Z源逆變器的分析研究

隨著電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展Z源逆變器應(yīng)用到了許多場(chǎng)合，如農(nóng)業(yè)，工業(yè)，航空航天。從一般的家用電器微波爐，電磁爐，廚房?jī)?nèi)的感應(yīng)炊具；從我們平時(shí)用的筆記本電腦電源到現(xiàn)在的工業(yè)用的燃料電池和油電混合動(dòng)力汽車和純電動(dòng)汽車電源等等到處都是Z源逆變器的身影。Z源逆變器是不同于傳統(tǒng)意義上的電壓源逆變器、電流源逆變器。Z源逆變器兼有電壓源逆變器和電流源逆變器優(yōu)點(diǎn)于一身。所以Z源逆變器的研究具有重要的意思。

1.傳統(tǒng)逆變器及其優(yōu)缺點(diǎn)

傳統(tǒng)逆變器包括電流源逆變器和電壓源逆變器。電壓源逆變器是輸入直流電壓輸出交流電壓，可以使用在不同的場(chǎng)合，輸出電壓的幅值可以是變化的也可以是恒定的。但是電壓源逆變器的輸入端必須是一個(gè)恒定的電壓源。或者是在直流側(cè)接入一個(gè)大的電容器。也可以是由電網(wǎng)經(jīng)過整流，或者是蓄電池，太陽能電池組等等。逆變器的輸出端可以是正弦波，方波，階梯波等。

電壓源逆變器的重要特點(diǎn)也是它的優(yōu)點(diǎn)就是輸出波形不受負(fù)載的影響。電壓源逆變器主要應(yīng)用于交流不停電電源、光伏電池組或者是蓄電池燃料電池構(gòu)成的交流電源，靜態(tài)無功補(bǔ)償器。

電壓源逆變器雖然得到了廣泛的應(yīng)用，但是它存在理論上和和實(shí)際中存在缺陷和不足；應(yīng)用在許多地方會(huì)造成裝置造價(jià)高、效率低。

如圖1所示是傳統(tǒng)的電壓源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。可以把直流電壓變換成交流電壓。途中有6個(gè)開關(guān)，每個(gè)開關(guān)反并聯(lián)一個(gè)二極管，作為續(xù)流用。這樣可以實(shí)現(xiàn)雙向電流和單向阻斷。但是電壓源逆變器會(huì)存在下列不足和缺點(diǎn)：

（1）交流側(cè)負(fù)載只能是電感性的，只有這樣才能使電壓源逆變器正常工作。

（2）交流側(cè)的電壓不可能高于直流側(cè)母線的電壓。這是一個(gè)很致命的缺點(diǎn)。如果在某些場(chǎng)合下，交流側(cè)需要較高的電壓輸出，那么就必須配合升壓變壓器了。這樣就會(huì)增加成本，降低效率，占用過多的空間，導(dǎo)致使用起來比較笨重。

（3）每個(gè)橋臂不允許上下一塊導(dǎo)通，要不然會(huì)造成短路導(dǎo)致器件損壞，而且電磁干擾也可以造成誤導(dǎo)通，造成短路，影響電路的穩(wěn)定性，可靠性。

圖1 傳統(tǒng)的電壓源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電流型逆變器如圖2所示，其輸入側(cè)需要一個(gè)恒定的電流才能保證其正常工作。這種情況和電壓源恰好相反。電流源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要器件是晶閘管和串聯(lián)一個(gè)正向的二極管。能看出來電流源逆變器和電壓源逆變器在好多方面都是對(duì)偶。

同樣電流型逆變器也存在先天的理論不足主要如下：

（1）交流側(cè)必須是電容性，只有這樣才能保證其正常的工作狀態(tài)。

（2）交流側(cè)的輸出電壓只能高于直流側(cè)的電壓，同樣是這一點(diǎn)要是在某些場(chǎng)合需要低電壓，那么就需要配一個(gè)降壓變壓器了。這樣既增加了成本又不能兼顧效率。

（3）無論何時(shí)電流型逆變器一個(gè)橋臂上的兩個(gè)器件必須同時(shí)導(dǎo)通，這樣才能保證電流源逆變器的正常工作。要不然就會(huì)發(fā)生開路，造成不必要的后果。

