改进型开关电感准Z源逆变器_邓凯

第 37 卷 第 11 期
电
网
技 术
C2 L1 C3 Uin C1 L2
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的开关电感型 Quasi-Z 源逆变器，相对于开关电感 Ⅰ型拓扑，具有更高的升压能力；但是电感和二极 管数量的增加使电路的体积增大，同时也提高了电 容电压应力。 本文在前人研究基础上提出了一种改进型开 关电感准 Z 源拓扑， 能够在简单的拓扑结构上实现 较高的升压能力， 同时使得逆变器的性能得到了提 升。与文献[13,19]中的拓扑结构相比，在继承了原 有优点的基础上， 提出的改进型开关电感准 Z 源拓 扑还具有如下的特点：1）在同样的直通占空比下， 具有更高的升压能力；2）电容电压应力、开关器 件应力及电感电流脉动得到了降低。
0 引言
自彭方正等人提出 Z 源拓扑以来[1]，该结构已 经受到了国内外学者的广泛关注 电压源型逆变器
[7-9] [2-6]
。 相对于传统的
， Z 源结构的逆变器 (Z-source
inverter，ZSI)通过上下桥臂直通实现升压，适用于 电压等级较低的场合；消除了上下桥臂的死区时 间，从而有利于改善输出电压的波形；单级变换， 提高了系统的效率； 减小了 EMI 噪声的影响。 然而， 传统的 Z 源逆变器同样存在明显的缺点：1）输入 电流断续，降低了直流源的利用率，同时也影响了
(College of Electrical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, Jiangsu Province, China) ABSTRACT: To overcome the defects of traditional Z source inverters, an improved switched-inductor quasi-Z source inverter, in which a diode inside the original switched-inductor cell is substituted by bootstrap capacitor, is proposed. Comparing with the classic topology, the proposed improved topology not only can arise the boost ability to ensure the quality of output waveform, but also can make the voltage stress of both capacitor and switch elements decreased, meanwhile the ripper of inductor current is alleviated. The structure of this improved topology is analyzed theoretically, and results of simulation and experiments validate the feasibility of the proposed topology. KEY WORDS: quasi-Z source inverter; boost ability; voltage stress; inductor current ripper 摘要：为克服传统 Z 源逆变器的不足，提出了一种改进型 开关电感准 Z 源逆变器, 用自举电容代替了传统开关电感 中的一个二极管。 与前人提出的拓扑相比， 改进型拓扑不但 提高了升压能力， 保证了输出波形的质量， 而且使电容及开 关器件的电压应力得到了降低， 同时也减小了电感电流的脉 动。 对改进型拓扑结构进行了理论分析， 仿真及实验结果验 证了该拓扑的可行性。 关键词：准 Z 源逆变器；升压能力；电压应力；电感电流 脉动
1 改进型开关电感准 Z 源逆变器工作原理
图 1 所示为文献[19]提出的开关电感Ⅰ型准 Z 源拓扑，通过逆变器侧桥臂的直通实现升压，逆变 器输入侧电压 UPN 与直流电源电压 Uin 关系表示为
(2)
式中：UC1、UC2、UC3 分别表示电容 C1、C2、C3 的
U PN
1 D U in BU in 1 2D D2
C2 L3 L1 L2 Uin C1 C3 UPN
(3)
Uin
Fig. 1
图 1 开关电感Ⅰ型准 Z 源拓扑 Topology of typeⅠswitched-inductor quasi-Z-source inverter
本文提出的开关电感型准 Z 源逆变器拓扑如图
2 所示，用一自举电容代替开关电感中的一个二极
态下 UL2=UL3=(UC2UC3)/2， 同样根据伏秒平衡可得
下，本文提出改进型开关电感准 Z 源拓扑具有更 高的升压倍数，更加适用于光伏、燃料电池等低 压输出的电源[22-24]。
2 电压电流应力比较分析
在不同的调制策略和输入输出条件下，不同结 构的准 Z 源逆变器相同位置的器件应力是不同的。 相对于简单升压控制[1]及最大升压控制[25]， 文献[26] 提出的最大恒定升压控制方式能在保证直通比恒 定的基础上获取最大的升压能力，减小电感电流的 脉动，有利于减小电感的体积，因此受到了广泛关 注。为便于比较，下文的分析、仿真及实验均采用 最大恒定升压控制策略，且逆变器系统的输入输出 电压均相同。由文献[26]可知，直通比 D 与调制系 数 M 的关系可表示为
图 2 改进型开关电感准 Z 源逆变器拓扑 Fig. 2 Topology of improved switched-inductor quasi-Z-source inverter
(6)
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邓凯等：改进型开关电感准 Z 源逆变器
Vol. 37 No. 11
1 D U in UC 2 (7) 1 D 1 D 由电路的对称性可知电感 L2、 L3 两端电压 UL2、 U C1 UL3 相等， 即在直通状态下 UL2=UL3=UC3， 非直通状
