一種準(zhǔn)Z源逆變器減少開關(guān)動作的脈沖寬度調(diào)制

劉鈺鵬,翟慶志,孫雪

摘 ?要： 準(zhǔn)Z源逆變器（qZSI）的正弦脈沖寬度調(diào)制（SPWM），將直通狀態(tài)插入到傳統(tǒng)零矢量與有效矢量之間，然而每個控制周期都有兩次直通狀態(tài)，導(dǎo)致大量附加的開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。研究一種利用變載波幅值，從而減少基波周期中各開關(guān)管平均開關(guān)轉(zhuǎn)換動作的qZSI的PWM策略，以降低開關(guān)損耗。在Matlab/Simulink仿真環(huán)境下建立仿真模型，驗證提出的PWM策略，并與SPWM相比較。

關(guān)鍵詞： 準(zhǔn)Z源逆變器； 脈沖寬度調(diào)制； 直通狀態(tài)； 開關(guān)損耗

中圖分類號： TN786.1?34； TM921 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2014）23?0132?04

PWM for quasi?Z?source inverter in the case of reduction of switch actions

LIU Yu?peng， ZHAI Qing?zhi， SUN Xue

（College of Information and Electrical Engineering， China Agriculture University， Beijing 100083， China）

Abstract： The sinusoidal pulse width modulation （SPWM） strategy of quasi?Z?source inverter （qZSI） makes the shoot?through state insert between traditional zero vector and active vector. However， there are twice shoot?through states in each control period， which results in many additional switching actions， i.e.， switching loss. A PWM method of qZSI to reduce the switching action is proposed by varied carrier amplitude. The simulation model was established in the Matlab/Simulink simulation environment to verify the proposed PWM method and compare with the traditional SPWM.

Keywords： quasi?Z?source inverter； pulse width modulation； shoot?through state； switching loss

0 ?引 ?言

準(zhǔn)Z源逆變器（qZSI）于2008年由彭方正教授等人提出[1]，這一拓?fù)湓谀孀兤髦绷髂妇€嵌入一個電容[C1]和[C2、]電感[L1]和[L2]及二極管D1組成的阻抗網(wǎng)絡(luò)，從而使得逆變器不僅可以實現(xiàn)單級升壓和DC?AC功率轉(zhuǎn)換，而且逆變器同一橋臂的上下開關(guān)器件同時導(dǎo)通而不損壞成為可能，增強(qiáng)了開關(guān)器件的可靠性，無需死區(qū)則減小了交流輸出諧波[2?3]。

準(zhǔn)Z源逆變器自提出以來，已有許多針對其直通升壓與調(diào)制策略的研究，包括基于載波的正弦脈寬調(diào)制 （SPWM）[1，4?6]和基于電壓矢量概念的空間矢量調(diào)制 （SVM）[7?8]。盡管各種調(diào)制方法所依賴的控制理念不同，但共同目的都是在滿足升壓條件的基礎(chǔ)上，得到盡可能大的逆變器調(diào)制指數(shù)和盡可能低的開關(guān)電壓應(yīng)力，從而減小諧波含量，提高輸出交流電壓、電流的質(zhì)量。SPWM控制準(zhǔn)Z源逆變器時，逆變橋各開關(guān)管在每個控制周期都產(chǎn)生兩次直通狀態(tài)，這就導(dǎo)致大量附加的開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。SVM 技術(shù)具有控制效果好、直流電壓利用率高、控制靈活等特點，是一種綜合性能最優(yōu)的控制技術(shù)，但仍有減小開關(guān)損耗的空間。

1 ?準(zhǔn)Z源逆變器簡介

本文討論的qZSI拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。qZSI具有直通與非直通工作模式，其從直流端看進(jìn)去的等效電路如圖2所示。在直通狀態(tài)、直流電源和準(zhǔn)Z源電容同時給準(zhǔn)Z源電感充電，二極管承受反壓而截止，如圖2 （a） 所示。在非直通狀態(tài)，直流電源與準(zhǔn)Z源電感給負(fù)載和電容充電，二極管正向?qū)ǎ鐖D2（b）所示。據(jù)伏秒平衡原理，穩(wěn)態(tài)時電感兩端平均電壓為零，電容兩端平均電流為零，則有[9]：

