Ｚ源逆变器及其软启动方法技术

一种Ｚ源逆变器及其软启动方法，属电力电子变换器。该逆变器主电路由直流电压源、三相逆变桥、Ｚ源网络、功率二极管所构成，其特点是三相逆变桥的正端直接连接于直流电压源的正极，三相逆变桥的负端连于Ｚ源网络。与电压源型和电流源型逆变器相比，本Ｚ源逆变器可以实现升降压变换的功能，并且同一个桥臂的上下开关管可以直通，因此不需要死区，电路结构简洁，可靠性高。与传统的Ｚ源逆变器相比，本Ｚ源逆变器中Ｚ源网络的电容电压应力小，并且能够实现变换器的软启动，能够避免传统Ｚ源逆变器启动时的电压和电流大的问题，变换器工作安全可靠，体积重量小。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术所涉及的，属于电力电子变换器。二、
技术介绍
逆变器广泛应用于电机驱动，不间断供电电源，感应加热，静态无功发生器和补 偿器以及有源滤波等场合。传统的逆变器电路拓扑包括电压源逆变器和电流源逆变器两 类。附图l为电压源逆变器主电路。该电路由直流电压源和三相逆变桥所组成，逆变桥 由6个功率开关所组成，每个功率开关各自并联一个体二极管，以提供双向电流流通和 单向电压阻断能力。电压源逆变器存在如下一些缺陷1)输出交流电压低于直流母线 电压，因此电压源逆变器本质上是一个降压型逆变器，为了实现升压变换的功能，需要 额外增加一级升压变换电路，导致变换器整体结构复杂；2)同一个桥臂的上下两个开 关管不能同时开通，否则会导致输入电压源的短路，造成电路的损坏，由电磁干扰所导 致的开关管误开通同样会损坏电路；3)同一个桥臂的上下两个开关管之间需要加入死 区时间，但这会带来输出波形的畸变。附图2为电流源逆变器主电路。该电路由直流电流源和三相逆变桥所组成，逆变桥 由6个功率开关所组成，每个功率开关各自串联一个二极管，以提供单向电流流通和双 向电压阻断能力。电流源逆变器存在如下一些缺陷1)输出交流电压高于直流母线电 压，因此电压源逆变器本质上是一个升压型逆变器，为了实现降压变换的功能，需要额 外增加一级降压变换电路，导致变换器整体结构复杂；2)任何时刻桥臂上端的三个开 关管至少要有一个开通，同时下端的开关管也至少要有一个开通，否则会导致输入电流 源的开路，造成电路的损坏，由电磁干扰所导致的开关管误关断同样会损坏电路；3) 开关管切换时必须加入换流重叠时间，但这会带来输出波形的畸变。为了解决电压源逆变器和电流源逆变器存在的上述问题，文献(F. Z. Peng， "Z-source Inverter," IEEE Trans, on Industry Applications, vol. 39, no. 2, pp. 504-510, March/April ， 2003.)提出了Z源逆变器的概念，通过引入一个Z源网络将逆变器主电路与电源耦合起来。 附图3为传统Z源逆变器主电路，与电压源和电流源逆变器相比，具有如下优点1)能够提供升降压变换的功能；2)同一个逆变桥臂的上下开关管可以直通，因此电磁干扰 所造成的开关管误开通不会对电路造成损坏；3)同一个桥臂的上下两个开关管之间不 需要加入死区时间，不会带来输出波形的畸变。但传统Z源逆变器同样存在如下缺点1) Z源网络中电容电压不小于输入电压，这导致其电压应力大，需要选用高压电容，变换 器体积和成本偏高；2)变换器启动冲击电流很大，并且Z源网络中电容和电感之间发生 谐振，元器件应力大，且不能实现变换器的软启动，这些都有可能损坏变换器。 三、
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种能克服传统的Z源逆变器所存在的上述缺陷，提高电路 的可靠性，减小体积和成本的。本专利技术所提出的，其主电路包括直流电压源、三相逆变 桥、X型阻抗源网络、功率二极管，所述三相逆变桥的三个桥臂均由两个功率开关管串 联组成，每个功率开关管各自并联一个体二极管，其特征在于，三相逆变桥的正端连接 直流电压源的正极，三相逆变桥的负端连于X形阻抗源网络中第一阻抗电容的负端；第 一阻抗电容与第二阻抗电容交叉放置成"X"形，在第一、第二两个阻抗电容的两个负 端之间连接第一阻抗电感，在第一、第二两阻抗电容的两个正端之间连接第二阻抗电感) 构成X形阻抗源网络；第二阻抗电容的正端连于直流电压源的负极；第二阻抗电容的负 端连接功率二极管的阳极，第一阻抗电容的正端连于功率二极管的阴极。本专利技术所提出的Z源逆变器的软启动方法，其工作原理为通过控制逆变器桥臂的直 通占空比来控制Z源网络的电容电压，通过控制调制比来控制输出电压，变换器启动时， 通过控制逆变器桥臂的直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，从而实现变换器的软启 动，避免变换器中电感电流过冲和电容电压的过冲，具体包括以下四种软启动方法a) 启动时调制比保持不变，控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；b)启动时先让调 制比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；c) 启动时先让直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从零开始缓慢增加 到额定值；d)启动时直通占空比和调制比同时从零开始缓慢增加到额定值。