基于z源的双输出双级矩阵变换器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电力电子变换器，具体设及一种基于Z源的双输出双级矩阵变换器。
【背景技术】
[0002] 双交流电机驱动系统由于转矩脉动小、直流母线电流谐波含量少、系统可靠性高 等优点，在混合电动汽车、城市轨道机车牵引系统和航空航天等领域得到了广泛应用。由于 双输出功率变换器是双交流电机驱动系统中的核屯、环节，且受到空间、开关器件数量及制 造成本等因素的制约，双交流电机驱动系统对双输出功率变换器在体积、适用性、可靠性等 方面提出了更高的要求。
[0003] 双级矩阵变换器是一种新型的功率变换器，具有输入输出电流正弦、功率双向流 动、错位电路简单和功率因数可控等优点。五桥臂双输出双级矩阵变换器和九开关双输出 双级矩阵变换器是在双级矩阵变换器基础上衍生的新型双输出拓扑。与传统五桥臂变换器 和九开关逆变器相比，五桥臂双输出双级矩阵变换器和九开关双输出双级矩阵变换器拓扑 消除了中间储能元件，使电路的结构更加紧凑、系统的稳定性更高。五桥臂双输出双级矩阵 变换器相对于九开关双输出双级矩阵变换器，具有更小的开关管电压应力而应用的更为广 泛。但是W上两种拓扑均具有电压传输比低、输出特性受输入电压影响大等缺陷而限制了 其应用的范围。
[0004] 上述发明在一定程度上弥补了传统双输出双级矩阵变换器的一些不足，提高了变 换器的电压传输比和可靠性。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有双输出双级矩阵变换器的不足，提供一种输出特性受 输入电压影响小、输出电压幅值可调、电压传输比高、能抑制启动冲击电流、电容电压应力 低、体积小、成本低的基于Z源的双输出双级矩阵变换器。
[0006] 本发明的目的是通过如下的技术方案来实现的；包括双输出双级矩阵变换器和Z 源阻抗网络；所述双输出双级矩阵变换器由整流级电路和逆变级电路组成；其特点是；Z源 阻抗网络串联在整流级电路的第一输出端和逆变级电路的第一输入端之间；所述Z源阻抗 网络由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和二极管组成X型，第一电感的一端与第 二电容的一端相连后作为Z源阻抗网络的输入端，所述第一电感的另一端与第一电容的一 端相连，所述第二电容的另一端与第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端与第一电 容的另一端相连后作为Z源阻抗网络的输出端，所述第一电感和第一电容的连接点与二极 管的阳极相连，所述二极管的阴极与所述第二电容和第二电感的连接点相连；所述逆变级 电路由十个开关管组成的五个半桥构成。
[0007] 所述五个半桥为第一半桥、第二半桥、第=半桥、第四半桥和第五半桥，其中所述 第一半桥、第二半桥和第=半桥组成第一=相全桥逆变电路与第一=相负载相连，所述第 =半桥、第四半桥和第五半桥组成第二=相全桥逆变电路与第二=相负载相连。
[000引所述整流级电路是由6个双向开关管组成的=相全桥整流电路。
[0009] 双向开关管开关由两个IGBT和两个功率二极管组成，所述两个IGBT为共发射极 式连接，每个IGBT均并联一个功率二极管，其中功率二极管的阳极与IGBT的发射极相连， 二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
[0010] 本发明的五个半桥组成两个S相全桥逆变电路分别向一个S相负载供电，Z源阻 抗网络允许逆变级电路同一半桥的两个开关管同时导通，逆变级电路中某个半桥或多个半 桥的上下两个开关管同时导通时，第一电容和第二电容与整流级电路共同给第一电感和第 二电感充电储能，二极管承受反向电压而关断；逆变级电路中任何一个半桥的上下开关管 没有同时导通时，第一电感和第二电感放电与整流级电路输出直流电压共同给逆变级电路 供电，二极管承受正向电压而导通，完成升压功能。
[0011] 本发明的有益效果：
[0012] 本发明提高了双输出双级矩阵变换器的电压传输比、输出电压幅值可调，抑制了 启动冲击电流，具有低的电容电压应力、小的空间体积和较低的成本。适用于双交流电机驱 动系统，实现对两个交流电机的独立控制，如城市轨道牵引系统、纺织和造纸等领域。
【附图说明】
[0013] 图1是本发明的整体结构框图；
[0014] 图2是本发明第一S相全桥逆变电路处于矢量调制状态的等效电路示意图；
[0015] 图3是本发明第二S相全桥逆变电路处于矢量调制状态的等效电路示意图；
[0016] 图4是本发明直通状态下的等效电路示意图；
[0017] 图5是本发明非直通状态下的等效电路示意图。
【具体实施方式】
[0018] 下面通过实施例结合附图对本发明的【具体实施方式】作详细说明。
[0019] 如图1所示，本发明的基于Z源的双输出双级矩阵变换器，包括整流级电路1、Z源 阻抗网络2和逆变级电路3,Z源阻抗网络2串联在整流级电路1的第一输出端和逆变级电 路3的第一输入端之间。
