Z源逆变器的研究

摘要
逆变器作为实现电能DC/AC的变换在各类功率变换中的应用十分普遍。

可是传统的电压型和电流型逆变器存在着原理上的障碍和局限。

电压源逆变器一般是一种降压型的逆变器，电流源逆变器是一种将降流型的逆变器，这就限制了它们的输出。

若是要取得更高的电压（或更大的电流），就必需增加一个额外的直流升压变流器。

而且在电压源逆变器中，一个桥臂的上下两个开关有可能显现由于EMI的噪声而致使直通的现象，这将损坏开关和电路，从而降低电路的靠得住性。

为了幸免直通，要加入死区时刻，这又会引发波形的畸变。

一样在电流源逆变器中也存在着类似的问题。

本论文要紧分析一种新型的逆变器—Z源逆变器，它克服了以上的传统逆变器的缺点。

在电压型逆变器中引入Z网络后，使逆变器主电路的直通成为可能，而且能够利用逆变器的直通使Z源逆变器成为一个buck-boost型的逆变器。

本文除对Z源逆变器的工作原理进行详细的分析外，着重研究其主电路的设计，提出了Z源逆变器中各个器件的设计方式，尤其是Z网络中的电容和电感的设计方式。

通过对Z源逆变器可能存在的非正常的工作状态的分析，明确了Z 源逆变器中各个器件和各类工作参数的彼此阻碍的关系。

在分析Z源逆变器中各开关器件的电压电流应力的基础上，还探讨了各类减小开关电压和电流应力的方式。

最后运用仿真和实验结果加以了验证。

关键词：Z源逆变器，Z网络，短路零矢量
v L
Abstract
The inverter is widely used in all kinds of conversions. However, the traditional inverter (VSI or CSI) has the conceptual and theoretical barriers and limitations. They are either a buck (VSI) or a boost (CSI) inverter, which limits the output voltage or current. It requires an additional DC-DC converter to boost the output voltage (VSI) or the output current (CSI).
In a voltage-source inverter, the upper and lower devices of each phase leg could be gated simultaneously by EMI noise, which would destroy the circuit and decrease the reliability. To avoid the shoot-through state, dead band has to be provided in the control strategy. Nevertheless, a disadvantage of the dead band is that it can bring the waveform distortion. CSI also have some similar limitations.
In order to overcome the problems of the traditional inverter, a new type inverter named Z-source inverter was presented. It makes the shoot-through state possible by employing a unique impedance network (Z-network). And this unique impedance network allows the Z-source inverter to buck and boost its output voltage.
In this paper, the operating principle and superiority of the Z-source inverter are described firstly. And its main circuit design is analyzed in detail. Based on the analysis of the abnormal operational state of the Z-source inverter, the relationship between the operating status and devices parameters is proposed distinctly. The methods of reducing the stress are discussed through the analysis of the devices voltage and current stresses. At last the simulation and experimental results have been performed to confine the analysis. They are quite consistent with the theoretical analysis.
Keywords: Z-source inverter, Z-network, shoot through zero state
目录
摘要························································Abstract····················································
第一章绪论··············································逆变电路概述·········································
逆变器的要紧应用·····································感应加热电源····································
交流调速电源（变频变压电源，VVVF电源）···········
恒平恒压电源（CVCF电源）·························
有源逆变电源·····································传统逆变电路拓扑的理论局限····························电压型和电流型逆变器拓扑简介·····················
电压型和电流型逆变器拓扑的理论局限···············现代对逆变器的新要求和研究意义························
第二章一种新型逆变器—Z源逆变器·························· Z源逆变器的提出······································
Z源电压型逆变器的正常工作原理和等效电路··············
Z源电压型逆变器起落原理······························
Z源逆变器的一种非正常工作状态························
Z源逆变器在电力传动中的应用··························
第三章 Z源逆变器的操纵方式简述····························短路零矢量的不同实现方式······························
Z源逆变器的各类操纵方式·······························按现实短路零矢量的方式不同分类···················
.1 单相短路操纵······························
.2 两相短路操纵······························
.3 三相短路操纵······························按注入短路零矢量的方式不同分类···················
.1 简单操纵方式······························
.2 PWM改造方式·······························
.3 最大升压操纵方式···························
第四章 Z源逆变器的设计······································ Z网络设计············································· Z网络中的电容设计································
Z网络中的电感设计··································
.1依照电感电流纹波大小设计·····················
. 只考虑电感电流的高次谐波时的设计·······
. 考虑由输入电压引发的电感电流低次
谐波时的设计···························. 考虑由操纵方式引发的电感低次谐波
时的设计·······························. 同时考虑两种电感低次纹波时的设计·······
.2 为幸免Z源逆变器非正常工作的电感设计········
由正常工作引发的主电路优化设计考虑···················
第一章绪论
本章要紧简要介绍了传统的逆变电路拓扑——电压型逆变电路和电流型逆变电路的原理及其应用并提出了他们本身固有的理论缺点，从现代对逆变器的新要求说明了开展新型逆变器研究的目的和意义。

