專利名稱：L源逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器，尤其涉及一種配合燃料電池外特性的電機(jī)驅(qū)動(dòng)逆變器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的逆變電路有兩類電壓源逆變器(V-Source Inverter)和電流源逆變器(I-Source Inverter)，電壓源逆變器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)檩敵鼋涣麟妷?，在電力傳?dòng)方面的應(yīng)用非常廣闊。一般來說，中小功率的交流電力傳動(dòng)系統(tǒng)都是基于電壓源逆變器的。電壓源逆變器的輸入直流電壓可以由電網(wǎng)或旋轉(zhuǎn)交流電機(jī)經(jīng)整流濾波得到，也可由蓄電池、燃料電池或光伏電池得到，分別對(duì)應(yīng)一般工業(yè)應(yīng)用場(chǎng)合(如變頻器)、電動(dòng)車、再生能源發(fā)電等場(chǎng)合。在電壓源逆變器中，由于輸入直流電壓的緣故，功率半導(dǎo)體器件總是保持正向偏置，因此采用自控型正向?qū)ㄆ骷?，如IGBT、PowerMOSFET等，為了使逆變器的開關(guān)具有自由的方向電流，往往在自關(guān)斷器件上反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管。電壓源逆變器的一個(gè)重要特點(diǎn)就是輸出交流電壓波形不受負(fù)載參數(shù)的影響。一般的逆變器的結(jié)構(gòu)包含二極管整流器的前端(交流供電)或直流電源，直流環(huán)節(jié)電容器和逆變橋，如附圖1所示。采用這種電壓源逆變器的電力傳動(dòng)系統(tǒng)存在下列局限或不足(1)這種電壓源逆變器是降壓式逆變器，其輸出交流電壓低于輸入電壓。例如，常見的三相變頻器為380V三相交流輸入，在不計(jì)其內(nèi)部的壓降，在合適的線性調(diào)制策略下，最大輸出線電壓也僅為380V。不能適合需要提高輸出電壓的場(chǎng)合。
(2)電壓跌落往往使電力傳動(dòng)系統(tǒng)中斷工作，會(huì)使重要的負(fù)載和生產(chǎn)過程工作異常。超過90％的與電能質(zhì)量有關(guān)的故障是源于瞬間的(特別是0.1~0.2s)低于正常值10~50％的電壓跌落。電容器是一個(gè)相對(duì)小的儲(chǔ)能元件，不足以使直流電壓在這樣的電壓跌落的情況下保持正常值。對(duì)于敏感負(fù)載來說，缺少電壓度越能力是一個(gè)嚴(yán)重的問題。
(3)整流濾波電路的對(duì)供電電網(wǎng)造成諧波污染。
(4)每個(gè)橋臂的上下開關(guān)器件不允許同時(shí)導(dǎo)通，否則會(huì)損壞器件；由電磁干擾造成的誤觸發(fā)導(dǎo)致的直通是影響其可靠性的主要因素。
對(duì)于普通逆變器的不足，將二極管整流換成PWM整流電路基本上能夠克服，且使能量能夠雙向流動(dòng)，還可實(shí)現(xiàn)PFC功能，已在許多的場(chǎng)合中得到應(yīng)用。但是這種背靠背的形式增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高了成本，并使可靠性有所下降。
近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的激增，世界范圍內(nèi)的能源供需矛盾日益突出，石油資源將在四十年內(nèi)、煤炭資源將在百年內(nèi)基本消耗殆盡。世界各國(guó)都在一方面節(jié)能降耗，一方面尋求新的替代能源。同時(shí)，傳統(tǒng)的能源的利用還有一個(gè)明顯的不足造成環(huán)境污染。因此，各種綠色能源的開發(fā)利用變得越來越重要。風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電、燃料電池發(fā)電等新型再生能源發(fā)電將被廣泛開發(fā)應(yīng)用。這些能源發(fā)電有一個(gè)共同特點(diǎn)是所發(fā)出的電能隨外界因素的變化而變化，引起電壓波動(dòng)，如風(fēng)強(qiáng)、光照、負(fù)載大小等。電力電子技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用將有效地解決這方面的問題，發(fā)出高品質(zhì)的電能。這些發(fā)電方式中，燃料電池最受世人矚目，在能量變換效率、功率密度、安全性、可靠性、清潔性、可控性等方面有著其他電能發(fā)生裝置不可比擬的優(yōu)越性。