一种改进型Z源逆变器

杨亮+易吉良+李军军+黄林森

摘 要：传统Z源逆变器存在诸如输入电流不连续，启动冲击电流大，电容应力大等缺陷，为解决上述Z源所存在的不足，研究了一种新的Z源电路拓扑。在保持同样的升压情况下，该改进型拓扑电容应力明显减小，冲击电流得到抑制。简要对比了二者拓扑下的工作原理，并通过saber软件对单相Z源逆变器进行了仿真，仿真结果验证了改进型Z源拓扑性能的优越性。

关键词：传统型Z源;改进型Z源;电容应力;电流纹波;

中图分类号：TM464         文献标识码：A

A Modified Z Source Inverter

Yang Liang，Yi Jiliang，Li Junjun，Huang Linsen

（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

Abstract： Traditional Z source inverter exist such as the input current is discontinuous， start the impact current is large， big capacitance stress defects， in order to solve the shortage of the Z source inverter， a new source of Z circuit topology is studied. Maintain the same boost in cases， the improved topology capacitance stress significantly reduced， impulse current be suppressed. Briefly compared the topology of the working principle， And through the saber software for single-phase Z source inverter are simulated， The simulation results demonstrate the superiority of the performance of the modified Z source topology .

Key words： Traditional Z source; The modified Z source; Capacitance stress; Current ripple;

0 引言

逆变器广泛应用于各种工业领域，传统的逆变器有两种基本类型：电压源型和电流源型。这两种类型的逆变器由于自身拓扑特点在某些场合应用受到一定的限制，主要体现在：或是升压型、或是降压型变换器，无法同时具有这两种特性;这两种变流器的主电路不能互换，通用性较差;电磁干扰造成的直通现象，使可靠性受到很大的影响。

Z源网络拓扑的引入有效的解决了上述的

不足，Z源逆变器利用其独特的阻抗网络结构使之具有单级升/降压能力，能满足输入电压宽范围变化要求，并在抗干扰能力、安全可靠性具有很好的优势，已在风能、太阳能、电机调速等领域中得到了应用。

本文简要分析了传统Z源及改进型Z源的工作原理，分析了它们在保持同样的升压能力下的电容应力、启动时冲击电流纹波情况，并通过仿真进行了对比分析。

1 传统型Z源逆变器

为克服常规逆变器的不足，2003年彭方正教授首次提出了Z源逆变器概念。Z源变流器采用独特的阻抗网络将变换器的主电路与电源连接，因而具有使传统电压源或电流源逆变器不能实现的独特特性，并克服了传统电压源变换器或电流源变换器概念和理论上的限制。Z源逆变器的开关等效电路如下图1所示，中间的电路部分即为Z源网络[1-2]。

图1 Z源逆变器等效电路

fig.1 Z source inverter equivalent circuit

Z源网络包含两个电感器L1、L2和两个电容器 C1、C2组成的网络接成X形，将变换器和直流电源或负载耦合在一起。与传统的电压电流源不同，它既可以按升压型或降压型的方式工作，还可以直接处于开路、导通和直通状态。大大扩展了其应用范围，提升了可靠性[3]。

由图1分析可知传统型Z源逆变器直流母线电压Vi和输出交流电压Vx表达：

公式中的T1表示为有效矢量作用时间，T0为零矢量作用时间，B为Z源逆变器直通状态下得到的升压因子，M为常规电压源逆变器的调制系数。{ }内的代数式为常规电压源型逆变器交流输出电压，由（2）式知Z源逆变器的输出电压由升压因子B与调制系数M共同决定[3-4]。

2 改进型Z源逆变器

2.1 工作原理对比性分析

传统的Z源逆变器也有不足的一面：输入电流不连续，启动冲击电流大，电容电压应力大等。为解决上述Z源所存在的不足，文献[5]提出了一种新的Z源电路拓扑，此改进型电路是将二极管和逆变器桥臂的位置互换，其仍为对称网络。电路如图2所示：