逆变电路概述
DC/AC交流电路，即逆变电路，它能够实现直流电能到交流电能的转换。

图1-1为逆变器的功能框图。

在已有的电能生产方式中，化学能电池和太阳能电池都属于直流电源，当需要由这种电源向交流负载供电时就必需要通过DC/AC变换；另外，还有公共电网和各类独立电源（其中心频率为50Hz），由这些电源向交流负载供电时最一般的方式，但随着生产的进展，有相当一部份的用电负载供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供电。

为知足这些要求，也需要DC/AC变换。

直接将太阳电池或化学电池等直流电能转换为负载所需的交流电能称为直流变换。

而采纳AC-DC-AC结构的多级转换系统中的逆变转换称为间接变换。

电压源逆变器依照输出电压相数能够分为单相逆变器和三相逆变器。

单相逆变器有半桥式、中心抽头式；采纳方波输出操纵模式。

全桥或H桥式逆变器，采纳方波输出或相移电压操纵方式。

三相逆变器有方波输出型、六阶梯波输出型、多阶梯逆变器（包括12阶梯和18阶梯逆变器）、多电平逆变器等。

三相逆变器的操纵方式有PWM方式，SPWM 方式，矢量操纵方式，相移电压操纵方式等。

开关的工作模式有硬开关和软开关模式。

1. 2逆变器的要紧应用
感应加热电源
依照加热工艺方式和工件尺寸的不同，感应加热电源的频率范围从几百赫兹到几百千赫兹。

这种电源的典型结构是通过AC/DC变换，将公共电网的交流电能先变换成直流，再通过DC/AC变换成负载所需频率的交流电能。

交流调速电源(变频变压电源，VVVF电源)
变频调速是交流调速的典型方式，为维持电机气隙磁通恒定以避免铁心饱和，必需使定子电压与频率同步转变。

因此，交流调速电源是一种变频变压电源，如图I-2所示。

恒频恒压电源(CYCF电源)
这种电源的典型代表是不中断电源系统(简称UPS)，如图1-3所示。

关于诸如运算机一类的负载，电源电压波动、频率漂移、瞬时干扰和突然中断等现象都会造成损失，因此要求由优质不中断电源供电。

这种电源的电压稳固度、频率稳固度、波形失真度和不中断性都优于公共电网，尤其是电源的靠得住性(含不中断供电)。

有源逆变电源
这种电源的典型代表是直流输电系统，同交流输电方式相较，直流方式具有更多的优势，在工业发达国家取得普遍应用。

直流输电系统也采纳间接变频方式，在送电端先将交流电能转换为直流;在受电端再将直流电能转换为交流。

1. 3传统逆变电路拓扑的理论局限
电压型和电流型逆变器拓扑简介
现今的DC/AC的功率变换技术基于两种传统的逆变器拓扑:电压源逆变器和电流源逆变器。

电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，依照应用处合的不同，输出电压的幅值和频率能够恒定或转变。

