浅析电流型trans-准Z源逆变器的优化SVPWM调制策略

唐心柳，翁创业

（武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430030）

1 前言

电流型trans-准Z源逆变器是一种具有具有能量双向流动及升-降压功能的单级逆变器。它不仅能降低元器件数量，而且可以通过耦合电感提高输出电压范围，具有更高的可靠性、效率和功率密度等优点。

目前，逆变器的调制方法大致可分为基于载波的规则采样法(PWM)和SVPWM法，用于电流型逆变器(CSI)调制方法有不连续脉宽调制、SPWM法和SVPWM法等。文献[10]分析了在不同SVPWM开关序列时电流型准Z源逆变器的损耗，并从中选出输出电流THD最小的序列，但是，该序列在升压和降压状态时间过于集中，此时，直流电感体积较大，且开路状态时需将所有开关均断开，增加了开关频率。

本文针对电流型trans-准Z源逆变器对SVPWM从调制序列和开路状态开关矢量两个方面进行优化,在文献[11]基础上提出了一种优化SVPWM序列，同时，将开路电流零矢量进行优化，由传统的一个增加至6个，通过选定每个扇区内开路零状态和短路零状态的电流矢量使得降压状态时，每两个不同的状态之间转换时只有一个开关动作，减小直流电感纹波，优化电流型Trans-准Z源逆变器直流电感纹波，同时，减小了输出电流降压模式下的THD。

2 电流型trans-准ZSI调制策略

电流型trans-准Z源逆变器直流侧等效电路如图1，作为车用逆变器时，能实现降压、升压和能量回馈三种模式。当处于升压模式时，Dop=0此时二极管D截止，Vpn-0能量正向流动。当处于降压模式时，0＜Dop＜Do，Vpn＞0时能量由电源经逆变器提供给负载。当处于能量回馈模式时，Vpn＜0负载功率因数COSφ＜0,负载侧等效为发电机，从而实现能量反向流动，电流型Trans-准ZSI结构图如图1所示。

图1 电流型trans-准Z源逆变器结构图

电流型逆变器的SVPWM调制通过α-β坐标平面已知基本电流矢量合成来逼近电流空间矢量，具有低开关次数，电流利用率高，较好的谐波抑制效果和易于数字化实现的特点而被广泛运用。传统电流型准Z源SVPWM调制总共对应了10种不同的开关状态，各开关状态分别对应不同的电流矢量。

当升压状态时，此时，逆变器只有有效状态和短路状态。主要存在表1所示3种开关序列。

表1 升压开关序列

表2 降压状态开关序列

在升压模式下，to为短路时间段，当L不变短路时间to大时电感升压纹波电流ΔiL_boost增大，在开路时间top增大时，电感降压纹波ΔiL_buck也增大，故理减小短路时间段和开路时间段的长度能够有效减少电流纹波。在一个载波周期内，当改变开关序列，将TO和TOP拆分为小部分插入到开关序列中能够改变的大小从而改变电感L电流纹波的大小，当VL不变时，相同的电感L和调制因子m的情况下电感电流纹波幅值ΔiL_max_bo随to_max值增大而增大。

3 优化SVPWM调制策略

由电感伏秒平衡，在电流型准Z源逆变器中四种开关状态对应的时间T1、T2、T0和Top在一个开关周期内任意排列顺序都不会影响输出电流有效值。但实际上开关序列的改变影响着开关损耗、电感电流纹波和输出电流谐波。逆变器工作于第I扇区时，表3中三种开关序列时母线电压和直流母线电感纹波如图2所示。

图2 I扇区不同开关序列母线电压和直流电感电流纹波

上述分析可以看出，减小to_max能够减小电感电流纹波的幅值，为减小电流纹波，从而改善输出特性，在已有的开关序列的基础上将TO和TOP细分为几个小部分，从而减小to_max和top_max。针对此思路提出在升压状态时，将短路零状态分为3份，优化升压序列改进为：t0_t1_t2_t0_t2_t1_t0；在降压状态时将开路时间等分为6份插入开关状态之间，此时，降压序列为：top/2_to_top_t1_top_t2_top_to_top_t2_top_t1_top_to_top/2，如图3所示。

图3 I区优化序列开关序列图

在上述开关序列基础上，将开关状态Sk由原有的-1、1、0三种状态增加为-1、1、0、D四种状态。同时，将开路零状态细分为6个开路零矢量如表6中的，根据各个扇区两种有效状态时开关矢量的特点，选择对应的短路开关矢量和开路开关矢量，使每次状态改变只有一个开关动作。开关矢量选择如表3。

表3 开路状态优化后各扇区对应状态的电流矢量及对应的开关状态

4 仿真与结果分析

使用Matlab/Simulink搭建电流型trans-准Z源逆变器仿真模型（如图4所示），分别采用非对称序列、非交替对称序列、交替对称序列和优化序列进行仿真比较。直流侧电压Vdc为78V,直流电感Ldc为1mH，变压器的变比n为2，电感Lm为207μH,电容C1为100μF,阻感负载Lload为646μH，电阻R为1Ω，功率因素为0.98，交流侧滤波电容为30μF。载波频率为10kHz。

图4 Matlab/Simulink仿真模型

图5为四种不同开关序列输出相电流ia的THD随开路占空比DOP增大时的变化曲线。

通过对四种序列对比分析表明：在相同DOP时，不同序列在相同开路占空比下THD不同，优化SVPWM序列在DOP增大过程中iaTHD增幅相对较小，降压稳定性较好。

5 结语

本文在对电流型trans-准Z源逆变器传统SVPWM调制方式下直流侧电流纹波的分析基础上，提出了改进型SVPWM调制方法，采用t0-top-t1-top-t2-top-2t0-top-t2-top-t1-top-t0的时间序列，与传统电流型逆变器SVPWM调制相比，将一个载波周期内短路和开路时间进行了细分，使得电感电流纹波减少，从而减小了所需无源器件的体积，减小了降压状态时输出相电流THD，在原桥臂0、-1、1开关状态的基础上增加了短路D状态，使各开关状态更为明确地表示，并针对各个扇区有效矢量不同选择相应的开路零矢量和短路零矢量，减少开关频率。结果表明，对于电流型trans-准Z，在DOP=0.25时，采用优化序列时输出电流ia总畸变率比交替对称序列低36%。

图5 四种开关序列ia的THD随开路占空比DOP变化图