单级可升压逆变器制造技术

一种新型单级可升压逆变电路，拓扑见附图。此电路除传统电压型逆变器三相开关桥（Ｂ）外，增加了一只由电感（Ｌ１、Ｌ２）组成的紧耦合电感，电容（Ｃ），阻断二极管（Ｄ），和能量反馈通道用的开关管（Ｔ）（若无需能量回馈可省去）。该电路对逆变器直流母线电压升压控制方式利用了三相逆变桥零矢量期间发出上下开关管的直通的所谓“直通零矢量”状态，调节其作用时间，实现了逆变器输入侧直流母线电压的可控提升。电感（Ｌ１与Ｌ２）设计成紧耦合，当在直通零矢量状态时，逆变器直通，直流电压源（Ｖｓ）向耦合电感（Ｌ１）充电。当在非直通零矢量状态时，电感能量释放，向逆变器（Ｂ）直流母线供电，逆变器直流母线电压为电感（Ｌ２）电压与电容（Ｃ）电压叠加，使得逆变器直流母线电压得到提升，从而获得提升的逆变电压。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种新型单级可升压逆变器，尤其适合直流母线需由低压升压供 电的电机驱动系统场合和适应较大输入电压变化范围的新能源发电逆变场合。
技术介绍
传统的电压源逆变器输入直流电压输出交流电压，应用非常广阔。电压源逆 变器的输入直流电压可以由电网或旋转交流电机经整流滤波得到，也可由蓄电 池、燃料电池或光伏电池得到，分别对应一般工业应用场合(如变频器)，电动 车、可再生能源分布式发电等场合。在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘 故，功率半导体器件总是保持正向偏置，因此采用自控型正向导通器件，如IGBT、PowerMOSFET等，为了使逆变器的开关具有自由的方向电流，往往在自关断器 件上反并联一个续流二极管。电压源逆变器的一个重要特点就是输出交流电压波 形不受负载参数的影响。采用电压源逆变器的一般结构包含二极管整流器的前端 (交流供电)或直流电源，直流环节电容器和逆变桥，如附图1所示。通常这 种电压源逆变器存在下列局限或不足。(1) 交流负载必须为电感性或与交流电源连接不得不串联电感，才能使电 压源逆变器能够正常工作。(2) 交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此，对于 DC/AC功率变换，传统电压源逆变器是一个降压式逆变器。对于直流电压较低， 需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换场合，需要一个额外的DC/DC升 压式变换器，这个额外的功率变换级增加了系统的成本，降低了变换效率。(3) 每个桥臂的上、下器件不能同时导通，不管是有意为之，还是因为电 磁干扰造成的，否则，会发生直通短路，损坏器件。由电磁干扰造成的误触发导 致的直通问题是变换器可靠性的主要杀手。在一些特定的电机控制及电能变换的应用场合，正是由于存在以上不足，普 通的电压源逆变器恰是实现系统功能的瓶颈，制约了相关技术的发展与进步。如 在电动汽车与混合动力汽车的电力驱动系统中，直流电压一般由蓄电池电压决 定，所以驱动电机的恒转矩输出的转速范围决定于电池电压，进一步升速，则进 入恒功率范围，车辆的加速能力将下降，若要改善高速操控性能，驱动逆变器的 直流电压能进行升压调节，则能有效地提升车辆的操控性能。在日新月异发展的 轨道交通电力牵引领域，也同样存在类似的问题，电力牵引的供电电压常会产生 较大的波动，特别是有较大的跌落，这对正常行驶的高速运行的车辆牵引出力有 影响，如果能使逆变器具有母线电压自行调节功能，将会大大提升行驶的稳定性。 下面以可再生能源分布式发电为背景介绍并网逆变系统的技术现状。 风能发电机、太阳能光电池和燃料电池堆等再生能源发电系统在转化能量时 依赖的因素较多，因此所有分布式发电电能都有着输出电压变化范围大的特性， 而用电负载或并网均要求分布式发电系统输出相对稳定的电压。所以，分布式电 能发电装置对电力电子技术变换装置的要求是在宽功率范围内高效运行；能适应较大范围输入电压变化，恒压输出；电力电子技术变换装置要能对其进行有效控制来实现高效的运行等。针对分布式电能输入功率与输出电压变化范围大的特性，以风力发电为例，系统中的变换电路多采用带Boost变换器的电压型并网逆 变器。如附图2所示为传统的带有DC/DC升压变换器的风力发电并网逆变系统。 其中，电压型逆变器将直流电能逆变并传输到电网，Boost变换器将风力发电机输出整流得较低且波动较大的电压进行稳压满足并网逆变器的交直流电压变比 关系。但是，这种拓扑在电压型并网逆变器前插入一级Boost升压斩波电路，增 加了系统的成本，并且电压型逆变器本身的前述不足并没有克服。太阳能光伏电 池的电力电子控制发电并网装置的拓扑通常也与风力发电类似。燃料电池的输出 电压随负载的加大而减小，外特性较软。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可 靠性高的适应较大输入电压变化范围的逆变器意义重大。