[科普中国]-Z源逆变器控制方法

Z源逆变器的提出

美国密歇根州立大学彭方正博士1提出的Z源逆变器，有效地克服了上述传统电压源和电流源逆变器的不足，为功率变换提供了一种新的思路和理论，通过引进一个X型交叉阻抗源网络，将逆变桥与电源藕合，其拓扑结构如图所示。

Z源逆变器凭借其自身拓扑的独特性可自由地工作在开关管断路或直通状态下，这为逆变电路根据需要来选择升/降压提供了一种新的机制。这种机制具有极大的灵活性1：

(1)Z源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。因此，与传统的电压源和电流源逆变器不同，Z源逆变器的直流电源可以为任意的，如电池、二极管整流器、晶闸管变流器、燃料电池堆、光伏阵列输入、电感、电容器或它们的组合。

(2)Z源逆变器的主电路既可为传统的电压源的形式，也可为传统的电流源的形式。Z源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合。既可以是传统电压源逆变器的反并联组合，也可以是传统电流源逆变器的串联组合。

(3)Z源逆变器的输出负载可为感性，也可以为容性。

Z源逆变器国内外的研究现状如今，对Z源逆变器的理论研究己取得了重大突破，其拓扑结构在AC/AC，AC/DC，DC/DC，DC/AC功率变换的应用前景也引起了国内外学者的广泛关注。因此，研究Z源逆变器就具有了很强的理论与实际意义。近年来，在Z源逆变器的新型拓扑结构,PWM脉冲宽度调制方法、建模控制及工作模式分析、应用领域源AC-AC变换器等方面展开了大量的研究。

对Z源逆变器的新型拓扑结构的研究，己有许多成果。准Z源逆变器的提出改善了Z源逆变器，在不增加元件的基础上，提高输入性能，降低电容耐压值，从而减小电容体积。最近，关于提高Z源逆变器升压因子的研究很多。开关电感型Z源/准Z源逆变器利用开关电感结构实现升压因子的提高；T型逆变器变压器型Z源/准Z源逆变器利用融合电感或变压器结构提高电路的升压能力。这些新型拓扑在提高升压因子的同时，朝着减少元件个数、降低元器件电压/电流应力、减小输入电流纹波、改善输出波形质量等方向迈进。

关于脉宽调制方法的研究也有很多，有研究通过对直通零矢量时间的合理分配来减小电感电流纹波，从而减小电感值。在控制方法上，有文献分析比较4种SVPWM调制策略，将直通零矢量平均分为6段、4段、2段或1段插入到传统零矢量的开关切换时刻，不同的分段插入方法使得最大直通占空比不同。与三角载波相比，采用正弦载波，可以获得更大的直通占空比。总的来说，有简单升压调制、最大升压调制、最大恒定升压调制、3次谐波注入升压调制、正弦载波PWM调制、简单SVPWM调制、直通分段SVPWM调制等，每种调制方法对应的最大增益因子、输出电压的谐波性能、功率器件的电压应力都有所不同。

建模控制方面，有文献深入研究了Z源变换器的交流小信号模型，并推导和验证了其建模方法。也有研究提出了电压源型Z源逆变器的瞬态建模方法，进行推导分析，并采用开关函数法建立了三相Z源逆变器的数学模型2。

将Z源逆变器可以应用到燃料电池领域，具有单级式的系统结构、输出电压范围宽、效率高等优点，如图所示。

Z源逆变器应用在光伏发电系统中，该系统为可实现升/降压功能的单级系统，具有结构简单、可靠性高等优点，如图所示。

三相Z源逆变器还可以应用在风力发电系统中，可实现系统在较宽范围内的变速运行，同时具有高效率特点。

Z源逆变器在燃料电池、太阳能、风能等分布式能源的应用中具有广阔的前景。

Z源逆变器的基本工作原理Z源逆变器的拓扑结构已给出，在Z源逆变器里，电感 ， 与电容 ， 构成一个两端口X型网络，其阻抗网络将电源与逆变器主电路藕合在一起。与传统逆变器相比，Z源逆变器最大的特点是逆变桥的功率开关管可以同一桥臂上下同时导通或上、下桥臂同时断开。传统电压源型逆变器的PWM调制包括6种有效矢量状态与2种零矢量状态，共8种状态。在此基础上，Z源逆变器增加了一种传统逆变器所禁止的状态一直通零矢量状态(即任一桥臂的上、下开关管同时导通)，共9种状态。Z源逆变器正是应用直通零矢量状态来达到输出电压的升/降压。因此，可避免由电磁干扰引起开关误动作而损坏变压器的情况，提高整机的可靠性。Z源逆变器的PWM调制无需考虑死区时间，控制显得相对简单，输出波形亦得到改善。

