基于MATLAB的改進型Z源逆變器

李珍

[摘? ?要]Z源逆變器（ZSI）電路與傳統的逆變器電路相比，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變，而且各橋臂相互之間無比較明顯的死區時間，因而ZSI的可靠性較有保障。傳統的ZSI的升壓能力并不強，其自身電壓應力也比較大。而改進型ZSI不只是增高其升壓水平，也減小了電路的電壓應力，進而提高波形質量，最后通過MATLAB仿真驗證了相關推導情況。

[關鍵詞]MATLAB;Z源逆變器;升壓能力;電容電壓應力;SVPWM

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

Z源逆變器（ZSI）是21世紀初推出的新型逆變器，現在此結構得到了越來越多的關注。ZSI電路和傳統的逆變器電路相比有所不同，ZSI電路能夠完成其直流側的電壓升高，ZSI橋臂可運行在直通態，故不用在控制信號里加上死區時間，所以該結構輸出電壓的波形毛刺少，可靠穩定。

不過ZSI也不是完美的電路：通常其自身的升壓能力不夠強;升壓應力較大，啟動沖擊比較明顯;直流電壓效率較低。本文提出的改進型ZSI可以得到更大的調制參數，進而實現提高升壓能力、減小電壓應力的電路結構，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

傳統的ZSI電路如圖1所示，其結構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，中間就構造成了無源電路網絡，進而組成了L-C阻抗源。ZSI電路結構除了8種運行狀態，還有一種直通運行狀態，也就是同一橋中的兩個開關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短路情況，且利用其直通時的零矢量狀態完成了直流電壓的增大。

通過參考文獻[1]可知，直流電源側的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。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ZSI電路的調制因子為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結構輸出電壓是否能夠增大，主要根據B來調節，不過要想獲得比較理想的波形質量，其直通運行態要調到ZSI電路開始的零狀態，因而直接導通時間非常快，阻止了拓撲更高的升壓可能性。

二、改進型Z源逆變器

圖2所示為改進型Z源逆變器，此改進型拓撲結構由四個電感（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是第一個阻抗源網絡，L3、C3和L4 、C4是第二個阻抗源網絡。

1.運行狀態

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分析。

（1）非直接導通運行時：ZSI的各個橋臂處于導通運行的情況，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;這時根據感性器件L4、L3的反向運行電壓特性，使得橋二極管D2、Dl不通，運行在關斷狀態，而直流側的電源主要依據感性器件給電容完成充電，而且也給負載端提供電能。由此可知，電路要想得到更大的電壓放大效果，拓撲結構的感性器件量要求越高。

（2）直接導通運行時：與非直通運行狀態不同，如圖3（b）所示，直流側負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，當電路處于開通運行狀態時，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，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，電路就相當于處于斷開狀態，如果不考慮UC其他因素，上下兩個橋臂的各個電容C相當于電源，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，兩個阻抗源網絡對稱，由圖3（b）可看出

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

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

當ZSI電路工作在非直接導通情況時，UL3-OFF跟L1的電壓對應，而UL1-OFF時對應著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為調制系數，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的值受調制系數M的限制

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

三、Z源逆變器的SVPWM調制技術

ZSI的空間矢量脈寬調制技術是從普通PWM改進而來的，通過用直接開通零矢量實現對普通零矢量的更換，以此方法來完成Z源拓撲電路的驅動。該驅動方法效率高，能輸出質量更好的波形。

SVPWM驅動方法根據ZSI的上下各個橋的SW開關完成驅動，通過驅動各個SW開通與關斷的時序，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進行組合，不斷地朝向設定好的參考Uref數值。通過將這幾種不同的矢量SVPWM進行不同排列衍生出新的矢量，如圖4（a）所示，根據產生的新的矢量，對其進行排列，能夠得到一個近似圓形的正六邊形。就本文所述的SVPWM驅動方法而言，通過用直接導通零矢量更換部分U8和U7，或者對其中一部分進行更換，就可實現上述逆變拓撲的SVPWM驅動。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各個橋的導通與關斷情況。這就是ZSI的空間SVPWM調制方法。

四、ZSI的MATLAB仿真

本文根據ZSI電路結構分析以及改進的ZSI推算過程，通過MATLAB軟件進行ZSI電路在矢量方法驅動下，完成了分析驗證。其中具體數值設置如下：ZSI各個橋臂開通與關斷頻率f=10 kHz，ZSI的調制系數M=0.9，直流側Udc=380 V，直接開通矢量占空比D0=0.4，ZSI結構的L-C阻抗電路參數視拓撲來設置。

五、結論

本文在傳統Z源逆變器的基礎上，提出一種改進型Z源逆變器結構，改進了ZSI的部分問題，并仔細地推導了其具體運行情況。設置為一樣的開通與關斷頻率時，調制系數更好，所以參數B高，增大了電壓水平，該拓撲成本略有提高。最后，運用MATLAB仿真驗證了推導情況。

[? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?]

[1]? 湯雨，謝少軍，張超華. 改進型Z源逆變器[J].中國電機工程學報，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.

（責任編輯? ? 周侯辰）