本专利技术与现有技术相比的主要技术特点是与电压源型和电流源型逆变器相比，本 Z源逆变器可以实现升降压变换的功能，并且同一个桥臂的上下开关管可以直通，因此不需要死区，电路结构简洁，可靠性高；与传统的Z源逆变器相比，本Z源逆变器中Z源网络的电容电压应力小，并且能够实现变换器的软启动，能够避免传统Z源逆变器启 动时的电压和电流大的问题，变换器工作安全可靠，体积重量小。 四附图说明图l、电压源逆变器主电路。图2、电流源逆变器主电路。图3、传统Z源逆变器主电路。图4、 Z源逆变器主电路。图5、 Z源逆变器实施效果。上述附图中的主要符号名称V。、为输入直流电压源，U、 L2、为Z源网络中电感， iu、 iL2、为电感L卜L2的电流，d、 C2、为Z源网络中电容，VC1、 VC2、为电容Q、 C2电压。五具体实施方式附图4是Z源逆变器主电路。与传统的电压源逆变器相比，该逆变器用直通零矢量 来代替部分传统零矢量来实现升压的功能，所用直通零矢量的多少取决于需要实现的升 压的多少，而从负载侧看，直通零矢量与传统零矢量对输出的影响是一样的，因此直通 零矢量的加入不会对输出波形产生影响。变换器通过控制逆变器桥臂的直通占空比来控 制Z源网络的电容电压，通过控制调制比来控制输出电压，变换器启动时，通过控制逆 变器桥臂的直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，从而实现变换器的软启动，避免变 换器中电感电流过冲和电容电压的过冲，具体包括以下四种软启动方法l.启动时调制 比保持不变，控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；2.启动时先让调制比从零开 始缓慢增加到额定值，然后控制直通占空比从零开始缓慢增加到额定值；3.启动时先让 直通占空比从零开始缓慢增加到额定值，然后控制调制比从零开始缓慢增加到额定值； 4.启动时直通占空比和调制比同时从零开始缓慢增加到额定值。 具体实施效果对附图4所示的Z源逆变器进行了原理试验验证，实验结果如附图5所示。附图 5(a)为输入电压V。=210V,直通占空比Do=0.218,调制比M=0.9并带有1/6三次谐波注 入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压Vc、逆变桥输入电压VpN、 Z源网络电感电流t以及输出相电压VlQad。从图中可以看到Vc大约为80V, VpN升压到 370V。附图5(b)为输入电压V。-260V，直通占空比Do=0.187，调制比]V^0.813无三次谐 波注入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压Vc、逆变桥输入电压VPN、 Z源网络电感电流IL以及输出相电压V1()ad。从图中可以看到Vc小于80V， VpN升压到 415V。附图5(c)为输入电压V。=320V，直通占空比Do-O，调制比M-1.05并带有1/6三 次谐波注入时的实验波形，图中从上到下分别为Z源网络电容电压Vc、逆变桥输入电 压VpN、 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种Ｚ源逆变器，包括直流电压源（１）、三相逆变桥（２）、Ｘ型阻抗源网络（３）、功率二极管（４），所述三相逆变桥（２）的三个桥臂均由两个功率开关管串联组成，每个功率开关管各自并联一个体二极管，其特征在于，三相逆变桥（２）的正端连接直流电压源（１）的正极，三相逆变桥（２）的负端连于Ｘ形阻抗源网络（３）中第一阻抗电容（Ｃ↓［１］）的负端；第一阻抗电容（Ｃ↓［１］）与第二阻抗电容（Ｃ↓［２］）交叉放置成“Ｘ”形，在第一、第二两个阻抗电容（Ｃ↓［１］、Ｃ↓［２］）的两个负端之间连接第一阻抗电感（Ｌ↓［１］），在第一、第二两阻抗电容（Ｃ↓［１］、Ｃ↓［２］）的两个正端之间连接第二阻抗电感（Ｌ↓［２］）构成Ｘ形阻抗源网络（３）；第二阻抗电容（Ｃ↓［２］）的正端连于直流电压源（１）的负极；第二阻抗电容（Ｃ↓［２］）的负端连接功率二极管（４）的阳极，第一阻抗电容（Ｃ↓［１］）的正端连于功率二极管（４）的阴极。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汤雨，谢少军，张超华，
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]