基于MATLAB的改進(jìn)型Z源逆變器

李珍

[摘? ?要]Z源逆變器（ZSI）電路與傳統(tǒng)的逆變器電路相比，有比較明顯的升降壓能力，依靠自身電路就可以完成升降壓轉(zhuǎn)變，而且各橋臂相互之間無比較明顯的死區(qū)時間，因而ZSI的可靠性較有保障。傳統(tǒng)的ZSI的升壓能力并不強(qiáng)，其自身電壓應(yīng)力也比較大。而改進(jìn)型ZSI不只是增高其升壓水平，也減小了電路的電壓應(yīng)力，進(jìn)而提高波形質(zhì)量，最后通過MATLAB仿真驗證了相關(guān)推導(dǎo)情況。

[關(guān)鍵詞]MATLAB;Z源逆變器;升壓能力;電容電壓應(yīng)力;SVPWM

[中圖分類號]? ? G71? ? ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼]? ? A? ? ? ? [文章編號]? ? 1674-6058（2021）27-0093-02

Z源逆變器（ZSI）是21世紀(jì)初推出的新型逆變器，現(xiàn)在此結(jié)構(gòu)得到了越來越多的關(guān)注。ZSI電路和傳統(tǒng)的逆變器電路相比有所不同，ZSI電路能夠完成其直流側(cè)的電壓升高，ZSI橋臂可運行在直通態(tài)，故不用在控制信號里加上死區(qū)時間，所以該結(jié)構(gòu)輸出電壓的波形毛刺少，可靠穩(wěn)定。

不過ZSI也不是完美的電路：通常其自身的升壓能力不夠強(qiáng);升壓應(yīng)力較大，啟動沖擊比較明顯;直流電壓效率較低。本文提出的改進(jìn)型ZSI可以得到更大的調(diào)制參數(shù)，進(jìn)而實現(xiàn)提高升壓能力、減小電壓應(yīng)力的電路結(jié)構(gòu)，不過此電路器件多，因此電路成本較高。

一、Z源逆變器工作運行原理

傳統(tǒng)的ZSI電路如圖1所示，其結(jié)構(gòu)特點是在電路的直流電部分跟橋臂部分中添入L1、C1與C2、L2，中間就構(gòu)造成了無源電路網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而組成了L-C阻抗源。ZSI電路結(jié)構(gòu)除了8種運行狀態(tài)，還有一種直通運行狀態(tài)，也就是同一橋中的兩個開關(guān)管一起開通的運行情況，保證了該電路在直通運行時不出現(xiàn)短路情況，且利用其直通時的零矢量狀態(tài)完成了直流電壓的增大。

通過參考文獻(xiàn)[1]可知，直流電源側(cè)的Uin和三相逆變橋的電壓最大值Udc的公式為

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

其中，[D0]為直通占空比，B=1/（1-2[D0]）為直流增壓壓縮因子參數(shù)。其中，L-C電路部分的電容電壓U為

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

假設(shè)ZSI電路的調(diào)制因子為M，則該電路的輸出相電壓峰值公式是

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

通過（3）看出，ZSI結(jié)構(gòu)輸出電壓是否能夠增大，主要根據(jù)B來調(diào)節(jié)，不過要想獲得比較理想的波形質(zhì)量，其直通運行態(tài)要調(diào)到ZSI電路開始的零狀態(tài)，因而直接導(dǎo)通時間非?？?，阻止了拓?fù)涓叩纳龎嚎赡苄浴?/p>

二、改進(jìn)型Z源逆變器

圖2所示為改進(jìn)型Z源逆變器，此改進(jìn)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由四個電感（L1、L2、L3、L4），四個電容（C1、C2、C3、C4）和四個二極管（D1、D2、D3、D4）共同組成。其中L1、C1和L2、C2是第一個阻抗源網(wǎng)絡(luò)，L3、C3和L4 、C4是第二個阻抗源網(wǎng)絡(luò)。

1.運行狀態(tài)

上述改善型ZSI電路運行原理和普通的ZSI電路不盡相同，本文不再一一描述，下面只對其不一樣的部分電路原理做運行狀態(tài)分析。

（1）非直接導(dǎo)通運行時：ZSI的各個橋臂處于導(dǎo)通運行的情況，電路的具體運行情況如圖3（a）所示，輸入二極管，上下兩個橋臂的D3以及D4二極管工作在開通狀態(tài);這時根據(jù)感性器件L4、L3的反向運行電壓特性，使得橋二極管D2、Dl不通，運行在關(guān)斷狀態(tài)，而直流側(cè)的電源主要依據(jù)感性器件給電容完成充電，而且也給負(fù)載端提供電能。由此可知，電路要想得到更大的電壓放大效果，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的感性器件量要求越高。

