一種新型開關電容型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Z源逆變器的直流升壓因子較小、輸入電流斷續等缺點，提出一種新型的開關電容型Z源逆變器。開關電容型Z源逆變器保留了X型的基本結構，輸入端口的2個電容和2個二極管形成開關電容結構。對開關電容型Z源逆變器的工作原理進行了詳細分析，與傳統Z源逆變器相比，開關電容型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性，提高直流側的電壓利用率。此外，開關電容型Z源逆變器同樣適用于燃料電池和光伏發電等分布式能源中。最后，通過仿真驗證了理論分析的正確性。

Z源逆變器；開關電容；拓撲；直通狀態

電壓源逆變器在分布式能源系統、電動車和交流電動機驅動等領域得到了廣泛應用[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管不能同時導通，否則會造成短路現象，損壞逆變器。因此需在同一橋臂的開關信號之間加入死區時間，但由此會帶來輸出波形的畸變[2]。針對傳統逆變器的上述問題，有學者提出了Z源逆變器的拓撲結構，將傳統DC-DC升壓變換器與橋式逆變器成功結合在一起。但傳統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)結構利用變壓器匝數比實現升壓能力的提高，但漏電感對電路的影響大，設計難度大。文獻[6]提出了一種新型開關電感型Z源逆變器，用開關電感結構替代X型結構中的電感。該拓撲具有較大的直流升壓因子，但存在輸入電流不連續、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Z源逆變器相比，開關電容型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性，且具有抑制啟動沖擊電流的能力。

1 傳統Z源逆變器

圖1 傳統Z源逆變器

在SVPWM的線性調制下，有：

2 開關電容型Z源逆變器

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

圖2 開關電容型Z源逆變器

2.1 工作原理

從主電路的開關狀態與阻抗網絡的關系來看，其工作原理與傳統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。開關電容型Z源逆變器的工作狀態可分為直通狀態和非直通狀態。

2.1.1 直通狀態

同一橋臂的上下開關管同時導通，等效電路如圖3(a)所示。該開關狀態中，D1和D2關斷，1與1并聯，1經1續流；2與2并聯，2經2續流；3與4通過電源充電。

圖3 開關電容型Z源逆變器的兩種工作狀態等效圖

2.1.2 非直通狀態

該狀態對應于主電路的6個有效矢量和2個零矢量狀態，等效電路如圖3(b)所示。該開關狀態中，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下，輸入電源始終接入電路，保證了輸入電流的連續性，減小了逆變器的電磁干擾。

2.2 升壓能力分析

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

當開關電容型Z源逆變器工作在圖3(b)的非直通狀態，電感電流下降，3與4并聯，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Z源逆變器，開關電容型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制系數的關系

3 仿真結果分析

為了驗證上述的理論分析結果，用PSIM軟件搭建模塊，采用SVPWM調制方法[10]，對開關電容型Z源逆變器進行了仿真研究。仿真參數設置如下：X型結構的元件參數：1=2= 1 mH，1=2=800 μF；開關電容結構：3=1 mH，3=4= 800 μF；三相輸出濾波器：f=1 mH，f=22 μF；開關頻率s= 10 kHz；三相阻性負載=10 Ω。

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

4 結論

本文提出了一種新型開關電容型Z源逆變器，并深入分析了該拓撲的穩態工作原理，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性，提高了對直流電壓的利用率。為驗證理論分析，采用SVPWM調制方法對開關電容型Z源逆變器進行仿真，仿真結果表明，開關電容型Z源逆變器具有升壓能力強、輸入電流連續等優點。另外，在相同輸入與輸出的情況下，開關電容型Z源逆變器的調制因子高于傳統拓撲，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，同時適用于光伏發電系統和燃料電池等分布式能源發電中，具有很高的工程實用價值。

圖8 兩拓撲的穩態in放大圖

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《環保節能型H橋及SPWM直流電源式逆變器》

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

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。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、數字信號處理、功率集成電路設計等。