一种基于SiC的单相准Z源逆变器及其功率密度提高方法技术

本发明专利技术公开了一种基于SiC的单相准Z源逆变器及其功率密度提高方法，所述单相准Z源逆变器包括：直流电源、准Z源网络、全SiC功率模块、负载支路和有源滤波支路。本发明专利技术通过有效控制有源滤波支路的开关管，将交流输出功率中的两倍频分量脉动功率传递到有效滤波支路的储能电容中。因此，直流侧准Z源网络电容和电感仅需处理高频开关频率产生的脉动电压电流，且有源滤波支路的电容以交流运行，允许较大的脉动，从而使得其值与直流侧电解电容相比大大减小，且可使用薄膜电容而增长使用寿命。

A single phase quasi Z source inverter based on SiC and its power density enhancement method

The invention discloses a single phase quasi Z source inverter based on SiC and its power density improvement method. The single-phase quasi Z source inverter includes DC power supply, quasi Z source network, all SiC power module, load branch circuit and active filter branch. By effectively controlling the switch tube of the active filter branch, the two frequency multiplier pulse power of the AC output power is transferred to the energy storage capacitor of the effective filter branch. Therefore, the DC side quasi Z source network capacitance and inductance only need to deal with the pulse voltage and current produced by high frequency switching frequency, and the capacitance of the active filter branch is operated by AC operation, allowing large pulsation, so that the value of the active filter is greatly reduced compared with the electrolytic capacitor of the DC side, and the film capacitance can be used to increase the service life.

