一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器

摘要

本发明属于直流与交流逆变设备技术领域，涉及一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器；其功率开关管S₇一端与直流电源V_g的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L₁相连，耦合电感的两个绕组L₁和L₂的公共端与电源V_g负极相连，三相电压型桥式逆变电路单元由六个带二极管D₁～D₆的功率开关管S₁～S₆连接组成，功率开关管S₁与S₄相连，功率开关管S₂与S₅和功率开关管S₃与S₆分别相连，功率开关管S₁的另一端与功率开关管S₂和S₃的另一端相连并接于电容器C的正极，功率开关管S₄的另一端与功率开关管S₅和S₆的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L₁与第二绕组L₂的公共端；其整体结构设计合理，电学原理可靠，逆变效果好，使用安全，操作简单，逆变环境友好。

主权项

一种单级耦合电感ZETA电抗源逆变器，其特征在于主体结构包括直流电源V_g、由第一绕组L₁和第二绕组L₂组成的耦合电感、电容器C、功率开关管S₇和由功率开关管S₁～S₆及二极管D₁～D₆组成的三相电压型桥式逆变电路单元；第一绕组L₁与第二绕组L₂的匝数比为N_P：N_S，耦合电感的第一绕组L₁和第二绕组L₂的漏感分别为L_1k、L_2k及励磁电感为L_m；耦合电感的第一绕组L₁与第二绕组L₂的上端互为同名端，功率开关管S₇一端与直流电源V_g的正极相连，另一端与耦合电感的第一绕组L₁相连，耦合电感的两个绕组L₁和L₂的公共端与电源V_g负极相连；三相电压型桥式逆变电路单元由六个带反并联二极管D₁～D₆的功率开关管S₁～S₆连接组成，各二极管与各功率开关管的标号为一一对应并联结构，功率开关管S₁～S₆选用绝缘栅双极性晶体管或电力场效应晶体管，功率开关管S₁与功率开关管S₄相连，并在其公共端引出一组桥臂作为三相电压式桥型逆变电路单元的一相输出端；功率开关管S₂与S₅和功率开关管S₃与S₆分别相连并在公共端分别引出另外两组桥臂；功率开关管S₁的另一端与功率开关管S₂、S₃的另一端相连并接于电容器C的正极，功率开关管S₄的另一端与功率开关管S₅、S₆的另一端相连并接于耦合电感第一绕组L₁与第二绕组L₂的公共端；三相电压型桥式逆变电路单元的六个开关管S₁～S₆均接受外部设备提供的开关信号；利用逆变电路逆变桥的续流二极管D₁～D₆作为整流二极管，利用耦合电感L₁、L₂作为储能电感，能够在小直通占空比D_sh的情况下提高直流链电压值；有两种工作模式：一是功率开关管S₇关断且三相电压型桥式逆变电路单元处于直通状态的能量转换模式，由于功率开关管S₇关断，前一阶段电感L_m存储的能量通过耦合电感第二绕组L₂经三相桥式电压型逆变电路的续流二极管D₁～D₆为电容C充电，能量由耦合电感第二绕组L₂转移至电容器C；二是功率开关管S₇导通且三相电压型桥式逆变电路单元处于非直通状态的能量转换模式，功率开关管S₇导通，直流电源V_g与耦合电感第一绕组L₁形成回路，给电感L_m充电，经耦合关系将能量传递至第二绕组L₂，电容C与耦合电感第二绕组L₂放电，通过三相电压型桥式逆变电路为负载供给能量；利用耦合电感两个绕组L₁、L₂的电感伏秒平衡法则，得直流链电压V_PN＝NV_g/D_sh＝BV_g，B为直流链电压增益，N为耦合电感次级绕组和初级绕组匝比N_S：N_P，由式中看出，单级耦合电感ZETA电抗源逆变器实现直流链升压的同时，消除直通占空比D_sh和调制因子的限制；在一个稳态工作周期中有4个工作状态：工作状态一是功率开关管S₇导通，三相电压型桥式逆变电路处于非直通状态，电源V_g给电感L_m充电，电感电流逐渐上升，同时连同电容C存储的能量经过三相电压型桥式逆变电路一起给负载供电，此时输出电流为负载额定电流；工作状态二是三相电压型桥式逆变电路单元进入传统零状态，此时直流链电路和交流负载之间没有能量交换，三相电压型桥式逆变电路单元前的直流侧输出电流i_load为零，电感L_m由电源V_g继续充电，电感电流上升至最大值，为下一个工作状态存储能量；工作状态三是经上一个状态后，直通信号加至三相电压型桥式逆变电路单元逆变桥的功率开关上，同时将直流侧功率开关S₇关断，电感L_m中储存的能量通过耦合电感第二绕组L₂释放经续流二极管D₁～D₆形成充电回路，给电容C充电，由于电感L_m不断向电容C释放能量，电感电流下降至最低值；工作状态四是三相电压型桥式逆变电路单元进入另一个传统零状态，交流负载与直流链电路无能量交换，电感L_m与直流电源V_g再次形成充电回路，电感继续储存能量为下一个循环周期的电能传递做准备。