事实上，电压源逆变器也能够称为电压源变流器，因为同一个电路也能够作为整流器工作。

就像咱们比较熟知的相控式变流器一样。

电压源逆变器必需具有恒定的输入电压源，也确实是说它的戴维南等效阻抗应当是理想的为0。

若是电源电压不够恒定，能够在输入侧接入一个大的电容器。

直流电压能够恒定或可变，能够由电网或旋转交流电机通过整流器和滤波器而取得，也能够由蓄电池，燃料电池或光伏电池组取得。

逆变器的输出电压能够是三相或多相，能够是方波，正弦波，PWM波，阶梯波，或准方波。

电压源逆变器应用普遍，它们的部份应用如下:
.交流电动机驱动;
.交流不断电电源（UPS）;
.感应加热;
.电池，光伏电池组或燃料电池组成的散布式交流电源;
.静态无功发生器(SVG)或补偿器(SVC);
.有源滤波(APF ) ;
在电压源逆变器中，由于输入直流电压的缘故，功率半导体器件老是维持正向偏置，因此应用自控型正向导通或非对称阻断器件，如GTO，BJT，IGBT， POWER MOSFET和IGCT是适合的。

过去强制切换晶闸管变流器曾经取得应用，此刻它们己经大体被淘汰。

为了使逆变器开关具有自由的反向电流，往往在自关断器件上反并联一个续流二极管。

关于电流源逆变器来讲，同一个电路既可工作在逆变状态，也能够工作在整流状态。

电流馈电或电流源逆变器(CFI或CSI)，如它的名称所表述，输入侧需要一个恒定的电流(理想的情形是具有无穷大的戴维南阻抗)，这与电压源的情形正好相反，后者的输入侧是恒定的电压，其理想的情形是戴维南阻抗为O。

在电流源逆变器中，功率半导体器件必需经受反向电压，因此标准的非对称电压阻断器件，如POWER MOSFET, BJT, IGBT, MCT，和IGCT是不能利用的。

应当采纳对称的电压阻断GTO和晶闸管器件。

固然，也能够采纳正向阻断器件串联二极管。

能够看出，电流源逆变器实际上是电压源逆变器的对偶电路。

电流源逆变器通常应用在以下的领域:
.大功率感应电机和同步电机的速度操纵;
.绕线磁极式同步电动机的变频启动;
.高频感应加热;
.超导磁能存储(SMES);
.直流电动机传动;
.静态无功补偿器;
.有源电力滤波;
1.电压型和电流型逆变器拓扑的理论局限
电压源逆变器和电流源逆变器存在着一些概念上和理论上的局限性和障碍，在许多应用处合会造成电力电子装置造价高，效率低。

图1-5示出了传统的三相电压型逆变器原理的电路结构。

关于DC/AC逆变器，一个直流电压源向逆变器主电路——三相逆变桥供电，将直流电能变换为交流电能，供给交流负载。

那个地址直流电压源一般是由直流电能供电的直流电容器、燃料电池堆、或二极管整流器。

电压源逆变器应用十分普遍，可是存在以下概念上和理论上的不足和局限性:
1.其交流负载只能是电感性或不能不串联电抗器，以保证电压源逆变器能够正常工作。

2.其交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压，因此，关于DC/AC功率变换，电压源逆变器是一种降压式逆变器。

如此关于直流电压较低，同时又需要较高的交流输出电压的DC/AC功率变换应用处合，那么不能不加一个额外的DC/DC升压式变流器。

这些额外的功率变流器级不但增加了系统的本钱，而且降低了变换效率。

3.电压型逆变器的每一个桥臂的上、下器件不能直通短路，不然会损坏器件，引发系统崩溃。

因此它的抗电磁干扰的能力较差，阻碍了它们的靠得住性。

图1-6示出了传统的三相电流源变流器原理的电路结构。

关于DC/AC流电流
源为逆变器主电路——三相逆变桥供电，通过其将直流电能转换为交流电能向交流负载供电。

那个地址的直流电流源一般是一个电感量相对较大的电抗器，由电池、燃料电池堆、二极管整流器或晶闸管整流器等电压源供电。

同电压源逆变器一样，电流源逆变器存在以下概念上和理论上的局限性和不足:
1.其交流负载不能不为电容性，或必需并联电容，以保证电流源逆变器能够正常工作。

2.其交流输出电压只能高于为直流电感供电的直流电压，或说，所产生的直流电压老是低于交流输入电压。

因此，关于DC/AC功率变换来讲，电流源逆变器是一个升压型逆变器。

因此关于需要宽电压范围的应用处合，需要一个额外的DC/AC降压式变流器。

那个额外的功率变换级增加了系统本钱，降低了变换效率。

3.电流型逆变器的逆变桥不能开路，不然会损坏器件，引发系统崩溃。

由此它的抗电磁干扰的能力较差，阻碍了它们的靠得住性。

4.电流源逆变器的主开关必需阻断反向电压，因此，需要串联二极管和高速、高性能晶体管，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)配合利用。