（2）直接導(dǎo)通運行時：與非直通運行狀態(tài)不同，如圖3（b）所示，直流側(cè)負(fù)載部分處于短路運行情況，此時上下各個橋的電容C跟電感L為并聯(lián)，當(dāng)電路處于開通運行狀態(tài)時，橋二極管D2跟Dl為開通運行情況，而且橋二極管D4、D3處于斷開狀態(tài)，由于輸入端電壓Uin的值相比電容電壓UC1、UC2總值要小，故輸入二極管無法工作在運行狀態(tài)，電路就相當(dāng)于處于斷開狀態(tài)，如果不考慮UC其他因素，上下兩個橋臂的各個電容C相當(dāng)于電源，對感性器件提供電能，此時的電感電流則會升高。

2.升壓能力

假設(shè)所有電容C1、C2、C3和C4具有相同的容值并且足夠大，兩個阻抗源網(wǎng)絡(luò)對稱，由圖3（b）可看出

UL1=UL2=UC1=UC2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （4）

UL3=UL4=UC3=UC4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

當(dāng)ZSI電路工作在非直接導(dǎo)通情況時，UL3-OFF跟L1的電壓對應(yīng)，而UL1-OFF時對應(yīng)著L3的電壓，因而推得

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

由上述推理可看出，電容C3兩端的電壓可以進(jìn)一步表示為

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

把式（6）代入式（7）中可得逆變器直流峰值電壓Udc為

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

因此升壓因子B為

B = [12D2-4D+1]

逆變器的交流輸出相電壓的峰值為

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

M為調(diào)制系數(shù)，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與M來改變的，在整個直通周期中，占空比D的值受調(diào)制系數(shù)M的限制

D≤1-M? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

三、Z源逆變器的SVPWM調(diào)制技術(shù)

ZSI的空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)是從普通PWM改進(jìn)而來的，通過用直接開通零矢量實現(xiàn)對普通零矢量的更換，以此方法來完成Z源拓?fù)潆娐返尿?qū)動。該驅(qū)動方法效率高，能輸出質(zhì)量更好的波形。

SVPWM驅(qū)動方法根據(jù)ZSI的上下各個橋的SW開關(guān)完成驅(qū)動，通過驅(qū)動各個SW開通與關(guān)斷的時序，可以演變出8種空間矢量PWM，其效果如圖4（a）所示。通過將這幾種不同的空間矢量PWM進(jìn)行組合，不斷地朝向設(shè)定好的參考Uref數(shù)值。通過將這幾種不同的矢量SVPWM進(jìn)行不同排列衍生出新的矢量，如圖4（a）所示，根據(jù)產(chǎn)生的新的矢量，對其進(jìn)行排列，能夠得到一個近似圓形的正六邊形。就本文所述的SVPWM驅(qū)動方法而言，通過用直接導(dǎo)通零矢量更換部分U8和U7，或者對其中一部分進(jìn)行更換，就可實現(xiàn)上述逆變拓?fù)涞腟VPWM驅(qū)動。其中，圖4（b）所示為ZSI的一個單周期SVPWM信號表示，圖中的直接開通零矢量初始的時間為t0，其值隨著B的改變而改變;Sap、Sbp、Scp、San、Sbn、Scn這6個變量分別為ZSI各個橋的導(dǎo)通與關(guān)斷情況。這就是ZSI的空間SVPWM調(diào)制方法。

四、ZSI的MATLAB仿真

本文根據(jù)ZSI電路結(jié)構(gòu)分析以及改進(jìn)的ZSI推算過程，通過MATLAB軟件進(jìn)行ZSI電路在矢量方法驅(qū)動下，完成了分析驗證。其中具體數(shù)值設(shè)置如下：ZSI各個橋臂開通與關(guān)斷頻率f=10 kHz，ZSI的調(diào)制系數(shù)M=0.9，直流側(cè)Udc=380 V，直接開通矢量占空比D0=0.4，ZSI結(jié)構(gòu)的L-C阻抗電路參數(shù)視拓?fù)鋪碓O(shè)置。

五、結(jié)論

本文在傳統(tǒng)Z源逆變器的基礎(chǔ)上，提出一種改進(jìn)型Z源逆變器結(jié)構(gòu)，改進(jìn)了ZSI的部分問題，并仔細(xì)地推導(dǎo)了其具體運行情況。設(shè)置為一樣的開通與關(guān)斷頻率時，調(diào)制系數(shù)更好，所以參數(shù)B高，增大了電壓水平，該拓?fù)涑杀韭杂刑岣?。最后，運用MATLAB仿真驗證了推導(dǎo)情況。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?]

[1]? 湯雨，謝少軍，張超華. 改進(jìn)型Z源逆變器[J].中國電機(jī)工程學(xué)報，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.

（責(zé)任編輯? ? 周侯辰）