一种准Z源逆变器减少开关动作的脉冲宽度调制

刘钰鹏,翟庆志,孙雪

摘  要： 准Z源逆变器（qZSI）的正弦脉冲宽度调制（SPWM），将直通状态插入到传统零矢量与有效矢量之间，然而每个控制周期都有两次直通状态，导致大量附加的开关动作，即开关损耗。研究一种利用变载波幅值，从而减少基波周期中各开关管平均开关转换动作的qZSI的PWM策略，以降低开关损耗。在Matlab/Simulink仿真环境下建立仿真模型，验证提出的PWM策略，并与SPWM相比较。

关键词： 准Z源逆变器； 脉冲宽度调制； 直通状态； 开关损耗

中图分类号： TN786.1?34； TM921           文献标识码： A                        文章编号： 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

准Z源逆变器（qZSI）于2008年由彭方正教授等人提出[1]，这一拓扑在逆变器直流母线嵌入一个电容[C1]和[C2、]电感[L1]和[L2]及二极管D1组成的阻抗网络，从而使得逆变器不仅可以实现单级升压和DC?AC功率转换，而且逆变器同一桥臂的上下开关器件同时导通而不损坏成为可能，增强了开关器件的可靠性，无需死区则减小了交流输出谐波[2?3]。

准Z源逆变器自提出以来，已有许多针对其直通升压与调制策略的研究，包括基于载波的正弦脉宽调制 （SPWM）[1，4?6]和基于电压矢量概念的空间矢量调制 （SVM）[7?8]。尽管各种调制方法所依赖的控制理念不同，但共同目的都是在满足升压条件的基础上，得到尽可能大的逆变器调制指数和尽可能低的开关电压应力，从而减小谐波含量，提高输出交流电压、电流的质量。SPWM控制准Z源逆变器时，逆变桥各开关管在每个控制周期都产生两次直通状态，这就导致大量附加的开关动作，即开关损耗。SVM 技术具有控制效果好、直流电压利用率高、控制灵活等特点，是一种综合性能最优的控制技术，但仍有减小开关损耗的空间。

1  准Z源逆变器简介

本文讨论的qZSI拓扑结构如图1所示。qZSI具有直通与非直通工作模式，其从直流端看进去的等效电路如图2所示。在直通状态、直流电源和准Z源电容同时给准Z源电感充电，二极管承受反压而截止，如图2 （a） 所示。在非直通状态，直流电源与准Z源电感给负载和电容充电，二极管正向导通，如图2（b）所示。据伏秒平衡原理，稳态时电感两端平均电压为零，电容两端平均电流为零，则有[9]：

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

式中：[VDC]表示直流电源电压，[VC1、][VC2]分别为准Z 源电容[C1]与[C2]的电压；[VPN]表示直流母线电压峰值；D表示qZSI的直通占空比；B则代表其升压因子。

且输出交流负载电压幅值为：

[vAC=12MVPN=12MBVDC]         （2）

式中[M]表示调制因子。<；E：＼2014年23期＼2014年23期＼Image＼33t1.tif>；

图1 准Z源逆变器拓扑

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图2 qZSI的等效电路

2  准Z源逆变器的SPWM策略

经典准Z源逆变器的SPWM策略，按照升压能力的不同，可分为三种：简单升压控制[1]、最大升压控制[4]和最大恒直通升压控制[5]。三种策略都通过在传统电压源逆变器的载波PWM中，加入直通参考与载波比较的方法来产生直通状态，图3以简单升压控制[1]为例说明。当载波大于直通参考上限vp和三相调制波 （va*， vb*， vc*） 上包络线，或者小于直通参考下限vn和三相调制波下包络线时，三个桥臂同时导通，即产生直通状态；当载波处于直通参考波vp与vn之间时，开关切换方式与传统SPWM方法相同。

然而，qZSI的最大直通占空比[Dmax]受到调制因子的限制，随着调制指数的增加，可达到的直通占空比下降。如简单升压控制将[Dmax]限制在[（1-M），]当[M]增大到1时，直通占空比减为0，此时，逆变器以传统VSI运行。

最大升压控制在三种经典控制中可达到的Dmax最大，为[1-33M2π。]而由式（1）和式（2）可见，qZSI的直通占空比越大，对直流电源的升压能力也高。并且，几种SPWM控制准Z源级联逆变器时，在每个控制周期中，各开关管有两次直通动作，如图3中开关信号所示，这就导致大量附加的开关动作，即开关损耗。

