一種新型高增益準Z源逆變器

蔡智林　侯濤

摘 要： 針對傳統Z源逆變器升壓能力不足，電容電壓應力較高，輸入電流斷續，高電壓增益時直流鏈電壓利用率較低等問題，提出一種新型高增益準Z源逆變器拓撲。該拓撲結構通過在傳統Z源網絡中串入升壓單元，并引入2個電容和2個電感，提高了升壓能力和直流鏈電壓利用率，并拓寬了調制比范圍。在相同電壓增益條件下，相比傳統Z源逆變器，有效降低了電容電壓應力；直通占空比更小，可降低系統直通狀態時的導通損耗，實現了輸入電流連續。升壓單元級聯越多，升壓能力越強，調制比范圍越寬，電壓利用率越高，電容電壓應力越低。在Matlab中進行了大量仿真研究，結果證明所提新型拓撲的正確性與有效性。

關鍵詞： 高增益Z源逆變器； 電容電壓； 升壓單元； 級聯單元

中圖分類號： TN61?34； TM464 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）24?0149?05

A new high?gain quasi Z?source inverter

CAI Zhilin， HOU Tao

（School of Automation and Electrical Engineering， Lanzhou Jiaotong University， Lanzhou 730070， China）

Abstract： Since the traditional Z?source inverter has the problems of insufficient voltage boost ability， high capacitor voltage stress， discontinuous input current， and low DC link voltage utilization ratio under the condition of the high?voltage gain， a new high?gain quasi Z?source inverter topology is proposed. The boost unit is cascaded in the Z?source network， and two capacitors and two inductances are introduced in the topology structure. This topology can improve the boost ability and DC link voltage utilization ratio， and widen the modulation ratio. In comparison with the traditional Z?source inverter， this inverter can reduce the capacitor voltage stress effectively under the condition of the same voltage gain. The smaller shoot?through duty ratio can reduce the breakover loss of the shoot?through state， and realize the continuity of input current. The more the boost voltage cascade units are imported， the better the boost capability becomes； the wider the modulation ratio is， the higher the voltage utilization ratio becomes， and the lower the capacitor voltage stress becomes. A lot of simulation studies are carried out in Matlab， and the results prove that the new topology is correct and valid.

Keywords： high?gain Z?source inverter； capacitor voltage； boost unit； cascade unit

0 引 言

Z源逆變器以其獨特的阻抗源網絡，有效實現了升降壓變換，彌補了傳統電壓源與電流源逆變器輸出交流電壓只能小于輸入直流電壓的不足[1?2]。將其應用在光伏發電，風力發電等新能源領域，可省去直流升壓電路，效率更高，得到了廣泛研究[3?5]。但傳統Z源逆變器升壓能力不足，電容電壓應力較高，由于直通占空比與調制比的制約關系，在需要較高的電壓增益時，不得不減小調制比以獲得較大的直通占空比，這同時造成了直流鏈電壓利用率降低[6?7]。因此，改進Z源網絡，以提高升壓能力，降低電容電壓應力，提高直流鏈電壓利用率是Z源逆變器的主要研究方向[7?9]。

Z源逆變器自被提出以來，為彌補傳統Z源逆變器的不足，出現了一些改進拓撲。文獻[10]首次提出準Z源逆變器，實現了輸入電流連續，降低了Z源網絡其中一個電容的電壓應力，但升壓能力未得到提升。文獻[11]提出一種基于開關電感的準Z源逆變器，用開關電感單元代替Z源網絡中的一個電感，提高了升壓能力。文獻[12]對開關電感單元進行改進，將其中一個二極管用一個自舉電容代替，升壓能力進一步提高，但逆變器啟動過程中，自舉電容迅速充電，開關電感單元中的二極管啟動沖擊電流非常大，極易損壞，而且升壓能力仍不夠理想。文獻[13]提出一種Trans?Z?source逆變器Z源逆變器，在Z源網絡中引入變壓器，有較好的調壓性能，但增加了系統的體積和復雜性，且造價較高。針對以上問題，本文提出一種基于升壓單元的新型高增益準Z源逆變器拓撲。首先，傳統Z源網絡中正負直流母線端的電感用一升壓單元代替，其次，對傳統Z源網絡進一步改進，引入一對電容和一對電感。新型拓撲有效提高了升壓能力，拓寬了調制比范圍，電壓利用率提高，輸入電流連續，在相同的電壓增益時，電容的電壓應力更低，直通占空比更小，直通狀態的導通損耗降低。仿真結果證明了該新型高增益準Z源逆變器的正確性。

