基于MATLAB的改进型Z源逆变器

李珍

[摘   要]Z源逆变器（ZSI）电路与传统的逆变器电路相比，有比较明显的升降压能力，依靠自身电路就可以完成升降压转变，而且各桥臂相互之间无比较明显的死区时间，因而ZSI的可靠性较有保障。传统的ZSI的升压能力并不强，其自身电压应力也比较大。而改进型ZSI不只是增高其升压水平，也减小了电路的电压应力，进而提高波形质量，最后通过MATLAB仿真验证了相关推导情况。

[关键词]MATLAB;Z源逆变器;升压能力;电容电压应力;SVPWM

[中图分类号]    G71       [文献标识码]    A        [文章编号]    1674-6058（2021）27-0093-02

Z源逆变器（ZSI）是21世紀初推出的新型逆变器，现在此结构得到了越来越多的关注。ZSI电路和传统的逆变器电路相比有所不同，ZSI电路能够完成其直流侧的电压升高，ZSI桥臂可运行在直通态，故不用在控制信号里加上死区时间，所以该结构输出电压的波形毛刺少，可靠稳定。

不过ZSI也不是完美的电路：通常其自身的升压能力不够强;升压应力较大，启动冲击比较明显;直流电压效率较低。本文提出的改进型ZSI可以得到更大的调制参数，进而实现提高升压能力、减小电压应力的电路结构，不过此电路器件多，因此电路成本较高。

一、Z源逆变器工作运行原理

传统的ZSI电路如图1所示，其结构特点是在电路的直流电部分跟桥臂部分中添入L1、C1与C2、L2，中间就构造成了无源电路网络，进而组成了L-C阻抗源。ZSI电路结构除了8种运行状态，还有一种直通运行状态，也就是同一桥中的两个开关管一起开通的运行情况，保证了该电路在直通运行时不出现短路情况，且利用其直通时的零矢量状态完成了直流电压的增大。

通过参考文献[1]可知，直流电源侧的Uin和三相逆变桥的电压最大值Udc的公式为

Udc = [11-2D0]Uin = BUin                                                                           （1）

其中，[D0]为直通占空比，B=1/（1-2[D0]）为直流增压压缩因子参数。其中，L-C电路部分的电容电压U为

Uc =（1-[D0]）Udc=[1-D01-2D0]Uin                                                               （2）

假设ZSI电路的调制因子为M，则该电路的输出相电压峰值公式是

Ux =[M2]Udc=[M2（1-2D0）]Uin     x=a，b，c                    （3）

通过（3）看出，ZSI结构输出电压是否能够增大，主要根据B来调节，不过要想获得比较理想的波形质量，其直通运行态要调到ZSI电路开始的零状态，因而直接导通时间非常快，阻止了拓扑更高的升压可能性。

二、改进型Z源逆变器

图2所示为改进型Z源逆变器，此改进型拓扑结构由四个电感（L1、L2、L3、L4），四个电容（C1、C2、C3、C4）和四个二极管（D1、D2、D3、D4）共同组成。其中L1、C1和L2、C2是第一个阻抗源网络，L3、C3和L4 、C4是第二个阻抗源网络。

1.运行状态

上述改善型ZSI电路运行原理和普通的ZSI电路不尽相同，本文不再一一描述，下面只对其不一样的部分电路原理做运行状态分析。

（1）非直接导通运行时：ZSI的各个桥臂处于导通运行的情况，电路的具体运行情况如图3（a）所示，输入二极管，上下两个桥臂的D3以及D4二极管工作在开通状态;这时根据感性器件L4、L3的反向运行电压特性，使得桥二极管D2、Dl不通，运行在关断状态，而直流侧的电源主要依据感性器件给电容完成充电，而且也给负载端提供电能。由此可知，电路要想得到更大的电压放大效果，拓扑结构的感性器件量要求越高。

