一种Z源逆变器 |
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申请号 | CN201610176543.8 | 申请日 | 2016-03-24 | 公开(公告)号 | CN107231100A | 公开(公告)日 | 2017-10-03 |
申请人 | 西门子公司; | 发明人 | 石磊; 赵研峰; 姚吉隆; | ||||
摘要 | 本 发明 提供了一种Z源逆变器,包括:至少一个Z源网络、逆变 电路 、与至少一个Z源网络一一对应的至少一个电源;其中,每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接逆变电路;每一个Z源网络的第二端连接逆变电路;Z源网络包括:电感、电容和 二极管 组成的 能量 交换电路,其中,逆变电路的运行状态触发能量交换电路进行能量交换。根据本方案,Z源逆变器中Z源电容 电压 应 力 更小,从而可以选择小电压 应力 的电容器件实现该Z源逆变器。 | ||||||
权利要求 | 1.一种Z源逆变器,包括: |
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说明书全文 | 一种Z源逆变器技术领域背景技术[0003] 在现有技术中,一般采用Z源网络将逆变器与电源进行耦合以组成Z源逆变器,该Z源逆变器与传统的电压源逆变器和电流源逆变器相比,具有可实现升降压变换以及逆变器桥臂可以直通等优点,在新能源发电领域具有广阔的应用前景。然而现有的Z源逆变器拓扑其Z源电容电压应力较大,从而导致逆变器体积较大,成本较高。 发明内容[0004] 有鉴于此,本发明提出了一种Z源逆变器,以降低Z源电容电压应力。 [0005] 本发明实施例提供了一种Z源逆变器,包括: [0006] 至少一个Z源网络、逆变电路、与所述至少一个Z源网络一一对应的至少一个电源; [0007] 其中,每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接所述逆变电路; [0008] 每一个Z源网络的第二端连接所述逆变电路; [0011] 其中,所述Z源网络的能量交换电路包括: [0012] 由第一电感、二极管和第二电感依次串联形成的第一串联电路、分别并联在第一串联电路上的第一电容和第二电容;其中,所述第一电容的一端与第一串联电路的一端相连,所述第一电容的另一端连接在所述二极管与所述第一电感之间;所述第二电容的一端与第一串联电路的另一端相连,所述第二电容的另一端连接在所述二极管与所述第二电感之间。 [0013] 其中,包括一个所述Z源网络; [0014] 所述Z源网络中所包括的第一串联电路的一端与电源的正极性端相连,所述Z源网络中所包括的第一串联电路的另一端与所述逆变电路的第一输入端相连,该电源的负极性端与所述逆变电路的第二输入端相连。 [0015] 其中,所述逆变电路由相并联的三个子电路组成,每一个子电路包括相串联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT; [0016] 所述相并联的三个子电路的一端作为所述逆变电路的第一输入端,所述相并联的三个子电路的另一端作为所述逆变电路的第二输入端。 [0017] 其中,在所述逆变电路的运行状态包括直通状态时,所述Z源网络中的二极管处于截止模式; [0018] 在所述逆变电路的运行状态包括非直通状态时,所述Z源网络中的二极管处于导通模式。 [0019] 其中,包括两个所述Z源网络; [0020] 每一个所述Z源网络中所包括的第一串联电路的一端与对应电源的正极性端相连;其中, [0021] 该两个Z源网络中的第一Z源网络,其第一串联电路的另一端与所述逆变电路的第三输入端相连,与所述第一Z源网络相连的电源的负极性端与所述逆变电路的第四输入端相连; [0022] 该两个Z源网络中的第二Z源网络,其第一串联电路的另一端与所述逆变电路的所述第四输入端相连,与所述第二Z源网络相连的电源的负极性端与所述逆变电路的第五输入端相连。 [0023] 其中,所述逆变电路包括:相互连接的两个桥臂电路以及三个二极管电路;其中,[0024] 每一个桥臂电路由相并联的三个子电路组成,每一个子电路包括相串联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT,该两个桥臂电路中的第一桥臂电路的三个子电路分别与该两个桥臂电路中的第二桥臂电路的三个子电路一一对应连接; [0025] 每一个二极管电路由串联在一起的两个二极管组成,每一个所述二极管电路的一端连接在对应桥臂电路中子电路的两个IGBT之间,每一个所述二极管电路的另一端连接在与该子电路相连的另一个子电路的两个IGBT之间;每个所述二极管电路包括的两个二极管之间的线路点与其他每个二极管电路包括的两个二极管之间的线路点相连; [0026] 第一桥臂电路所包括的相并联的三个子电路的未与第二桥臂电路所包括的三个子电路相连的一端作为所述第三输入端,第二桥臂电路所包括的相并联的三个子电路的未与第一桥臂电路所包括的三个子电路相连的一端作为所述第五输入端,每一个所述二极管电路所包括的两个二极管之间同时作为所述第四输入端。 [0027] 其中,在所述逆变电路中任意一个或两个桥臂电路的运行状态包括直通状态时,与直通状态的桥臂电路相连的Z源网络中所包括的二极管处于截止模式; [0028] 在所述逆变电路中任意一个或两个桥臂电路的运行状态包括非直通状态时,与非直通状态的桥臂电路相连的Z源网络中所包括的二极管处于导通模式。 [0029] 其中,在Z源网络的所述能量交换电路中,当二极管处于截止模式时,串联在一起的第一电感和第一电容,与串联在一起的第二电感和第二电容,进行能量交换; [0030] 在Z源网络的所述能量交换电路中,当二极管处于导通模式时,并联在一起的第一电感与第二电容进行能量交换,并联在一起的第二电容与第一电感进行能量交换。 [0031] 从上述方案中可以看出,由于本发明实施例提供了一种Z源逆变器,通过将每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接逆变电路,以及将每一个Z源网络的第二端连接逆变电路,且Z源网络包括电感、电容和二极管组成的能量交换电路,可以根据逆变电路的运行状态触发能量交换电路进行能量交换,使得Z源逆变器中Z源电容电压应力更小。附图说明 [0032] 下面将通过参照附图详细描述本发明的优选实施例,使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点,附图中: [0033] 图1为本发明一个实施例提供的Z源网络拓扑示意图; [0034] 图2为本发明一个实施例提供的包括一个Z源网络时Z源逆变器的示意图; [0035] 图3为本发明一个实施例提供的针对图2中逆变电路为直通状态时Z源逆变器的示意图; [0036] 图4为本发明一个实施例提供的针对图2中逆变电路为非直通状态时Z源逆变器的示意图; [0037] 图5为本发明一个实施例提供的包括两个Z源网络时Z源逆变器的示意图; [0038] 图6为本发明一个实施例提供针对图5中逆变电路为直通状态时Z源逆变器示意图; [0039] 图7为本发明一个实施例提供针对图5中逆变电路为第一桥臂电路非直通第二桥臂电路直通状态时Z源逆变器示意图; [0040] 图8为本发明一个实施例提供针对图5中逆变电路为第一桥臂电路直通第二桥臂电路非直通状态时Z源逆变器示意图; [0041] 图9为本发明一个实施例提供针对图5中逆变电路为非直通状态时Z源逆变器示意图。 具体实施方式[0042] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,以下举实施例对本发明进一步详细说明。 [0043] 本发明实施例提供了一种Z源逆变器,该Z源逆变器可以包括:至少一个Z源网络、逆变电路、与所述至少一个Z源网络一一对应的至少一个电源; [0044] 其中,每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接所述逆变电路; [0045] 每一个Z源网络的第二端连接所述逆变电路; [0046] 所述Z源网络包括:电感、电容和二极管组成的能量交换电路,其中,[0047] 所述逆变电路的运行状态触发所述能量交换电路进行能量交换。 [0048] 根据上述本发明实施例,通过将每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接逆变电路,以及将每一个Z源网络的第二端连接逆变电路,且Z源网络包括电感、电容和二极管组成的能量交换电路,可以根据逆变电路的运行状态触发能量交换电路进行能量交换,比如通过仿真实验可以确定该连接方式下,Z源逆变器中Z源电容电压应力相对于现有技术的Z源电容电压应力小,从而可以选择小电压应力的电容器件实现该Z源逆变器,由于小电压应力的电容器件相对于大电压应力的电容器件体积小,成本低,进而降低了Z源逆变器的体积和成本。 [0049] 在本发明一个实施例中,请参考图1,该Z源网络包括的能量交换电路至少可以包括以下拓扑结构: [0050] 由第一电感L1、二极管D和第二电感L2依次串联形成的第一串联电路(该第一串联电路请参考图1中的线路a-b-c-d)、分别并联在第一串联电路上的第一电容C1和第二电容C2;其中,第一电容C1的一端与第一串联电路的一端相连(请参考图1中的d点),所述第一电容C1的另一端连接在所述二极管D与所述第一电感L1之间(请参考图1中的b点);所述第二电容C2的一端与第一串联电路的另一端相连(请参考图1中的a点),所述第二电容C2的另一端连接在所述二极管D与所述第二电感L2之间(请参考图1中的d点)。 [0051] 根据上述实施例所提供的Z源网络,在本发明一个实施例中,Z源逆变器至少可以包括如下两种方式: [0052] 方式A:包括一个上述Z源网络。 [0053] 方式B:包括两个上述Z源网络。 [0054] 下面针对上述方式A和方式B所实现的Z源逆变器分别进行说明。 [0055] 对于方式A: [0056] 在方式A下,该Z源逆变器请参考图2,根据图2可知,在该Z源逆变器中,Z源网络中所包括的第一串联电路(请参考图2中的线路e-f-g-h)的一端(请参考图2中e点)与电源Vdc的正极性端相连,该Z源网络中所包括的第一串联电路的另一端(请参考图2中的h点)与逆变电路的第一输入端相连,该电源Vdc的负极性端与逆变电路的第二输入端相连。 [0057] 在本发明一个实施例中,请参考图2,在方式A下,Z源逆变器中的逆变电路至少可以包括以下拓扑结构: [0058] 该逆变电路由相并联的三个子电路组成,每一个子电路包括相串联的两个IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor,绝缘栅双极型晶体管); [0059] 所述相并联的三个子电路的一端作为所述逆变电路的第一输入端(请参考图2中的m点),所述相并联的三个子电路的另一端作为所述逆变电路的第二输入端(请参考图2中的n点)。 [0060] 在方式A下,在本发明一个实施例中,该Z源逆变器可以实现将电源Vdc输出的直流电转换为交流电,该Z源逆变器输出的交流电包括三相电,每一相从逆变电路中每一个子电路所包括的两个IGBT之间(请参考图2中的i点、j点和k点)输出,请参考图2中输出的A相、B相和C相。 [0061] 在方式A下,在本发明一个实施例中,该Z源逆变器还可以实现对电源Vdc所输出电能升压和降压功能,其中,在实现升压、降压功能时,与该Z源逆变器相连接的外部驱动器可以通过对逆变电路进行信号驱动,以控制逆变电路的运行状态处于直通状态或非直通状态。 [0062] 当逆变电路的运行状态处于直通状态时,该Z源网络中能量交换电路中的二极管D1处于截止模式,请参考图3,为Z源逆变器的等效电路图,此时该能量交换电路中,串联在一起电感L3、电容C3,与串联在一起的电感L4、电容C4,进行能量交换。 [0063] 当逆变电路的运行状态处于非直通状态时,该Z源网络中能量交换电路中的二极管D1处于导通模式,请参考图4,为Z源逆变器的等效电路图,此时并联在一起的电感L3和电容C4之间进行能量交换,以及并联在一起的电感L4和电容C3之间进行能量交换。 [0064] 由于该Z源逆变器中Z源网络的存在,使得Z源逆变器中的功率器件可以直通而不被烧毁,因而该Z源逆变器不存在死区时间,从而提高了逆变器的抗磁干扰能力,使系统稳定性得到提升,且输出正弦电压波形畸变变小。 [0065] 在方式A下,为了验证该Z源逆变器的电容电压应力相对于现有技术的电容电压应力小,可以进行如下验证: [0066] 根据Z源网络的对称性,电感L1、电感L2的大小相等,电容C1、电容C2的大小相等,因此可以得出如下公式(1)、(2): [0067] VC1=VC2=VC (1) [0068] VL1=VL2=VL (2) [0069] 在方式A下的Z源逆变器中逆变电路的运行状态处于直通状态时,Z源网络中能量交换电路的二极管D1处于截止模式,请参考图3,该Z源网络中电感两端的电压如下式(3)所示: [0070] VL=-VC-Vdc (3) [0071] 在方式A下的Z源逆变器中逆变电路的运行状态处于非直通状态时,Z源网络中能量交换电路的二极管D1处于导通模式,请参考图4,可以得到如下式(4): [0072] VL=VC (4) [0074] [0075] 其中,T0为Z源逆变器在一个开关周期中的直通时间,T1为Z源逆变器在一个开关周期中的非直通时间。 [0076] 通过求解式(5)可以得到电容的电压应力如下: [0077] [0078] 其中,D为直通占空比,为了保证系统的稳定性,直通占空比D需要小于0.5;Vdc为电源电压值。 [0079] 对于现有技术中常采用的LC交叉网络来作为将电源和逆变电路进行耦合的Z源网络,根据伏秒平衡原则,可以得出现有技术中电容的电压应力公式: [0080] [0081] 由于直通占空比D小于0.5,因此通过比较上述公式(1)和公式(2),可以得出如下结论: [0082] [0083] 在方式A下,根据式(3)可知,本发明实施例提供的Z源逆变器中电容的电压应力小于现有技术的电容电压应力,因此,本发明实施例可以选择小电压应力的电容器件实现该Z源逆变器,由于小电压应力的电容器件相对于大电压应力的电容器件体积小,成本低,进而降低了Z源逆变器的体积和成本。 [0084] 在方式A下,可以进一步的计算得到二极管电压应力,可以验证得到相对于现有技术中的二极管电压应力不变;以及可以进一步的计算得到电感电压应力,以及验证得到相对于现有技术中的电感电压应力不变,因此,方式A下的Z源逆变器的体积和成本相对于现有技术大大降低了。 [0085] 对于方式B: [0086] 在方式B下,该Z源逆变器请参考图5,根据图5可知,在该Z源逆变器中,两个Z源网络中包括第一Z源网络和第二Z源网络,其中, [0087] 第一Z源网络中所包括的第一串联电路(请参考图5中的线路a1-b1-c1-d1)的一端(请参考图5中的a1点)与电源Vdc1的正极性端相连,第二Z源网络中所包括的第一串联电路(请参考图5中的线路a2-b2-c2-d2)的一端(请参考图5中的a2点)与电源Vdc2的正极性端相连; [0088] 第一Z源网络其第一串联电路的另一端(请参考图5中的d1点)与所述逆变电路的第三输入端相连,电源Vdc1的负极性端与所述逆变电路的第四输入端相连; [0089] 第二Z源网络其第一串联电路的另一端(请参考图5中的d2点)与所述逆变电路的所述第四输入端相连,电源Vdc2的负极性端与所述逆变电路的第五输入端相连。 [0090] 在方式B下,在本发明一个实施例中,请参考图5,该逆变电路至少可以包括以下拓扑结构: [0091] 相互连接的两个桥臂电路以及三个二极管电路;其中, [0092] 每一个桥臂电路由相并联的三个子电路组成,每一个子电路包括相串联的两个IGBT,该两个桥臂电路中的第一桥臂电路的三个子电路分别与该两个桥臂电路中的第二桥臂电路的三个子电路一一对应连接,其中,相连的两个子电路之间的连接点请参考图5中的e1、f1、g1; [0093] 每一个二极管电路由串联在一起的两个二极管D0组成,每一个所述二极管电路的一端连接在对应桥臂电路中子电路的两个IGBT之间,每一个所述二极管电路的另一端连接在与该子电路相连的另一个子电路的两个IGBT之间;每个所述二极管电路包括的两个二极管之间的线路点与其他每个二极管电路包括的两个二极管之间的线路点相连,即图5中h1、i1、j1三点相连; [0094] 第一桥臂电路所包括的相并联的三个子电路的未与第二桥臂电路所包括的三个子电路相连的一端作为第三输入端(请参考图5中的m1点),第二桥臂电路所包括的相并联的三个子电路的未与第一桥臂电路所包括的三个子电路相连的一端作为第五输入端(请参考图5中的n1点),每一个所述二极管电路所包括的两个二极管之间同时作为第四输入端(请参考图5中的k1点,其中,k1点与h1点相连)。 [0095] 在方式B下,在本发明一个实施例中,该Z源逆变器可以实现将电源Vdc1、电源Vdc2输出的直流电转换为交流电,该Z源逆变器输出的交流电包括三相电,每一相从逆变电路中两个桥臂电路所包括子电路的连接点输出,请参考图5中的e1、f1、g1点,分别输出A相、B相和C相。 [0096] 在方式B下,在本发明一个实施例中,该Z源逆变器还可以实现对电源Vdc1、电源Vdc2所输出电能升压和降压功能,其中,在实现升压、降压功能时,与该Z源逆变器相连接的外部驱动器可以通过对逆变电路进行信号驱动,以控制逆变电路的运行状态,其中,该逆变电路可以包括以下四种运行状态:直通状态、第一桥臂电路非直通第二桥臂电路直通状态、第一桥臂电路直通第二桥臂电路非直通状态、非直通状态。 [0097] 在逆变电路的运行状态包括:直通状态时,即第一桥臂电路直通第二桥臂电路直通,此时Z源逆变器的等效电路示意图,请参考图6,第一Z源网络的能量交换电路中的二极管D2处于截止模式,此时该能量交换电路中,串联在一起的电感L5、电容C5,与串联在一起的电感L6、电容C6,进行能量交换;第二Z源网络的能量交换电路中的二极管D3处于截止模式,此时该能量交换电路中,串联在一起的电感L7、电容C7,与串联在一起的电感L8、电容C8,进行能量交换。 [0098] 在逆变电路的运行状态包括:第一桥臂电路非直通第二桥臂电路直通状态时,此时Z源逆变器的等效电路示意图,请参考图7,第一Z源网络的能量交换电路中的二极管D2处于导通模式,此时该能量交换电路中,并联在一起的电感L5和电容C6之间进行能量交换,以及并联在一起的电感L6和电容C5之间进行能量交换;第二Z源网络的能量交换电路中的二极管D3处于截止模式,此时该能量交换电路中,串联在一起的电感L7、电容C7,与串联在一起的电感L8、电容C8,进行能量交换。 [0099] 在逆变电路的运行状态包括:第一桥臂电路直通第二桥臂电路非直通状态时,此时Z源逆变器的等效电路示意图,请参考图8,第一Z源网络的能量交换电路中的二极管D2处于截止模式,此时该能量交换电路中,串联在一起的电感L5、电容C5,与串联在一起的电感L6、电容C6,进行能量交换;第二Z源网络的能量交换电路中的二极管D3处于导通模式,此时该能量交换电路中,并联在一起的电感L7与电容C8之间进行能量交换,并联在一起的电容C7与电感L8之间进行能量交换。 [0100] 在逆变电路的运行状态包括:非直通状态时,此时Z源逆变器的等效电路示意图,请参考图9,第一Z源网络的能量交换电路中的二极管D2处于导通模式,此时该能量交换电路中,并联在一起的电感L5和电容C6之间进行能量交换,以及并联在一起的电感L6和电容C5之间进行能量交换;第二Z源网络的能量交换电路中的二极管D3处于导通模式,此时该能量交换电路中,并联在一起的电感L7与电容C8之间进行能量交换,并联在一起的电容C7与电感L8之间进行能量交换。 [0101] 由于该Z源逆变器中Z源网络的存在,使得Z源逆变器中的功率器件可以直通而不被烧毁,因而该Z源逆变器不存在死区时间,从而提高了逆变器的抗磁干扰能力,使系统稳定性得到提升,且输出正弦电压波形畸变变小,另外该Z源逆变器包括两个Z源网络,可以应用在高压大功率领域中。 [0102] 在方式B下,在本发明一个实施例中,根据式(7)可以得出如下公式: [0103] [0104] [0105] 同理,该Z源逆变器中的电容电压应力小于现有技术中的电容电压应力,因此,本发明实施例可以选择小电压应力的电容器件实现该Z源逆变器,由于小电压应力的电容器件相对于大电压应力的电容器件体积小,成本低,进而降低了Z源逆变器的体积和成本。 [0106] 综上,本发明实施例至少可以实现如下有益效果: [0107] 1、在本发明实施例中,通过将每一个电源的第一端连接对应的Z源网络的第一端,每一个电源的第二端连接逆变电路,以及将每一个Z源网络的第二端连接逆变电路,且Z源网络包括电感、电容和二极管组成的能量交换电路,可以根据逆变电路的运行状态触发能量交换电路进行能量交换,通过仿真实验可以确定该连接方式下的Z源逆变器中Z源电容电压应力相对于现有技术的Z源电容电压应力小,从而可以选择小电压应力的电容器件实现该Z源逆变器,由于小电压应力的电容器件相对于大电压应力的电容器件体积小,成本低,进而降低了Z源逆变器的体积和成本。 [0108] 2、在本发明实施例中,利用一个Z源网络将逆变电路与电源进行耦合,可以提高系统的稳定性,使得Z源逆变器中的功率器件可以直通而不被烧毁,因而该Z源逆变器不存在死区时间,从而提高了逆变器的抗磁干扰能力,使系统稳定性得到提升,且输出正弦电压波形畸变变小。 [0109] 3、在本发明实施例中,利用两个Z源网络将逆变电路与电源进行耦合,可以将该Z源逆变器应用在高压大功率领域。 |