[VC1=1-D1-2DVDCVC2=D1-2DVDC，VPN=11-2DVPV=BVDC] （1）

式中：[VDC]表示直流電源電壓，[VC1、][VC2]分別為準(zhǔn)Z 源電容[C1]與[C2]的電壓；[VPN]表示直流母線電壓峰值；D表示qZSI的直通占空比；B則代表其升壓因子。

且輸出交流負(fù)載電壓幅值為：

[vAC=12MVPN=12MBVDC] ? ? ? ? （2）

式中[M]表示調(diào)制因子。<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼33t1.tif>；

圖1 準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?/p>

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圖2 qZSI的等效電路

2 ?準(zhǔn)Z源逆變器的SPWM策略

經(jīng)典準(zhǔn)Z源逆變器的SPWM策略，按照升壓能力的不同，可分為三種：簡單升壓控制[1]、最大升壓控制[4]和最大恒直通升壓控制[5]。三種策略都通過在傳統(tǒng)電壓源逆變器的載波PWM中，加入直通參考與載波比較的方法來產(chǎn)生直通狀態(tài)，圖3以簡單升壓控制[1]為例說明。當(dāng)載波大于直通參考上限vp和三相調(diào)制波 （va*， vb*， vc*） 上包絡(luò)線，或者小于直通參考下限vn和三相調(diào)制波下包絡(luò)線時，三個橋臂同時導(dǎo)通，即產(chǎn)生直通狀態(tài)；當(dāng)載波處于直通參考波vp與vn之間時，開關(guān)切換方式與傳統(tǒng)SPWM方法相同。

然而，qZSI的最大直通占空比[Dmax]受到調(diào)制因子的限制，隨著調(diào)制指數(shù)的增加，可達(dá)到的直通占空比下降。如簡單升壓控制將[Dmax]限制在[（1-M），]當(dāng)[M]增大到1時，直通占空比減為0，此時，逆變器以傳統(tǒng)VSI運(yùn)行。

最大升壓控制在三種經(jīng)典控制中可達(dá)到的Dmax最大，為[1-33M2π。]而由式（1）和式（2）可見，qZSI的直通占空比越大，對直流電源的升壓能力也高。并且，幾種SPWM控制準(zhǔn)Z源級聯(lián)逆變器時，在每個控制周期中，各開關(guān)管有兩次直通動作，如圖3中開關(guān)信號所示，這就導(dǎo)致大量附加的開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。

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圖3 qZSI的簡單升壓控制

3 ?提出的qZSI減少開關(guān)動作的PWM策略

本文所提出的減少qZSI開關(guān)動作，進(jìn)而降低損耗的PWM策略如圖4所示。圖中，[uA，][uB]和[uC]分別為三相調(diào)制信號；[vC]為載波。其中，載波幅值在三個調(diào)制波的上包絡(luò)[ymax=max{uA，uB，uC}]與下包絡(luò)[ymin=][min{uA，uB，uC}] 之間變化。

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圖4 提出的減少開關(guān)動作的qZSI PWM策略

此外，本文定義一個比例因子λ，0.5<；λ<；1。直通參考量VP和VN分別定義為λ·ymax與λ·ymin，則可實現(xiàn)類似SPWM的簡單直通控制，當(dāng)載波大于VP或小于VN時，產(chǎn)生直通狀態(tài)，則ZS?HBI模塊的直通占空比可推導(dǎo)得：

[D=TshTs=1Ts0Tsymax-ymin-λ（ymax-ymin）ymax-ymindt=1-λ] （3）

圖4中[Sap]和[San]為qZSI的A相橋臂上、下開關(guān)管的導(dǎo)通、關(guān)斷控制信號。結(jié)合圖4可得，所提出的新型PWM策略的調(diào)制方式為：

（1） 當(dāng)某相調(diào)制信號為三相調(diào)制波[uA，][uB]和[uC]中最大時，如圖4中[uA]處于[π6～][5π6]扇區(qū)時，相應(yīng)的A相上橋臂開關(guān)管[Sap]一直導(dǎo)通而不進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，而下橋臂開關(guān)管[San]則僅在載波低于直通參考量下限[VN]時進(jìn)行直通轉(zhuǎn)換動作。

