淺析電流型trans-準Z源逆變器的優化SVPWM調制策略

唐心柳，翁創業

（武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430030）

1 前言

電流型trans-準Z源逆變器是一種具有具有能量雙向流動及升-降壓功能的單級逆變器。它不僅能降低元器件數量，而且可以通過耦合電感提高輸出電壓范圍，具有更高的可靠性、效率和功率密度等優點。

目前，逆變器的調制方法大致可分為基于載波的規則采樣法(PWM)和SVPWM法，用于電流型逆變器(CSI)調制方法有不連續脈寬調制、SPWM法和SVPWM法等。文獻[10]分析了在不同SVPWM開關序列時電流型準Z源逆變器的損耗，并從中選出輸出電流THD最小的序列，但是，該序列在升壓和降壓狀態時間過于集中，此時，直流電感體積較大，且開路狀態時需將所有開關均斷開，增加了開關頻率。

本文針對電流型trans-準Z源逆變器對SVPWM從調制序列和開路狀態開關矢量兩個方面進行優化,在文獻[11]基礎上提出了一種優化SVPWM序列，同時，將開路電流零矢量進行優化，由傳統的一個增加至6個，通過選定每個扇區內開路零狀態和短路零狀態的電流矢量使得降壓狀態時，每兩個不同的狀態之間轉換時只有一個開關動作，減小直流電感紋波，優化電流型Trans-準Z源逆變器直流電感紋波，同時，減小了輸出電流降壓模式下的THD。

2 電流型trans-準ZSI調制策略

電流型trans-準Z源逆變器直流側等效電路如圖1，作為車用逆變器時，能實現降壓、升壓和能量回饋三種模式。當處于升壓模式時，Dop=0此時二極管D截止，Vpn-0能量正向流動。當處于降壓模式時，0＜Dop＜Do，Vpn＞0時能量由電源經逆變器提供給負載。當處于能量回饋模式時，Vpn＜0負載功率因數COSφ＜0,負載側等效為發電機，從而實現能量反向流動，電流型Trans-準ZSI結構圖如圖1所示。

圖1 電流型trans-準Z源逆變器結構圖

電流型逆變器的SVPWM調制通過α-β坐標平面已知基本電流矢量合成來逼近電流空間矢量，具有低開關次數，電流利用率高，較好的諧波抑制效果和易于數字化實現的特點而被廣泛運用。傳統電流型準Z源SVPWM調制總共對應了10種不同的開關狀態，各開關狀態分別對應不同的電流矢量。

當升壓狀態時，此時，逆變器只有有效狀態和短路狀態。主要存在表1所示3種開關序列。

表1 升壓開關序列

表2 降壓狀態開關序列

在升壓模式下，to為短路時間段，當L不變短路時間to大時電感升壓紋波電流ΔiL_boost增大，在開路時間top增大時，電感降壓紋波ΔiL_buck也增大，故理減小短路時間段和開路時間段的長度能夠有效減少電流紋波。在一個載波周期內，當改變開關序列，將TO和TOP拆分為小部分插入到開關序列中能夠改變的大小從而改變電感L電流紋波的大小，當VL不變時，相同的電感L和調制因子m的情況下電感電流紋波幅值ΔiL_max_bo隨to_max值增大而增大。

3 優化SVPWM調制策略

由電感伏秒平衡，在電流型準Z源逆變器中四種開關狀態對應的時間T1、T2、T0和Top在一個開關周期內任意排列順序都不會影響輸出電流有效值。但實際上開關序列的改變影響著開關損耗、電感電流紋波和輸出電流諧波。逆變器工作于第I扇區時，表3中三種開關序列時母線電壓和直流母線電感紋波如圖2所示。

圖2 I扇區不同開關序列母線電壓和直流電感電流紋波

上述分析可以看出，減小to_max能夠減小電感電流紋波的幅值，為減小電流紋波，從而改善輸出特性，在已有的開關序列的基礎上將TO和TOP細分為幾個小部分，從而減小to_max和top_max。針對此思路提出在升壓狀態時，將短路零狀態分為3份，優化升壓序列改進為：t0_t1_t2_t0_t2_t1_t0；在降壓狀態時將開路時間等分為6份插入開關狀態之間，此時，降壓序列為：top/2_to_top_t1_top_t2_top_to_top_t2_top_t1_top_to_top/2，如圖3所示。

圖3 I區優化序列開關序列圖

在上述開關序列基礎上，將開關狀態Sk由原有的-1、1、0三種狀態增加為-1、1、0、D四種狀態。同時，將開路零狀態細分為6個開路零矢量如表6中的，根據各個扇區兩種有效狀態時開關矢量的特點，選擇對應的短路開關矢量和開路開關矢量，使每次狀態改變只有一個開關動作。開關矢量選擇如表3。

表3 開路狀態優化后各扇區對應狀態的電流矢量及對應的開關狀態

4 仿真與結果分析

使用Matlab/Simulink搭建電流型trans-準Z源逆變器仿真模型（如圖4所示），分別采用非對稱序列、非交替對稱序列、交替對稱序列和優化序列進行仿真比較。直流側電壓Vdc為78V,直流電感Ldc為1mH，變壓器的變比n為2，電感Lm為207μH,電容C1為100μF,阻感負載Lload為646μH，電阻R為1Ω，功率因素為0.98，交流側濾波電容為30μF。載波頻率為10kHz。

圖4 Matlab/Simulink仿真模型

圖5為四種不同開關序列輸出相電流ia的THD隨開路占空比DOP增大時的變化曲線。

通過對四種序列對比分析表明：在相同DOP時，不同序列在相同開路占空比下THD不同，優化SVPWM序列在DOP增大過程中iaTHD增幅相對較小，降壓穩定性較好。

5 結語

本文在對電流型trans-準Z源逆變器傳統SVPWM調制方式下直流側電流紋波的分析基礎上，提出了改進型SVPWM調制方法，采用t0-top-t1-top-t2-top-2t0-top-t2-top-t1-top-t0的時間序列，與傳統電流型逆變器SVPWM調制相比，將一個載波周期內短路和開路時間進行了細分，使得電感電流紋波減少，從而減小了所需無源器件的體積，減小了降壓狀態時輸出相電流THD，在原橋臂0、-1、1開關狀態的基礎上增加了短路D狀態，使各開關狀態更為明確地表示，并針對各個扇區有效矢量不同選擇相應的開路零矢量和短路零矢量，減少開關頻率。結果表明，對于電流型trans-準Z，在DOP=0.25時，采用優化序列時輸出電流ia總畸變率比交替對稱序列低36%。

圖5 四種開關序列ia的THD隨開路占空比DOP變化圖