这阻碍了低本钱、高性能的IGBT模块和集成功率模块的直接应用。

综上所述，电压源逆变器和电流源逆变器存在下述一起的缺点:
1.它们或是升压型，或是降压型逆变器，而不可能是升/降压型逆变器。

也确实是说，它们可取得的输出电压范围是有限的，或低于、或高于输入电压。

2.它们抗电磁干扰的能力较差，阻碍了它们的靠得住性。

现代对逆变器的新要求和研究意义
最近几年来，随着工业的进展和人口的激增，世界范围内的能源供需矛盾日趋突出。

世界各国都在一方面节能降耗，一方面寻求新的替代能源。

同时，传统能源的利用还有一个明显的不足:污染环境。

因此，各类绿色能源的开发应用变得愈来愈重要。

此刻，人们熟知的绿色能源技术有微型涡轮、光伏电池和燃料电池等。

风力和光伏电池发电是大伙儿超级熟悉而且成熟的技术，可是二者均有明显的缺点:只有在有风或有阳光照射的情形下，才能发电。

因此，这些能源技术不能作为大体能源用于电网。

而燃料电池之因此受世人注视，是因为它具有其他能量发生装置不可比拟的优越性，要紧表此刻效率、平安性、靠得住性、清洁性、
良好的操作性能、灵活性及以后进展潜力等方面。

图1-7是一种燃料电池发电系统的方框示用意。

在向它提供燃料的条件下，燃料电池能够发出电能。

在某些技术条件下，燃料电池能够具有双向功率流。

在这种情形下，燃料电池起到了电源的作用。

一个燃料电池系统能够作为不中断电源，向一个家庭，一个工厂或一个村镇供电:也能够应用于空间技术领域、工作电站、机动车电源、便携式电源、轻便电源等。

众所周知，燃料电池的输出电压是直流电压，且随着负载的转变，输出电压一样较低且波动较大，动态响应时刻长(例如质子互换膜型燃料电池的一样正常输出为48V，但输出电压波动范围为42V到60V，开路电压约72 V，动态相应近似为一阶系统，响应时刻约为40s)。

由于燃料电池的输出较低，必需先通过一个升压时期将电压升高，再通过逆变时期将直流电压转换为要求的交流电压输出。

为此解决该问题的方式要紧有:
1.先将直流转换为高频交流(通过推挽电路或H桥电路)，由高频变压器升压后再整流，再通过逆变成低频交流输出;
2.先将直流转换为高频交流，由高频变压器升压后直接由周波变流器转换为低频交流输出;
3.先通过boost电路升压后由逆变器输出低频交流电压。

需要注意的是这种需要两级变换的电路中，其额外的升压的这一级占据了该变流器的大部份本钱和大量的损耗，这是由于燃料电池的输出特性和稳固的交流能源的需要之间的固有矛盾。

这种情形在其他可再生能源如太阳能电池中也存在。

最近研究的buck-boost(或boost )直流一交流电压变流器是一个四象限开关模式的逆变器，它将buck-boost(或boost )直流变流器运用在逆变器上，通过一级变换直接取得比直流输入电压或高或低的电压。

其中boost型逆变器的实
质确实是电流型三相逆变器原理在两相逆变中的应用。

但它们的局限性是只能应用于单相上，这就限制了它的输出功率。

研究一种拓扑简单、效率高、靠得住性高的变流器，作为燃料电池与传统电网的接口，组成不中断供电系统，向家庭或工厂供电，或用于向机动车等供电，意义重大。

另外，前己述及，传统的电压源和电流源逆变器有其固有的缺点，基于传统的电压源和电流源逆变器的电力传动系统又应用超级普遍。

因此采纳新型的逆变器取代传统的逆变器将会产生专门大经济和社会效益。

第二章一种新型逆变器——Z源逆变器本章要紧介绍一种新型的逆变器拓扑——Z源逆变器，在详细说明了它的工作原理的基础上，深切的分析了其升压的原理，并提出了它的一种非正常工作状态及其产生的缘故。

