改进型开关升压逆变器

贾谊堃，张少如，2，刘玲玲，王帅

（1.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北 石家庄 050024；2.工业节电与电能质量控制省级协同创新中心，安徽 合肥 230601）

改进型开关升压逆变器

贾谊堃1，张少如1，2，刘玲玲1，王帅1

（1.河北师范大学物理科学与信息工程学院，河北 石家庄 050024；2.工业节电与电能质量控制省级协同创新中心，安徽 合肥 230601）

虽然Z源逆变器克服了传统电压源电流源逆变器的不足，但也有启动电压冲击严重，电流不连续，直流侧的电压利用率低的问题。开关型升压逆变器启动电流小，但升压倍数有限。鉴于此提出了一种改进型开关升压逆变器，电路中电感和IGBT组成Boost电路，不仅提升了电压，而且在直通状态时，使输入电流通过电感续流，从而保证了输入电流的连续。基于简单升压控制下的实验结果，验证了改进型开关升压逆变器的有效性与正确性。

逆变器；简单升压控制；升压因子；电压利用率

传统的逆变器分为电压源型逆变器和电流源型逆变器，电压源型逆变器其交流输出电压不能高于直流母线电压，逆变桥的上下桥臂不能同时导通，否则会造成桥臂短路，损坏器件［1］。电流源型逆变器其交流输出电压要高于直流输入电压，其上下桥臂必须要保持导通，来避免逆变桥断路［2-6］。Z源逆变器能够解决以上问题，但是Z源逆变器有启动电流冲击大、输入电流不连续，直流电压利用率低、造价高，体积大等不足［7-13］。

改进型开关升压逆变器电路中，电感和1个 IGBT，组成Boost电路，在直通状态时，增加1个驱动信号，即可实现对IGBT的控制，由于电感和IGBT的加入，使输入电流通过电感和IGBT形成续流回路，从而使输入电流连续，提高了输入电压的利用率。

1 Z源逆变器及其升压原理

Z源逆变器基本结构如图1所示。它由2个电容C1，C2和2个电感L1，L2呈X型连接而成，其中C1=C2，L1=L2。

图1 Z源逆变器基本结构Fig.1 Z source inverter topology

传统电压源和电流源逆变器有8种开关矢量，而Z源逆变器有第9种开关矢量，即同一桥臂上下功率管可以同时导通。这个工作状态在传统逆变器中是禁止的，Z源逆变器使这个状态成为可能，正是利用直通零电压状态实现了升压功能。在直通状态时三相逆变桥直流链峰值电压Udc与实际输入电压Uin的关系为

式中：D0为直通占空比，D0=t0/T，t0为直通时间，T为开关周期；B为直流升压因子，B=1/(1-2D0)。

阻抗网络上的电容电压为

假设逆变器的调制因子为M，可以得到逆变器输出相电压峰值为

当电路处于直通状态时，二极管D反向截止，输入电流是断续的，从而降低了直流电源的利用率。当逆变器启动时，其瞬时电流会很大，从而损坏逆变器。

2 改进型开关升压逆变器

本文提出了一种改进型开关升压逆变器，它在前级加入1个有源开关和电感，与直流电源构成了1个Boost电路，实现了输入侧电流的连续。后级开关S7，控制电容C1的放电回路。其升压原理与Z源逆变器相同，都具有直通和非直通状态，电路如图2所示。

图2 改进型开关升压逆变器基本结构Fig.2 Improved switch boost inverter topology

假设在1个开关周期T内，逆变器工作在直通状态的时间为T0，此时电容C1放电，控制开关管S7导通，由于电容C1侧电压大于直流输入侧电压，二极管D被迫关断，设置驱动信号使开关管S8导通，输入电流通过L和开关管S8，形成回路，输入电源对电感L进行充电。同理电容C1侧电压使二极管D1承受反向电压，也被迫关断，此时电容C1对电感L1进行充电。此时逆变器直流链电压为零，处于短路状态。开关S7，S8的状态与直通状态同步，在直通状态时，只需增加1个IGBT的驱动信号，就可完成对开关管S7，S8的控制。通过以上分析我们得出：

图3所示为逆变器的直通状态。

图3 改进型升压逆变器的直通状态Fig.3 Shoot through state of improved switch boost inverter

假设逆变桥工作在非直通状态的时间为t1，此时电容C1进行充电，开关管S7，S8断开，由于输入侧电压高于电容侧电压，所以二极管D，D1同时导通，直流电源Uin，电感L，L1同时给电容C1充电。电容与逆变桥上的负载并联，电容C1电压等于峰值电压，可以得出：

图4所示为逆变器的非直通状态。

图4 改进型升压逆变器的非直通状态Fig.4 Nonshoot through state of improved switch boost inverter

根据伏秒特性，由式（4）、式（5）在1个开关周期T内电感两端的平均电压在稳态下必然为0，可得

通过式（6）、式（8）可得电容电压的输入电压，逆变桥峰值电压Udc与输入电压Uin的关系为

假设逆变器的调制因子为M，可以得到逆变器输出相电压峰值为

由以上分析可以得出，改进型开关升压逆变器电感L、开关管S8在直通状态时为直流源提供了续流回路，把电能储存于电感L中，在非直通状态输入电源Uin，电感L，L1给电容充电，从而在1个开关周期内，输入电流是连续的，提高了输入电源的利用率。

