Z源逆变器

1 Z源逆变器的提出背景

能源是经济发展的基础，没有能源工业的发展就没有现代文明。随着世界能源短缺和环境污染问题的日益严重，能源和环境成为二十一世纪人类所面临的重大基本问题，清洁的可再生能源的发展和应用越来越受到世界各国的广泛关注。DC/AC变流电路，即逆变电路，能够实现直流电能到交流电能的转换。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，当需要由这些电源向交流负载供电时，就必须要经过DC/AC变换。此外，还有公共电网和各种独立电源，由这些电源向交流负载供电是最普遍的方式，但随着生产的发展，有相当一部分的用电负载对供电质量有特殊要求，上述电源难于直接向这些负载供电。为满足这些要求，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要的交流电能称为直接变换。而采用AC-DC一AC结构的多级转换系统中的逆变转换称为间接变换。

根据直流侧滤波器的形式，传统的逆变电路可以分为电压源和电流源两类。电压源逆变器输入直流电压而输出交流电压，根据应用场合的不同，输出电压的幅值和频率可以恒定或变化。其电路结构如图1所示。而电流源逆变器则是需要输入一个恒定的电源，其电路结构如图2所示。

图1 电压源逆变器电路结构

图2 电流源逆变器电路结构

电压源逆变器和电流源逆变器存在下述共同的缺点。

(1) 它们或是升压型，或是降压型变换器，而不可能是升/降压型变换器。也就是说，它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于、或高于输入电压，如果需要较宽的输入电压范围，需要额外附加一级DC/DC变流器，影响效率的提高。

(2) 它们抗电磁干扰的能力较差，当由于电磁干扰导致桥臂短路或者开路时，容易造成变流器损坏，影响它们的可靠性。

(3) 针对不同性质的负载，其主电路不同，当负载性质发生变化时，主电路必须跟着变化。

虽然说传统的电压源和电流源逆变器存在缺点，但是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非常普遍。因此，研究一种拓扑简单、效率高、可靠性高的逆变器来取代传统的逆变器将会产生很大的经济和社会效益。

2 Z源逆变器的拓扑结构及工作原理

Z源逆变器是2002年美国密西根州立大学的彭方正教授提出的一种新型逆变器。它为功率变换提供了一种新的思路和理论，可以克服传统电压源和电流源逆变器的不足之处。Z源逆变器引进了一个包含电感L1、L2和电容器C1、C2的二端口网络接成X形的Z源网络，将逆变器主电路与电源耦合。图3所示的是Z源功率逆变器的一般拓扑结构。

图3 Z源逆变器的一般拓扑

以传统三相阻抗型电压源逆变器为例，传统的三相逆变器具有8个允许的开关状态或矢量，而Z源逆变器则有9个开关状态或矢量。除了传统逆变器工作时所具有的6个非零矢量（有效矢量）和2个零电压矢量，Z源逆变器还有一个另外的零电压矢量，即在原来的零电压矢量中间插入同臂的上下器件同时导通的短路零矢量。在传统的电压源逆变器中，这个短路零电压矢量是禁止的，因为输入端为容性，它会导致瞬间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型逆变器中成为可能。就是这个短路零电压矢量的应用，为三相电压型逆变器提供了独特的升压、降压特性。图4为产生短路零矢量的一种控制时序图。

图4 产生短路零矢量的控制时序图

当Z源逆变器工作在传统的6种非零电压矢量和2种零电压矢量的任意一种时，在一个开关周期中逆变桥侧可以等效为一个电流源（当处于传统的两个零电压矢量状态时，逆变桥也可以用一个零值的电流源或开路来代替），其等效电路如图5如下

图5 Z源逆变器工作在非短路零矢量时的等效电路

当Z源逆变器工作在短路零矢量时，逆变器相当于短路状态，其等效电路如图6所示：

图6 Z源逆变器工作在短路零矢量时的等效电路

若电感L1、L2和电容器C1、C2分别具有相同的电感量L和电容量C，Z源网络则变为一个对称网络。假设电路已经工作在稳态，根据电路对称和等效电路，可得：

vL1=vL2=vL，VC1=VC2=VC。

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的时间为T0，由等效电路图6可得：

vL=VC，vd=2VC，vi=0 。

逆变桥工作于非直通零电压状态的时间为T1，由等效电路图5可得：

vL= V0－VC，vd = V0，vi= VC－VL=2VC－V0。

在一个开关周期T中，电感两端的平均电压在稳态下必然为0，由上式可得

上式表明，通过选择一个合适的升/降压因子BB，输出电压可以升高和降低(相对于输入电压)。升/降压因子BB是由调制因子 和升压因子B≥1决定的。

3 Z源逆变器的优点

从Z源