改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器

賈誼堃，張少如，2，劉玲玲，王帥

（1.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601）

改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器

賈誼堃1，張少如1，2，劉玲玲1，王帥1

（1.河北師范大學(xué)物理科學(xué)與信息工程學(xué)院，河北 石家莊 050024；2.工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制省級(jí)協(xié)同創(chuàng)新中心，安徽 合肥 230601）

雖然Z源逆變器克服了傳統(tǒng)電壓源電流源逆變器的不足，但也有啟動(dòng)電壓沖擊嚴(yán)重，電流不連續(xù)，直流側(cè)的電壓利用率低的問(wèn)題。開(kāi)關(guān)型升壓逆變器啟動(dòng)電流小，但升壓倍數(shù)有限。鑒于此提出了一種改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器，電路中電感和IGBT組成Boost電路，不僅提升了電壓，而且在直通狀態(tài)時(shí)，使輸入電流通過(guò)電感續(xù)流，從而保證了輸入電流的連續(xù)?；诤?jiǎn)單升壓控制下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器的有效性與正確性。

逆變器；簡(jiǎn)單升壓控制；升壓因子；電壓利用率

傳統(tǒng)的逆變器分為電壓源型逆變器和電流源型逆變器，電壓源型逆變器其交流輸出電壓不能高于直流母線(xiàn)電壓，逆變橋的上下橋臂不能同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)造成橋臂短路，損壞器件［1］。電流源型逆變器其交流輸出電壓要高于直流輸入電壓，其上下橋臂必須要保持導(dǎo)通，來(lái)避免逆變橋斷路［2-6］。Z源逆變器能夠解決以上問(wèn)題，但是Z源逆變器有啟動(dòng)電流沖擊大、輸入電流不連續(xù)，直流電壓利用率低、造價(jià)高，體積大等不足［7-13］。

改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器電路中，電感和1個(gè) IGBT，組成Boost電路，在直通狀態(tài)時(shí)，增加1個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT的控制，由于電感和IGBT的加入，使輸入電流通過(guò)電感和IGBT形成續(xù)流回路，從而使輸入電流連續(xù)，提高了輸入電壓的利用率。

1 Z源逆變器及其升壓原理

Z源逆變器基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。它由2個(gè)電容C1，C2和2個(gè)電感L1，L2呈X型連接而成，其中C1=C2，L1=L2。

圖1 Z源逆變器基本結(jié)構(gòu)Fig.1 Z source inverter topology

傳統(tǒng)電壓源和電流源逆變器有8種開(kāi)關(guān)矢量，而Z源逆變器有第9種開(kāi)關(guān)矢量，即同一橋臂上下功率管可以同時(shí)導(dǎo)通。這個(gè)工作狀態(tài)在傳統(tǒng)逆變器中是禁止的，Z源逆變器使這個(gè)狀態(tài)成為可能，正是利用直通零電壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了升壓功能。在直通狀態(tài)時(shí)三相逆變橋直流鏈峰值電壓Udc與實(shí)際輸入電壓Uin的關(guān)系為

式中：D0為直通占空比，D0=t0/T，t0為直通時(shí)間，T為開(kāi)關(guān)周期；B為直流升壓因子，B=1/(1-2D0)。

阻抗網(wǎng)絡(luò)上的電容電壓為

假設(shè)逆變器的調(diào)制因子為M，可以得到逆變器輸出相電壓峰值為

當(dāng)電路處于直通狀態(tài)時(shí)，二極管D反向截止，輸入電流是斷續(xù)的，從而降低了直流電源的利用率。當(dāng)逆變器啟動(dòng)時(shí)，其瞬時(shí)電流會(huì)很大，從而損壞逆變器。

2 改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器

本文提出了一種改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器，它在前級(jí)加入1個(gè)有源開(kāi)關(guān)和電感，與直流電源構(gòu)成了1個(gè)Boost電路，實(shí)現(xiàn)了輸入側(cè)電流的連續(xù)。后級(jí)開(kāi)關(guān)S7，控制電容C1的放電回路。其升壓原理與Z源逆變器相同，都具有直通和非直通狀態(tài)，電路如圖2所示。

