低电压应力Z源逆变器研究

摘要： 提出了一种低电压应力Z源电路拓扑，该电路通过二极管的控制，在直通时对电感进行并联充电，在非直通时使电感串联放电，从而以较短的直通占空比获得较大的升压比，达到降低功率开关电压应力的目的。分析了电路的工作原理并进行了仿真与实验研究，结果验证了电路的有效性。

Abstract： This paper proposed a kind of low voltage stress Z-source inverter topology. In the topology， the inductors of Z-source can be connected alternatively in parallel during the time of shoot-through and in series during the other time. Thus the network can obtain a high boost factor with a small shoot-through duty ratio and can decrease the voltage stress across the switch divices greatly. The principle of the topology was analyzed in detail， the simulation and experiment were made as well. The results verified the validity of the topology.

关键词： Z源逆变器;电压应力;直通占空比;等效直流电压;电感串并联

Key words： Z-source inverter;voltage stress;shoot-through duty ratio;equivalent dc voltage;inductor series-parallel connection

0 引言

传统电压源逆变器同一个桥臂的上下功率开关不能同时开通，否则会造成短路现象的发生，从而损坏逆变器，因此需在上下桥臂的开关信号之间加入死区时间，但死区时间的加入又会带来输出波形的畸变。另一方面，逆变器输出电压低于直流输入电压，在输入电压较低或变化范围较大的场合下，需要在前级加一级升压变换器，导致系统整体结构复杂、效率变低。

Z 源逆变器[1-4]可克服电压源逆变器的上述不足，为功率逆变技术提供了一种新的变换器拓扑和理论。Z源逆变器利用同一桥臂上下功率开关的直通状态来实现对输入直流电压的升压功能，因此，Z源逆变器是升降压型逆变器，其交流输出电压可高于或低于输入电压。同时，由于直通状态成为逆变器的一种正常工作模式，由电磁干扰等所造成的直通状态不会损坏变换器，并且可避免由死区引起的输出波形的畸变。Z源逆变器提供了一种低成本、高可靠性的单级式升降压逆变器实现方案，特别适合光伏发电、燃料电池和涡轮发电机等输出电压变化范围比较大的场合。

Z源逆变器的一个缺陷是当升压比较大时开关管两端的电压应力较高[6，7]，这样在输出交流电压幅值相同的情况下，需要选择较高电压等级的开关管或者在桥臂串联开关管，造成资源的浪费，增加控制的难度，降低系统的可靠性。因此，降低Z源逆变器的电压应力，对于Z源逆变器的实用化无疑具有重要的意义。

1 低电压应力Z源电路拓扑

Z源逆变器电压应力较大的原因是直通占空比D0的最大取值受制于调制比M，在简单控制、最大升压控制、最大恒升压控制下分别为：1-M，1-■M，1-■M。经典Z源逆变器在D0趋近于0.5时获得较大升压比，则M也分别趋近于0.5、0.6、0.58。输出电压相同时，较低的M值要求更高的直流侧电压，从而产生较大的电压应力。因此，降低电压应力的一个途径是尽量用比较小的直通占空比D0来获得比较大的升压比。

从能量传递的角度来看，Z源逆变器在直通时间内对电感充电储存能量，在非直通时间内将电感储存能量输送给负载。要想用小D0值获得高升压比，就必须在尽可能短的时间内给电感储存更多的能量，这可以通过电感并联充电、串联放电来实现。基于这一思路，低电压应力的Z源逆变电路可设计成如图1所示的结构。

图1所示为两种Z源电路，图1（a）对电感、电容的对称性要求较高，且电源输出电流不连续。图1（b）则并不要求电容、电感对称，而且电源电流连续。下面的分析都以图1（b）电路为例。

图1（b）中L11= L12=…= L1n=L1，L21= L22=…=L2n=L2，n为电感并联支路数。在二极管的作用下，电感在开关S闭合时并联连接，S断开时则变为串联连接。

设电容值较大，电容电压的波动忽略不计，则电感电压有如下关系：

①开关S闭合，电路直通，二极管D截止，电感并联。忽略二极管管压降，有：

UL11=UL12=…=UL1n=UL1=Uin-Uc1UL21=UL22=…=UL2n=UL2=Uc2（1）

②开关S断开，D导通，电感串联。由于电感对称，串联电感压降相等，有：

UL11=UL12=…=UL1n=U■■=■（Uin-Uc2）UL21=UL22=…=UL2n=U■■=■Uc1（2）

设直通占空比为D0，根据秒伏平衡原则，有：

UL1D0+U■■（1-D0）=0UL2D0+U■■（1-D0）=0（3）

将式（1）、式（2）代入式（3），求得：

Ucl=■UinUc2=■UinUdc=■Uin（4）

由式（4）可知，电路的升压因子B=■。当n=1，即电感并联的支路数为1时，电路即为经典Z源电路，B=■，在D0=0.5时取得理论上极值。随着并联支路数的增加，取得极值的D0值也随之减小。当n=4时，D0=0.2即可取得极值，这将大大扩大调制比M的变化范围，降低电压应力。n越大，电压应力越低，不过相应的代价是电路越复杂，电流应力越大，应用时应综合考虑。n取不同值时升压因子与直通占空比之间的关系如图2所示。