一种增强型Z源逆变器的研究

周亚星，龙永红，李军军，黄林森

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

一种增强型Z源逆变器的研究

周亚星，龙永红，李军军，黄林森

（湖南工业大学电气与信息工程学院，湖南株洲412007）

针对在低功率因数以及Z源电感值较小的情况下，Z源逆变器二极管电流断续引起的直流链电压畸变的问题，研究了一种电容辅助增强型准Z源逆变器。深入分析Z源逆变器非正常工作状态产生的原因，利用Matlab/Simulink对电容辅助增强型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器进行仿真分析。仿真结果表明，在低功率因素及Z源电感值较小的运行条件下，该增强型Z源逆变器可较好地解决直流链电压畸变的问题，有效改善逆变器输出电压的质量，简化Z源电感的设计。

准Z源逆变器；低功率因数；电容辅助增强型

0 引言

目前，DC/AC功率变换技术主要基于2种逆变器拓扑：电压源逆变器和电流源逆变器[1]。这2种逆变器的局限性在于：

1）无论采取何种控制策略，电压源逆变器的输出电压只能低于其直流母线电压，电流源逆变器的输出电压只能高于其直流母线电压，因而不适合输入电压变化范围较大的场合；

2）由于电磁干扰等原因造成的上下管直通或者误关断都会损坏器件，因而需要设置死区时间。

2003年彭方正教授提出了一种Z源逆变器[1]。该逆变器为功率变换提供了一种新的逆变器拓扑，其具有以下优点：1）利用X 型LC 网络能够单级实现升降压；2）无需设置死区时间，消除了逆变器死区时间带来的输出噪声；3）同桥臂直通成为常态，增加了逆变器的抗干扰能力。近几年，国内外学者致力于从不同方面研究Z源逆变器。文献[2-3]针对传统Z 源电容电压应力较大和输入电流断续的问题，提出了几种准Z 源逆变器。文献[4-6]对Z源逆变器在轻载或Z源电感较小情况下运行时存在的局限性进行了详细地分析，并提出了2种改进方案：一种是增大Z源电感值，另一种是用一个可控型器件取代二极管。但上述方法要么牺牲了逆变器在满载下的效率，要么增加了系统成本，且上述文献都未对Z源逆变器在负载低功率因数下的工作状态进行分析。

针对有关Z源逆变器已有研究的不足，本文研究了一种电容辅助增强型准Z源逆变器[7]。详细分析了Z源逆变器产生非正常工作状态的原因及临界条件，仿真分析了电容辅助增强型准Z源逆变器和Z源逆变器在负载低功率因数以及Z源电感较小时的工作状态。本文对解决传统Z源直流链电压畸变的问题做了一些有意义的研究工作。

1 负载低功率因数下准Z源逆变器非正常工作状态分析

减少电容电压应力的准Z源逆变器[2]的主电路如图 1 所示。

图1 准Z源逆变器的主电路拓扑结构Fig.1Main circuit topology of qusai-Z-source inverter

电路处于负载低功率因数时，将出现非正常工作状态。在有效矢量时，电路的非正常工作状态不同于在轻载或Z源电感较小情况下的。电路会出现3种不同的有效矢量工作状态，如图2所示。

图2 准Z源逆变器处于低功率因数下的等效电路Fig.2Equivalent circuits of qusai-Z-source inverter with low power factor

1）状态1

状态1中，电路处于有效矢量状态，且电感电流iL满足iL＞ii，其中ii为负载瞬时电流。此时，电感向电容充电，电容的充电电流为iL-ii，经过二极管的电流为

二极管导通，Z源电感的电压为

式中，VC1和VC2为Z源电容的电压。

假设一个开关周期内电容电压稳定，则电感电流将线性下降。

2）状态2

状态2中，电路处于有效矢量状态，且电感电流满足ii2＜iL＜ii。此时，Z源电容将处于放电状态，电容的充电电流为ii-iL，经过二极管的电流仍然满足式（1），二极管处于导通状态，Z源电感的电压满足式（2），电感电流将线性下降。

3）状态3

电路从零矢量状态进入有效矢量状态，或者从一种有效矢量状态进入另一种有效矢量状态时，由于逆变器电流的阶跃变化，电感电流满足iL＜ii2，此时，二极管电流为

二极管处于截止状态。由于Z源逆变器的最大输出电流为2iL，逆变器IGBT并联的二极管将被迫导通，以给负载电感电流提供通路，这相当于Z源逆变器输出短路。与直通零状态相似，Z源电感电流将线性上升。这种状态将持续到Z源电感电流上升到iL＞ii2，或者进入下一个传统零矢量状态。