圖2 改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Improved switch boost inverter topology

假設(shè)在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)，逆變器工作在直通狀態(tài)的時(shí)間為T(mén)0，此時(shí)電容C1放電，控制開(kāi)關(guān)管S7導(dǎo)通，由于電容C1側(cè)電壓大于直流輸入側(cè)電壓，二極管D被迫關(guān)斷，設(shè)置驅(qū)動(dòng)信號(hào)使開(kāi)關(guān)管S8導(dǎo)通，輸入電流通過(guò)L和開(kāi)關(guān)管S8，形成回路，輸入電源對(duì)電感L進(jìn)行充電。同理電容C1側(cè)電壓使二極管D1承受反向電壓，也被迫關(guān)斷，此時(shí)電容C1對(duì)電感L1進(jìn)行充電。此時(shí)逆變器直流鏈電壓為零，處于短路狀態(tài)。開(kāi)關(guān)S7，S8的狀態(tài)與直通狀態(tài)同步，在直通狀態(tài)時(shí)，只需增加1個(gè)IGBT的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，就可完成對(duì)開(kāi)關(guān)管S7，S8的控制。通過(guò)以上分析我們得出：

圖3所示為逆變器的直通狀態(tài)。

圖3 改進(jìn)型升壓逆變器的直通狀態(tài)Fig.3 Shoot through state of improved switch boost inverter

假設(shè)逆變橋工作在非直通狀態(tài)的時(shí)間為t1，此時(shí)電容C1進(jìn)行充電，開(kāi)關(guān)管S7，S8斷開(kāi)，由于輸入側(cè)電壓高于電容側(cè)電壓，所以二極管D，D1同時(shí)導(dǎo)通，直流電源Uin，電感L，L1同時(shí)給電容C1充電。電容與逆變橋上的負(fù)載并聯(lián)，電容C1電壓等于峰值電壓，可以得出：

圖4所示為逆變器的非直通狀態(tài)。

圖4 改進(jìn)型升壓逆變器的非直通狀態(tài)Fig.4 Nonshoot through state of improved switch boost inverter

根據(jù)伏秒特性，由式（4）、式（5）在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期T內(nèi)電感兩端的平均電壓在穩(wěn)態(tài)下必然為0，可得

通過(guò)式（6）、式（8）可得電容電壓的輸入電壓，逆變橋峰值電壓Udc與輸入電壓Uin的關(guān)系為

假設(shè)逆變器的調(diào)制因子為M，可以得到逆變器輸出相電壓峰值為

由以上分析可以得出，改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器電感L、開(kāi)關(guān)管S8在直通狀態(tài)時(shí)為直流源提供了續(xù)流回路，把電能儲(chǔ)存于電感L中，在非直通狀態(tài)輸入電源Uin，電感L，L1給電容充電，從而在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，輸入電流是連續(xù)的，提高了輸入電源的利用率。

圖5所示為改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器和開(kāi)關(guān)型升壓逆變器的2種拓?fù)涞纳龎阂蜃覤與直通占空比D0的關(guān)系圖。

圖5 2種拓?fù)涞纳龎阂蜃覤與直通占空比D0的關(guān)系Fig.5 Relationship between the B and the D0of the boost factor for two topologies

由圖5可知在直通占空比小于0.25時(shí)，改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器的升壓優(yōu)勢(shì)不是很明顯，但是直通占空比在0.25之后，改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器的升壓優(yōu)勢(shì)明顯好于開(kāi)關(guān)型升壓逆變器。

