12为本发明调制方法中的区间2的等效波形图； [0024] 图13为本发明调制方法中的区间3的等效波形图； [0025] 图14为本发明仿真验证中的三相SPWM调制方式下的系统仿真波形图； [0026] 图15为本发明仿真验证中的三相SPWM调制方式下的系统仿真波形图。 具体实施方式[0027] 下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一下详细说明。 [0028] 如图1所示的一种三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器的电路拓扑图，包括防反二极管D1-D3，升压电感L1，开关管S1-S6，所述防反二极管D1的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D1的另一端并联连接有开关管S1和开关管S2；所述防反二极管D2的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D2的另一端并联连接有开关管S3和开关管S4；所述防反二极管D3的一端连接有升压电感L1，所述防反二极管D3的另一端并联连接有开关管S5和开关管S6。 [0029] 作为本实施例的进一步优化： [0030] 优选的，所述防反二极管D1的阴极连接有升压电感L1，所述防反二极管D1的阳极并联连接有开关管S1和开关管S2；所述防反二极管D2的阴极连接有升压电感L1，所述防反二极管D2的阳极并联连接有开关管S3和开关管S4；所述防反二极管D3的阴极连接有升压电感L1，所述防反二极管D3的阳极并联连接有开关管S5和开关管S6。 [0031] 优选的，为了保证输出信号的滤波效果，还包括滤波电感Lo1-Lo3，滤波电容Co1-Co3，所述的滤波电感Lo1-Lo3各自的其中一端分别与防反二极管D1-D3的阳极连接，滤波电感Lo1-Lo3各自的另一端分别与滤波电容Co1-Co3一一对应连接。 [0032] 优选的，为了保证输入信号的滤波效果，还包括升压滤波电容Cin，所述升压滤波电容Cin的正极与升压电感L1连接，升压滤波电容Cin的负极与开关管S2、开关管S4、开关管S6连接。 [0033] 图2给出了该新型逆变器的拓扑演化过程。由图2可以看出，其由Buck-Boost变换器演变而来，通过复用全桥逆变器的开关管，实现三个Buck-Boost变换器和三相全桥逆变器的集成，将原本由两级功率变换实现的功能由单级功率变换实现，降低了系统体积和成本，提高了系统集成度。 [0034] 本发明的三相高增益Buck-Boost集成式升压逆变器采用传统三相SPWM调制方法，来实现三相Buck-Boost集成式逆变器的直流电压泵升和输出电压正弦化。为便于分析，将三相调制波按如图3所示分为六个区间。表1给出了传统三相SPWM调制时，该集成式升压逆变器在各区间单个开关周期内的开关时序。 [0035] 结合该开关时序，可分析得出该三相Buck-Boost集成式升压逆变器的工作原理和特性。由于逆变器在前3个区间的工作过程与在后3个区间的工作过程基本相似，故此处仅以前3个区间的工作过程为例进行分析。为了简化分析，首先假设该逆变器工作已经达到稳态，并符合以下条件： [0036] 1)所有功率管、电感、电容均为理想器件； [0037] 2)输入电压Uin恒定，故可等效为恒压源； [0038] 3)电容Cin足够大，其端电压UC近似恒定，故可等效为恒压源； [0039] 4)节点n2的电位为零。 [0040] 基于上述假设，该升压逆变器在各区间单个开关周期中的工作过程可以分成6个模态，每个工作模态对应的等效电路如图4到图10所示，其主要工作波形如图11到图13所示，下面分别予以分析。 [0041] 表1开关时序 [0042] [0043] 区间① [0044] 模态1：[t0-t1](等效电路如图4所示) [0045] 在t0时刻，S1，S4和S6导通，二极管D1导通而D2和D3反偏截止。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长，到t1时刻，模态1结束。 [0046] [0047] 模态2：[t1-t2](等效电路如图5所示) [0048] 在t1时刻，S6关断，S5导通，二极管D1和D3导通而D2反偏截止。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长，到t2时刻，模态2结束。 [0049] [0050] 模态3：[t2-t3](等效电路如图6所示) [0051] 在t2时刻，S4关断，S3导通，二极管D1，D2和D3均导通。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长，到t3时刻，模态3结束。 [0052] [0053] 模态4：[t3-t4](等效电路如图5所示) [0054] 在t3时刻，S3关断，S4导通，到t4时刻，模态4结束。