Z源逆变器拓扑结构及控制方法

三相Z源逆变器的拓扑结构如图3-79所示。由图中可见，Z源逆变器与传统桥式逆变电路不同的是在电源和逆变桥之间增加了一个由电感L₁、L₂和电容器C₁、C₂的构成的X形二端口无源网络。Z源网络最大的和独特的特点是与传统的电压源或电流源不同，它可以开路和短路，这为变换器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。Z源网络为电源、主电路和负载提供了下列很大的灵活性：①Z源逆变器的电源既可为电压源，也可为电流源。②Z源逆变器的主电路既可为传统的电压源结构，也可为传统的电流源结构。另外，Z源逆变器所采用的开关可以是开关器件和二极管的组合，即反并联或串联两种组合形式。③Z源逆变器的负载可为感性负载或容性负载。

图3-79 三相Z源逆变器拓扑结构

3.4.2.1 三相z源逆变器的工作原理

与传统的三相电压型桥式逆变器有8个开关状态不同，Z源逆变器有9种矢量状态：当输出端接负载时，有6种非零状态；当上桥臂或下桥臂开关导通时，有2个零电压矢量；当同一桥臂上、下开关管导通时，Z源逆变器进入直通零矢量状态。

图3-80a为逆变器工作在直通状态时的等效电路图，此时逆变器可以等效为短路状态。图3-80b为逆变桥非直通状态时的等效电路图，此时Z源网络输出的电路可等效为一个电流源。

由于L₁=L₂，C₁=C₂，Z源阻抗网络为对称网络，按照对称性原则可得

设直流电源电压为E_S，Z源逆变器的一个开关周期为T，逆变桥工作于直通状态的时间是T₀，工作于非直通状态的时间为T₁，则T=T₀+T₁，直通时间占空比为D=T₀/T。

在直通状态时间T₀期间，由图3-80a可得

在非直通状态时间T₁期间，由图3-80b可得

图3-80 逆变器工作状态等效电路图

在一个开关周期中，电感两端的平均电压在稳态下必然为0，则有

解得

所以可得逆变桥直流链峰值电压和输出电压峰值为

式中，m为调制因子；B为升压因子。当B＞1时，实现升压功能；当B=1时，输出电压状态与传统逆变器相同。

由于Z源网络的引入，逆变器桥臂既能直通也能开路，因此Z源逆变器具有传统电压型逆变器所不具备的优点：①能够实现升降压变换的功能，不需要增加DC-DC升压电路，即可实现单级升降压变换，通过导入直通量，输出电压高于输入直流电压；②逆变器桥臂可以开路，因此无论是人为原因，还是由电磁干扰引起的误触发都不会破坏逆变器的正常工作；③逆变器不需要加入死区时间，因此可以避免由加入死区时间引起的波形畸变。(www.xing528.com)

3.4.2.2 z源逆变器的调制策略

Z源逆变器开关状态相比于传统电压型逆变器，多了一种直通零矢量状态，该状态桥臂直通，这却是传统逆变器所不允许的。直通零矢量是在传统零矢量中导入直通状态形成的，但和传统零矢量状态一样，对输出波形的效果是相同的。

对传统电压型逆变器的调制方法进行适当改造，就可以得到Z源逆变器的调制方法。具体可分为：简单升压SPWM控制方法，最大增益SPWM控制方法和三相SVPWM控制方法等。本书只对前两种进行简单介绍。

1.简单升压SPWM控制方法

对负载来说，阻抗网络型逆变器工作在直通零矢量状态和传统零矢量状态，效果是一样的，因此传统零矢量状态的部分时间可以用直通零矢量状态。传统三相电压型逆变器有6个有效状态和2个零矢量状态，通过对传统SPWM调制方法的调整，即可得到简单升压SPWM控制方法，如图3-81所示。

2.最大增益SPWM控制方法

上一小节提到的调制方法是部分替换传统零矢量状态，不能充分利用零矢量状态，而最大增益SPWM控制方法在一个开关周期内，尽可能地用直通零矢量状态替换零矢量状态，提高升压能力，如图3-82所示。

图3-81 简单升压SPWM控制方法

图3-82 最大增益SPWM控制方法

3.4.2.3 无源阻抗型逆变器的新进展

Z源逆变器从理论上讲是可以无限升压的，然而受实际条件限制，升压能力也是有限的。增强型Z源逆变器就是基于此提出来的，它显著增强了升压能力，在同样升压比例下，增强型Z源逆变器开关器件所承受的电压应力小于Z源逆变器。其拓扑结构如图3-83所示。

通过分析计算可求得电容电压U_C和直流链峰值电压U_i分别为

图3-83 增强型Z源逆变器

将式（3-104）与式（3-102）比较，在相同直通占空比条件下，可以看出增强型Z源逆变器相比Z源逆变器升压能力显著提高。而且通过比较分析可以得出，在相同升压条件下，增强型Z源逆变器电容电压应力和开关器件承受的电压应力更小，提高了输出的电能质量。

除了采用增强型Z源网络提高升压能力的方案以外，还有将耦合电感引入无源网络的方案，如图3-84所示。该类结构在升压能力拓展方面，有新的思路：除了利用传统Z源逆变器中的直流零矢量状态实现升压以外，耦合电感的变比作为另一个自由度被引入。也就是说除了传统的直通占空比之外，耦合电感的变比也可以提高逆变器的升压能力。

图3-84 引入耦合电感的无源网络阻抗型逆变器