1 傳統Z源逆變器

圖1為傳統Z源逆變器的電路拓撲[14]。前級Z源網絡由二極管、對稱相等的電感L1和L2、電容C1和C2構成，前級Z源網絡與后級逆變橋共同構成傳統Z源逆變器。

根據傳統Z源逆變器的工作原理，為實現升降壓變換，有兩種工作狀態：直通狀態與非直通狀態。直通狀態時，二極管D關斷，電感充電，電容放電；非直通狀態時，二極管D導通，電感放電，電容充電。直通狀態與非直通狀態交替工作，電路穩態時，由伏秒特性原則，一個開關周期電感的平均電壓為零，可得Z源網絡的直流鏈電壓Ui為：

2 新型高增益準Z源逆變器

2.1 電路拓撲

為了實現高電壓增益，高電壓利用率和低電容電壓應力，將傳統Z源逆變器中正負直流母線端的電感用一升壓單元代替；為了進一步提高其調壓性能和實現輸入電流連續，在傳統Z源網絡中又增加了兩個電感L1，L2和兩個電容C1，C2，共同構成新型高增益準Z源網絡，新型高增益準Z源網絡與逆變橋共同構成新型高增益準Z源逆變器，具體拓撲結構如圖2所示。

新型高增益準Z源網絡中電感L2與L3，電容C2與C3，二極管D2組成直流母線正端升壓單元；電感L5與L6，電容C5與C6，二極管D4組成直流母線負端升壓單元。由新型高增益準Z源網絡的對稱性，升壓單元與Z源網絡中的電感值和電容值分別對稱相等，即：

式中：LD，CD為升壓單元的電感值與電容值；LQ，CQ，CZ為Z源網絡的電感值與電容值。由式（4）與式（5）可知，在電路正常工作條件下，電感與電容的電壓模值同樣滿足式（4）與式（5）的關系。

2.2 工作原理

新型高增益準Z源逆變器的工作原理與傳統Z源逆變器相似，同樣分為直通狀態和非直通狀態。具體工作原理如下：

（1） 直通狀態。逆變器工作在直通狀態時的等效電路圖如圖3所示。

直通狀態時，二極管D1～D4反相關斷，逆變器橋臂短路，由基爾霍夫電壓定律得：

[Udc=2ULQ+2UCQUCZ=UCD+ULDUi=0] （6）

（2） 非直通狀態。逆變器工作在非直通狀態時的等效電路如圖4所示。非直通狀態時，二極管D1～D4正向導通，逆變器與負載可等效為電流源，由基爾霍夫電壓定律得：

[Udc=2ULQ+2UCQ+UiUCQ=UCD+ULDUi=UCZ+ULD+UCDULD=UCD] （7）

根據伏秒特性原則，一個開關周期新型高增益Z源網絡中電感平均電壓為零，由式（6）、式（7）可得新型高增益Z源網絡的電容電壓：

[UCZ=1-2D01-5D0Udc] （8）

[UCQ=2D01-5D0Udc] （9）

其中，升壓單元中電容電壓：

[UCD=D01-5D0Udc] （10）

由式（7）～式（10）可得新型高增益準Z源逆變器的直流鏈電壓：

[Ui=11-5D0Udc=BUdc] （11）

比較式（1）與式（11），相同占空比時，新型高增益準Z源逆變器的升壓因子B遠大于傳統Z源逆變器的升壓因子。

2.3 多升壓單元級聯高增益準Z源網絡

為了進一步提高新型高增益準Z源逆變器的升壓能力，在相同電壓增益下降低電容電壓的應力，可將多個升壓單元進行級聯，鏈接方式如圖5所示，構成多升壓單元級聯的新型高增益準Z源網絡。

假設新型高增益準Z源網絡直流母線正負端級聯的升壓單元數目為n，各升壓單元中的電容電壓模值均相等，可表示為：

[UCD=D01-（2n+3）D0Udc] （12）

準Z源網絡的電容電壓為：

[UCQ=（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （13）

[UCZ=1-（n+1）D01-（2n+3）D0Udc] （14）

級聯新型高增益準Z源網絡的直流鏈電壓為：

式中，升壓單元級聯數目n越多，升壓因子B越大，新型高增益準Z源逆變器的升壓能力越強。

3 升壓能力及電容電壓應力分析

3.1 升壓能力分析

由于占空比與調制比存在制約關系，為了實現Z源逆變器最大程度的升降壓變換，減小開關器件的電壓應力及電感電流的脈動，常采用恒占空比最大化調制[15]，即調制過程中始終保持：