状态3主要出现在负载功率因数较低的情况下。在有效矢量时，逆变桥的输入直流电压跌落为零，极大地影响了逆变器输出交流电压的质量。下面将分析该状态出现的临界条件。假设Z源逆变器为三相LR负载，输出功率为[4]

式中：M为调制比；Vin为Z源输入电压；Z为负载阻抗；D为直通占空比；Rload为负载电阻；B为直流升压因子；cos为负载功率因数。

Z源电感电流等于Z源二极管流过的平均电流，根据功率平衡有

式中，iLDC为电感电流的直流分量。

电感电流iL的高频载波为三角形。逆变桥处于有效矢量时，其输入电流峰值为输出交流相电流峰值。因此，逆变桥二极管VD的电流不断续条件是

式中：fs为逆变器的开关频率；L为Z源电感。

由式（7）～（8）可知，当负载较轻、Z源电感值L较小以及负载功率因数较低时，式（7）将不再成立，因而出现Z源网络二极管电流断续而引起直流链电压跌落；传统准Z源网络的最大输出瞬时电流只有电感电流iL的2倍。当负载低功率因数时，Z源电感电流iL减小，不论Z源电感L值取多大（忽略ΔiL对电路的影响），电路都将出现非正常工作状态。

2 电容辅助增强型准Z源逆变器

本文研究了文献[7]中所提的一种电容级联的电容辅助增强型准Z源逆变器。该逆变器可以较好地克服电路在负载低功率因数以及Z源电感值较小情况下出现直流链电压跌落的缺陷。该电路拓扑结构如图3所示。

图3 电容辅助式增强型准Z源逆变器拓扑结构Fig.3The capacitor-assisted enhanced qusai-Z-source inverter topology

从主电路的开关状态来看，电容辅助增强型准Z源逆变器拓扑的工作原理与传统Z源逆变器的一样。其直流链峰值电压可表示为

从式（9）可以看出，在相同直通占空比D下，本电路相比于传统Z源拓扑具有更强的升压能力，其电容电压仅为准Z源网络电容电压的一半，从而可以减少电压应力。

当电路处于有效矢量状态时，其等效电路如图4所示。

图4 增强型准Z源逆变器处于有效矢量下的等效电路Fig.4Equivalent circuit of the enhanced qusai-Z-source inverter under active vector

有效矢量状态下，逆变器可以用电流源代替，二极管导通，电感L1, L2, L3, L4串联，分别向电容C1, C2和 C3, C4和 C5, C6和负载供电。当负载电流瞬时值较大时，Z源电容可能由充电状态转为放电状态。此时，C1, C2, C3, C4, C5, C6同时向负载供电，Z源输出电流为

由上式可知，二极管导通的条件为

式（11）可化为

对比式（6）和（11）可以看出，电容辅助增强型Z源逆变器的输出电流可以达到Z源电感的瞬时电流iL的4倍。相比于传统准Z源逆变器，电容辅助增强型Z源逆变器具有更宽的稳定工作范围，允许负载工作在更低的功率因数以及ΔiL更大的情况下，因此，设计的Z源电感值可以较小。

电容辅助增强型准Z源拓扑是利用电容级联Z源网络，使得逆变器直流升压增益增大，减少了Z源电容电压应力，可以工作在负载低功率因数的场合，同时通过耦合电感可以改善Z源电感电流纹波。不足的是，在直通状态时，流过逆变桥的电流成倍增加，逆变桥开关应力加大，同时要求的器件数增加，使得成本增加。

3 仿真分析

为了验证上文的理论分析，将电容辅助增强型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器在开环方式下的运行状况进行对比仿真研究。其具体仿真参数设置如下：系统输入电压Vin=100 V；直通占空比D分别为0.05和0.10；调制比M为0.9。 因此，直流链峰值电压VPN为

在负载低功率因数下的仿真，电容辅助增强型Z源和传统准Z源网络参数均设置为：电容C=2 200F，电感L=1 000H，载波频率fs=13.3 Hz。三相负载参数为：Lload=500H，Rload=0.2Ω。

在Z源电感较小下的仿真，电容辅助增强型Z源和传统准Z源网络参数均设置为电容C=2 200F，载波频率fs=23.6 Hz。三相负载参数为：Lload=1 000H，Rload=10Ω，频率fload为50 Hz。

图5是电容辅助增强型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的直流链电压仿真结果图。由图a可知，当Z源电感值较小（L=60H）时，在非直通状态，传统准Z源逆变器的直流链电压出现电压跌落现象，而增强型准Z源逆变器正常工作。由图b可知，当负载功率因数较低（cos=0.3）时，在非直通状态，传统准Z源逆变器的直流链电压出现电压畸变现象，且由于这种现象还导致了附加的直通状态，使得直流链电压升高（传统准Z源逆变器的直流链电压接近250 V），而增强型准Z源逆变器消除了直流链电压畸变现象，直流链电压接近理论计算值125 V。

