一種新型開關(guān)電容型Z源逆變器

王 思，莊圣賢

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

一種新型開關(guān)電容型Z源逆變器

王 思，莊圣賢

(西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

針對傳統(tǒng)Z源逆變器的直流升壓因子較小、輸入電流斷續(xù)等缺點，提出一種新型的開關(guān)電容型Z源逆變器。開關(guān)電容型Z源逆變器保留了X型的基本結(jié)構(gòu)，輸入端口的2個電容和2個二極管形成開關(guān)電容結(jié)構(gòu)。對開關(guān)電容型Z源逆變器的工作原理進行了詳細分析，與傳統(tǒng)Z源逆變器相比，開關(guān)電容型Z源逆變器大大地提高了電壓的升壓能力，只需要一個很短的直通零矢量時間就能獲得高電壓增益，且啟動時具有抑制沖擊電流的能力。同時可以保證輸入電流的連續(xù)性，提高直流側(cè)的電壓利用率。此外，開關(guān)電容型Z源逆變器同樣適用于燃料電池和光伏發(fā)電等分布式能源中。最后，通過仿真驗證了理論分析的正確性。

Z源逆變器；開關(guān)電容；拓撲；直通狀態(tài)

電壓源逆變器在分布式能源系統(tǒng)、電動車和交流電動機驅(qū)動等領(lǐng)域得到了廣泛應用[1]。電壓源逆變器是一種降壓式逆變器，其交流輸出電壓低于直流母線電壓。在直流電壓較低，交流輸出電壓較高的功率變換場合，需要一個額外的DC-DC升壓變換器，從而增加系統(tǒng)成本，降低變換效率。另一方面，電壓源逆變器同一橋臂的上下開關(guān)管不能同時導通，否則會造成短路現(xiàn)象，損壞逆變器。因此需在同一橋臂的開關(guān)信號之間加入死區(qū)時間，但由此會帶來輸出波形的畸變[2]。針對傳統(tǒng)逆變器的上述問題，有學者提出了Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，將傳統(tǒng)DC-DC升壓變換器與橋式逆變器成功結(jié)合在一起。但傳統(tǒng)Z源逆變器仍存在不足[3-5]，比如升壓因子小、輸入電流斷續(xù)等問題。為此，文獻[3]提出的改進型Z源逆變器具有抑制啟動沖擊電流的能力，但其升壓能力無提高。文獻[5]提出的改進型TZSI(trans-Z-source inverter)結(jié)構(gòu)利用變壓器匝數(shù)比實現(xiàn)升壓能力的提高，但漏電感對電路的影響大，設(shè)計難度大。文獻[6]提出了一種新型開關(guān)電感型Z源逆變器，用開關(guān)電感結(jié)構(gòu)替代X型結(jié)構(gòu)中的電感。該拓撲具有較大的直流升壓因子，但存在輸入電流不連續(xù)、電容電壓應力較大等問題。

針對Z源逆變器的上述缺點，本文提出一種新型開關(guān)電容型Z源逆變器。該逆變器只在輸入端口增加2個電容、1個電感和1個二極管。與傳統(tǒng)Z源逆變器相比，開關(guān)電容型Z源逆變器在獲得較大升壓因子的同時，可以保證輸入電流的連續(xù)性，且具有抑制啟動沖擊電流的能力。

1 傳統(tǒng)Z源逆變器

圖1 傳統(tǒng)Z源逆變器

在SVPWM的線性調(diào)制下，有：

2 開關(guān)電容型Z源逆變器

近年來，在新型DC-DC變換器中，采用開關(guān)電容、開關(guān)電感、混合開關(guān)電容/開關(guān)電感等技術(shù)提高變換器的升壓能力[9]。本文結(jié)合Z源逆變器和新型DC-DC變換器的優(yōu)勢，提出一種新型開關(guān)電容型Z源逆變器，如圖2所示。在傳統(tǒng)Z源逆變器的基礎(chǔ)上，于輸入端增加2個電容(3、4)、1個電感(3)和1個二極管(2)，形成開關(guān)電容結(jié)構(gòu)，并保留了Z源逆變器的X型結(jié)構(gòu)。

