一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，采用可实现升降压输出的两个改进型Zeta电路通过输出串联组成，能够实现DC/AC单相逆变。该逆变器的基本功能是：可以实现升降压逆变，在输入直流电压较低或变化范围较大时，双Zeta升降压多电平逆变器仍能正常完成逆变功能，并有稳点的交流输出。本发明专利技术具有可靠性高、电路结构简单、控制容易、效率高、降低输出电压的过零畸变、工作寿命长、谐波频谱好、开关管承受电压应力较小、开关损耗小等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电能变换领域，尤其是一种可扩展为更多电平数输出的既可实现升压又可实现降压的多电平逆变器。
技术介绍
多电平逆变器通过改变自身的结构来获得更多的电平数输出，同时其开关管所承受的电压和电流应力也有所改善。在开关管承受同样的电压电流等级以及工作在同样的开关频率的情况下，与两电平逆变器相比，多电平逆变器的输出电压更接近于正弦波，谐波特性更好。因此，在大功率应用场合，多电平逆变器受到人们越来越多的关注。主要应用范围包括高压大功率的变频调速、电力系统的无功补偿以及有源滤波器装置等。随着新能源发电的不断发展，电力生产不只集中在发电厂或发电站，还包括一些可再生能源的发电场合，如：风力发电、太阳能发电、小型水电站以及地热发电。将多电平逆变器应用于这些新能源发电的大中功率场合可以进一步减小谐波畸变率、提高波形质量，有着很好的应用前景。传统型多电平逆变装置主要包括二极管钳位型、级联型和飞跨电容型多电平逆变器及其衍生拓扑，相关研究已经非常成熟，其应用也很广泛。但传统电压型多电平逆变器拓扑逆变侧输出交流电压低于直流侧输入电压，即呈降压输出状态；在新能源发电领域，如风力发电、太阳能发电等，其输入侧受外界环境如风力强度、光照强度以及电池表面温度等因素影响，输入电压变化比较大，而输出侧无论是并网还是接负载均需要比较稳定的交流输出。这一特性使得多电平逆变器在新能源场合的应用受到了限制。使用传统型多电平逆变器便不再满足可升降压从而产生比较稳定的交流输出这一要求。显然，能够直接实现可升降压有较强抗输入扰动能力的多电平方案更加符合大功率新能源和可再生能源发电技术的需要。本专利所提出的一种基于Zeta的升降压型多电平逆变器正是满足上述需求的一种新型逆变方案。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种可扩展为更多电平数输出、适用不同功率等级、提高系统转换效率、电路结构简单、无需电解电容的基于Zeta的升降压型三电平逆变器。为实现上述目的，采用了以下技术方案：本专利技术主要包括直流电源Uin、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感Lf、第一电容C1、第二电容Cf、负载R；第一电感L1上端分别与第二电感L2下端、第一电容C1左端、直流电源Uin“+”端连接；第一电感L1下端与第一二极管D1阳极连接，第一二极管D1阴极与第一功率开关管S1的集电极连接，第一功率开关管S1发射极与直流电源Uin“-”端连接；第二电感L2上端与第二二极管D2阳极连接，第二二极管D2阴极与第二功率开关管S2的集电极连接，第二功率开关管S2发射极与直流电源Uin“-”端连接；第一电容C1右端与第三功率开关管S3集电极、第四功率开关管S4集电极分别连接；第三功率开关管S3发射极与第一二极管D1阴极、第二电容Cf下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S4发射极与第二二极管D2阴极和第三电感Lf左端连接；第三电感Lf右端与第二电容Cf上端、负载R上端分别连接。进一步的，所属逆变器电路可扩展为5电平以上的任意奇数倍电平的多电平逆变器。进一步的，所述三电平逆变器及其扩展的多电平逆变器，直流电源Uin是可波动的电源，可低于也可高于输出交流电压峰值。拓扑中电容只需容值较小的非电解电容，无需外加电路给电容提前充电，体积小，可靠性高，使用寿命长。该逆变器为单级结构，电路结构简单，开关管S3和开关管S4的反并联二极管自动实现零电流关断，逆变效率高，且由于两个二极管的加入储能电感只能向输出侧单向提供能量，符合光伏电池，风力发电等新型直流电源场合。与现有技术相比，本专利技术具有如下优点：1、兼具Zeta电路的特性，可实现升降压逆变功能，Zeta电路中的电路参数选取原则可以移植到本逆变器中，电路参数选取较为简单，便于设计；2、只采用了四个功率开关器件，在高频工作的功率开关管无桥臂直通问题，因此不需要设置死区时间，易于实现电路的高频化；3、电感电流通过功率开关管的体二极管续流，减少了电路元件数量，使得电路结构简单；4、电感、电容参数小，三电平逆变电路中无电解电容，使得电路工作可靠，增加了电路的工作寿命；5、可继续扩展为更多电平数输出的电路，这种逆变器的输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关管所承受的电压应力较小，开关损耗小，使其可以应用在高压大功率场合；6、可扩展为三相分相式电压型多电平逆变器，使其可以应用在大功率场合；7、采用单闭环输出电压控制的方法，结构简单，动态响应快，跟踪性能好，对电源及负载的波动具有较强的抑制能力。