[科普中国]-Z源级联三电平中点钳位逆变器

背景

Z 源中点钳位(neutral point clamped，NPC)逆变器通过控制直通占空比可以实现升压输出。理论上，Z源NPC 逆变器与其它dc-dc 升压拓扑一样能得到无限大的电压增益，但由于逆变器开关的耐压限制、Z源逆变器的直通占空比D和调制因数M相互关联，这些因素都限制了输出电压增益。为了产生高电压增益的输出电压，需要采用小的调制因数。然而，小的调制因数导致器件的电压应力更大。同时小的调制因数也降低了电压利用率，增加系统了的不稳定性。因而提高Z源网络的升压因子B 使得Z源NPC 逆变器能够在更大的调制因数下得到相同的电压增益，同时减少开关器件的电压应力是Z源网络的重要研究方向。

近年来，出现了一些较好的可以提高Z源升压比的电路拓扑。针对Z源三电平NPC 逆变器，提出的Z源级联三电平NPC 逆变器，新型的拓扑结构能将升压因子提高到1/(1−4D)。1

Z源NPC逆变器Z 源三电平中点钳位逆变器如图所示，图(a)所示的是由2 个独立的直流电源、双Z 源网络和传统的三电平NPC 逆变桥组成。这种双Z 源三电平NPC 逆变器与传统的电压源NPC 逆变器相比，需要增加上直通(某一桥臂上面的3 只开关如SA1、SA2、SA3同时导通)和下直通(某一桥臂下面的3 只开关如SA2、SA3、SA4同时导通)2 个状态。为使Z源网络输出电压Uo保持平衡，一个开关周期T内的上直通和下直通时间需满足

式中TU、TG、T0分别表示上、下直通时间和桥臂有效直通时间。1

逆变器输出相电压的峰值可以表示为：

式中:

为直通占空比;

为逆变器的调制因数;

为升压比;

单Z源网络的三电平中点钳位逆变器如图(b)所示。这种单Z 源三电平NPC 逆变器与传统的电压源NPC 逆变器相比，除了具有有效状态和零状态外，还需要增加一个直通状态。

通过调节直通状态的时间T0即选择合适的升压因子B，输出电压就可以升高和降低。当T0/T=0时逆变器工作在降压模式，若B>1 逆变器工作在升压模式。

双Z源和单Z源三电平NPC逆变器一样，升压因子为 。同时，每一个开关器件的电压应力为

U线/4M，调制因数M增大时器件所承受的电压就会减少， 由于直通占空比最大被限制在 ，当M增大时，可获得的直通占空比减少，升压效果也会被限制。2

Z源级联NPC逆变器工作原理新型Z源三电平NPC逆变器电路拓扑如图所示。新型拓扑与传统拓扑的不同在于，新型拓扑级联一个Z源网络。级联一个Z源网络带来的好处是新型拓扑能够得到一个更高的升压因子B。同时中线的输出电压等于1/2Uo适用于三电平拓扑。

每个Z源网络的2个电容电感相同，假设电感Ll=L2=LA，L3=L4=LB，电容器Cl=C2=CA，C3=C4=CB，C5=C6=CC。Z源网络为对称网络。因而有

当逆变桥处于直通零电压状态时，可等效为短路，此时二极管D1、D2、D3、D4 承受反向电压而截至，电容器的能量转移到电感中。能量由电源和电容向电感转移，电容器放电等效电路图如图所示。

新型Z源级联NPC逆变器有更高的升压因子，在相同的升压效果下，新型Z源级联NPC逆变器可以得到更大的M从而降低开关器件的电压应力。

图所示为传统Z源和Z源级联拓扑结构的升压因子与直通占空比的关系曲线，其中，传统拓扑B=1/(1−2D)，Z 源级联拓扑B=1/(1−4D)，更好地展示了不同拓扑结构的升压效果。由图可以看出，在相同的直通占空比情况下，Z 源级联拓扑的电压增益更大。1

Z源级联NPC逆变器控制方法采用交替反相电压偏移调制(alternativephase opposition disposition，APOD)方法，即利用在空间上是垂直分布，频率相同，相位相差180°，彼此之间紧密相连的两列三角载波与正弦调制波进行比较，产生触发脉冲。传统逆变器和Z 源级联逆变器的APOD 调制方法和Z 源级联NPC 逆变器的直通路径如图所示。

Z源级联NPC逆变器的控制需要加入额外的直通状态，由图可以看出直通状态的产生并不是同时开通某一路的4个开关器件，而是通过改变了不同桥路的开通关断时间产生直通状态，这种方式不会增加开关器件的开关次数。如图所示，在t1~0.5T0开通A相的SA1和C相的SC4，这样就产生图中由A相的SA1、SA2、SA3到C相的SC2、SC3、SC4的通路。这样做仅仅将SA1 和SC4的开通时间提前0.5T0，得到0.5T0的直通状态，并不会增加开关器件的开关次数。由此类推，在t4时刻，延迟0.5T0关断A 相的SA1和C相的SC4，又会产生0.5T0的直通状态。

在图中，为了得到T0的直通状态，需对调制信号进行调整，调制信号在垂直方向增加T0/T(假设一个载波信号的峰值为1V)，在水平方向得到T0的直通状态。在任意时刻，通过对调制信号中最大的一相(在图中Umax=max(Ua,Ub,Uc)=Ua)增加T0/T，同时对调制信号中最小的一相(在图中Umin=min(Ua,Ub,Uc)=Uc)减去相同的值，从而得到控制Z源级联NPC逆变器所需的额外的2个调制信号。

为了同步A相和C相的门信号同时增加调制比需在原始的调制信号中注入零序分量U0。由以上分析可以得出控制Z源级联NPC逆变器所需的调制信号为：1

优点1）利用电容将Z源网络级联，可将Z源逆变器的升压因子由1/（1-2D）升高到1/（1-4D）。

2）采用交替反相电压偏移调制的调制方法对逆变器进行控制，这种方法不增加开关器件的开关次数，使得器件的损耗最小。

3）在相同的电压电流波动下，新型拓扑Z源网络的无源器件可以更小。1