[发明专利]基于Z源的双输出双级矩阵变换器

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换器，具体涉及一种基于Z源的双输出双级矩阵变换器。

背景技术

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心环节，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。

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、钳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。但是以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。

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

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。

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。

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。

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。

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。

本发明的五个半桥组成两个三相全桥逆变电路分别向一个三相负载供电，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。

本发明的有益效果：

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

图1是本发明的整体结构框图；

图2是本发明第一三相全桥逆变电路处于矢量调制状态的等效电路示意图；

图3是本发明第二三相全桥逆变电路处于矢量调制状态的等效电路示意图；

图4是本发明直通状态下的等效电路示意图；

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

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。

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。