綜上所述，電壓源型逆變器和電流源型逆變器存在共同的不足：

（1）都只是升壓或者是降壓。

（2）輸出的電壓要不是低于輸入側(cè)要不就是高于輸入側(cè)，不能進(jìn)行調(diào)節(jié)。

（3）都存在電磁干擾容易造成器件損壞造成電路癱瘓。

（4）兩種逆變器的電路不能夠相互替換。

圖2 電流型逆變器

2.Z源逆變器的產(chǎn)生

考慮到上述情況，Z源逆變器應(yīng)運(yùn)而生。Z源逆變器最早是在2002年提出的。他是一種新型的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。克服了以前電壓源逆變器和電流源逆變器的不足。

Z源逆變器引入了Z源網(wǎng)絡(luò)，把逆變器主電路和電源或者是負(fù)載耦合。如圖3所示。

圖3 Z源逆變器

Z源逆變器的直流側(cè)可以是電壓源也可以是電流源，Z源網(wǎng)絡(luò)包含兩個(gè)電容器和兩個(gè)電感。這種結(jié)構(gòu)決定了它可以瞬時(shí)開路和瞬時(shí)短路。其負(fù)載側(cè)既可以是電容性的和可以是電感性的。

3.Z 逆變器的工作原理分析

為了說明Z源逆變器的工作原理，首先讓我們簡(jiǎn)單的介紹一下Z源逆變器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。三相的Z源逆變器一共有9個(gè)可以允許的工作狀態(tài)，而普通的也就是傳統(tǒng)的三相電壓型逆變器只有8個(gè)可以允許的工作狀態(tài)。如果直流電壓加到負(fù)載上時(shí)，傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器會(huì)有六個(gè)非零的電壓狀態(tài)，當(dāng)負(fù)載端分別被上面的或者是上面的三個(gè)器件短路的時(shí)候，傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器有兩個(gè)零電壓狀態(tài)。而三相Z源逆變器還有另外一個(gè)零電壓狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載端被上下兩個(gè)器件短路時(shí)，傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器的這個(gè)狀態(tài)是不被允許的，這個(gè)狀態(tài)下傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器的元件會(huì)受到損壞。但是Z源逆變器是允許有這個(gè)狀態(tài)的。正是因?yàn)檫@個(gè)原因Z源逆變器可以實(shí)現(xiàn)升壓或者是降壓。

利用戴維南定理，從直流端看進(jìn)去Z源逆變器的等效電路，當(dāng)Z源逆變器的逆變橋處在直通狀態(tài)下相當(dāng)于短路，等效電路圖如圖4所示，當(dāng)處于其他狀態(tài)時(shí)Z源逆變器的逆變橋可以看成是一個(gè)電流源，如圖5所示。

圖4

圖5

假設(shè)Z源逆變器的兩個(gè)電感L1和L2電感量相等的，兩個(gè)電容C1和C2的電容量是相等的。那么Z源逆變器就是對(duì)稱的。兩個(gè)電容兩端的電壓相等假設(shè)等于VC。兩個(gè)電容兩端的電壓也相等假設(shè)等于VL。

在一個(gè)開關(guān)周期T中，假設(shè)有T0時(shí)間是出于直通狀態(tài)的。也就是圖4等效電路圖所示。可知VC和VL是相等的。Vd等于Vc兩倍的。在這個(gè)狀態(tài)下V1等于零。

在一個(gè)開關(guān)周期T中，假設(shè)有T1時(shí)間是出于非直通狀態(tài)的。也就是圖5等效電路圖所示。可知VL是V0和VC的差。Vd和V0是相等的。Vi是VC和VL的差。V0是直流電壓源的電壓。

在一個(gè)開關(guān)周期T中，在穩(wěn)態(tài)下電感兩端的電壓的平均值是0。綜上所述，可以得出：

加載逆變橋上的直流電壓的平均為：

加載逆變橋上的直流電壓的峰值為：

B是直通零電壓下的升壓因子。

Z源逆變器的輸出端的相電壓的峰值為：

M是逆變器的調(diào)制因子。

綜上；這個(gè)公式說明通過調(diào)節(jié)直通狀態(tài)下的就能選擇合適的升降壓因子，輸出的電壓就可以升高降低。是有M和B共同決定的。

4.結(jié)論

由以上分析可以得出：Z源逆變器可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)輸出電壓的高低，而且可以使逆變器承受瞬間短路。而這種特性是傳統(tǒng)電壓源型逆變器和電流源型是不可能做到的。

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