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图3 qZSI的简单升压控制

3  提出的qZSI减少开关动作的PWM策略

本文所提出的减少qZSI开关动作，进而降低损耗的PWM策略如图4所示。图中，[uA，][uB]和[uC]分别为三相调制信号；[vC]为载波。其中，载波幅值在三个调制波的上包络[ymax=max{uA，uB，uC}]与下包络[ymin=][min{uA，uB，uC}] 之间变化。

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图4 提出的减少开关动作的qZSI PWM策略

此外，本文定义一个比例因子λ，0.5<；λ<；1。直通参考量VP和VN分别定义为λ·ymax与λ·ymin，则可实现类似SPWM的简单直通控制，当载波大于VP或小于VN时，产生直通状态，则ZS?HBI模块的直通占空比可推导得：

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

图4中[Sap]和[San]为qZSI的A相桥臂上、下开关管的导通、关断控制信号。结合图4可得，所提出的新型PWM策略的调制方式为：

（1） 当某相调制信号为三相调制波[uA，][uB]和[uC]中最大时，如图4中[uA]处于[π6～][5π6]扇区时，相应的A相上桥臂开关管[Sap]一直导通而不进行开关转换，而下桥臂开关管[San]则仅在载波低于直通参考量下限[VN]时进行直通转换动作。

（2） 当某相调制信号为三相调制波[uA，][uB]和[uC]中最小时，如[uA]处于[7π6～][11π6]扇区时，则[A]相的下桥臂开关管[San]一直导通而不进行开关转换，而上桥臂开关管[Sap]则在载波高于直通参考量上限[VP]时进行直通动作。

（3） 当某相调制信号处于[uA，][uB]和[uC]之间时，如[uA]在[0～π6，][5π6～][7π6]与[11π6～2π]扇区，则上下开关管以SPWM相同的调制方式，将载波与调制波和直通参考波比较进行直通状态与有效状态的转换。

从图4 的调制策略可见，一个基波周期中每个开关管的动作可分为三段。其中，有[2π3]区段无开关转换动作，[2π3]区段仅直通转换（ST），其余[2π3]区段为直通和有效矢量调制（ST &； PWM）。从而，在所提出的这一新型PWM策略下，准Z源逆变器开关管的动作次数大大减小，相应地降低开关损耗。特别地，当直通占空比为零时，即无直通动作，每个开关将有[4π3]区段无任何开关动作，即[23]开关减少量，有利于进一步减少系统的开关转换动作。

4  仿真与实验验证

在Matlab/Simulink搭建如图1所示的qZSI系统，对提出的新型PWM策略进行仿真验证。qZSI输出带10 mH，10 Ω的阻感负载，仿真与实验结果分别如图5～图7所示。

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图5 提出的qZSI减少开关动作的PWM策略

在D=0.167时仿真结果

图5，图7分别为在所提出的qZSI减少开关动作的PWM策略下，直流电源电压与直流母线电压、A相桥臂上、下开关管电压，以及三相负载电流在直通占空比为0.167和无直通动作时的情况。图6所示为直通占空比为0.167时，A相桥臂上、下开关器件控制信号。

由图3、图5（b）、（c）及图6可见，有直通动作时，上、下桥臂开关管均有1/3 基波周期无开关动作。而无直通动作时，上、下桥臂开关器件有2/3基波周期无开关动作，如图7（b）和图7（c）所示，B、C相桥臂开关器件具有类似的结果。而即使基波周期中存在无开关转换的区段，也不影响负载电流的正弦度，如图5（d）和7（d）所示。

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图6 A相桥臂上、下开关器件控制信号

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图7 提出的qZSI减少开关动作的

PWM策略在D=0时仿真结果

并且，由式（2）与图5（a）可得，qZSI的直流母线电压经0.167的直通占空比将100 V直流电源电压升高到了理论计算值150 V。

由仿真与实验结果可得出，无论是否有直通状态，在所提出的PWM策略下，每个qZSI开关器件的转换动作均比SPWM 控制时少，即开关损耗减少；同时，仿真与实验结果与理论分析一致。