（2） 當(dāng)某相調(diào)制信號為三相調(diào)制波[uA，][uB]和[uC]中最小時，如[uA]處于[7π6～][11π6]扇區(qū)時，則[A]相的下橋臂開關(guān)管[San]一直導(dǎo)通而不進(jìn)行開關(guān)轉(zhuǎn)換，而上橋臂開關(guān)管[Sap]則在載波高于直通參考量上限[VP]時進(jìn)行直通動作。

（3） 當(dāng)某相調(diào)制信號處于[uA，][uB]和[uC]之間時，如[uA]在[0～π6，][5π6～][7π6]與[11π6～2π]扇區(qū)，則上下開關(guān)管以SPWM相同的調(diào)制方式，將載波與調(diào)制波和直通參考波比較進(jìn)行直通狀態(tài)與有效狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

從圖4 的調(diào)制策略可見，一個基波周期中每個開關(guān)管的動作可分為三段。其中，有[2π3]區(qū)段無開關(guān)轉(zhuǎn)換動作，[2π3]區(qū)段僅直通轉(zhuǎn)換（ST），其余[2π3]區(qū)段為直通和有效矢量調(diào)制（ST &； PWM）。從而，在所提出的這一新型PWM策略下，準(zhǔn)Z源逆變器開關(guān)管的動作次數(shù)大大減小，相應(yīng)地降低開關(guān)損耗。特別地，當(dāng)直通占空比為零時，即無直通動作，每個開關(guān)將有[4π3]區(qū)段無任何開關(guān)動作，即[23]開關(guān)減少量，有利于進(jìn)一步減少系統(tǒng)的開關(guān)轉(zhuǎn)換動作。

4 ?仿真與實驗驗證

在Matlab/Simulink搭建如圖1所示的qZSI系統(tǒng)，對提出的新型PWM策略進(jìn)行仿真驗證。qZSI輸出帶10 mH，10 Ω的阻感負(fù)載，仿真與實驗結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

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圖5 提出的qZSI減少開關(guān)動作的PWM策略

在D=0.167時仿真結(jié)果

圖5，圖7分別為在所提出的qZSI減少開關(guān)動作的PWM策略下，直流電源電壓與直流母線電壓、A相橋臂上、下開關(guān)管電壓，以及三相負(fù)載電流在直通占空比為0.167和無直通動作時的情況。圖6所示為直通占空比為0.167時，A相橋臂上、下開關(guān)器件控制信號。

由圖3、圖5（b）、（c）及圖6可見，有直通動作時，上、下橋臂開關(guān)管均有1/3 基波周期無開關(guān)動作。而無直通動作時，上、下橋臂開關(guān)器件有2/3基波周期無開關(guān)動作，如圖7（b）和圖7（c）所示，B、C相橋臂開關(guān)器件具有類似的結(jié)果。而即使基波周期中存在無開關(guān)轉(zhuǎn)換的區(qū)段，也不影響負(fù)載電流的正弦度，如圖5（d）和7（d）所示。

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圖6 A相橋臂上、下開關(guān)器件控制信號

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圖7 提出的qZSI減少開關(guān)動作的

PWM策略在D=0時仿真結(jié)果

并且，由式（2）與圖5（a）可得，qZSI的直流母線電壓經(jīng)0.167的直通占空比將100 V直流電源電壓升高到了理論計算值150 V。

由仿真與實驗結(jié)果可得出，無論是否有直通狀態(tài)，在所提出的PWM策略下，每個qZSI開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換動作均比SPWM 控制時少，即開關(guān)損耗減少；同時，仿真與實驗結(jié)果與理論分析一致。

此外，圖8所示為qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果。由圖8（a）與圖5（a）可見，兩種方法均將100 V直流輸入電壓升高到150 V。對比圖8與圖5（b），圖5（c），圖7（b），圖7（c）可得，在SPWM策略控制時，qZSI的各開關(guān)管在整個基本周期都進(jìn)行開關(guān)切換；而所提出的新型PWM策略，則不論是否有直通動作都減少了開關(guān)動作，并且不影響負(fù)載電流，如圖5（d），圖7（d）及圖8（d）所示。