圖2 開關(guān)電容型Z源逆變器

2.1 工作原理

從主電路的開關(guān)狀態(tài)與阻抗網(wǎng)絡的關(guān)系來看，其工作原理與傳統(tǒng)Z源逆變器相似。如圖2所示，啟動時，由于3的存在，使得輸入電流不能突變，具有抑制沖擊電流的能力。開關(guān)電容型Z源逆變器的工作狀態(tài)可分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)。

2.1.1 直通狀態(tài)

同一橋臂的上下開關(guān)管同時導通，等效電路如圖3(a)所示。該開關(guān)狀態(tài)中，D1和D2關(guān)斷，1與1并聯(lián)，1經(jīng)1續(xù)流；2與2并聯(lián)，2經(jīng)2續(xù)流；3與4通過電源充電。

圖3 開關(guān)電容型Z源逆變器的兩種工作狀態(tài)等效圖

2.1.2 非直通狀態(tài)

該狀態(tài)對應于主電路的6個有效矢量和2個零矢量狀態(tài)，等效電路如圖3(b)所示。該開關(guān)狀態(tài)中，D1和D2導通，3與4通過兩回路(3-1-2、4-1-2)給1、2充電；1與2向主電路傳輸能量。

由圖3知，直通與非直通兩種工作狀態(tài)下，輸入電源始終接入電路，保證了輸入電流的連續(xù)性，減小了逆變器的電磁干擾。

2.2 升壓能力分析

當開關(guān)電容型Z源逆變器工作在圖3(a)的直通狀態(tài)，電感電流升高，1與1并聯(lián)，2與2并聯(lián)，再與3、4、3、in串聯(lián)，利用KVL可得：

當開關(guān)電容型Z源逆變器工作在圖3(b)的非直通狀態(tài)，電感電流下降，3與4并聯(lián)，利用KVL可得：

由式(9)可得：

由式(10)、(11)可得：

由式(4)、(7)、(12)、(13)可得：

由式(1)、(14)可知，相比傳統(tǒng)Z源逆變器，開關(guān)電容型Z源逆變器的升壓因子得到進一步提高。當∈(0，1/3)時，>1，電路實現(xiàn)升壓功能。當=0時，=1，電路無升壓功能。

圖4 兩種拓撲的升壓能力比較

2.3 增益能力分析

由式(2)、(14)、(15)可得增益因子的最大值：

圖5 兩種拓撲的最大升壓增益與調(diào)制系數(shù)的關(guān)系

3 仿真結(jié)果分析

為了驗證上述的理論分析結(jié)果，用PSIM軟件搭建模塊，采用SVPWM調(diào)制方法[10]，對開關(guān)電容型Z源逆變器進行了仿真研究。仿真參數(shù)設(shè)置如下：X型結(jié)構(gòu)的元件參數(shù)：1=2= 1 mH，1=2=800 μF；開關(guān)電容結(jié)構(gòu)：3=1 mH，3=4= 800 μF；三相輸出濾波器：f=1 mH，f=22 μF；開關(guān)頻率s= 10 kHz；三相阻性負載=10 Ω。

圖6 in=100 V、=0.25、=0.8時，開關(guān)電容型Z源逆變器的仿真波形

4 結(jié)論

本文提出了一種新型開關(guān)電容型Z源逆變器，并深入分析了該拓撲的穩(wěn)態(tài)工作原理，在得到較大升壓因子的同時，具有抑制啟動沖擊電流的能力，保證了輸入電流的連續(xù)性，提高了對直流電壓的利用率。為驗證理論分析，采用SVPWM調(diào)制方法對開關(guān)電容型Z源逆變器進行仿真，仿真結(jié)果表明，開關(guān)電容型Z源逆變器具有升壓能力強、輸入電流連續(xù)等優(yōu)點。另外，在相同輸入與輸出的情況下，開關(guān)電容型Z源逆變器的調(diào)制因子高于傳統(tǒng)拓撲，能以較低的DC獲得較高的交流輸出電壓，減小了功率器件的電壓應力。因此，開關(guān)電容型Z源逆變器能夠應用到DC-AC、AC-AC、DC-DC、AC-DC等變換器中，同時適用于光伏發(fā)電系統(tǒng)和燃料電池等分布式能源發(fā)電中，具有很高的工程實用價值。

圖8 兩拓撲的穩(wěn)態(tài)in放大圖

[1]李紅新，周林，郭珂，等.Z源逆變器最新進展及應用研究[J].電源技術(shù)，2013，37(3)：504-508.