从上述分析可知，二者拓扑下的升压原理是一致的，但其在相同的占空比下，改进型拓扑Z源电容电压应力明显减小，且随直流输入电压Vin的增加而减小。因此，Z源电容可按照Vin最小值来设计，故可选用低压电容，从而减小了变流器的质量和体积，同时还降低了开关器件的电压应力。

此外，由（5）式与（9）式比较可知：改进型Z源拓扑在直通占空比D0=0时，此时Z源网络电容电压VC=0。如果控制占空比D0从0逐渐增加，那么Z源电容电压VC也将从0逐渐增加，这样能实现软启动，而这在传统型Z源逆变器拓扑中是不存在的。

2.2 输入电流纹波对比性分析

Z源逆变器在不同的控制方式下其输入电流纹波是不一样的，以最简单升压方式为例：在该控制策略下，直通零矢量插于传统零矢量之间，使得一部分传统零矢量被直通零矢量所代替，从而实现升压功能[6-7]。

在传统型Z源拓扑时，设逆变器侧电流为ii，那么输入电流iin=2iL-ii。在直通零矢量状态下时，输入二极管工作在截止状态，此时输入电流为0;在传统零矢量时，逆变器工作于开路状态，逆变侧电流为0，此时输入电流为2iL;而在有效矢量1与有效矢量2时，设逆变器侧电流各为i1、i2，则输入电流各为2iL-i1、2iL-i2，详情如图3所示。

在改进型Z源拓扑时，逆变器侧的电流ii就是输入电流，在直通零矢量状态时，输入电流为2iL;在传统零矢量状态时，逆变桥处于开路状态，此时输入电流为0;而在有效矢量1与有效矢量2时，其输入电流各为i1、i2。详情如图4所示，其中IL为二中拓扑下的输入电流平均值。通过分析可知，改进Z源逆变器输入电流纹波明显减小。

图3 传统Z源逆变器输入电流

Fig.3 Input current of the traditional Z source inverter

图4  改进Z源逆变器输入电流

Fig.4 Input current of the improved Z source inverter

• 设计仿真实验

为了验证改进型Z源电路拓扑的特点，用saber软件对传统型拓扑和改进型拓扑进行了仿真与对比分析，仿真以最简单升压方式下的单相Z源逆变器为例，其电路拓扑和仿真参数如表1所示，仿真结果如图6-7所示。

表1 Z源逆变器仿真参数

TABLE1 Z source inverter simulation parameters

参数

仿真使用的值

输入电压

Vdc=200V

Z源电感

L1=L2=2000uH

Z源电容

C1=C2=2000uF

滤波参数

Lf=1000uH   Cf=30uF

阻性负载

R=5

升压因子

D0=0.2

调制系数

M=0.8

图5  改进型Z源仿真电路

Fig.5 The modified Z source simulation circuit

图6-7中的变量含义为：

VC： Z源网络电容电压

VPN： 直流链峰值电压

IL： Z源网络电感电流

V0： 输出电压峰值

图6 传统型单相Z源逆变器仿真波形

Fig.6 Traditional single-phase Z source inverter simulation waveform

图7 改进型单相Z源逆变器仿真波形

Fig.7 Improved single-phase Z source inverter simulation waveform

从仿真结果来看，改进后的Z源拓扑在保持同样的升压能力下，其电容电压应力明显减小，输出波形质量较好;改进型Z源逆变器直流链电压峰值相对较小一些，得到的主要参数波形与理论分析结果基本一致。

4. 结语

通过控制升压因子B和调制系数M可以灵活的控制Z源逆变器输出电压的升降。本文对二者拓扑下的工作原理、输入电流纹波进行了对比性分析：可知，在保持直流链电压和输出交流电压一样的前提下，改进型Z源拓扑的电容电压应力明显减小，这样低压电容能够被使用，能够减少器件体积和系统成本;此外，改进型Z源如果控制占空比从零逐渐增加，这样就能够实现软启动，其冲击电流和谐振问题能有效抑制，提高了整体电路效率，满足实际应用的需求。

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