2002年提出了一种Z源电压型逆变器(Z-Source Inverter),是一种新的逆变 器拓扑。Z源变换器在绿色能源、电力传动等方面有很好的应用前景，特别是适 合用作为可再生能源分布式发电中逆变器的拓扑。而且Z源逆变器用于燃料电 池供电的电力传动系统中开关管的功率在低升压因子时要比传统电压型逆变器 和基于boost变换器的逆变器低，效率要高。同样以风力发电为例，附图3示出 了电压型Z源逆变器在风力发电系统中应用的系统电路结构图，与附图2相比， 省去了 DC-DC升压电路。Z源逆变器引进了一个Z源网络，附图3中的虚线框中所示，将逆变器的主 电路与电源耦合，该Z源网络的引进，可以克服上述传统电压型逆变器的不足。 对于Z源逆变器工作原理的相关研究已有多个文献报道，其最大的特点是可以 对逆变桥的直流母线电压进行调节，即Z源逆变器可以将直流电容器的电压升 高到大于整流器平均直流电压的期望值。当输入电压跌落或负载需要较高电压 时，运用传统电压型逆变器所没有的直通零矢量状态，可以实现输出电压的 升高。所谓直通零矢量，就是在逆变器输出零矢量状态中，控制逆变桥的上 下功率管直通，使电感电流增长。因直通零矢量仍属于零矢量，对逆变器调 制PWM输出没有影响。当退出直通零矢量时，电感将原先储存的能量释放使得 直流母线电压增长。以较低的输入电压，得到期望的逆变器直流母线电压。当然， 实际应用中，逆变器母线电压是根据需要进行高低调节变化的，调节机理在本申 请中不再赘述。最重要的一点是直通零矢量不影响逆变器的零矢量状态的输 出，也就是逆变器的负载PWM电压不变，输出电压不受影响。与传统电压源逆 变器相比，Z源逆变器的特点(1) 产生任意期望的输出交流电压，特别是比输入电压高的电压；(2) 提供电压跌落时的度越能力，不需另外的电路；(3) 能减少浪涌和谐波电流；(4) 不怕直通故障，相反是其加以利用的一种工作状态。z源逆变器的突出优点可以有效地调节逆变器直流母线电压的大小，克服了普通电压源逆变器的不足，但是这种逆变器也存在如下不足(1)由于增加了一个z源网络，是一个包含了电感、电容的二端口网络，在一定条件下，z源网络的电感和电容器会发生谐振，在设计和控制z源逆变器 时必须考虑避免谐振的策略， 一旦发生谐振，将影响电路正常工作。由于起动时电容电压为o,起动时有较大的起动冲击电流，并且在启动过程中很容易引起谐 振，产生很大的冲击电流和冲击电压，有可能损坏逆变器。(2)逆变桥母线电压为电容电压减去电感压降，母线电压低于电容电压，不能充分利用电容的电压等 级，如果是高压应用场合，需要高压电容，体积较大。并且当电感电流断续或方向改变时，z源逆变器拓扑的逆变桥直流母线电压因电感电流的大小及方向变化以及是否断续而变化很大。电压将有跌落，逆变器的调制算法必须考虑电压变化的影响，使得逆变器控制的复杂程度增加。(3)要求两只电容元件对称，电容故 障对这种系统电路是灾难性的。(4) Z源逆变器应用于电力传动控制，不易顺利实现能量回馈，实现四象限运行。当发生能量回馈时，两只电感电流方向需要改 变方向，需增加另外的旁路来提供两个电感的快速回馈通道。在当前全球能源供应日益紧张的背景下，可再生能源分布式发电的控制与变 换、交流起动机控制、电动汽车驱动、新型起动发电技术等等，都离不开电力电 子逆变技术。因此，开发新型、高效、高可靠的升压逆变技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型单级可升压逆变器拓扑，其特征在于，它包括：一只由电感（Ｌ１、Ｌ２）组成的紧耦合电感，电感（Ｌ１）的一端与直流电源正相连接，另一端串联一只反向阻断二极管（Ｄ），连接到电感（Ｌ２）的一端并和逆变桥（Ｂ）的直流母线正端连接，电感（Ｌ２）的另一端与电容（Ｃ）正极相串联，电容（Ｃ）负极与逆变桥（Ｂ）的直流母线负端相连，再连接到电源负极。若需能量反馈通道，阻断二极管（Ｄ）并联开关管（Ｔ）（若无需能量回馈可省去），逆变桥可以为三相也可以为单相，分别对应三相应用和单相应用。

【技术特征摘要】
1、一种新型单级可升压逆变器拓扑，其特征在于，它包括一只由电感(L1、L2)组成的紧耦合电感，电感(L1)的一端与直流电源正相连接，另一端串联一只反向阻断二极管(D)，连接到电感(L2)的一端并和逆变桥(B)的直流母线正端连接，电感(L2)的另一端与电容(C)正极相串联，电容(C)负极与逆变桥(B)的直流母线负端相连，再连接到电源负极。若需能量反馈通道，阻断二极管(D)并联开关管(T)(若无需能量回馈可省去)，逆变桥可以为三相也可以为单相，分别对应三相应用和单相应用。2、 在权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄文新，胡育文，杨奇，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84[中国|南京]