电路工作在直通状态下， 关断， 与 并联， 经 续流； 与 并联， 经 续流。另一方面，电路工作在非直通状态（对应传统逆变器的6种有效矢量和2种零矢量状态）下， 导通， 与 分别通过两回路（电源- - ，电源- - ）进行充电， 与 向主电路传输能量3。

Z源逆变器的拓扑结构准Z源逆变器准Z源逆变器有2种类型，即输入电流连续型与输入电流断续型。其电路拓扑结构如右图所示。在不增加元件个数的基础上，对传统Z源逆变器阻抗网络的电感、电容的位置稍作调整，形成一种新的拓扑结构，即准Z源逆变器。与传统Z源逆变器相比，准Z源逆变器整个电路拓扑拥有一个公共的直流源接地点，且不存在启动冲击电流回路。同时，准Z源逆变器具有相同的升压因子，也是利用直通零矢量状态来实现输出电压的升/降压。

开关电感型Z源逆变器

在DC-DC变换器里，常利用开关电感或开关电容结构来实现变换器的升/降压。开关电感型Z源逆变器将开关电感结构与Z源逆变器里结合在一起，形成开关电感型Z源逆变器，其电路拓扑结构如右图所示。

开关电感型Z源逆变器和传统Z源逆变器一样，亦是利用直通现象来实现输出电压的升/降压。该拓扑里，设电感L1, L2, L3, L4的电感量相等，电容C1，C2的电容量相等。因此，电路具有对称结构，其工作状态亦可分为直通状态与非直通状态。

T型Z源逆变器电感融合可以通过融合作用，进行能量的传输。将融合电感结构应用到准Z源逆变器中，使其替代准Z源逆变器阻抗网络的电感结构，从而形成变压器型Z源逆变器，其电路拓扑结构如右图（a）所示。直流电压源与变压器原边绕组串联，因此输入电流连续。移除一个电容，重新配置电路，得到另一种形式的变压器型逆变器，即T型Z源逆变器，其电路拓扑结构如右图(b)所示。相比开关电感型，T型Z源逆变器元件个数减少，电路的升压能力除直通零矢量时间外，还与变压器匝比有关。

T型Z源逆变器里，变压器可等效为理想变压器并联励磁电感。T型Z源逆变器的工作状态亦可分为直通状态与非直通状态。

三种拓扑结构比较准Z源逆变器、开关电感型Z源逆变器、T型Z源逆变器都是基于改进传统Z源逆变器的一些不足而提出的新拓扑结构。分别对准Z源逆变器、开关电感型Z源逆变器、T型Z源逆变器简要分析可知，这3种Z源逆变器的工作状态与传统Z源逆变器一样，均可分为直通状态与非直通状态，都利用直通零矢量状态来实现输出电压的升/降压。

准Z源逆变器在元件个数不变的基础上，改善输入电流纹波、减小电容电压应力；开关电感型Z源逆变器通过添加开关电感结构来提高电路的升压能力。T型Z源逆变器引入融合电感结构提高，但由于其输入电流断续，利用变压器原副边绕组匝数比实现升压能力的往往需在电路前级加入LC滤波结构。

Z源逆变器控制方法与传统逆变器相比，Z源逆变器最大的不同之处在于直通状态的存在，可对其加以利用实现升压输出。因此，可通过对传统逆变器PWM调制策略的分析，加以改进，以实现Z源逆变器的PWM调制。从直流侧看，传统零矢量状态与直通零矢量状态对负载而言，均起到短路的作用效果。因此，在升压场合下，可根据需要将直通零矢量时间替代部分或全部的传统零矢量时间，而不改变有效矢量的作用时间，不会影响输出波形。Z源逆变器及其新拓扑都是利用直通状态来实现升压输出的45。