圖6為傳統Z源逆變器與新型高增益準Z源逆變器的升壓能力對比圖。首先，取相同調制比時，新型高增益準Z源逆變器升壓能力明顯高于傳統型，且隨升壓單元級聯數的增加，升壓能力進一步增強；其次，當需要較高電壓增益時，由升壓占空比與調制比存在制約關系，如式（16）所示，傳統Z源逆變器不得不降低調制比M，以獲得較大的升壓占空比D，由G=MB，進而得到高電壓增益，但同時也造成了直流鏈電壓大幅升高，開關器件和電容電壓應力增大，直通狀態的導通損耗增加。而對于新型高增益準Z源逆變器，仍可取較高的調制比，即在較小的直通占空比下，直流鏈電壓無需過高，就可獲得較高的電壓增益，升壓能力強，電壓利用率更高，開關器件與電容的電壓應力低，且直通狀態的導通損耗小。并且升壓單元級聯越多，優越性越明顯，很大程度上克服了傳統Z源逆變器的不足。

3.2 電容電壓應力分析

在相同電壓增益時，傳統Z源逆變器的電容電壓可表示為：

[UC=3G2] （17）

新型高增益準Z源逆變器的電容電壓可表示為：

[UCQ=（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+3）（23-G）Udc] （18）

[UCZ=23-（2n+3）G-（n+1）（23-G）23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （19）

其中，升壓單元的電容電壓可表示為：

[UCD=23-G23-（2n+3）G-（2n+1）（23-G）Udc] （20）

Z源網絡電容電壓與直流輸入電壓比和電壓增益的關系曲線如圖7所示。在電壓增益相同時，新型高增益準Z源逆變器的Z源網絡上的電容電壓UCZ，UCQ和升壓單元的電容電壓UCD均小于傳統型Z源逆變器的Z源網絡上電容電壓UC。取相同電壓增益，隨升壓單元數n的增加，UCZ與UCD也更小，而UCQ保持不變。整體上，新型高增益準Z源逆變器的所有的電容電壓應力均更低，更加可靠。

4 仿真結果與分析

為驗證所提新型高增益準Z源逆變器拓撲結構的正確性，在Matlab中建立新型高增益準Z源逆變器與傳統Z源逆變器仿真模型。新型準Z源逆變器仿真參數：直流出入電壓Udc=200 V，升壓單元數n=1，新型高增益準Z源網絡的電容C1=C4=C7=C8=500 μF，電感L=2 mH；升壓單元中的電容C2=C3=C5=C6=500 μF，電感L=2 mH，開關頻率取f=4 kHz。傳統Z源逆變器仿真參數：Z源網絡的電感L=2 mH，電容C=500 μF，其他參數兩者均相同。仿真結果如圖8～圖14所示。

采用恒占空比最大化調制，設直通占空比D0=0.15，則M=0.981。由式（1）得出傳統Z源逆變器的升壓因子B=1.429；由式（11）得出新型高增益準Z源逆變器的升壓因子B=4。圖8為傳統Z源逆變器直流鏈電壓，最大值約280 V（理論值[200×1.429=285 V]）；圖10為新型高增益準Z源逆變器直流鏈電壓，最大值約800 V（理論值[200×4=800 V]），升壓能力較強。圖9為傳統Z源逆變器輸出相電壓，其最大值U0約為140 V（理論值[285÷2×0.981=139 V]）；圖11為新型高增益準Z源逆變器輸出相電壓，其最大值U0約為390 V（理論值[800÷2×0.981=392 V]），可見新型高增益準Z源逆變器的升壓能力更強。

圖12與圖13為取相同電壓增益G=3時，傳統Z源逆變器與新型高增益準Z源逆變器輸出相電壓，最大值U0都約為300 V（理論值[200÷2×3=300 V）]。

圖14為電容電壓對比圖，傳統Z源逆變器的電容電壓明顯大于新型高增益準Z源逆變器的電容電壓。當G相同時，由式（1），式（3），式（11），式（16）得傳統Z源逆變器的占空比D0=0.381，新型高增益準Z源逆變器的占空比D0=0.134，所以新型高增益準Z源逆變器的直通狀態時間短，因此，直通狀態時的導通損耗更小。

5 結 論

本文提出的新型高增益準Z源逆變器拓撲，利用升壓單元，顯著提高了升壓能力，拓寬了調壓范圍，實現了輸入電流連續。該新型拓撲在較高的電壓增益條件下，依然可以獲得較高的調制比，因此直流鏈電壓利用率高，同時可有效降低Z源網絡電容的電壓應力，更加可靠，很好地解決了傳統Z源逆變器的不足。而且采用升壓單元級聯，可以獲得更高的電壓增益和更小的電容電壓應力，優越性更加明顯。在相同電壓增益時，相對于傳統Z源逆變器直通占空比更小，導通損耗降低。因此，所提出的新型高增益準Z源逆變器在直流電壓輸入較低，波動較大或轉換效率要求較高的場合，如光伏發電、風力發電、新能源汽車等領域有著廣闊的應用前景。

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（上接第153頁）

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