Z源逆变器的提出
图2-1 Z源逆变器的一样拓扑
为了克服前述的传统电压源和电流源逆变器的不足，文献[1]提出的Z源逆变器为功率变换提供了一种新的变流器拓扑和理论。

图2-1示出了Z源逆变器的一个一样拓扑结构。

Z源逆变器引进了一个Z源网络；由一个包括电感L1，L2和电容C1，C2的二端口网络接成X形，将逆变器和直流电源耦合在一路。

与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同，Z源逆变器既能够以电压型逆变器模式工
作，也能够以电流源逆变器模式工作，其具有以下独特优势：
以电压型逆变器模式工作时，Z源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传统的电压源逆变器结构，所采纳的开关是开关器件和二极管反并联的组合，负载为感性。

以电流型逆变器模式工作时，Z源逆变器的输入电源为电流源，主电路为传统的电流源逆变器结构，所采纳的开关是开关器件和二极管串联的组合，负载为容性。

以电压型逆变器模式工作时，Z源逆变器主电路能够经受短路，并通过特殊的操纵方式引入短路零矢量而为逆变器的升压提供了可能，从而使该电路成为buck-boost型电路。

以电流型逆变器模式工作时，Z源逆变器主电路能够经受开路，并通过特殊的操纵方式引入开路零矢量而为逆变器的降压提供了可能，从而使该电路也成为buck-boost型电路。

目前输入为电压源的应用更为普遍，因此本文的研究重点放在对Z源电压型逆变器（以下简称为Z源逆变器）的研究，分析其工作原理和等校电路，研究其主电路的设计原那么和方式，比较其电路的优势缺点和适用处合，最后对其系统进行运算机仿真和实验验证。

Z源电压型逆变器的正常工作原理和等效电路
图2-2是一个典型的三相组抗源电压型逆变器，它具有9个许诺的开关状态或矢量，而不像传统的三相电压源逆变器那样只有8个。

当输入直流电压加到负载上时，这时传统的三相电压源逆变器具有6个非零矢量，既有效矢量；当负载端别离被下面的或上面的三个器件短路时，这时三相电压源逆变器有2个零电压矢量，既零矢量。

但是，三相阻抗源电压型逆变桥还有一个另外的零电压矢量；既在原先的零电压矢量中假设插入同臂的上下的器件同时导通的短路零矢量。

在传统的电压源逆变器中那个短路零电压矢量是禁止的，因为输入端为容性，它会致使刹时直通短路时的过电流而损坏开关器件。

而Z源网络的引入使短路零电压矢量在三相电压源逆变器中成为可能。

确实是那个短路零电压矢量的应用为三相电压源逆变器提供了独特的升/降压特性。

图2-3为产生短路零矢量的一种操纵时序图。

图2-4示出了腿也2-2所示的Z源逆变器为直流侧看过去的等校点路。

引入Z源网络后，当逆变桥处于短路零电压矢量时，可等效为负载侧短路，如图2-5所示。

而当处于传统的8种非零电压矢量和零电压矢量的一种时，在一个开关周期中逆变桥侧能够等效为一个电流源，如图2-6所示。

注意到当处于传统的两个零电压矢量状态时，逆变桥也能够用一个零值的电流源（或开路）来代替。

假设电感L1，L2和电容C1，C2别离具有相同的电感量（L）和电容量（C），Z 源网络那么变成一个对称网络。

假设电路已经工作在稳态，从电路对称和等效电路，有
V C1=V C2=V C and v L1=v L2=v L (2-1)假设在一个开关周期T中，逆变桥工作于直通状态中的一种工作状态时刻为T0=DT,从等效电路图2-5，有
v L = Vc, v d = 2Vc, and v i=0 (2-2)
逆变桥工作于非直通零电压状态的时刻为T 1=（1-D ）T,从等效电路图2-6，有 v L =V 0-V C , v d =V 0, and v i =V C - v L =2V C -V 0 (2-3) 其中，V 0是直流电源电压，T=T 0+T 1。

