一種新型的高升壓增益準Z源逆變器

薛陽，李華郁，闞東躍，楊駿濤（上海電力學院自動化工程學院，上海 200090）

一種新型的高升壓增益準Z源逆變器

薛陽，李華郁，闞東躍，楊駿濤
（上海電力學院自動化工程學院，上海 200090）

提出了一種新型的高升壓增益準Z源逆變器（HBG-qZSI）拓撲結(jié)構(gòu)，該拓撲將抽頭電感與改進型開關(guān)電感結(jié)合，相比于匝比系數(shù)為1的抽頭電感Z源逆變器，匝比系數(shù)為2的高升壓增益準Z源逆變器大大提高了升壓能力，并降低了器件的電壓應(yīng)力。將HBG-qZSI與其他4種典型的Z源拓撲在升壓能力和器件電壓應(yīng)力方面作了比較。并通過仿真驗證了理論的有效性。

Z源逆變器；升壓能力；電壓應(yīng)力；抽頭電感；開關(guān)電感

Z源逆變器（ZSI）［1］將DC-DC變換電路與DC-AC變換電路耦合在一起，克服了傳統(tǒng)逆變器的局限性。然而，Z源逆變器同樣存在不足，如Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)電容電壓應(yīng)力較高，Z源逆變器輸入電流不連續(xù)，升壓能力有限等等。文獻［2］提出了準Z源逆變器（quasi-Z-source inverter，qZSI），克服了上述部分問題，但其升壓能力并沒有提升。文獻［3-7］提出的改進Z源拓撲提高了升壓能力，如前級升壓型、二極管輔助延展型、電容輔助延展型、開關(guān)電感型等等。文獻［8］提出一種改進型開關(guān)電感型準Z源逆變器，將開關(guān)電感拓撲中的二極管替換成自舉電容，從而得到更高的升壓能力，下文將其簡稱為ISL-qZSI。文獻［9］提出的基于變壓器的準Z源逆變器和文獻［10］提出的抽頭電感Z源逆變器都是通過調(diào)節(jié)匝比提高升壓能力，其升壓能力隨匝數(shù)比的增加而顯著提高，但電路中存在漏感會帶來不利的影響。

本文在文獻［8］的基礎(chǔ)上，將ISL-qZSI與Trans-qZSI結(jié)合，提出一種高升壓增益準Z源逆變器（high boosting gain quasi-Z-source inverter，HBG-qZSI）。高升壓增益準Z源逆變器的升壓能力與上述提到的一些改進的Z源逆變器相比，又得到進一步的提高，且器件具有較低的電壓應(yīng)力。

1　高升壓增益準Z源逆變器

圖1a～圖1d分別為準Z源逆變器（qZSI）、改進開關(guān)電感型準Z源逆變器（ISL-qZSI）、基于變壓器的準Z源逆變器（Trans-qZSI）和抽頭電感Z源逆變器（TL-ZSI）的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖1　4種Z源逆變器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1　Four kinds of Z-source inverter topology

4種拓撲的升壓能力比較如表1所示。B為升壓因子，d為直通占空比，N=N2/N1為抽頭電感的匝比。從圖1以及表1中可以看出，改進型的開關(guān)電感以及抽頭電感均能夠極大地提高升壓能力。因此，本文將抽頭電感引入ISL-qZSI中，提出一種高升壓增益準Z源逆變器（HBG-qZSI），進一步提高升壓能力。

表1　4種拓撲升壓能力Tab.1　The boost capacity of four kinds of topological

圖2為本文提出的高升壓增益準Z源逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)，將ISL-qZSI中的1個電感替換成抽頭電感，利用匝比進一步提高升壓能力。假設(shè)HBG-qZSI的阻抗網(wǎng)絡(luò)中電容足夠大且開關(guān)頻率足夠高。在1個開關(guān)周期T內(nèi)，工作狀態(tài)可分為直通狀態(tài)和非直通狀態(tài)。為了方便分析，設(shè)C1= C2=C3=C，L2=L3=L。

圖2　高升壓增益準Z源逆變器Fig.2　HBG-qZSI

圖3為高升壓增益準Z源逆變器在各個工作狀態(tài)下的等效電路，其中將抽頭電感繞組用1個理想變壓器與1個勵磁電感Lm等效。

圖3　高升壓增益準Z源逆變器在各個工作狀態(tài)下等效電路Fig.3　The equivalent circuit of HBG-qZSI in different working conditions

直通狀態(tài)下的等效電路如圖3a所示。由圖3a，逆變橋短路即直流母線電壓Vi為0。二極管D1斷開，D2，D3導通。則在直通狀態(tài)下，可得：

非直通狀態(tài)下的等效電路如圖3b所示。由圖3b，逆變橋直流側(cè)等效為1個電流源。二極管D1導通，D2，D3斷開。則在非直通狀態(tài)下，可得：式中：Vin為直流輸入電壓；VL11，VL12分別為抽頭電感N1，N2繞組電壓；VC1，VC2，VC3分別為電容C1，C2，C3的電壓；VL12，VL13分別為電感L2，L3的電壓。