简单升压调制在传统PWM调制的基础上，简单升压调制只是单纯地用直通零矢量替代部分的传统零矢量，而不做其他改变，如右图所示。

该调制方法中，采用三相正弦调制波与三角载波。当三角载波的值大于VP或小于VN时，逆变器工作于直通状态；当三角载波的值处于VP与VN两者之间时，逆变器工作于传统PWM调制状态。该调制方法中,直通零矢量的位置固定，且均匀分布在传统零矢量里。同时，直通占空比D的取值受到限制，须小于或等于(1-M)，当调制系数M=1时，D=0，电路无升压能力。逆变器的最大增益为：

开关管的电压应力Vs，即直流侧母线电压，表达式为：

由上两式可知，简单升压调制下，减小调制系数M，逆变器的增益能力提高，但同时亦会增大开关管的电压应力。

简单升压调制的控制简单，实现容易。该调制方法下，逆变桥为三相直通，可有效降低流过开关管的电流。但是，随着逆变器增益能力的提高，开关管的电压应力也会变大。在某些场合下，将受限于开关器件的电压应力等级，不能满足输出电压大小的要求。同时，直通零矢量的插入，使得开关频率倍增，从而增大开关损耗。

最大升压调制在传统PWM调制的基础上，最大升压调制只是单纯地将直通零矢量替代全部的传统零矢量，而不做其他改变，如右图所示。

当载波大于最大的正弦调制波或小于最小的正弦调制波时，逆变器进入直通状态；当载波处于最大与最小的正弦调制波之间时，逆变器进入传统PWM调制状态。该调制方法中，直通占空比D在每个开关周期T中都在变化。由于三相正弦波具有对称性，直通状态以PI/3作周期性变化。平均直通占空比为：

逆变器的增益因子为：

开关管的电压应力为

与简单升压调制相比，在相同调制系数M下，最大升压调制的增益能力更强；在给定增益因子G下，最大升压调制的开关电压应力得到降低。然而，最大升压调制里，直通占空比D在每个开关周期T内是变化的，存在6倍基波频率。这将为逆变器引入相同频率的低频脉动。

最大恒定升压调制最大升压调制在给定调制系数M下，增益能力变强，开关电压应力减小。但变化的直通占空比D会为逆变器引入6倍基波频率。为减小开关器件的电压应力，同时使直通占空比D固定不变，提出了一种最大恒定升压调制策略，如图所示。

与简单升压调制不同的是，作为直通状态调制信号的VP,VN不再是固定的，而是变化的。

可知，在任意时刻VP与VN之间的距离始终保持M不变，因此直通占空比D在每个开关周期里是恒定不变的。

可知，最大恒定升压调制综合了前两种调制方法的优点。与简单升压调制相比，相同调制系数M下，该调制方法的增益能力更强，有利于降低开关器件的电压应力；与最大升压调制相比，该调制方法具有恒定不变的直通占空比D，避免了6倍基波频率的引入。

三次谐波注入升压调制右图为三次谐波注入升压调制的示意图，在简单升压调制的三相正弦调制波中，注入三次谐波成分，其幅值为1/6基波幅值大小。

与简单升压调制相似，利用恒定的VP与VN控制直通占空比D，实现升压输出。然而，在三次谐波注入升压调制中，调制系数M的工作范围得到了拓宽，M小于等于。直通占空比D同样受到限制，须小于或等于(1-M/2)，当调制系数M =时，D=0，电路无升压能力。

该调制方法与最大恒定升压调制相比，具有相同的最大直通占空比、升压因子、增益因子、开关电压应力。唯一的不同是，该调制方法拓宽了调制系数的工作范围，M可达到2/妇，使得系统的工作区域范围增大。

直通分段SVPWM空间矢量脉宽调制SVPWM与正弦脉宽调制SPWM出发点不同，但两者之间仍存在相似之处。与SPWM调制一样，SVPWM也是使直通零矢量时间作用在传统零矢量时间里，不改变有效矢量的作用时间。