在一个开关周期T 中，电感两头的平均电压在稳态下必然为0，从公式（2-2），（2-3），有
V L =L V =(T 0•V C + T 1(V 0-V C ))/T=0 (2-4)
或 0V Vc =011T T -T =2D
-1D -1 (2-5) 在一个开关周期的有效矢量时刻中加在逆变桥的直流电压：
i V =V C - v L =2V C -V 0=0
1T T -T V 0=B •V 0 (2-6) 其中，B=01T T -T =2D
11-≧1 (2-7) 是由直通零电压状态取得的升压因子，另一方面，逆变器输出相电压的峰值能够表示为：
ac v ˆ=M •2Vc (2-8) 其中M 为逆变器的调制因子。

关于正弦脉宽调制（PWM ），M ≦1;关于空间矢量调制，M ≦(2/3)。

应用公式（2-6）,公式（2-8）能够进一步表示为： ac v ˆ=M •B •2
V 0 (2-9) 公式（2-9）说明：通过选择一个适合的升/降压因子B B ,输出电压能够升高和降低（相关于输入电压）。

/2
V ac V ˆ0=B B = M •B=(0～∞) （2-10） 升/降压因子BB 是由调制因子M ，升压因子B 决定的。

当输入电压较低时升压作用是必需的。

上述分析取得一个重要结论：Z 源电压型逆变其的输入电压能够依照需要升压和降压，幸免了因加入死区而引发的波形畸变和调制度的下降，并使三相逆变桥能够经受短路。

因此Z 源电压型逆变器能够实现输出电压的升高和降低，不需要额外的中间升压级电路，有利于节省本钱和提高工作效率。

Z 源电压型逆变器起落压原理
为了更清楚的明白得Z 源电压型逆变器的起落压原理，以下将Z 源电压型逆变器和传统的DC/DC 电路作比较。

Z 源逆变器与一样的DC/DC 电路不同的是其Z 网络能够等效为一个两级升压的电路：由电源先升压至Z 网络中的电容电压VC,再由Z 网络中的电容电压升压至Z 网络输出Vi 。

图2-7为传统的DC/DC inverse of Watkins-Johnson 电路，它具有两个工作等效电路：在一个开关周期T 中，开关1导通时，有如图2-8（a ）所示的等效电路，这时有，V 0=Vg- v L ；当开关2导通时，有如图2-8（b ）所示的等效电路，这时有，VL=V0,从而在DC/DC inverse of Watkins-Johnson 电路中有：
d 0V V =2D
-1D -1 (2-11) 关于Z 源逆变器，正常工作时也具有两个等效工作电路：在一个开关周期T 中，逆变桥工作于直通状态，有如图2-10（a ）所示的等效电路，这时有，v L =V C ;当逆变桥工作于非直通状态，有如图2-10（b ）所示的等效电路，这时有，Vc=V 0- v L ,从而使Z 源逆变器也有：
0V Vc =2D
-1D -1 （2-12）
在前一级升压中Z 源逆变器中的Vc 和DC/DC inverse of Watkins-Johnson 电路中的输出电压V 0对应，V 0和输入电压Vg 对应。

关于传统的DC/DC boost 电路，具有两个工作等效电路：在一个开关周期T 中，开关导通时，有如图2-9（a ）所示的等效电路，这时有，V d =v L ,电感被电源充电储能；当开关关断时，有如图2-9（b ）所示的等效电路，这时有，V 0=V d -v L ,电感向负载放电释放能量。

从而在DC/DC boost 电路中有：
d 0V V =D
-11 (2-13) 关于Z 源逆变器：在一个开关周期T 中，逆变桥工作于直通状态时，有如图2-10（a ）所示的等效电路，这时有，v L =V C ，电容器放电释放能量，而电感从电容充电储能；当逆变桥工作于非直通状态时，有如图2-10（b ）所示的等效电路，这时有，v i =V c-v L ，电容器由电源充电，电感向负载放电释放能量。

从而Z 源逆。