该模态工作过程与模态2基本相同，故在此不再赘述。 [0055] 模态5：[t4-t5](等效电路如图4所示) [0056] 在t4时刻，S5关断，S6导通，到t5时刻，模态5结束。该模态工作过程与模态1基本相同，再次不再赘述。 [0057] 模态6：[t5-t6](等效电路如图7所示) [0058] 在t5时刻，S1关断，S2导通，D1，D2和D3续流。L1承受反向电压UC，电流iL1(t)线性减小。到t6时刻，模态6结束。下一个开关周期开始，重复上述过程。 [0059] [0060] 区间② [0061] 模态1：(等效电路如图4所示) [0062] 在t0时刻，S1，S4和S6导通，到t1时刻，模态1结束。该模态工作过程与区间①中的模态1基本相同，故在此不再赘述。 [0063] 模态2：(等效电路如图8所示) [0064] 在t1时刻，S4关断，S3导通，二极管D1，D2导通而D3反偏截止。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长，到t2时刻，模态2结束。 [0065] [0066] 模态3：(等效电路如图6所示) [0067] 在t2时刻，S6关断，S5导通，到t3时刻，模态3结束。该模态工作过程与区间①中的模态3基本相同，故在此不再赘述。 [0068] 模态4：(等效电路如图8所示) [0069] 在t3时刻，S5关断，S6导通，到t4时刻，模态4结束。该模态工作过程与模态2基本相同，故在此不再赘述。 [0070] 模态5：(等效电路如图9所示) [0071] 在t4时刻，S3关断，S4导通，二极管D1导通而D2和D3反偏截止。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长。到t5时刻，模态5结束。 [0072] [0073] 模态6：(等效电路如图7所示) [0074] 在t5时刻，S1关断，S2导通，D1，D2和D3续流。到t6时刻，模态6结束。该模态工作过程与区间①中的模态6基本相同，故在此不再赘述。下一个开关周期开始，重复上述过程。 [0075] 区间③ [0076] 模态1：(等效电路如图8所示) [0077] 在t0时刻，S1，S3和S6导通，到t1时刻，模态1结束。该模态工作过程与区间②中的模态2基本相同，故在此不再赘述。 [0078] 模态2：(等效电路如图6所示) [0079] 在t1时刻，S6关断，S5导通，到t2时刻，模态2结束。该模态工作过程与区间①中的模态3基本相同，故在此不再赘述。 [0080] 模态3：(等效电路如图8所示) [0081] 在t2时刻，S5关断，S6导通，到t3时刻，模态3结束。该模态工作过程与模态1基本相同，故在此不再赘述。 [0082] 模态4：(等效电路如图10所示) [0083] 在t3时刻，S1关断，S2导通，二极管D2导通，而D1和D3反偏截止。L1承受正向电压Uin，电感电流iL1(t)线性增长，到t4时刻，模态4结束。 [0084] [0085] 模态5：(等效电路如图7所示) [0086] 在t4时刻，S3关断，S4导通，到t5时刻，模态5结束。该模态工作过程与区间①中的模态6基本相同，故在此不再赘述。 [0087] 模态6：(等效电路如图10所示) [0088] 在t5时刻，S4关断，S3导通，到t6时刻，模态6结束。该模态工作过程与模态4基本相同，故在此不再赘述。下一个开关周期开始，重复上述过程。 [0089] 仿真验证 [0090] 为验证所提出的三相Buck-Boost集成式升压逆变器的正确性，构建了一台1kW/10kHz的样机，并进行了Saber仿真验证。该样机的主电路参数如表2所示。仿真中逆变器采用恒阻性负载。 [0091] 图14到图15给出了传统三相SPWM调制方式下，输入电压为120V，输出功率Po＝1kW时，该逆变器三相正弦调制波uar,ubr,ucr,三角载波uc,输入电压uin,升压电感电流iL1,直流母线电压udc和输出电压uoa、uob、uoc的仿真波形。可以看出，升压电感电流iL1中含有3倍工频分量，其脉动峰峰值约为10.4A；uoa、uob、uoc的有效值均为220V，此时的电压增益为G＝2.59，对应的调制比为0.826。仿真结果表明，该逆变能够很好地实现升压和逆变功能。 [0092] 表2逆变器电路参数 [0093] [0094] 本发明的逆变器实现了三个Buck-Boost变换器和三相全桥逆变器的集成，将原本由两级功率变换实现的功能由单级功率变换实现，降低了系统体积和成本，提高了系统集成度。 [0095] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。 |
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