此外，图8所示为qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果。由图8（a）与图5（a）可见，两种方法均将100 V直流输入电压升高到150 V。对比图8与图5（b），图5（c），图7（b），图7（c）可得，在SPWM策略控制时，qZSI的各开关管在整个基本周期都进行开关切换；而所提出的新型PWM策略，则不论是否有直通动作都减少了开关动作，并且不影响负载电流，如图5（d），图7（d）及图8（d）所示。

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图8 qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果

5  结  论

本文提出了一种qZSI的减少开关动作的PWM策略。利用变化的载波幅值，使得每个基波周期中，各开关管都存在无开关转换的动作，从而大大减少系统开关动作，即开关损耗。对所提出的方法与SPWM策略进行了比较，仿真结果表明，提出的新型调制策略使得qZSI的各桥臂开关管在有直通时均有1/3 基波周期无开关动作，无直通时也可减少2/3的开关动作，而不影响负载电流正弦度，验证了所提出方法的正确性与优势。

参考文献

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[2] 蔡春伟，曲延滨，盛况.增强型Z源逆变器[J].中国电机工程学报，2011（31）：259?266.

[3] LI Y， JIANG S， CINTRON?RIVERA J， et al. Modeling and control of quasi?Z?source inverter for distributed generation applications [J]. IEEE Transactions on Ind. Electronics， 2013， 60 （4）： 1532?1541.

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[8] TANG Yu， XIE Shao?jun， DING Jiu?dong. Pulse width modulation of Z?source inverters with minimum inductor current ripple [J]. IEEE Transactions on Ind. Electronics， 2014， 61 （1）： 98?106.

[9] 李媛，彭方正.Z源/qZ源逆变器在光伏并网系统中的电容电压恒压控制策略[J].电工技术学报，2011，26（5）：62?69.

由仿真与实验结果可得出，无论是否有直通状态，在所提出的PWM策略下，每个qZSI开关器件的转换动作均比SPWM 控制时少，即开关损耗减少；同时，仿真与实验结果与理论分析一致。

此外，图8所示为qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果。由图8（a）与图5（a）可见，两种方法均将100 V直流输入电压升高到150 V。对比图8与图5（b），图5（c），图7（b），图7（c）可得，在SPWM策略控制时，qZSI的各开关管在整个基本周期都进行开关切换；而所提出的新型PWM策略，则不论是否有直通动作都减少了开关动作，并且不影响负载电流，如图5（d），图7（d）及图8（d）所示。

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图8 qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果

5  结  论

本文提出了一种qZSI的减少开关动作的PWM策略。利用变化的载波幅值，使得每个基波周期中，各开关管都存在无开关转换的动作，从而大大减少系统开关动作，即开关损耗。对所提出的方法与SPWM策略进行了比较，仿真结果表明，提出的新型调制策略使得qZSI的各桥臂开关管在有直通时均有1/3 基波周期无开关动作，无直通时也可减少2/3的开关动作，而不影响负载电流正弦度，验证了所提出方法的正确性与优势。

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[9] 李媛，彭方正.Z源/qZ源逆变器在光伏并网系统中的电容电压恒压控制策略[J].电工技术学报，2011，26（5）：62?69.

由仿真与实验结果可得出，无论是否有直通状态，在所提出的PWM策略下，每个qZSI开关器件的转换动作均比SPWM 控制时少，即开关损耗减少；同时，仿真与实验结果与理论分析一致。

此外，图8所示为qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果。由图8（a）与图5（a）可见，两种方法均将100 V直流输入电压升高到150 V。对比图8与图5（b），图5（c），图7（b），图7（c）可得，在SPWM策略控制时，qZSI的各开关管在整个基本周期都进行开关切换；而所提出的新型PWM策略，则不论是否有直通动作都减少了开关动作，并且不影响负载电流，如图5（d），图7（d）及图8（d）所示。

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图8 qZSI的SPWM策略在D=0.167时仿真结果

5  结  论

本文提出了一种qZSI的减少开关动作的PWM策略。利用变化的载波幅值，使得每个基波周期中，各开关管都存在无开关转换的动作，从而大大减少系统开关动作，即开关损耗。对所提出的方法与SPWM策略进行了比较，仿真结果表明，提出的新型调制策略使得qZSI的各桥臂开关管在有直通时均有1/3 基波周期无开关动作，无直通时也可减少2/3的开关动作，而不影响负载电流正弦度，验证了所提出方法的正确性与优势。

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