由式（3）和式（4），非直通狀態(tài)下抽頭電感N1繞組兩端電壓為

在非直通狀態(tài)下，由L2=L3，得VL12=VL13。聯(lián)立式（4）、式（5）及式（7），非直通狀態(tài)下電感L2兩端電壓為

由直通狀態(tài)下電容C1與C3兩端電壓相等，可以得出在非直通狀態(tài)下

將式（9）代入式（8），非直通狀態(tài)下電感L2兩端電壓整理為

根據(jù)伏秒平衡，1個開關(guān)周期T內(nèi)，抽頭電感繞組N1以及電感L2兩端平均電壓應(yīng)為0，得

由式（11）解得：

聯(lián)立式（6）、式（8）、式（12）和式（13），得母線電壓峰值V^i為

式中：B為升壓比，即：

其中，d＜1/（2N+3），將匝比N前的系數(shù)稱為匝比系數(shù)，此處匝比系數(shù)為2。

逆變器的輸出相電壓峰值應(yīng)為

式中：M為調(diào)制因子。

采用簡單升壓控制，則直通占空比d=1-M，可得電壓增益G為

2　特性分析

2.1升壓能力

根據(jù)式（16）可以得到不同匝比下的高升壓增益準Z源逆變器的升壓比曲線，如圖4a所示。當N=0時，HBG-qZSI與ISL-qZSI的升壓比相同。當N=1且d=0.16時，HBG-qZSI的升壓比已達到10。隨著N的增大，可利用更小的占空比得到更大的升壓比，而占空比越小則可用的調(diào)制比越大，從而提高逆變器輸出相電壓與波形質(zhì)量。圖4b為HBG-qZSI與TL-ZSI升壓因子的比較。TL-ZSI的升壓能力隨匝比增加會得到極大的提高，升壓能力較強，但從圖4b中可以看出，N為2 的HBG-qZSI可用更小的占空比得到與N為4的TL-ZSI相同的升壓比。因此，相比于匝比系數(shù)為1的TL-ZSI，匝比系數(shù)為2的HBG-qZSI顯著提高了隨匝比增加而提高升壓比的能力。

圖4　HBG-q ZSI的升壓能力Fig.4　The boost ability of HBG-qZSI

2.2電壓應(yīng)力

逆變橋開關(guān)的電壓應(yīng)力Vs可以通過比較直流母線峰值電壓與等效直流電壓確定。等效直流電壓為傳統(tǒng)電壓型逆變器能夠產(chǎn)生相同輸出相電壓的最小直流電壓GVin。則逆變橋開關(guān)電壓應(yīng)力Vs與等效直流電壓GVin的比值為

表2為輸入輸出電壓均相同時，5種Z源拓撲的器件電壓應(yīng)力比較。其中MTL為TL-ZSI的調(diào)制因子。根據(jù)表2可以得到輸入輸出電壓均相同時，5種Z源拓撲的器件電壓應(yīng)力比較曲線（由于Trans-qZSI中不含電容C2，因此以下對電容C2電壓應(yīng)力比較中無該拓撲的電容電壓應(yīng)力），如圖5所示。圖5a為5種Z源拓撲的母線電壓應(yīng)力比較曲線，圖中a，b，c，d和e曲線分別代表HBG-qZSI （N=2），qZSI，ISL-qZSI，Trans-qZSI（N=2）和TL-ZSI（N=2）。從圖5a中可以看出HBG-qZSI （N=2）的母線電壓應(yīng)力均小于qZSI，Trans-qZSI （N=2）和TL-ZSI（N=2）的母線電壓應(yīng)力，而相比于ISL-qZSI，在電壓增益G大于1.78時，HBG-qZSI（N=2）的母線電壓應(yīng)力小于ISL-qZSI的母線電壓應(yīng)力。因此HBG-qZSI降低了母線電壓應(yīng)力，且在電壓增益G比較大時，N越大，母線電壓應(yīng)力越小。圖5b為不同Z源拓撲電容C1電壓應(yīng)力比較曲線，HBG-qZSI的電容C1電壓應(yīng)力小于qZSI，TL-ZSI（N=2）的電容C1電壓應(yīng)力，且與ISL-qZSI的相等，而相比于Trans-qZSI，在電壓增益G大于1時，HBG-qZSI的電容C1電壓應(yīng)力比Trans-qZSI的小。圖5c為4種Z源拓撲電容C2電壓應(yīng)力比較曲線，HBG-qZSI的電容C2電壓應(yīng)力等于qZSI，ISL-qZSI的電容C2電壓應(yīng)力，但在電壓增益G大于3.8時，小于TL-ZSI（N=2）的電容C2電壓應(yīng)力。由此，HBG-qZSI繼承了ISL-qZSI電容應(yīng)力的能力，且具有較低的電容電壓應(yīng)力。