图5所示为改进型开关逆变器和开关型升压逆变器的2种拓扑的升压因子B与直通占空比D0的关系图。

图5 2种拓扑的升压因子B与直通占空比D0的关系Fig.5 Relationship between the B and the D0of the boost factor for two topologies

由图5可知在直通占空比小于0.25时，改进型开关逆变器的升压优势不是很明显，但是直通占空比在0.25之后，改进型开关逆变器的升压优势明显好于开关型升压逆变器。

3 简单升压控制

Z源逆变器在直通零电压状态实现升压，所以何时插入直通状态是控制的关键。逆变器的输出电压与有效状态有关，为了不影响逆变器的输出电压，通常把直通零状态插入到传统零状态中，简单升压控制方法减小了开关管电流，容易实现。该方法以传统的PWM控制为基础，设定2个恒值电压Up和Un，输入载波Ucm，同时输入三相正弦波Usx。当频率很高的载波信号幅值大于Up或小于Un时，设置1个驱动信号使逆变器的三相桥臂同时导通，实现逆变器直通，此时逆变器处在升压状态，其原理图如图6所示。

图6 简单控制法原理图Fig.6 Schematic diagram of simple control method

设直通时间为t0，开关周期为T，直通占空比为D0，所以有：

D0=t0/T把控制信号缩小到半个周期，见图7。

图7 半周期控制信号Fig.7 Half cycle control signal diagrom

根据图7，由几何知识可得：

正弦调制信号与三角载波信号的幅值之比可以定义为调制因子，用M表示。因为Up≥Ux(x=1,2,3)所以D0最大为1-M。即

逆变器的电压增益定义为

式中：Ux为输出电压的峰值电压。

根据式（9）、式（10）、式（13）、式（14）、式（15）可以得到改进型开关升压逆变器最大电压增益为

4 仿真及实验参数

具体参数如下：Uin=200 V，L=350 μΗ，L1= 2 000 μΗ，C1=400 μF，负载电感1 000 μΗ，负载电容50 μΗ，载波频率fs=10 kHz，D0=0.4，M=0.6，仿真时间1 s。仿真结果如图8～图10所示。

由图8～图10及以上分析可知，3种拓扑结构都能满足一定的升压功能。通过图8的波形图可以看出仿真结果与理论分析值基本相符，改进型开关逆变器的输入电流是连续的，验证了该拓扑的可行性。比较图8和图9，可以看出Z源逆变器与改进型开关升压逆变器的升压效果相同，但改进型开关升压逆变器能更快地达到稳定状态，同时改进型开关升压逆变器在直通状态能够使输入电流通过电感和开关管形成续流回路，从而使输入电流在1个周期内连续，提高了电源的利用率。通过图9和图10相比较，可以看出开关型升压逆变器和Z源逆变器相比，开关型升压逆变器升压效果明显不足，在电源利用率上，开关型逆变器也不能保证直通状态电流连续。改进型开关逆变器克服了开关型升压逆变器的不足，在实现输入电流连续的同时，还提升了电压。

图8 改进型开关逆变器的仿真结果Fig.8 Simulation results of improved switch boost inverter

图9 Z源逆变器的仿真结果Fig.9 Simulation results of Z source inverter

图10 开关型升压逆变器的仿真结果Fig.10 Simulation results of switch boost inverter

5 结论

本文提出了一种改进型升压逆变器，电感和IGBT的加入，使在直通状态时，输入电流通过电感和IGBT形成续流回路，从而使输入电流连续，提高了输入电压的利用率。通过理论分析和仿真结果，证实了该拓扑结构的可行性。本电路设计不但继承了开关型升压逆变器结构简单的特点，还提升了开关型升压逆变器的升压因子，同时又解决了Z源直通状态时输入电流不连续的问题。

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修改稿日期：2016-05-16

Improved Switching Boost Inverter

JIA Yikun1，ZHANG Shaoru1，2，LIU Lingling1，WANG Shuai1
（1.College of Physics Science and Information Engineering，Hebei Normal University，Shijiazhuang 050024，Hebei，China；2.Provincial Collaborative Innovation Center of Industrial Energy-saving and Power Quality Control，Hefei 230601 Anhui，China）

Although the Z-source inverter overcomes the disadvantages of traditional voltage source and current source inverter，it also has the drawbacks of serious starting-up inrush current，discontinue input current and low DC voltage utilization.The switch boost inverter has small starting-up inrush current，but its boost factor is limited.In view of this，an improved switching boost inverter was proposed.The inductance and IGBT formed the Boost circuit.Because of the existence of IGBT and inverter，the provided improved switching boost inverter obtains a higher boost factor and in shoot-through zero state，the input current through the inductor to ensure the continuity of the input current.Based on the theoretical analysis，the simulation results based on simple boost control demonstrate the validity and correctness of improved switching boost inverter.

inverter；simple boost control；boost factor；voltage utilization ratio

TM464

A

10.19457/j.1001-2095.20161108

河北省自然科学基金（E2013205173）；安徽省工业节电与电能质量控制协同创新中心开放课题（KFKT201504）；研究生科研基金项目（201402005）

贾谊堃（1991-），男，硕士研究生，Email：yikunjia@163.com

2015-09-12