3 簡(jiǎn)單升壓控制

Z源逆變器在直通零電壓狀態(tài)實(shí)現(xiàn)升壓，所以何時(shí)插入直通狀態(tài)是控制的關(guān)鍵。逆變器的輸出電壓與有效狀態(tài)有關(guān)，為了不影響逆變器的輸出電壓，通常把直通零狀態(tài)插入到傳統(tǒng)零狀態(tài)中，簡(jiǎn)單升壓控制方法減小了開(kāi)關(guān)管電流，容易實(shí)現(xiàn)。該方法以傳統(tǒng)的PWM控制為基礎(chǔ)，設(shè)定2個(gè)恒值電壓Up和Un，輸入載波Ucm，同時(shí)輸入三相正弦波Usx。當(dāng)頻率很高的載波信號(hào)幅值大于Up或小于Un時(shí)，設(shè)置1個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)使逆變器的三相橋臂同時(shí)導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)逆變器直通，此時(shí)逆變器處在升壓狀態(tài)，其原理圖如圖6所示。

圖6 簡(jiǎn)單控制法原理圖Fig.6 Schematic diagram of simple control method

設(shè)直通時(shí)間為t0，開(kāi)關(guān)周期為T(mén)，直通占空比為D0，所以有：

D0=t0/T把控制信號(hào)縮小到半個(gè)周期，見(jiàn)圖7。

圖7 半周期控制信號(hào)Fig.7 Half cycle control signal diagrom

根據(jù)圖7，由幾何知識(shí)可得：

正弦調(diào)制信號(hào)與三角載波信號(hào)的幅值之比可以定義為調(diào)制因子，用M表示。因?yàn)閁p≥Ux(x=1,2,3)所以D0最大為1-M。即

逆變器的電壓增益定義為

式中：Ux為輸出電壓的峰值電壓。

根據(jù)式（9）、式（10）、式（13）、式（14）、式（15）可以得到改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器最大電壓增益為

4 仿真及實(shí)驗(yàn)參數(shù)

具體參數(shù)如下：Uin=200 V，L=350 μΗ，L1= 2 000 μΗ，C1=400 μF，負(fù)載電感1 000 μΗ，負(fù)載電容50 μΗ，載波頻率fs=10 kHz，D0=0.4，M=0.6，仿真時(shí)間1 s。仿真結(jié)果如圖8～圖10所示。

由圖8～圖10及以上分析可知，3種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都能滿(mǎn)足一定的升壓功能。通過(guò)圖8的波形圖可以看出仿真結(jié)果與理論分析值基本相符，改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器的輸入電流是連續(xù)的，驗(yàn)證了該拓?fù)涞目尚行?。比較圖8和圖9，可以看出Z源逆變器與改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器的升壓效果相同，但改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器能更快地達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)改進(jìn)型開(kāi)關(guān)升壓逆變器在直通狀態(tài)能夠使輸入電流通過(guò)電感和開(kāi)關(guān)管形成續(xù)流回路，從而使輸入電流在1個(gè)周期內(nèi)連續(xù)，提高了電源的利用率。通過(guò)圖9和圖10相比較，可以看出開(kāi)關(guān)型升壓逆變器和Z源逆變器相比，開(kāi)關(guān)型升壓逆變器升壓效果明顯不足，在電源利用率上，開(kāi)關(guān)型逆變器也不能保證直通狀態(tài)電流連續(xù)。改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器克服了開(kāi)關(guān)型升壓逆變器的不足，在實(shí)現(xiàn)輸入電流連續(xù)的同時(shí)，還提升了電壓。

圖8 改進(jìn)型開(kāi)關(guān)逆變器的仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results of improved switch boost inverter

圖9 Z源逆變器的仿真結(jié)果Fig.9 Simulation results of Z source inverter

圖10 開(kāi)關(guān)型升壓逆變器的仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of switch boost inverter