附图说明图1是本专利技术的电路结构示意图。图2是本专利技术工作模态I的示意图。图3是本专利技术工作模态II的示意图。图4是本专利技术工作模态III的示意图。图5是本专利技术工作模态IV的示意图。图6是本专利技术中各个功率开关管的驱动波形示意图。图7是本专利技术各电感电流、电容电压、输出三电平和输出电压波形图。图8是本专利技术的控制电路原理图。图9是本专利技术扩展到五电平输出电路再扩展到多电平结构示意图。图10是本专利技术输出五电平波形和输出电压波形图。图11是本专利技术扩展到三相多电平逆变器的主电路图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步说明：如图1所示，本专利技术主要包括直流电源Uin、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感Lf、第一电容C1、第二电容Cf、负载R；第一电感L1上端分别与第二电感L2下端、第一电容C1左端、直流电源Uin“+”端连接；第一电感L1下端与第一二极管D1阳极连接，第一二极管D1阴极与第一功率开关管S1的集电极连接，第一功率开关管S1发射极与直流电源Uin“-”端连接；第二电感L2上端与第二二极管D2阳极连接，第二二极管D2阴极与第二功率开关管S2的集电极连接，第二功率开关管S2发射极与直流电源Uin“-”端连接；第一电容C1右端与第三功率开关管S3集电极、第四功率开关管S4集电极分别连接；第三功率开关管S3发射极与第一二极管D1阴极、第二电容Cf下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S4发射极与第二二极管D2阴极和第三电感Lf左端连接；第三电感Lf右端与第二电容Cf上端、负载R上端分别连接。本专利技术采用输入并联输出串联的组合方式，该逆变器包含两个改进型Zeta电路单元，两个Zeta电路共用中间储能电容，输出滤波电感和滤波电容。工作时该电路的第一功率开关管S1、第二功率开关管S2分别工作于正弦波的正半周期和负半周期。第三功率开关管S3和第四功率开关管S4采用半周期常关(开)的工作方式，减小了开关损耗。第一电感L1、第二电感L2续流时分别通过第三功率开关管S3和第四功率开关管S4的体二极管，减少了器件数量，使得电路结构简单，控制方便。电路工作时，任意时刻只有一个Zeta电路工作，所以对逆变器的分析可简化为对单个Zeta电路的分析。为简化分析做如下假设：(1)电路中所有元件都为理想器件；(2)变换器工作于稳定状态。令第一功率开关管S1开通时间与开关周期的比为占空比d，则该逆变器存在如下关系：在0～dT时，第一功率开关管S1开通：在dT～T时，第一功率开关管S1关断：其中iL1为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，主要包括直流电源Uin、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感Lf、第一电容C1、第二电容Cf、负载R；其特征在于：第一电感L1上端分别与第二电感L2下端、第一电容C1左端、直流电源Uin“+”端连接；第一电感L1下端与第一二极管D1阳极连接，第一二极管D1阴极与第一功率开关管S1的集电极连接，第一功率开关管S1发射极与直流电源Uin“‑”端连接；第二电感L2上端与第二二极管D2阳极连接，第二二极管D2阴极与第二功率开关管S2的集电极连接，第二功率开关管S2发射极与直流电源Uin“‑”端连接；第一电容C1右端与第三功率开关管S3集电极、第四功率开关管S4集电极分别连接；第三功率开关管S3发射极与第一二极管D1阴极、第二电容Cf下端、负载R下端分别连接；第四功率开关管S4发射极与第二二极管D2阴极和第三电感Lf左端连接；第三电感Lf右端与第二电容Cf上端、负载R上端分别连接。

【技术特征摘要】
1.一种基于Zeta的升降压型三电平逆变器，主要包括直流电源Uin、第一功率开关管S1、第二功率开关管S2、第三功率开关管S3、第四功率开关管S4、第一二极管D1、第二二极管D2、第一电感L1、第二电感L2、第三电感Lf、第一电容C1、第二电容Cf、负载R；其特征在于：第一电感L1上端分别与第二电感L2下端、第一电容C1左端、直流电源Uin“+”端连接；第一电感L1下端与第一二极管D1阳极连接，第一二极管D1阴极与第一功率开关管S1的集电极连接，第一功率开关管S1发射极与直流电源Uin“-”端连接；第二电感L2上端与第二二极管D2阳极连接，第二二极管D2阴极与第二功率开关管S2的集电极连接，第二功率开关管S2发射极与直流电...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立乔，杨彬，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：河北;13