摘要：與傳統(tǒng)逆變器相比，文章提出的改進(jìn)型Z源逆變器不僅可以減小電容和電感，同時(shí)電容的電壓應(yīng)力得到有效降低。文中首先對其電路工作原理進(jìn)行分析，得到各參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，再由計(jì)算及仿真，推算出開關(guān)管上的電流應(yīng)力確實(shí)有效降低，并在Simulink中驗(yàn)證了該改進(jìn)型Z源設(shè)計(jì)的合理性。

　　0 引 言

　　太陽能在我國低碳化產(chǎn)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用，因而太陽能中所用的逆變器無疑是研究的熱點(diǎn)。

　　常規(guī)的電壓源型逆變器同一橋臂的上下兩個(gè)功率管如果同時(shí)導(dǎo)通會(huì)發(fā)生短路現(xiàn)象，從而損壞功率管，因此需要加入死區(qū)時(shí)間，而死區(qū)時(shí)間會(huì)導(dǎo)致輸出波形的畸變。

　　同時(shí)電壓源型逆變器輸出電壓低于直流輸入電壓，在輸入電壓較低或者輸入電壓變化幅度比較大的場合，需要在前加入升壓電路。而電流源型逆變器則是逆變器輸出電壓高于直流輸入電壓。因此浙江大學(xué)彭方正教授提出的Z源逆變器能夠有效地解決這些不足。一般用的比較多的是電壓源型逆變器，下面將主要討論電壓源型逆變器。

　　電壓源型Z源逆變器同樣有一些缺點(diǎn)，比如在升壓模式下，輸入電流不連續(xù)和電容承受電壓過大，因而要求電容的承受電壓能力大，從而增加成本。本文針對傳統(tǒng)Z源逆變器的這些缺點(diǎn)，提出了改進(jìn)型Z源的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并分析了穩(wěn)定狀態(tài)的工作原理以及其控制策略，闡述了其對于電容上電壓耐壓值降低的原因，同時(shí)分析了其開關(guān)管與傳統(tǒng)Z源在電壓電流應(yīng)力上面的改進(jìn)。

　　1 電路工作原理

　　1.1穩(wěn)態(tài)工作原理

　　與傳統(tǒng)Z源逆變器一樣，改進(jìn)型Z源逆變器也是通過逆變器橋臂的直通狀態(tài)來達(dá)到升壓目的，如圖1所示。逆變器處于6種有效矢量狀態(tài)即非直通狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)如圖2（a）所示。而當(dāng)逆變器處于直通狀態(tài)時(shí)，工作狀態(tài)如圖2（b）所示。

圖1　改進(jìn)型Z源拓?fù)潆娐?/P>

（a）　非直通狀態(tài)

(b)　直通狀態(tài)

圖2　改進(jìn)型Z源逆變器工作狀態(tài)

　　圖2中，兩個(gè)電感和電容的取值相等，直通占空比為D0.非直通狀態(tài)時(shí)：

　　直通狀態(tài)時(shí)：

　　由于穩(wěn)態(tài)時(shí)電感上的平均電壓為零，所以：

　　因此：

　　逆變器直流端的峰值電壓為：

　　式中，B 為直通狀態(tài)得到的升壓因子。

　　系統(tǒng)功率為P,則：

　　1.2 改進(jìn)Z源對于電容耐壓值減少的影響

　　在傳統(tǒng)Z源中，電容與電感在直通和非直通狀態(tài)下都是在工作的，所以電感電流無疑很大，且電容電壓由于對稱性而相同；而改進(jìn)Z源中，在非直通狀態(tài)電容基本不工作，而且C2上由于其支路部分與電源直接相連，所以分擔(dān)了大部分的電壓，故而電容C2上電壓極大地減少了，從而對器件的耐壓等要求有很大降低，這些優(yōu)點(diǎn)在工業(yè)應(yīng)用中起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)可以間接通過采樣其中一個(gè)電容的大小來控制電路的直通占空比，從而控制直流鏈電壓。

　　2 調(diào)制策略與參數(shù)選擇

　　2.1 調(diào)制策略逆變器輸出的交流電壓

　　調(diào)制策略逆變器輸出的交流電壓如下：

　　式中，M 為調(diào)制因子。簡單升壓模式是加入一正一負(fù)大小相等的兩個(gè)不變的電壓Up和UN,則定義電壓增益為，同樣則加在逆變器開關(guān)管上的電壓應(yīng)力為：

　　假設(shè)載波幅值大小為1,調(diào)制因子為M,Up=-UN,直通占空比為D0.根據(jù)它們的線性關(guān)系，D0=0時(shí)，Up=1;D0=M 時(shí)，Up=1-M.很容易得到Up=1-D0,Up=-UN.控制示意圖如圖3所示。

圖3 控制示意圖

　　因此，控制模塊在Simulink中的仿真模塊如圖4所示。

圖4 控制模塊

　　2.2 電感電容參數(shù)的選擇

　　假設(shè)在給定光伏電源系統(tǒng)，開關(guān)器件的頻率為10kHz,那么在改進(jìn)型Z源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，直通頻率放大到20 kHz,在升壓模式下，直通時(shí)間可以表示如下，部分參數(shù)參見表1.

表1 電路參數(shù)選擇

　　令Gmax=1.7,則Mmin=0.875,

　　令電流紋波為：

　　式中，ｒ′％＝１％。

　　2.3 開關(guān)管電壓電流應(yīng)力

　　開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于逆變器橋臂的直流鏈電壓UPN.直通時(shí)承受的開關(guān)應(yīng)力大小由上面的推導(dǎo)可知為BUin,它跟調(diào)制策略相關(guān)，這與傳統(tǒng)Z源逆變器開關(guān)管上承受電壓類似。

　　而對于開關(guān)管的電流應(yīng)力：假設(shè)為理想開關(guān)管，導(dǎo)通電阻都相等，考慮三相短路時(shí)的電流應(yīng)力結(jié)合圖5很容易分析得到：

圖5　開關(guān)管電流應(yīng)力

　　因而，

　　而功率開關(guān)管電流應(yīng)力為：

　　其大小由輸出電流和電感上的電流決定。假設(shè)輸出電流一定，則要減少開關(guān)應(yīng)力，只有減少電感上的電流，由仿真圖6、圖7所示，改進(jìn)Z源電感上電流明顯小于傳統(tǒng)Z源電感上電流，從而不僅減少了電感上的電流限制，也減少了功率管上的電流應(yīng)力。因此在開關(guān)管和電感上的選擇上面也有效地節(jié)約了成本。

圖6 傳統(tǒng)Z源電感上電流

圖7 改進(jìn)型Z源電感上電流

　　3 基于Simulink的仿真與結(jié)論

　　電路參數(shù)選擇如表1所示。

　　改進(jìn)型Z源電容電壓和直流鏈電壓如圖8所示。

圖8 改進(jìn)型Z源電容電壓和直流鏈電壓

　　從圖8中可以看出，改進(jìn)型Z源逆變器其中一個(gè)電容上面的電壓很低，而傳統(tǒng)Z源逆變器電容電壓都是相同的，而且接近于直流鏈電壓。從這個(gè)方面考慮有效地減少了電容上的電壓應(yīng)力，從而對該電容的選擇有很大余地。并且由圖中可以得知，直流鏈電壓基本保持不變，通過一定控制策略改變直流時(shí)間可以改變其大小，這跟傳統(tǒng)Z源基本相似。本文通過對改進(jìn)型Z源的工作原理進(jìn)行分析，得出其對電感電容的選擇條件以及開關(guān)管電流應(yīng)力、電容電壓等方面均有改進(jìn)。