[發明專利]一種單級升壓逆變器

無效

• 申請號: 201310358565.2
• 申請日: 2013-08-15
• 公開（公告）號: CN103457496A
• 公開（公告）日: 2013-12-18
• 發明（設計）人: 李春杰;黃文新
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H02M7/44
• 分類號: H02M7/44
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司 32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明涉及一種單級升壓逆變器，尤其適合直流母線需要升壓供電的電動汽車電機驅動系統和輸入電壓變化的新能源發電系統。

背景技術

傳統電壓源型逆變器的一般結構是由二極管整流器的前端（交流供電）或直流電源，直流環節的濾波電容器和逆變橋組成，如圖1所示。通常這種電壓源型逆變器存在下列局限或不足：

（1）交流負載必須為電感性或與交流電源連接不得不串聯電感，才能使電壓源逆變器能夠正常工作。

（2）交流輸出電壓被限制只能低于而不能超過直流母線電壓，因此，對于DC/AC功率變換，傳統電壓源逆變器是一個降壓式逆變器。對于直流電壓較低，需要較高的交流輸出電壓的DC/AC功率變換場合，需要一個額外的DC/DC升壓式變換器，這個額外的功率變換級增加了系統的成本，降低了變換效率。

（3）每個橋臂的上、下器件不能同時導通，不管是有意為之，還是因為電磁干擾造成的，否則，會發生直通短路，損壞器件。由電磁干擾造成的誤觸發導致的直通問題是變換器可靠性的主要殺手。

在一些特定的電機控制及電能變換的應用場合，正是由于存在以上不足，普通的電壓源逆變器恰是實現系統功能的瓶頸，制約了相關技術的發展與進步。

在純電動汽車與混合動力汽車的電力驅動系統中，直流電壓一般由蓄電池電壓決定，所以驅動電機的恒轉矩輸出的轉速范圍決定于電池電壓，進一步升速，則進入恒功率范圍，車輛的加速能力將下降，若要改善高速操控性能，驅動逆變器的直流電壓能進行升壓調節，則能有效地提升車輛的操控性能。例如以Prius為代表的驅動技術方案是將電池電壓經過DC/DC變換器升壓，得到穩定的直流電壓后，再供給電動汽車的驅動系統。但是，這種拓撲在電壓源型逆變器前插入一級Boost升壓斬波電路，實現了兩級變換，效率低，可靠性較差，增加了系統的成本。在日新月異發展的軌道交通電力牽引領域，也同樣存在類似的問題，電力牽引的供電電壓常會產生較大的波動，特別是有較大的跌落，這對正常行駛的高速運行的車輛牽引出力有影響，如果能使逆變器具有母線電壓自行調節功能，將會大大提升行駛的穩定性。因此，研究一種拓撲簡單、效率高、可靠性高，并且適應較大輸入電壓變化范圍的逆變器意義重大。

2002年，彭方正教授提出了Z源逆變器，如圖2所示，在傳統逆變器中加入了無源網絡，將逆變器的主電路與電源耦合。該Z源網絡的引進，可以克服上述傳統電壓源型逆變器的不足。對于Z源逆變器工作原理的相關研究已有多個文獻報道，其最大的特點是可以對逆變橋的直流母線電壓進行調節，即Z源逆變器可以將直流電容器的電壓升高到大于整流器平均直流電壓的期望值。當輸入電壓跌落或負載需要較高電壓時，運用傳統電壓型逆變器所沒有的“直通零矢量”狀態，可以實現輸出電壓的升高。所謂“直通零矢量”，就是在逆變器輸出零矢量狀態中，控制逆變橋的上下功率管直通，使電感電流增長。因“直通零矢量”仍屬于零矢量，對逆變器調制PWM輸出沒有影響。當處于非直通零矢量時，電感將原先儲存的能量釋放使得直流母線電壓增長。以較低的輸入電壓，得到期望的逆變器直流母線電壓。Z源逆變器最重要的一點是“直通零矢量”不影響逆變器的零矢量狀態的輸出，也就是逆變器的負載PWM電壓不變，輸出電壓不受影響。

近年來，許多學者將Z源變換器應用在綠色能源、電力傳動等方面，Z源逆變器的優點可以有效地調節逆變器直流母線電壓的大小，克服了傳統電壓源型逆變器的不足，但是這種逆變器也存在起動沖擊電流、諧振、電容需高耐壓等不足。

2008年，彭方正教授課題組針對Z源逆變器存在的缺陷和不足，進行了改進，提出了quasi-Z-source（準Z源逆變器），如圖3所示，輸入電流連續，避免了啟動時產生沖擊電流。

由于Z源逆變器和準Z源逆變器的升壓能力相同，為了提高電壓增益，減小電壓應力，2011年，本課題組提出了帶抽頭電感的單級升壓逆變器，其拓撲結構如圖4所示。2011年，彭方正教授課題組又提出了輸入電流斷續的trans-Z-source逆變器；

2012年，其他學者對trans-Z-source逆變器進行了改進，在trans-Z-source逆變器的輸入端加入了LC網絡，使輸入電流連續，如圖5所示。

現有的逆變器結構都是在直通占空比一定的情況下，隨著匝比的增加，電壓增益就相應的增大，為了實現很高的電壓增益，必須增大匝比，這樣，高頻變壓器（耦合電感）的體積、重量、損耗也隨著匝比的增加而相應的增大。

發明內容