传统电压源型三相逆变器里，共8种开关状态，包括6种有效矢量状态与2种传统零矢量状态。其中，6种有效矢量的模长均为2Vdc/3。如右图所示，6个有效电压矢量将空间等分为6个扇区。

利用Sa，Sb，Sc表示8种开关状态。Sk为1时，表示k相开关管上通下断；Sk为0时，表示k相开关管上断下通，其中，k=a， b或c。

传统SVPWM里，三相正弦调制信号合成以同频率旋转的参考电压矢量Vref，在每个开关周期T里，先确定参考电压矢量Vref所处的扇区位置，再由该扇区两相邻的有效矢量及两零矢量合成。当参考电压矢量Vref位于扇区I时，Vref由两相邻的有效矢量V1,V2与零矢量合成。

在Z源逆变器的SVPWM里，需考虑的是如何把直通零矢量时间插入到传统零矢量时间里。若将直通零矢量直接替代传统零矢量，同时为保持PWM波形的对称性，势必会使开关频率加倍，从而增加开关损耗。为了使开关频率保持不变，可在每相上、下桥臂开关管的换流时刻插入直通零矢量。同时，为了最大化利用传统零矢量的作用时间,将其由传统的平均分配（各占0.25倍T0）改为如图所示的分配形式。

这时，图中黑色部分为插入的直通状态，灰色部分是保证有效矢量作用时间不变而做出的平移。该调制方法下，可最大化利用传统零矢量时间，若全部由直通零矢量时间代替，可实现最大化的SVPWM。这时，Z源逆变器具有最强的增益能力，亦可降低开关电压应力。但与最大化升压调制一样，直通占空比的变化会为逆变器引入6倍基波频率脉动，对阻抗网络的电感、电容设计不利。

五种调制策略比较所述5种Z源逆变器的PWM调制策略，它们的改进均是基于传统零矢量状态与直通零矢量状态对负载具有相同的作用效果。在传统脉宽调制PWM基础上，利用直通零矢量状态替代部分或全部的传统零矢量状态。简单升压调制实现简单，但开关电压应力大，使得在某些场合受限于开关器件的电压应力等级，不能满足输出电压大小的要求。最大升压调制克服了简单升压调制里开关应力大的难题，但直通占空比的变化为逆变器引入了6倍基波频率的脉动，加大了Z源网络电感、电容的设计难度。最大恒定升压调制综合了这两种调制策略的优点，在保持直通占空比恒定不变的同时，减小开关电压应力。三次谐波注入升压调制更是扩大了调制系数M的工作范围，从而增大系统的工作区域范围。从空间矢量脉宽调制角度出发，直通分段SVPWM具有宽范围的调制系数M、高升压能力、低开关损耗等优点。文献「34]中，Z源逆变器的简单升压调制策略使用的是正弦载波，可获得更高的输出电压。这为Z源逆变器的调制方法开拓了一种新的思考方向。

三次谐波注入升压与直通分段SVPWM均扩大了调制系数M的工作范围，增大了Z源逆变器的工作区域。当调制系数M一定时，最大升压与直通分段SVPWM的升压因子B、增益因子G最大，最大恒定升压与三次谐波注入次之，简单升压的最小。当Z源逆变器的增益因子G一定时，简单升压的开关电压应力Vs最大，最大恒定升压与三次谐波注入次之，最大升压与直通分段SVPWM的最小。4种SPWM调制策略均为三相直通方式，开关电流应力(直通状态下，流过逆变桥开关管的电流)小，但开关频率加倍，损耗增加。但是，一个开关周期内只实现2次直通，Z源阻抗网络的电感电流与电容电压脉动次数较少。而直通分段SVPWM为单相直通方式，是在开关管换流时刻插入直通零矢量，故开关频率保持不变。且一个开关周期内实现6次直通，Z源阻抗网络的电感电流与电容电压脉动6次，有利于减小电容电压纹波、电感电流纹波，从而减小电容值与电感值。但是，单相直通会导致开关电流应力较大。综上所述，直通分段SVPWM具有更为优良的综合性能。