[发明专利]一种单级升压逆变器

说明书

技术领域

本发明涉及一种单级升压逆变器，尤其适合直流母线需要升压供电的电动汽车电机驱动系统和输入电压变化的新能源发电系统。

背景技术

传统电压源型逆变器的一般结构是由二极管整流器的前端（交流供电）或直流电源，直流环节的滤波电容器和逆变桥组成，如图1所示。通常这种电压源型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。

在纯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。例如以Prius为代表的驱动技术方案是将电池电压经过DC/DC变换器升压，得到稳定的直流电压后，再供给电动汽车的驱动系统。但是，这种拓扑在电压源型逆变器前插入一级Boost升压斩波电路，实现了两级变换，效率低，可靠性较差，增加了系统的成本。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。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高，并且适应较大输入电压变化范围的逆变器意义重大。

2002年，彭方正教授提出了Z源逆变器，如图2所示，在传统逆变器中加入了无源网络，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源型逆变器的不足。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。当处于非直通零矢量时，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。Z源逆变器最重要的一点是“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。

近年来，许多学者将Z源变换器应用在绿色能源、电力传动等方面，Z源逆变器的优点可以有效地调节逆变器直流母线电压的大小，克服了传统电压源型逆变器的不足，但是这种逆变器也存在起动冲击电流、谐振、电容需高耐压等不足。

2008年，彭方正教授课题组针对Z源逆变器存在的缺陷和不足，进行了改进，提出了quasi-Z-source（准Z源逆变器），如图3所示，输入电流连续，避免了启动时产生冲击电流。

由于Z源逆变器和准Z源逆变器的升压能力相同，为了提高电压增益，减小电压应力，2011年，本课题组提出了带抽头电感的单级升压逆变器，其拓扑结构如图4所示。2011年，彭方正教授课题组又提出了输入电流断续的trans-Z-source逆变器；

2012年，其他学者对trans-Z-source逆变器进行了改进，在trans-Z-source逆变器的输入端加入了LC网络，使输入电流连续，如图5所示。

现有的逆变器结构都是在直通占空比一定的情况下，随着匝比的增加，电压增益就相应的增大，为了实现很高的电压增益，必须增大匝比，这样，高频变压器（耦合电感）的体积、重量、损耗也随着匝比的增加而相应的增大。

发明内容