一种新型开关电容型Z源逆变器

王 思，庄圣贤

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

一种新型开关电容型Z源逆变器

王 思，庄圣贤

(西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

针对传统Z源逆变器的直流升压因子较小、输入电流断续等缺点，提出一种新型的开关电容型Z源逆变器。开关电容型Z源逆变器保留了X型的基本结构，输入端口的2个电容和2个二极管形成开关电容结构。对开关电容型Z源逆变器的工作原理进行了详细分析，与传统Z源逆变器相比，开关电容型Z源逆变器大大地提高了电压的升压能力，只需要一个很短的直通零矢量时间就能获得高电压增益，且启动时具有抑制冲击电流的能力。同时可以保证输入电流的连续性，提高直流侧的电压利用率。此外，开关电容型Z源逆变器同样适用于燃料电池和光伏发电等分布式能源中。最后，通过仿真验证了理论分析的正确性。

Z源逆变器；开关电容；拓扑；直通状态

电压源逆变器在分布式能源系统、电动车和交流电动机驱动等领域得到了广泛应用[1]。电压源逆变器是一种降压式逆变器，其交流输出电压低于直流母线电压。在直流电压较低，交流输出电压较高的功率变换场合，需要一个额外的DC-DC升压变换器，从而增加系统成本，降低变换效率。另一方面，电压源逆变器同一桥臂的上下开关管不能同时导通，否则会造成短路现象，损坏逆变器。因此需在同一桥臂的开关信号之间加入死区时间，但由此会带来输出波形的畸变[2]。针对传统逆变器的上述问题，有学者提出了Z源逆变器的拓扑结构，将传统DC-DC升压变换器与桥式逆变器成功结合在一起。但传统Z源逆变器仍存在不足[3-5]，比如升压因子小、输入电流断续等问题。为此，文献[3]提出的改进型Z源逆变器具有抑制启动冲击电流的能力，但其升压能力无提高。文献[5]提出的改进型TZSI(trans-Z-source inverter)结构利用变压器匝数比实现升压能力的提高，但漏电感对电路的影响大，设计难度大。文献[6]提出了一种新型开关电感型Z源逆变器，用开关电感结构替代X型结构中的电感。该拓扑具有较大的直流升压因子，但存在输入电流不连续、电容电压应力较大等问题。

针对Z源逆变器的上述缺点，本文提出一种新型开关电容型Z源逆变器。该逆变器只在输入端口增加2个电容、1个电感和1个二极管。与传统Z源逆变器相比，开关电容型Z源逆变器在获得较大升压因子的同时，可以保证输入电流的连续性，且具有抑制启动冲击电流的能力。

1 传统Z源逆变器

图1 传统Z源逆变器

在SVPWM的线性调制下，有：

2 开关电容型Z源逆变器

近年来，在新型DC-DC变换器中，采用开关电容、开关电感、混合开关电容/开关电感等技术提高变换器的升压能力[9]。本文结合Z源逆变器和新型DC-DC变换器的优势，提出一种新型开关电容型Z源逆变器，如图2所示。在传统Z源逆变器的基础上，于输入端增加2个电容(3、4)、1个电感(3)和1个二极管(2)，形成开关电容结构，并保留了Z源逆变器的X型结构。

图2 开关电容型Z源逆变器

2.1 工作原理

从主电路的开关状态与阻抗网络的关系来看，其工作原理与传统Z源逆变器相似。如图2所示，启动时，由于3的存在，使得输入电流不能突变，具有抑制冲击电流的能力。开关电容型Z源逆变器的工作状态可分为直通状态和非直通状态。

2.1.1 直通状态

同一桥臂的上下开关管同时导通，等效电路如图3(a)所示。该开关状态中，D1和D2关断，1与1并联，1经1续流；2与2并联，2经2续流；3与4通过电源充电。

图3 开关电容型Z源逆变器的两种工作状态等效图

2.1.2 非直通状态

该状态对应于主电路的6个有效矢量和2个零矢量状态，等效电路如图3(b)所示。该开关状态中，D1和D2导通，3与4通过两回路(3-1-2、4-1-2)给1、2充电；1与2向主电路传输能量。

由图3知，直通与非直通两种工作状态下，输入电源始终接入电路，保证了输入电流的连续性，减小了逆变器的电磁干扰。

2.2 升压能力分析

当开关电容型Z源逆变器工作在图3(a)的直通状态，电感电流升高，1与1并联，2与2并联，再与3、4、3、in串联，利用KVL可得：

当开关电容型Z源逆变器工作在图3(b)的非直通状态，电感电流下降，3与4并联，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，相比传统Z源逆变器，开关电容型Z源逆变器的升压因子得到进一步提高。当∈(0，1/3)时，>1，电路实现升压功能。当=0时，=1，电路无升压功能。

图4 两种拓扑的升压能力比较

2.3 增益能力分析

由式(2)、(14)、(15)可得增益因子的最大值：

图5 两种拓扑的最大升压增益与调制系数的关系

3 仿真结果分析

为了验证上述的理论分析结果，用PSIM软件搭建模块，采用SVPWM调制方法[10]，对开关电容型Z源逆变器进行了仿真研究。仿真参数设置如下：X型结构的元件参数：1=2= 1 mH，1=2=800 μF；开关电容结构：3=1 mH，3=4= 800 μF；三相输出滤波器：f=1 mH，f=22 μF；开关频率s= 10 kHz；三相阻性负载=10 Ω。

图6 in=100 V、=0.25、=0.8时，开关电容型Z源逆变器的仿真波形

4 结论

本文提出了一种新型开关电容型Z源逆变器，并深入分析了该拓扑的稳态工作原理，在得到较大升压因子的同时，具有抑制启动冲击电流的能力，保证了输入电流的连续性，提高了对直流电压的利用率。为验证理论分析，采用SVPWM调制方法对开关电容型Z源逆变器进行仿真，仿真结果表明，开关电容型Z源逆变器具有升压能力强、输入电流连续等优点。另外，在相同输入与输出的情况下，开关电容型Z源逆变器的调制因子高于传统拓扑，能以较低的DC获得较高的交流输出电压，减小了功率器件的电压应力。因此，开关电容型Z源逆变器能够应用到DC-AC、AC-AC、DC-DC、AC-DC等变换器中，同时适用于光伏发电系统和燃料电池等分布式能源发电中，具有很高的工程实用价值。

图8 两拓扑的稳态in放大图

[1]李红新，周林，郭珂，等.Z源逆变器最新进展及应用研究[J].电源技术，2013，37(3)：504-508.

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[3]汤雨，谢少军，张超华.改进型Z源逆变器[J].中国电机工程学报，2009，29(30)：28-34.

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《环保节能型H桥及SPWM直流电源式逆变器》

本书的主要内容有两部分：一是介绍了采用不同开关器件，不同直流电源电压的环保节能式2H桥、3H桥的各种级联叠加方式，以及最多电平数的级联叠加方式；二是介绍了我们最新针对环保节能而研发的，可以节省大量开关器件，消谐波能力强、性能优越的独立SPWM直流电源级联叠加方式、电容分压SPWM直流级联叠加方式，以及它们的N×N双级联叠加方式。本书的特点是内容新，技术新，加入了数学分析。

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，硕士生，主要研究方向为Z源逆变器拓扑及控制技术。导师：庄圣贤(1964—)，男，湖北省人，教授，博士生导师，主要研究方向为电力电子与电力传动、数字信号处理、功率集成电路设计等。