图5 准Z源和电容辅助增强型准Z源逆变器的直流链电压波形Fig.5DC-link voltage waveforms for qZSI and capacitor-assisted enhanced qZSI

图6～7是电容辅助增强型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器的输出交流电压的谐波图。由图可知，在负载功率因数较高或者Z源电感值较大时，电容辅助增强型Z源逆变器和传统准Z源逆变器具有相同的输出交流电压谐波；随着负载低功率因数或者Z源电感值不断减小，有效状态时，传统准Z源逆变器的直流链电压出现畸变，使得逆变器的输出交流电压总畸变率（total harmonic distortion，THD）明显高于电容辅助增强型Z源逆变器，其中， 5次和7次谐波占基波百分比明显增大；当Z源电感 L＜50 mH（此时，三相负载Lload=1 000H，Rload=10Ω，fload=50 Hz）或者负载功率因数 cos＜0.19（升压比G=1.25）时，电容辅助增强型Z源逆变器直流链电压出现小范围跌落，但通过THD分析可以看出，逆变器的输出交流电压总畸变率变化不大。通过不同参数下的对比仿真结果表明，电容辅助增强型Z源逆变器相比传统准Z源逆变器的稳定工作范围更宽。

图6 Z源低电感时输出电压谐波分析图Fig.6Harmonic analysis of the output voltage at small Z-source inductance

图7 负载低功率因数时输出电压谐波分析图Fig.7Harmonic analysis of the output voltage with low power factor

4 结语

在低功率因数及低电感条件下，对电容辅助增强型准Z源逆变器和传统准Z源逆变器进行仿真分析可知，该增强型逆变器能输出更高的Z源电感瞬时电流，且稳定的工作范围更宽；其能更好地运行在低功率因数及低电感条件下，解决了传统Z源直流链电压畸变的问题，有效改善逆变器的输出电压质量；其具有更强的升压能力，且Z源电感的设计值明显减小，因此，电容辅助增强型准Z源逆变器相比于传统准Z源逆变器具有一定优势。本文为Z源逆变器的设计和应用提供了借鉴。

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[2]Anderson J，Peng Fangzheng. Four Quasi-Z-Source Inverters[C]//2008 Power Electronics Specialists Conference. Rhodes：IEEE，2008：2743-2749.

[3]Tang Yu，Xie Shaojun，Zhang Chaohua，et al. Improved Z-Source Inverter with Reduced Z-Source Capacitor Voltage Stress and Soft-Start Capability[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2009，24(2)：409-415.

[4]Shen Miaosen. Z-Source Inverter Design, Analysis, and Its Application in Fuel Cell Vehicles[D]. East Lansing：Michigan State University，2006．

[5]Shen Miaosen，Peng Fangzheng. Operation Modes and Characteristics of the Z-Source Inverter with Small Inductance[C]//Fourtieth IAS Annual Meeting. [S.l.]：IEEE，2005：1253-1260.

[6]Ding Xinping，Qian Zhaoming，Yang Shuitao，et al. A High-Performance Z-Source Inverter Operating with Small Inductor at Wide-Range Load[C]//Applied Power Electronics Conference. Anaheim：IEEE，2007：615-620.

[7]Gajanayake C J，Luo Fanglin，Gooi H B，et al. Extended-Boost Z-Source Inverters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(10)：2642-2652.

（责任编辑：邓彬）

Study on an Enhanced Z-Source Inverter

Zhou Yaxing ，Long Yonghong ，Li Junjun，Huang Linsen
（School of Electrical and Information Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou Hunan 412007，China）

In view of Z-source inverter diode current interruption resulting in DC link voltage distortion under the conditions of low power factor or small Z-source inductance value, studies a capacitor-assisted enhanced quasi-Z-source inverter (qZSI). Analyzes the cause of the Z-source inverter abnormal operating states and simulates the capacitor-assisted enhanced qZSI and the traditional qZSI by Matlab/Simulink. The results indicate that the proposed qZSI can better solve the problem of the DC link voltage distortion under the operating conditions of low power factor or small Z-source inductance value, and it improves the output voltage of Z-source inverter effectively and simplifies the inductor design.

quasi-Z-source inverter；low power factor；capacitor-assisted enhanced boost

TM464

A

1673-9833(2014)04-0041-05

10.3969/j.issn.1673-9833.2014.04.010

2014-03-02

湖南省高校科学研究基金资助项目（12C0055），湖南省自然科学省市联合基金资助项目（12JJ9042）

周亚星（1989-），男，湖南攸县人，湖南工业大学硕士生，主要研究方向为电力电子技术及应用，E-mail：731435703@qq.com