表2　5種Z源拓撲器件電壓應(yīng)力比較Tab.2　Comparison in the voltage stress of the devices among five kinds of Z-source topology

圖5　5種Z源拓撲的器件電壓應(yīng)力比較Fig.5　Comparison in the voltage stress of the devices among five kinds of Z-source topology

3　仿真結(jié)果分析

為了驗證上述理論分析的正確性，對HBG-qZSI進行了仿真研究。

主要電路參數(shù)為：抽頭電感N1繞組L11=80 μH，N2繞組L12視匝比N而定，電容C1=C2=C3= 1 000μF，電感L2=L3=1 mH，輸出濾波電感Lf= 1mH，輸出濾波電容Cf=33μF，負載電阻R=10?，開關(guān)頻率fs=10 kHz。采用簡單升壓控制，仿真如下。

圖6　HBG-q ZSI仿真結(jié)果Fig.6　The simulation results of HBG-qZSI

圖7是在輸入電壓為38 V、輸出相電壓峰值為110 V的情況下（電壓增益G=5.789 5），HBG-qZSI與另外4種拓撲結(jié)構(gòu)的器件電壓應(yīng)力的仿真結(jié)果。以上5種拓撲的母線電壓應(yīng)力、電容C1和C2電壓應(yīng)力按照圖5a中a，b，c，d和e的順序依次由Vi1，Vi2，Vi3，Vi4，Vi5；VC11，VC12，VC13，VC14，VC15和VC21，VC22，VC23，VC25表示（Trans-qZSI不含電容C2，因此無VC24，電容C2電壓應(yīng)力比較中只含有4種拓撲）。5種拓撲母線電壓應(yīng)力比較如圖7a所示，其中Vi1=247 V，Vi2=409 V，Vi3=284 V，Vi4=310 V，Vi5=261 V。5種拓撲的電容C1兩端電壓應(yīng)力比較如圖7b所示，其中VC11=112 V，VC12=222V，VC13=111V，VC14=172 V，VC15=150V，VC11約等于VC13。4種拓撲的電容C2兩端電壓應(yīng)力比較如圖7c所示，其中VC21=185 V，VC22=174 V，VC23=176 V，VC25=150 V。由于不同拓撲結(jié)構(gòu)的直通占空比d的值是近似值，每種拓撲的仿真結(jié)果均存在一定誤差，但誤差并不大。

圖7　5種Z源拓撲器件電壓應(yīng)力仿真比較Fig.7　The simulation results of comparison in the voltage stress of the devices among five kinds of Z-source topology

由上述分析，驗證了仿真結(jié)果與理論分析基本一致。在電壓增益較大時，HBG-qZSI在5種拓撲中的母線電壓以及電容C1兩端電壓應(yīng)力最小，電容C2兩端電壓應(yīng)力與qZSI，ISL-qZSI基本相同。

4　結(jié)論

本文結(jié)合了Trans-qZSI及ISL-qZSI的特點，提出了一種高升壓增益準Z源逆變器（HBG-qZSI）。HBG-qZSI的優(yōu)點在于：1）大大提高了升壓能力。不同于Trans-qZSI，TL-qZSI這類匝比系數(shù)為1的Z源拓撲，HBG-qZSI的匝比系數(shù)為2，因此，HBG-qZSI可以利用較小的匝比和較小的占空比得到較大的升壓能力；2）擁有較低的器件電壓應(yīng)力。HBG-qZSI的母線電壓應(yīng)力以及電容C1的電壓應(yīng)力相比于其他Z源拓撲是最低的。電容C2的電壓應(yīng)力與其他幾種Z源拓撲相同，僅比TL-ZSI高。

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New Type of High Boosting Gain Quasi-Z-source Inverter

XUE Yang，LI Huayu，KAN Dongyue，YANG Juntao
（College of Automation Engineering，Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China）

A new type of high boosting gain quasi-Z-source inverter（HBG-qZSI）was proposed.The tapped inductor was combined with improved switched inductor.Comparing with tapped-inductor Z-source inverter（TI-ZSI）whose turns ratio coefficient was one，HBG-qZSI whose turns ratio coefficient was two improved greatly boosting capacity and reduces the device voltage stress.A comparision in the boosting capacity and the device voltage stress was made among HBG-qZSIand the other four typical Z sources.The results of simulation verify the validity of the theory.

Z-source inverter（ZSI）；boosting capability；voltage stress；tapped inductor；switched inductor

TM464

A

2015-07-12

修改稿日期：2015-09-19

上海市自然科學基金資助項目（13ZR1417800）；國家自然科學基金資助項目（51405286）；上海市重點科技攻關(guān)計劃項目（14110500700）；上海市電站自動化技術(shù)重點實驗室（13DZ2273800）

薛陽（1976-），男，博士后，副教授，Email：xueyang@shiep.edu.cn