【技术实现步骤摘要】
一种基于SiC的单相准Z源逆变器及其功率密度提高方法
本专利技术涉及电力电子变流
，具体涉及一种基于SiC的单相准Z源逆变器及其功率密度提高方法。
技术介绍
单相准Z源逆变器近年来吸引越来越多在光伏发电系统中应用的研究，由于其以单级式变换克服了传统逆变器升压比的限制，较宽的光伏电压处理能力，且直通状态不需要死区控制大大简化调试、减小输出侧干扰、提高逆变器系统稳定性。除了作为独立的光伏逆变器以外，单相准Z源逆变器还可作为基本模块，构成准Z源级联多电平光伏逆变器。国内外学者先后对单相、三相、级联准Z源逆变器的工作原理、控制策略、光伏并网的应用等进行了研究。其中，单相准Z源逆变器由于输出单相交流电压与电流，导致交流输出功率中含有两倍频分量脉动功率，这一两倍频分量脉动功率传递到直流侧，将需要准Z源网络电容和电感，以限制这一脉动功率传递到直流电源，减小对直流电源性能的影响。为尽可能减小交流侧两倍频分量脉动功率对直流电源的影响，需要将直流侧电压和电流的两倍频分量脉动限制在可允许的范围内。例如，需要将电感电流上的两倍频分量脉动纹波限制在20％的电流直流分量平均值，将直流母线电压上的两倍频分量脉动纹波限制在5％的直流母线电流峰值。其结果是，需要较大的准Z源网络电容和电感，有研究通过控制策略衰减准Z源电感电流上的两倍频分量脉动功率，但仍然需要较大的准Z源网络电容，以将直流侧两倍频分量脉动限制在工程许可的范围。在目前1200V宽禁带碳化硅(SiC)器件的技术日益成熟的情况下，使用SiC器件提高功率开关管的开关频率、降低损耗、提高温度稳定性是电力电子变流领域的趋势。有学者研究了基于SiC的三相准Z源逆变器，包括参数设计、功率损耗分析等。然而，如果将SiC器件直接应用于单相准Z源逆变器，由于上述直流侧的两倍频分量脉动问题，即使开关频率提高，单相准Z源逆变器的无源器件大小、系统体积和准Z源网络重量也将不会有太大改进。如果使用SiC器件而不明显提高系统功率密度，将失去SiC器件的优势。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于SiC的单相准Z源逆变器及其功率密度提高方法，用以解决目前单相准Z源逆变器为了减小交流侧两倍频分量脉动功率对直流电源的影响造成的无源器件参数、体积和重量等过大，逆变器功率密度不高的问题。为实现上述目的，本专利技术的技术方案提供了一种基于SiC的单相准Z源逆变器，所述单相准Z源逆变器包括：直流电源、准Z源网络、全SiC功率模块、负载支路和有源滤波支路，所述准Z源网络由两个电感L1和L2、两个电容C1和C2及一个二极管D1连接形成并嵌入到直流电源和逆变器直流母线之间，所述全SiC功率模块由四个逆变器负载功率开关管S1～S4以及两个有源滤波支路开关管S5和S6连接形成，逆变器负载功率开关管S1和S2、逆变器负载功率开关管S3和S4以及有源滤波支路开关管S5和S6分别串联形成第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路，第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路均并联连接在直流母线，所述负载支路经第一逆变器负载功率开关管组并联支路串联连接负载电感Lf和负载电阻RL后连接至第二逆变器负载功率开关管组并联支路，所述有源滤波支路经有源滤波支路开关管组并联支路串联连接滤波电感L3和补偿电容C3后连接至直流母线。进一步地，所述直流电源正极依次串联电感L1、二极管D1和电感L2后连接至与直流电源正极相连的直流母线，电容C1的一端连接至二极管D1和电感L2之间的连接线上，电容C1的另一端连接至与直流电源负极连接的直流母线上，电容C2与二极管D1和电感L2并联连接至与直流电源正极相连的直流母线。进一步地，所述负载支路一端连接至逆变器负载功率开关管S1和S2之间的第一逆变器负载功率开关管组并联支路连接线上，所述负载支路另一端连接至逆变器负载功率开关管S3和S4之间的第二逆变器负载功率开关管组并联支路连接线上。进一步地，所述有源滤波支路在串联连接滤波电感L3和补偿电容C3之前连接至有源滤波支路开关管S5和S6之间的有源滤波支路开关管组并联支路连接线上。进一步地，所述逆变器负载功率开关管S1～S4有直通和非直通两种工作状态：直通状态时，所述逆变器负载功率开关管S1和S2或所述逆变器负载功率开关管S3和S4同时导通不对负载输出功率，准Z源网络二极管D1断开，直流电源和准Z源网络电容C1和C2给准Z源网络电感L1和L2充电；非直通状态时，所述逆变器负载功率开关管S1和S2或所述逆变器负载功率开关管S3和S4互补导通对负载输出功率，准Z源网络二极管D1导通，直流电源和准Z源网络电感L1和L2给准Z源网络电容C1和C2充电，同时给负载供电。进一步地，所述有源滤波支路开关管S5和S6完全互补导通，以将负载功率中的两倍频分量脉动功率转移到所述有源滤波支路的补偿电容C3中，所述有源滤波支路的滤波电感L3主要用于抑制有源滤波支路电流的高频纹波。本专利技术还公开了一种基于SiC的单相准Z源逆变器的功率密度提高方法，所述方法包括：根据单相准Z源逆变器的功率和电压等级，选取相应的SiC功率开关器件并连接组成全SiC功率模块；通过分析全SiC功率模块的功率开关器件的导通功率损耗和开通关断功率损耗，进而得到单相准Z源逆变器的全SiC功率模块功率器件总导通功率损耗和总开通关断功率损耗；分析全SiC功率模块功率开关器件总导通功率损耗和总开通关断功率损耗在不同全SiC功率模块功率开关器件的开关频率下的值；带有源滤波支路时，直流侧电感、电容仅需限制全SiC功率模块的功率开关器件开关频率导致的脉动，在逆变器功率和电压一定时，直流侧无源器件参数完全与开关频率成反比，开关频率越高电感、电容参数越小；在满足总效率要求的情况下，提高全SiC功率模块的功率开关器件开关频率并减小无源器件参数，提高单相准Z源逆变器的功率密度；根据总效率要求选定全SiC功率模块的功率开关器件的开关频率；及根据选定的全SiC功率模块功率开关器件的开关频率以及单相准Z源逆变器的无源元件参数计算式组设计满足直流侧准Z源网络电感电流以及直流母线电压纹波要求的无源元件参数；其中，所述单相准Z源逆变器的无源元件参数计算式组如下：其中，VDC为直流电源电压，D为逆变器负载功率开关管S1～S4直通状态的占空比，ri为电感电流纹波系数，IL为准Z源网络电感电流平均值，fs'为逆变器负载功率开关管开关频率，rv为直流母线电压峰值的纹波系数，VPN为直流母线电压。进一步地，所述全SiC功率模块的功率开关器件的导通功率损耗和开通关断功率损耗的分析方法包括：基于有源滤波支路的SiC功率开关器件电气参数以及有源滤波支路功率开关损耗分析式组计算出有源滤波支路开关管S5和S6的MOSFET与反并联二极管的总导通功率损耗以及有源滤波支路开关管S5和S6的MOSFET与反并联二极管的总开通关断功率损耗；其中，有源滤波支路功率开关损耗分析式组如下：其中，dact(t)和dzero(t)分别为有源滤波支路有效状态和零状态的占空比，vm3(t)＝2uC(t)/VPN-1，uC(t)为有源滤波支路补偿电容C3的电压，VPN为直流母线电压；PCON_MOS为有源滤波支路开关管S5与S6本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述单相准Z源逆变器包括：直流电源、准Z源网络、全SiC功率模块、负载支路和有源滤波支路，所述准Z源网络由两个电感L1和L2、两个电容C1和C2及一个二极管D1连接形成并嵌入到直流电源和逆变器直流母线之间，所述全SiC功率模块由四个逆变器负载功率开关管S1～S4以及两个有源滤波支路开关管S5和S6连接形成，逆变器负载功率开关管S1和S2、逆变器负载功率开关管S3和S4以及有源滤波支路开关管S5和S6分别串联形成第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路，第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路均并联连接在直流母线，所述负载支路经第一逆变器负载功率开关管组并联支路串联连接负载电感Lf和负载电阻RL后连接至第二逆变器负载功率开关管组并联支路，所述有源滤波支路经有源滤波支路开关管组并联支路串联连接滤波电感L3和补偿电容C3后连接至直流母线。