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圖8 qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果

5 ?結(jié) ?論

本文提出了一種qZSI的減少開關(guān)動作的PWM策略。利用變化的載波幅值，使得每個基波周期中，各開關(guān)管都存在無開關(guān)轉(zhuǎn)換的動作，從而大大減少系統(tǒng)開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。對所提出的方法與SPWM策略進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，提出的新型調(diào)制策略使得qZSI的各橋臂開關(guān)管在有直通時均有1/3 基波周期無開關(guān)動作，無直通時也可減少2/3的開關(guān)動作，而不影響負(fù)載電流正弦度，驗證了所提出方法的正確性與優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

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[9] 李媛，彭方正.Z源/qZ源逆變器在光伏并網(wǎng)系統(tǒng)中的電容電壓恒壓控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報，2011，26（5）：62?69.

由仿真與實驗結(jié)果可得出，無論是否有直通狀態(tài)，在所提出的PWM策略下，每個qZSI開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換動作均比SPWM 控制時少，即開關(guān)損耗減少；同時，仿真與實驗結(jié)果與理論分析一致。

此外，圖8所示為qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果。由圖8（a）與圖5（a）可見，兩種方法均將100 V直流輸入電壓升高到150 V。對比圖8與圖5（b），圖5（c），圖7（b），圖7（c）可得，在SPWM策略控制時，qZSI的各開關(guān)管在整個基本周期都進(jìn)行開關(guān)切換；而所提出的新型PWM策略，則不論是否有直通動作都減少了開關(guān)動作，并且不影響負(fù)載電流，如圖5（d），圖7（d）及圖8（d）所示。

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圖8 qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果

5 ?結(jié) ?論

本文提出了一種qZSI的減少開關(guān)動作的PWM策略。利用變化的載波幅值，使得每個基波周期中，各開關(guān)管都存在無開關(guān)轉(zhuǎn)換的動作，從而大大減少系統(tǒng)開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。對所提出的方法與SPWM策略進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，提出的新型調(diào)制策略使得qZSI的各橋臂開關(guān)管在有直通時均有1/3 基波周期無開關(guān)動作，無直通時也可減少2/3的開關(guān)動作，而不影響負(fù)載電流正弦度，驗證了所提出方法的正確性與優(yōu)勢。

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由仿真與實驗結(jié)果可得出，無論是否有直通狀態(tài)，在所提出的PWM策略下，每個qZSI開關(guān)器件的轉(zhuǎn)換動作均比SPWM 控制時少，即開關(guān)損耗減少；同時，仿真與實驗結(jié)果與理論分析一致。

此外，圖8所示為qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果。由圖8（a）與圖5（a）可見，兩種方法均將100 V直流輸入電壓升高到150 V。對比圖8與圖5（b），圖5（c），圖7（b），圖7（c）可得，在SPWM策略控制時，qZSI的各開關(guān)管在整個基本周期都進(jìn)行開關(guān)切換；而所提出的新型PWM策略，則不論是否有直通動作都減少了開關(guān)動作，并且不影響負(fù)載電流，如圖5（d），圖7（d）及圖8（d）所示。

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圖8 qZSI的SPWM策略在D=0.167時仿真結(jié)果

5 ?結(jié) ?論

本文提出了一種qZSI的減少開關(guān)動作的PWM策略。利用變化的載波幅值，使得每個基波周期中，各開關(guān)管都存在無開關(guān)轉(zhuǎn)換的動作，從而大大減少系統(tǒng)開關(guān)動作，即開關(guān)損耗。對所提出的方法與SPWM策略進(jìn)行了比較，仿真結(jié)果表明，提出的新型調(diào)制策略使得qZSI的各橋臂開關(guān)管在有直通時均有1/3 基波周期無開關(guān)動作，無直通時也可減少2/3的開關(guān)動作，而不影響負(fù)載電流正弦度，驗證了所提出方法的正確性與優(yōu)勢。

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