改进型开关电感准 Z 源逆变器
邓凯，梅军，郑建勇，付广旭
（东南大学 电气工程学院，江苏省 南京市 210096）
Improved Switched-Inductor Quasi-Z Source Inverter
DENG Kai, MEI Jun, ZHENG Jianyong, FU Guangxu
C2
(1)
式中：D 为直通比；B 为逆变器的升压因子。
L1 D1 C1 D2 L3 D4 L2 D3 UPN 至 负 载 或 电 网
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D2、D3 被迫关断，电感 L1、L2、L3 及电容 C3 释放
能量，电容 C1、C2 储存能量，则可以得出此状态 下的电路方程为 U in U L1 U C1 U C 2 U C 3 U L 2 U L 3 U U U C1 C2 PN
由式(2)可知，在直通状态下，电感 L1 两端的 电压为
U L1 U in U C 2
的电压为
(4)
由式(3)可知，在非直通状态下，电感 L1 两端
U L1 U C1 U in
(5)
根据伏秒平衡原理，在一个开关周期 T 内电感 两端电压的积分为 0，设直通时间为 DT，非直通时 间为(1D)T，则由式(4)(5)可得 DT (U in U C 2 ) (1 D)T (U C1 U in ) 化简式(6)可得
Fig. 3
L3
图 3 直通状态下的等效电路 Equivalent circuit of inverter in shoot-through state
假设所有的器件均为理想状态，且 C1=C2=C3=C，
L1=L2=L3=L。由图 3 可知，在直通状态下，二极管 D2、D3 被迫导通，电感 L1、L2、L3 以及电容 C3 储
DTU C 3 (1 / 2)(U C 2 U C 3 )(1 D )T
化简式(8)得
(8)
1 D UC3 UC 2 (9) 1 D 在一个开关周期内，电容近似等效为一电压
源，即电容两端电压保持不变，由式(2)可得 U C1 U C 3
(10)
将式(9)(10)代入式(7)可得 1 D 1 D U in UC 2 UC 2 (11) 1 D 1 D 1 D 化简式(11)得 1 D (12) UC 2 U in 1 3D 综合前述推导可得 1 D U C1 U C 3 1 3D U in 1 D U in (13) U C 2 1 3D 2 U PN U in 1 3D 由式(13)可知，当直通比 D 1 / 3 时，升压因子 B (2 / 1 3D ) 1 ， 从而实现了升压功能。 由文献[21] 可知，直通比D不可能无限制地增加，因为增加直 通比的同时必然会减小逆变器的调制范围，低调 制因子会导致逆变能力变差，同时会引入高次谐 波，从而大大降低逆变器的输出电能质量。对比 文献 [13,19]提出的传统准 Z源及开关电感Ⅰ型准Z 源逆变器的升压因子与直通比的关系，图5给出了 相应的关系曲线。由图 5 可知，在较小的直通比
管，从而达到提高升压能力的目的。与传统的准 Z 源逆变器工作原理相同，整个工作状态可以等效为 直通和非直通两个工作状态。 图 3 为直通状态下的等效电路。为简化分析，
C2 L1 D1 C1 D2 L3 C3 Uin L2 D3 UPN 至 负 载 或 电 网
图 4 非直通状态下的等效电路 Fig. 4 Equivalent circuit of inverter in non shoot-through state
DOI:10.13335/j.1000-3673.pst.2013.11.041
第 37 卷 第 11 期 2013 年 11 月 文章编号：1000-3673（2013）11-3254-08
电 网 技 术 Power System Technology 中图分类号：TM 721 文献标志码：A
Vol. 37 No. 11 Nov. 2013 学科代码：470·4051
存能量；同时二极管 D1 断开，电容 C1、C2 释放能 量，则可以得出此状态下的电路方程为 U in U C 2 U L1 U C1 U C 3 U L 2 U L 3 电压；UL1 表示电感 L1 两端的电压。 在图 4 所示的非直通状态下，逆变器直流侧等 效为一电流源，电压为 UPN；此时二极管 D1 导通，
直流源的使用寿命；2）升压能力有限；3）器件应 力较大，同时存在严重的启动冲击。为克服以上不 足之处， 国内外学者针对 Z 源逆变器的拓扑结构开 展了大量的分析和研究。 文献[10]提出了一种改进型 Z 源拓扑，减小了 器件的电压应力，同时降低了启动电流冲击；但是 升压能力没有改变， 且输入电流仍然断续。 文献[11] 提出了一组增强型 Z 源逆变器，通过二极管、电容 及电感的级联实现升压；但是升压效果不明显，而 且系统结构较为复杂。文献[12]提出的拓扑不仅实 现了输入电流连续，提高了升压能力，同时也减小 了启动电流冲击，但是有源开关的引入增大了系统 的损耗。文献[13]提出了一组准 Z 源(quasi Z-source inverter，QZSI)拓扑，不仅实现了直流侧输入电流 的连续， 而且简化了拓扑结构， 降低了器件的应力， 但是其升压能力依然有限。文献[14]在准 Z 源结构 上衍生出了耦合电感 Z 源拓扑， 通过改变匝比及直 通时间实现升压，简化了电路结构，但是很难避免 漏感带来的不利影响。 在 DC-DC 变换器中采用开关电容 (switched capacitor ， SC) 、开关电感 (switched inductor ， SL) 等结构，不仅能够实现高倍数的升压，而且提高了 变换器的效率以及功率密度[15-17]。文献[18]提出了 一种开关电感型 Z 源逆变器，实现了开关电感与 Z 源逆变器的完美结合，大大提高了系统的升压能 力；但是输入电流断续，且电容电压应力高、启动 电流冲击大。相对于文献[18]中的开关电感 Z 源逆 变器，文献[19]将开关电感技术应用于准 Z 源逆变 器中，提出了开关电感Ⅰ型准 Z 源拓扑；不仅实现 了输入电流连续，而且减小了电感、电容的应力， 避免了启动电流冲击；同时电路拓扑得到了简化， 缩小了电路的体积，也降低了成本。文献[20]提出