燃料電池廣泛應(yīng)用于各種獨(dú)立供電系統(tǒng)，如空間技術(shù)領(lǐng)域、工作電站、不間斷后備電源、便攜式電源、車輛電源等。特別是電動(dòng)車輛的供電電源，燃料電池在綜合性能上是唯一可行的。但是，燃料電池的輸出電壓是直流電壓，且隨負(fù)載的變化，輸出電壓波動(dòng)范圍很大，并且燃料電池的輸出電壓不高。因此燃料電池供電時(shí)，往往首先是向一級(jí)DC-DC變換器供電，穩(wěn)定輸出電壓，再向下級(jí)負(fù)載供電，如附圖2所示。顯然，添加一級(jí)電力電子變換，使得整個(gè)系統(tǒng)的效率及可靠性有所下降。若燃料電池直接用于電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)電壓源逆變器供電時(shí)，隨著驅(qū)動(dòng)功率的增加，燃料電池的輸出直流電壓下降，這與驅(qū)動(dòng)電機(jī)高速大功率運(yùn)行要求電壓高相矛盾，設(shè)計(jì)時(shí)往往不得不加大電機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)的尺寸。因此，研究一種拓?fù)浜?jiǎn)單、效率高、可靠性高的配合燃料電池外特性的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)逆變器意義重大。
2002年美國(guó)彭方正教授提出了一種Z源功率逆變器電壓源逆變器(Z-SourceInverter)，可以認(rèn)為是一種新的逆變器拓?fù)?。該Z源逆變器引進(jìn)了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)，將逆變器的主電路與電源耦合，該Z源網(wǎng)絡(luò)的引進(jìn)，可以克服上述問題。其結(jié)構(gòu)如附圖3、附圖4所示，和傳統(tǒng)的電力傳統(tǒng)系統(tǒng)類似，它也由三部分組成二極管整流器直流環(huán)節(jié)電路或直流電壓源、Z源網(wǎng)絡(luò)和三相逆變橋。Z源逆變器的工作原理的最大的特點(diǎn)是可以對(duì)逆變橋的直流電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，即Z源變換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(dāng)輸入電壓跌落或負(fù)載需要較高電壓時(shí)，運(yùn)用其普通逆變器所沒有的“直通零矢量”狀態(tài)，可以實(shí)現(xiàn)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(tài)中，控制逆變橋的上下功率管直通，使電感電流增長(zhǎng)。當(dāng)退出直通零矢量時(shí)，電感儲(chǔ)能使得直流母線電壓增長(zhǎng)。以較低的輸入電壓，得到期望的逆變器母線電壓。當(dāng)然，實(shí)際應(yīng)用中，電容器電壓的最大值受到器件額定電壓的限制。直通零矢量也不影響逆變器的零矢量的狀態(tài)，逆變器的輸出不變。但是這種逆變器也存在如下不足(1)由于增加了一個(gè)Z源網(wǎng)絡(luò)，是一個(gè)包含了電感、電容的二端口網(wǎng)絡(luò)，在一定條件下，Z源網(wǎng)絡(luò)的電感和電容器會(huì)發(fā)生諧振，在設(shè)計(jì)和控制Z源逆變器時(shí)必須考慮避免諧振的策略，一旦發(fā)生諧振，將很容易損壞電路；(2)母線電壓為電容電壓減去電感壓降，母線電壓不能充分利用電容的電壓等級(jí)；并且當(dāng)電感電流斷續(xù)或方向改變時(shí)，Z源逆變器拓?fù)涞哪孀儤蛑绷髂妇€電壓因電感電流的大小及方向變化以及是否斷續(xù)而變化很大。電壓將有跌落，逆變器的調(diào)制算法必須考慮電壓變化的影響，使得逆變器控制的復(fù)雜程度增加；(3)要求兩只電容元件對(duì)稱，電容故障對(duì)這種系統(tǒng)電路是災(zāi)難性的；(4)Z源逆變器應(yīng)用于電力傳動(dòng)系統(tǒng)最大的問題是不能實(shí)現(xiàn)向電源的能量回饋運(yùn)行，從附圖3中可見如果是電池供電，必須在電池與Z源網(wǎng)絡(luò)之間插入一只二極管，其原因是，如果沒有阻斷二極管，當(dāng)電機(jī)發(fā)電運(yùn)行時(shí)，電感電流方向改變，向電池回饋能量，而電機(jī)總是要需求的無功的，輸送無功開關(guān)狀態(tài)構(gòu)成的通路要求從電容流向電機(jī)，但輸送無功時(shí)Z源網(wǎng)絡(luò)的兩只電感電流將通過逆變器橋臂反并聯(lián)二極管短路，逆變器直流電壓為零，電機(jī)將不能工作，如果要回饋能量將另外建立回饋通道，這使得這種電路的實(shí)用面大打折扣。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種拓?fù)浜?jiǎn)單、效率高、可靠性高的配合燃料電池外特性的電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)逆變器。