（2）直接导通运行时：与非直通运行状态不同，如图3（b）所示，直流侧负载部分处于短路运行情况，此时上下各个桥的电容C跟电感L为并联，当电路处于开通运行状态时，桥二极管D2跟Dl为开通运行情况，而且桥二极管D4、D3处于断开状态，由于输入端电压Uin的值相比电容电压UC1、UC2总值要小，故输入二极管无法工作在运行状态，电路就相当于处于断开状态，如果不考虑UC其他因素，上下两个桥臂的各个电容C相当于电源，对感性器件提供电能，此时的电感电流则会升高。

2.升压能力

假设所有电容C1、C2、C3和C4具有相同的容值并且足够大，两个阻抗源网络对称，由图3（b）可看出

UL1=UL2=UC1=UC2                                                  （4）

UL3=UL4=UC3=UC4                                                  （5）

当ZSI电路工作在非直接导通情况时，UL3-OFF跟L1的电压对应，而UL1-OFF时对应着L3的电压，因而推得

UL1-OFF + UC3- UC1 = 0                                             （6）

由上述推理可看出，电容C3两端的电压可以进一步表示为

UC3= [1-D2D2-4D+1]Uin                                                                               （7）

把式（6）代入式（7）中可得逆变器直流峰值电压Udc为

Udc= [12D2-4D+1]Uin= B·Uin                                 （8）

因此升压因子B为

B = [12D2-4D+1]

逆变器的交流输出相电压的峰值为

[Uac∧]= M[Udc∧2]                                                          （9）

M为调制系数，把式（8）代入式（9）可得

[Uac∧]= M·B·[Uin2] = G ·[Uin2]                                     （10）

G = M·B （0～∞）

升降壓因子G是由D与M来改变的，在整个直通周期中，占空比D的值受调制系数M的限制

D≤1-M                                                              （11）

三、Z源逆变器的SVPWM调制技术

ZSI的空间矢量脉宽调制技术是从普通PWM改进而来的，通过用直接开通零矢量实现对普通零矢量的更换，以此方法来完成Z源拓扑电路的驱动。该驱动方法效率高，能输出质量更好的波形。

SVPWM驱动方法根据ZSI的上下各个桥的SW开关完成驱动，通过驱动各个SW开通与关断的时序，可以演变出8种空间矢量PWM，其效果如图4（a）所示。通过将这几种不同的空间矢量PWM进行组合，不断地朝向设定好的参考Uref数值。通过将这几种不同的矢量SVPWM进行不同排列衍生出新的矢量，如图4（a）所示，根据产生的新的矢量，对其进行排列，能够得到一个近似圆形的正六边形。就本文所述的SVPWM驱动方法而言，通过用直接导通零矢量更换部分U8和U7，或者对其中一部分进行更换，就可实现上述逆变拓扑的SVPWM驱动。其中，图4（b）所示为ZSI的一个单周期SVPWM信号表示，图中的直接开通零矢量初始的时间为t0，其值随着B的改变而改变;Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn这6个变量分别为ZSI各个桥的导通与关断情况。这就是ZSI的空间SVPWM调制方法。

四、ZSI的MATLAB仿真

本文根据ZSI电路结构分析以及改进的ZSI推算过程，通过MATLAB软件进行ZSI电路在矢量方法驱动下，完成了分析验证。其中具体数值设置如下：ZSI各个桥臂开通与关断频率f=10 kHz，ZSI的调制系数M=0.9，直流侧Udc=380 V，直接开通矢量占空比D0=0.4，ZSI结构的L-C阻抗电路参数视拓扑来设置。

五、结论

本文在传统Z源逆变器的基础上，提出一种改进型Z源逆变器结构，改进了ZSI的部分问题，并仔细地推导了其具体运行情况。设置为一样的开通与关断频率时，调制系数更好，所以参数B高，增大了电压水平，该拓扑成本略有提高。最后，运用MATLAB仿真验证了推导情况。

[   参   考   文   献   ]

[1]  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（30）：28-34.

[2]  ANDERSON J， PENG F Z. Four quasi-Z-source inverters[C]//Power Electronics Specialists Conference. Rhodes： IEEE， 2008：2743-2749.

（责任编辑    周侯辰）