【技术特征摘要】
1.一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述单相准Z源逆变器包括：直流电源、准Z源网络、全SiC功率模块、负载支路和有源滤波支路，所述准Z源网络由两个电感L1和L2、两个电容C1和C2及一个二极管D1连接形成并嵌入到直流电源和逆变器直流母线之间，所述全SiC功率模块由四个逆变器负载功率开关管S1～S4以及两个有源滤波支路开关管S5和S6连接形成，逆变器负载功率开关管S1和S2、逆变器负载功率开关管S3和S4以及有源滤波支路开关管S5和S6分别串联形成第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路，第一和第二逆变器负载功率开关管组并联支路以及有源滤波支路开关管组并联支路均并联连接在直流母线，所述负载支路经第一逆变器负载功率开关管组并联支路串联连接负载电感Lf和负载电阻RL后连接至第二逆变器负载功率开关管组并联支路，所述有源滤波支路经有源滤波支路开关管组并联支路串联连接滤波电感L3和补偿电容C3后连接至直流母线。2.根据权利要求1所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述直流电源正极依次串联电感L1、二极管D1和电感L2后连接至与直流电源正极相连的直流母线，电容C1的一端连接至二极管D1和电感L2之间的连接线上，电容C1的另一端连接至与直流电源负极连接的直流母线上，电容C2与二极管D1和电感L2并联连接至与直流电源正极相连的直流母线。3.根据权利要求1所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述负载支路一端连接至逆变器负载功率开关管S1和S2之间的第一逆变器负载功率开关管组并联支路连接线上，所述负载支路另一端连接至逆变器负载功率开关管S3和S4之间的第二逆变器负载功率开关管组并联支路连接线上。4.根据权利要求1所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述有源滤波支路在串联连接滤波电感L3和补偿电容C3之前连接至有源滤波支路开关管S5和S6之间的有源滤波支路开关管组并联支路连接线上。5.根据权利要求1所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述逆变器负载功率开关管S1～S4有直通和非直通两种工作状态：直通状态时，所述逆变器负载功率开关管S1和S2或所述逆变器负载功率开关管S3和S4同时导通不对负载输出功率，准Z源网络二极管D1断开，直流电源和准Z源网络电容C1和C2给准Z源网络电感L1和L2充电；非直通状态时，所述逆变器负载功率开关管S1和S2或所述逆变器负载功率开关管S3和S4互补导通对负载输出功率，准Z源网络二极管D1导通，直流电源和准Z源网络电感L1和L2给准Z源网络电容C1和C2充电，同时给负载供电。6.根据权利要求4所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器，其特征在于，所述有源滤波支路开关管S5和S6完全互补导通，以将负载功率中的两倍频分量脉动功率转移到所述有源滤波支路的补偿电容C3中，所述有源滤波支路的滤波电感L3主要用于抑制有源滤波支路电流的高频纹波。7.根据权利要求1-6中任一所述的一种基于SiC的单相准Z源逆变器的功率密度提高方法，其特征在于，所述方法包括：根据单相准Z源逆变器的功率和电压等级，选取相应的SiC功率开关器件并连接组成全SiC功率模块；通过分析全SiC功率模块的功率开关器件的导通功率损耗和开通关断功率损耗，进而得到单相准Z源逆变器的全SiC功率模块功率器件总导通功率损耗和总开通关断功率损耗；分析全SiC功率模块功率开关器件总导通功率损耗和总开通关断功率损耗在不同全SiC功率模块功率开关器件的开关频率下的值；带有源滤波支路时，直流侧电感、电容仅需限制全SiC功率模块的功率开关器件开关频率导致的脉动，在逆变器功率和电压一定时，直流侧无源器件参数完全与开关频率成反比，开关频率越高电感、电容参数越小；在满足总效率要求的情况下，提高全SiC功率模块的功率开关器件开关频率并减小无源器件参数，提高单相准Z源逆变器的功率密度；根据总效率要求选定全SiC功率模块的功率开关器件的开关频率；及根据选定的全SiC功率模块功率开关器件的开关频率以及单相准Z源逆变器的无源元件参数计算式组设计满足直流侧准Z源网络电感电流以及直流母线电压纹波要求的无源元件参数；其中，所述单相准Z源逆变器的无源元件参数计算式组如下：其中，VDC为直流电源电压，D为逆变器负载功率开关管S1～S4直通状态的占空比，ri为电感...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘钰山，
申请(专利权)人：刘钰山，
类型：发明
国别省市：北京,11