[0020] 整流级电路1是由六个双向开关管5。。、5^、56。、56。、5。。和8。。组成的^相全桥整流 结构，由Uia、Uib和U1云相向整流级电路1供电；Z源阻抗网络2是由第一电感L1、第二电感 L,、第一电容第二电容C,和二极管D1组成的X型结构；逆变级电路3是由十个单向开关 管Sap、S^、Sbp、Sb。、S。。、S。。、Sdp、Sd。、Sep和SE。组成的五桥臂结构。
[0021]双向开关管Sgp、S^、Sbp、Sb。、s。。和s。。是通过两个单向开关管实现的，能达到双向 导通和双向关断的目的，双向开关管由两个IGBT和两个功率二极管组成，两个IGBT为共发 射极式连接，每个IGBT均并联一个功率二极管，其中功率二极管的阳极与IGBT的发射极相 连，二极管的阴极与IGBT的集电极相连。
[0022] Z源阻抗网络2的第一电感Li的一端与第二电容C2的一端相连后作为Z源阻抗 网络2的输入端，第一电感Li的另一端与第一电容C1的一端相连，第二电容C2的另一端与 第二电感L,的一端相连，第二电感L2的另一端与第一电容C1的另一端相连后作为Z源阻 抗网络2的输出端，第一电感Li和第一电容C1的连接点与二极管D1的阳极相连，二极管D1 的阴极与第二电容C2和第二电感L2的连接点相连。
[002引逆变级电路3中单向开关管S&和S。。组成的半桥为两个S相全桥逆变电路的共享 桥臂，单向开关管Sap、S^、Sep、Sc。、Sep和S。。组成第一S相全桥逆变电路5与第一S相负载 相连，单向开关管Sep、Se。、Sdp、Sd。、Sep和SE。组成第二S相全桥逆变电路6与第二S相负载 相连。
[0024] 若Z源阻抗网络2中第一电感Li和第二电感L2相同，第一电容C1和第二电容C2 相同，则Z源阻抗网络为对称网络，即
[002引Uli=U^=Ul
[0026] Ugi=Ug2=UG(1)
[0027]式中，Uu为第一电感L1端电压，U。为第二电感L2端电压，其大小均为UuUci为第 一电容Cl端电压，UC2为第二电容C2端电压，其大小均为Uc。
[002引整流级电路1采用无零矢量的电流型空间矢量调制策略，实现最大输出直流电压 和输入电流正弦，其直流侧输出电压平均值表达式为
【主权项】
1. 一种基于Z源的双输出双级矩阵变换器，包括双输出双级矩阵变换器和Z源阻抗 网络；所述双输出双级矩阵变换器由整流级电路和逆变级电路组成，其特征在于，Z源阻抗 网络串联在整流级电路的第一输出端和逆变级电路的第一输入端之间；所述Z源阻抗网络 由第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和二极管组成X型，第一电感的一端与第二电 容的一端相连后作为Z源阻抗网络的输入端，所述第一电感的另一端与第一电容的一端相 连，所述第二电容的另一端与第二电感的一端相连，所述第二电感的另一端与第一电容的 另一端相连后作为Z源阻抗网络的输出端，所述第一电感和第一电容的连接点与二极管的 阳极相连，所述二极管的阴极与所述第二电容和第二电感的连接点相连；所述逆变级电路 由十个开关管组成的五个半桥构成。
2. 如权利要求1所述的基于Z源的双输出双级矩阵变换器，其特征在于，所述五个半桥 为第一半桥、第二半桥、第三半桥、第四半桥和第五半桥，其中所述第一半桥、第二半桥和第 三半桥组成第一三相全桥逆变电路与第一三相负载相连，所述第三半桥、第四半桥和第五 半桥组成第二三相全桥逆变电路与第二三相负载相连。
3. 如权利要求1或2所述的基于Z源的双输出双级矩阵变换器，其特征在于，所述整流 级电路是由6个双向开关管组成的三相全桥整流电路。
4. 如权利要求3所述的基于Z源的双输出双级矩阵变换器，其特征在于，所述双向开 关管由两个IGBT和两个功率二极管组成，所述两个IGBT为共发射极式连接，每个IGBT均 并联一个功率二极管，其中功率二极管的阳极与IGBT的发射极相连，二极管的阴极与IGBT 的集电极相连。
【专利摘要】本发明公开了一种基于Z源的双输出双级矩阵变换器，包括双输出双级矩阵变换器和Z源阻抗网络；双输出双级矩阵变换器由整流级电路和逆变级电路组成；Z源阻抗网络串联在整流级电路的第一输出端和逆变级电路的第一输入端之间；Z源阻抗网络包括第一电感、第二电感、第一电容、第二电容和二极管，第一电感的一端与第二电容的一端相连作为Z源阻抗网络的输入端，第一电感的另一端与第一电容的一端相连，第二电容的另一端与第二电感的一端相连，第二电感的另一端与第一电容的另一端相连作为Z源阻抗网络的输出端，第一电感和第一电容的连接点与二极管的阳极相连，二极管的阴极与第二电容和第二电感的连接点相连；逆变级电路由十个开关管组成的五个半桥构成。
【IPC分类】H02M5-458
【公开号】CN104811058
【申请号】CN201510232472
【发明人】邓文浪, 黄朱锦, 唐亚辉, 严煜坤
【申请人】湘潭大学
【公开日】2015年7月29日
【申请日】2015年5月8日