[2]章建峰.逆變器死區(qū)時間對輸出電壓的影響分析[J].電力電子技術(shù)，2007，41(8)：31-33.

[3]湯雨，謝少軍，張超華.改進型Z源逆變器[J].中國電機工程學報，2009，29(30)：28-34.

[4]侯世英，肖旭，張闖，等.改進型Z源逆變器[J].電力自動化設(shè)備，2011，31(8)：24-28.

[5]NGUYEN M K,LIM Y C,PARK S J.Improved trans-Z-source inverter with continuous input current and boost inversion capability [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2013,28(10):4500-4510.

[6]MIAO Z,KUN Y,FANG L L.Switched inductor Z-source inverter [J].IEEE Transactions on Power Electronics,2010,25(8):2150-2158.

[7]張靜.Z源逆變器控制及應用研究[D].濟南：山東大學，2010：6-8，23-25.

[8]田亞菲，何繼愛，黃智武.電壓空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法仿真實現(xiàn)及分析[J].電力系統(tǒng)及其自動化學報，2004,16(4): 68-71.

[9]AXELROD B,BERKOVICH Y,IOINOVICI A.Switched-capacitor/ switched-inductor structures for getting transformerless hybrid DCDC PWM converters[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems, 2008,55(2):687-696.

[10]黨存祿，劉虎，董瑞洪，等.Z源逆變器的改進型精確調(diào)制策略研究[J].電力電子技術(shù)，2013，47(4)：79-81.

《環(huán)保節(jié)能型H橋及SPWM直流電源式逆變器》

本書的主要內(nèi)容有兩部分：一是介紹了采用不同開關(guān)器件，不同直流電源電壓的環(huán)保節(jié)能式2H橋、3H橋的各種級聯(lián)疊加方式，以及最多電平數(shù)的級聯(lián)疊加方式；二是介紹了我們最新針對環(huán)保節(jié)能而研發(fā)的，可以節(jié)省大量開關(guān)器件，消諧波能力強、性能優(yōu)越的獨立SPWM直流電源級聯(lián)疊加方式、電容分壓SPWM直流級聯(lián)疊加方式，以及它們的N×N雙級聯(lián)疊加方式。本書的特點是內(nèi)容新，技術(shù)新，加入了數(shù)學分析。

New type switched-capacitor Z-source inverter

Aiming at the low DC boost capacity,discontinuity of the input current in the conventional Z-source inverter, a novel Z-source inverter topology based on switched capacitor was presented. The basic structure of X was retained by switched-capacitor Z-source inverter, also two capacitors and two diodes in the input form the switched-capacitor structure were retained.A detailed topology analysis of the switched-capacitor Z-source inverter was given.Compared with the conventional Z-source inverter,the voltage boost inversion ability significantly was increased.Only a very short shoot-through zero state was required to obtain high voltage conversion ratios.And it could suppress inrush current at startup.At the same time,the continuity of the input current could be guaranteed by the switched-capacitor Z-source inverter,and the utilization of the input voltage could be improved.In addition, switched-capacitor Z-source inverter was also applicable to distributed energy sources such as fuel cells and photovoltaic applications.At last,the analytical results were verified.

Z-source inverter;switched capacitor;topology;shoot-through state

TM 464

A

1002-087 X(2015)10-2228-04

2015-03-17

王思(1989—)，女，四川省人，碩士生，主要研究方向為Z源逆變器拓撲及控制技術(shù)。導師：莊圣賢(1964—)，男，湖北省人，教授，博士生導師，主要研究方向為電力電子與電力傳動、數(shù)字信號處理、功率集成電路設(shè)計等。