Z源逆变器的分析研究

　　导读：随着电力电子技术的迅猛发展Z源逆变器应用到了许多场合，如农业，工业，航空航天。从一般的家用电器微波炉，电磁炉，厨房内的感应炊具；从我们平时用的笔记本电脑电源到现在的工业用的燃料电池和油电混合动力汽车和纯电动汽车电源等等到处都是Z源逆变器的身影。Z源逆变器是不同于传统意义上的电压源逆变器、电流源逆变器。Z源逆变器兼有电压源逆变器和电流源逆变器优点于一身。所以Z源逆变器的研究具有重要的意思。

　　1.传统逆变器及其优缺点

　　传统逆变器包括电流源逆变器和电压源逆变器。电压源逆变器是输入直流电压输出交流电压，可以使用在不同的场合，输出电压的幅值可以是变化的也可以是恒定的。但是电压源逆变器的输入端必须是一个恒定的电压源。

　　或者是在直流侧接入一个大的电容器。也可以是由电网经过整流，或者是蓄电池，太阳能电池组等等。逆变器的输出端可以是正弦波，方波，阶梯波等。

　　电压源逆变器的重要特点也是它的优点就是输出波形不受负载的影响。电压源逆变器主要应用于交流不停电电源、光伏电池组或者是蓄电池燃料电池构成的交流电源，静态无功补偿器。

　　电压源逆变器虽然得到了广泛的应用，但是它存在理论上和和实际中存在缺陷和不足；应用在许多地方会造成装置造价高、效率低。

　　

　　如图1所示是传统的电压源逆变器的拓扑结构。可以把直流电压变换成交流电压。途中有6个开关，每个开关反并联一个二极管，作为续流用。这样可以实现双向电流和单向阻断。但是电压源逆变器会存在下列不足和缺点：

　　（1）交流侧负载只能是电感性的，只有这样才能使电压源逆变器正常工作。

　　（2）交流侧的电压不可能高于直流侧母线的电压。这是一个很致命的缺点。如果在某些场合下，交流侧需要较高的电压输出，那么就必须配合升压变压器了。这样就会增加成本，降低效率，占用过多的空间，导致使用起来比较笨重。

　　（3）每个桥臂不允许上下一块导通，要不然会造成短路导致器件损坏，而且电磁干扰也可以造成误导通，造成短路，影响电路的稳定性，可靠性。

　　

　　电流型逆变器如图2所示，其输入侧需要一个恒定的电流才能保证其正常工作。这种情况和电压源恰好相反。电流源逆变器拓扑结构的主要器件是晶闸管和串联一个正向的二极管。

　　能看出来电流源逆变器和电压源逆变器在好多方面都是对偶。

　　同样电流型逆变器也存在先天的理论不足主要如下：

　　（1）交流侧必须是电容性，只有这样才能保证其正常的工作状态。

　　（2）交流侧的输出电压只能高于直流侧的电压，同样是这一点要是在某些场合需要低电压，那么就需要配一个降压变压器了。这样既增加了成本又不能兼顾效率。

　　（3）无论何时电流型逆变器一个桥臂上的两个器件必须同时导通，这样才能保证电流源逆变器的正常工作。要不然就会发生开路，造成不必要的后果。

　　综上所述，电压源型逆变器和电流源型逆变器存在共同的不足：

　　（1）都只是升压或者是降压。

　　（2）输出的电压要不是低于输入侧要不就是高于输入侧，不能进行调节。

　　（3）都存在电磁干扰容易造成器件损坏造成电路瘫痪。

　　（4）两种逆变器的电路不能够相互替换。

　　2.Z源逆变器的产生

　　考虑到上述情况，Z源逆变器应运而生。Z源逆变器早是在2002年提出的。他是一种新型的逆变器拓扑结构。克服了以前电压源逆变器和电流源逆变器的不足。

　　Z源逆变器引入了Z源网络，把逆变器主电路和电源或者是负载耦合。如图3所示。

　　

　　Z源逆变器的直流侧可以是电压源也可以是电流源，Z源网络包含两个电容器和两个电感。

　　这种结构决定了它可以瞬时开路和瞬时短路。

　　其负载侧既可以是电容性的和可以是电感性的。

　　3.Z 逆变器的工作原理分析

　　为了说明Z源逆变器的工作原理，首先让我们简单的介绍一下Z源逆变器的结构特点。三相的Z源逆变器一共有9个可以允许的工作状态，而普通的也就是传统的三相电压型逆变器只有8个可以允许的工作状态。如果直流电压加到负载上时，传统的三相电压源逆变器会有六个非零的电压状态，当负载端分别被上面的或者是上面的三个器件短路的时候，传统的三相电压源逆变器有两个零电压状态。而三相Z源逆变器还有另外一个零电压状态。当负载端被上下两个器件短路时，传统的三相电压源逆变器的这个状态是不被允许的，这个状态下传统的三相电压源逆变器的元件会受到损坏。但是Z源逆变器是允许有这个状态的。正是因为这个原因Z源逆变器可以实现升压或者是降压。

　　利用戴维南定理，从直流端看进去Z源逆变器的等效电路，当Z源逆变器的逆变桥处在直通状态下相当于短路，等效电路图如图4所示，当处于其他状态时Z源逆变器的逆变桥可以看成是一个电流源，如图5所示。

　　

　　假设Z源逆变器的两个电感L1和L2电感量相等的，两个电容C1和C2的电容量是相等的。那么Z源逆变器就是对称的。两个电容两端的电压相等假设等于VC.两个电容两端的电压也相等假设等于VL.

　　在一个开关周期T中，假设有T0时间是出于直通状态的。也就是图4等效电路图所示。可知VC和VL是相等的。Vd等于Vc两倍的。在这个状态下V1等于零。

　　在一个开关周期T中，假设有T1时间是出于非直通状态的。也就是图5等效电路图所示。可知VL是V0和VC的差。Vd和V0是相等的。Vi是VC和VL的差。V0是直流电压源的电压。

　　在一个开关周期T中，在稳态下电感两端的电压的平均值是0.综上所述，可以得出：

　　

　　M是逆变器的调制因子。

　　综上所述，这个公式说明通过调节直通状态下的就能选择合适的升降压因子，输出的电压就可以升高降低。是有M和B共同决定的。

　　4.结论

　　由以上分析可以得出：Z源逆变器可以根据实际情况调节输出电压的高低，而且可以使逆变器承受瞬间短路。而这种特性是传统电压源型逆变器和电流源型是不可能做到的。