2、技術(shù)方案為了達(dá)到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的L源逆變器包括三相逆變橋，它還包括一個(gè)串聯(lián)于電源正端與三相逆變橋之間的電感，三相逆變橋并聯(lián)有一條由電容和功率開關(guān)器件相串聯(lián)的支路，此電容的放電電流流過此功率開關(guān)器件，電容的充電電流從該功率開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管流過，三相逆變橋的輸出端與需要進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)的三相連接。
當(dāng)上述的三相逆變橋狀態(tài)為零矢量時(shí)，與電容相串聯(lián)的功率管是關(guān)斷的。
本發(fā)明的逆變器還包括一個(gè)串聯(lián)于電感與三相逆變橋之間的二極管，此二極管起隔斷逆變器直流母線的高壓與直流電源低壓的作用，其正端與電感一端連接，負(fù)端與三相逆變橋連接，該二極管并聯(lián)有一個(gè)開關(guān)器件，該開關(guān)器件的作用是形成電能從逆變器向電源回饋的通路。如果應(yīng)用于輸入交流電整流的直流電場(chǎng)合，由于整流橋起隔斷作用，二極管可省去。
該電路工作基原理解釋如下該電路對(duì)逆變器直流母線控制方式采用了與Z源逆變器相近的思想，運(yùn)用普通逆變器所沒有的“直通零矢量”狀態(tài)，三相逆變橋上下開關(guān)管直通，使輸入電感電流迅速增長(zhǎng)，在“常規(guī)矢量”時(shí)，電感儲(chǔ)能一部分通過逆變橋向電機(jī)供電，一部分向電容C充電。調(diào)節(jié)直通零矢量的開通時(shí)間，可實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的調(diào)節(jié)。與Z源逆變器相比，主回路中僅采用一個(gè)功率電感，與電容C串聯(lián)一只功率管T7，電容充電電流經(jīng)T7的反并聯(lián)二極管流通，電容放電電流經(jīng)功率管流通。很顯然，T7的導(dǎo)通時(shí)機(jī)是在“常規(guī)矢量”工作時(shí)，T7導(dǎo)通，使電容正常工作，當(dāng)“直通零矢量”應(yīng)用前，必須關(guān)斷T7。因“直通零矢量”是在零矢量中發(fā)出的狀態(tài)，所以T7的開通信號(hào)與零矢量信號(hào)互補(bǔ)即可，邏輯易于實(shí)現(xiàn)。如果供電電源是電池或其它電壓源，并要使逆變器直流母線電壓大大高于電源電壓，則電感串聯(lián)的二極管D是必須的，防止逆變器直流母線電流回灌，母線電壓下跌。如果輸入是交流電整流，則二極管D是不必要的。如果逆變器的直流母線電壓不要大的抬升，如只是補(bǔ)償一下象燃料電池那樣的軟外特性造成的電壓下降，能滿足電感電流連續(xù)，二極管D也可省去。該電路同樣可實(shí)現(xiàn)能量從電機(jī)回饋至電源，這時(shí)可看作類似“Buck”電路的工況。如果串聯(lián)了二極管D，則向電池回饋能量就要增加旁路的功率開關(guān)T8。有能量回饋通道，使得該電路方便應(yīng)用于起動(dòng)/發(fā)電系統(tǒng)。
3、有益效果本發(fā)明的逆變器的電路可將直流母線的電壓比輸入直流電壓進(jìn)行抬升，拓?fù)漭^Z源逆變器簡(jiǎn)化，且L、C間由于串聯(lián)了二極管而沒有了自由振蕩的條件；直流母線電壓等于電容電壓，電容電壓基本恒定，不給逆變器控制增加復(fù)雜性。
四

圖1是電壓源逆變器；圖2是傳統(tǒng)的應(yīng)用于燃料電池的逆變器示意圖；圖3是應(yīng)用于燃料電池的Z源逆變器示意圖；圖4是應(yīng)用于調(diào)速驅(qū)動(dòng)的Z源逆變器示意圖；圖5是本發(fā)明的L源逆變器的一種結(jié)構(gòu)的示意圖；圖6是本發(fā)明的L源逆變器的另一種結(jié)構(gòu)的示意圖。