5 結(jié)論

本文提出了一種改進(jìn)型升壓逆變器，電感和IGBT的加入，使在直通狀態(tài)時(shí)，輸入電流通過(guò)電感和IGBT形成續(xù)流回路，從而使輸入電流連續(xù)，提高了輸入電壓的利用率。通過(guò)理論分析和仿真結(jié)果，證實(shí)了該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的可行性。本電路設(shè)計(jì)不但繼承了開(kāi)關(guān)型升壓逆變器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，還提升了開(kāi)關(guān)型升壓逆變器的升壓因子，同時(shí)又解決了Z源直通狀態(tài)時(shí)輸入電流不連續(xù)的問(wèn)題。

［1］侯世英，黃哲，肖旭，等.改進(jìn)型Z源并網(wǎng)逆變器［J］.電機(jī)與控制學(xué)報(bào)，2012，16（12）：47-53．

［2］徐聰，程啟明，李明，等.Z源逆變器及其多種改進(jìn)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的比較［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2014，38（10）：2926-2931.

［3］湯雨，謝少軍，張超華.改進(jìn)型Z源逆變器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2009，29（30）：28-34.

［4］Ravindranath A，Mishra S，Joshi A.Analysis and PWM Con?trol of Switched Boost Inverter［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.2013，60（12）5593-5602.

［5］丁新平，盧燕，錢(qián)照明，等.Z源逆變器光伏并網(wǎng)系統(tǒng)光伏電池MPPT和逆變器并網(wǎng)的單級(jí)控制［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，25（4）：122-128.

［6］林飛，杜欣.電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真［M］.北京：中國(guó)電力出版社，2012.

［7］李傳琦.電力電子技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

［8］薛必翠，張承慧，丁新平.Z源逆變器PWM調(diào)制策略的分析與比較［J］.電工電能新技術(shù)，2013，32（3）：95-109.

［9］蔣立，鄭建勇.Z源光伏并網(wǎng)直接電流單周控制系統(tǒng)［J］.電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32（22）：87-90.

［10］Peng F Z，Shen M，Qian Z.Maximum Boost Control of the Z-source Inverter［J］.IEEE Trans.Power Electron，2005，20（4）：833-838.

［11］Loh P C，Vilathgamuwa D M，Lai Y S，et al.Pulsewidth Modu?lation of Z-source Inverters［J］.IEEE Trans.Power Electron，2005，20（6）：1346-1355.

［12］Shen M，Wang J，Joseph A，et al.Constant Boost Control of the Z-source Inverter to Minimize Current Ripple and Voltage Stress［J］.IEEE Trans.Ind，2006，42（3）：770-778，

［13］彭方正，房緒鵬，顧斌，等.Z源變換器［J］．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2004，19（2）：48-51.

修改稿日期：2016-05-16

Improved Switching Boost Inverter

JIA Yikun1，ZHANG Shaoru1，2，LIU Lingling1，WANG Shuai1
（1.College of Physics Science and Information Engineering，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，Hebei，China；2.Provincial Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-saving and Power Quality Control，Hefei 230601 Anhui，China）

Although the Z-source inverter overcomes the disadvantages of traditional voltage source and current source inverter，it also has the drawbacks of serious starting-up inrush current，discontinue input current and low DC voltage utilization.The switch boost inverter has small starting-up inrush current，but its boost factor is limited.In view of this，an improved switching boost inverter was proposed.The inductance and IGBT formed the Boost circuit.Because of the existence of IGBT and inverter，the provided improved switching boost inverter obtains a higher boost factor and in shoot-through zero state，the input current through the inductor to ensure the continuity of the input current.Based on the theoretical analysis，the simulation results based on simple boost control demonstrate the validity and correctness of improved switching boost inverter.

inverter；simple boost control；boost factor；voltage utilization ratio

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161108

河北省自然科學(xué)基金（E2013205173）；安徽省工業(yè)節(jié)電與電能質(zhì)量控制協(xié)同創(chuàng)新中心開(kāi)放課題（KFKT201504）；研究生科研基金項(xiàng)目（201402005）

賈誼堃（1991-），男，碩士研究生，Email：yikunjia@163.com

2015-09-12