五具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1如圖5所示，本實(shí)施例的逆變器應(yīng)用于供電電源是電池或其它電壓源，并要使逆變器直流母線電壓大大高于電源電壓，它包括一個(gè)與電源一端相連接的電感L，一個(gè)正端與電感L另一端連接的二極管D，二極管D并聯(lián)有一個(gè)開關(guān)器件T8；二極管D的負(fù)端連接有三相逆變橋，三相逆變橋由三條并聯(lián)的支路組成，每條支路包括兩個(gè)開關(guān)件，每個(gè)開關(guān)件分別并聯(lián)有一個(gè)功率管，其中一個(gè)功率管的負(fù)端與另一個(gè)功率管的正端連接，正端與電源的另一端連接，另一個(gè)功率管的負(fù)端與二極管D的負(fù)端連接；三相逆變橋還并聯(lián)有一條支路，該支路包括一個(gè)相串聯(lián)的電解電容C和功率開關(guān)器件T7，電解電容C正端與逆變器的直流母線正極連接，負(fù)端與功率開關(guān)器件T7的反并聯(lián)二極管的正端連接，該反并聯(lián)二極管的負(fù)端與逆變器的直流母線負(fù)極連接，再與電源的負(fù)端連接；需要進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)的三相分別接三相逆變橋輸出。
電解電容C及功率器件的具體選型可按一般電機(jī)控制逆變器電路的要求，由負(fù)載(電機(jī))的容量、工作電壓、工作頻率等因素選擇，通常三相逆變橋的功率開關(guān)器件T1～T6及獨(dú)立開關(guān)器件T7、T8選擇IGBT，低壓應(yīng)用和頻率較高的場(chǎng)合采用功率MOSFET。
實(shí)施例2如圖6所示，本實(shí)施例的逆變器應(yīng)用于供電電源為交流電的整流場(chǎng)合，或者是逆變器的直流母線電壓不要大的抬升的場(chǎng)合，則省略去實(shí)施例1中的二極管D和開關(guān)器件T8即可實(shí)現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種L源逆變器，包括三相逆變橋，其特征在于，它還包括一個(gè)串聯(lián)于電源正端與三相逆變橋之間的電感(L)，三相逆變橋并聯(lián)有一條由電容(C)和功率開關(guān)器件(T7)相串聯(lián)的支路，電容(C)正端與三相逆變橋的直流母線正極連接，負(fù)端與功率開關(guān)器件(T7)的反并聯(lián)二極管正端連接，該反并聯(lián)二極管負(fù)端與三相逆變橋的直流母線負(fù)極連接，再與電源的負(fù)端連接；三相逆變橋輸出端與需要進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)的三相連接。
2.如權(quán)利要求1所述的L源逆變器，其特征在于，還包括一個(gè)串聯(lián)于電感(L)與三相逆變橋之間的二極管(D)，其正端與電感(L)一端連接，負(fù)端與三相逆變橋連接，該二極管(D)并聯(lián)有一個(gè)開關(guān)器件(T8)，形成電能從逆變器向電源回饋的通路。
3.如權(quán)利要求1或2所述的L源逆變器，其特征在于，三相逆變橋狀態(tài)為零矢量時(shí)，與電容(C)串聯(lián)的功率開關(guān)器件(T7)是關(guān)斷的。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種L源逆變器，包括三相逆變橋，還包括一個(gè)串聯(lián)于電源正端與三相逆變橋之間的電感(L)，三相逆變橋并聯(lián)有一條由電容(C)和功率開關(guān)器件(T7)相串聯(lián)的支路；三相逆變橋輸出端與需要進(jìn)行控制的電動(dòng)機(jī)的三相連接。本發(fā)明的L源逆變器還包括一個(gè)串聯(lián)于電感(L)與三相逆變橋之間的二極管(D)。本發(fā)明可將直流母線的電壓比輸入直流電壓進(jìn)行抬升，拓?fù)漭^Z源逆變器簡(jiǎn)化，且L、C間由于串聯(lián)了二極管而沒有了自由振蕩的條件；直流母線電壓等于電容電壓，電容電壓基本恒定，不給逆變器控制增加復(fù)雜性。
文檔編號(hào)H02M7/48GK1852021SQ20061004066
公開日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2006年5月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年5月26日
發(fā)明者黃文新, 胡育文 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)