易文靜，羅超逵，羅朝旭，程諄

(1．湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司凱里供電局，貴州 凱里 556099；3.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

0 引言

傳統(tǒng)電壓源逆變器為降壓型變換器，在輸入電壓較低或?qū)捵兓秶膱?chǎng)合下，需要在前級(jí)加升壓變換器，這種兩級(jí)功率變換器通常會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、成本更高且效率變低[1-4]。Z源逆變器可以克服上述不足，與傳統(tǒng)的電壓源相比，Z源逆變器通過(guò)在輸入端和逆變橋中加入Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)單級(jí)升降壓逆變器功能，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本更低[5-6]。但Z源逆變器仍存在輸入電流不連續(xù)、功率器件電壓應(yīng)力高，以及輸入電源與負(fù)載之間沒(méi)有公共接地等缺點(diǎn)[7-8]。因此，在Z源逆變器基礎(chǔ)上提出了兩種準(zhǔn)Z源逆變器，這兩種準(zhǔn)Z源逆變器都有著公共接地的優(yōu)點(diǎn)，區(qū)別在于是否有連續(xù)的輸入電流[9-10]。

盡管輸入電流連續(xù)的準(zhǔn)Z源逆變器有很多優(yōu)勢(shì)，但其功率器件和準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)中電容的電壓應(yīng)力仍然很高，同時(shí)準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電感電流紋波較高。很多研究通過(guò)在準(zhǔn)Z源逆變器選用高速開(kāi)關(guān)器件來(lái)降低電感電流紋波，例如SiC-MOSFET、GaN-HENT和SJ-MOSFET[11-13]。然而，這種方法必須在增加器件開(kāi)關(guān)損耗和降低電感電流紋波之間進(jìn)行權(quán)衡。此外，這種方法的有效性很大程度上取決于電路結(jié)構(gòu)[14]和器件的開(kāi)關(guān)性能[15]。同時(shí)，改變調(diào)制策略減少電感器電流紋波也十分有效，并且不受電路結(jié)構(gòu)和器件的開(kāi)關(guān)性能的約束。正弦脈沖寬度調(diào)制(sinusoidal pulse width modulation，SPWM)[16]策略和空間矢量脈沖寬度調(diào)制(space vector pulse width modulation，SVPWM)[17]策略是三相準(zhǔn)Z源逆變器實(shí)現(xiàn)上下橋臂直通最常用的兩大類(lèi)調(diào)制策略。SPWM策略中最常見(jiàn)的有簡(jiǎn)單升壓調(diào)制(simple boost control，SBC)[18]策略、最大升壓調(diào)制(maximum boost control，MBC)[19]策略和最大恒定升壓調(diào)制(constant boost control，CBC)[20]策略。簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略作為最常用的調(diào)制策略實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，但存在高電感電流紋波和功率器件承受電壓應(yīng)力高的缺陷；為了降低SBC策略中的高電壓應(yīng)力，MBC策略被提出，但這種方法給電感電流帶來(lái)了低頻脈動(dòng)。而CBC策略在降低電感電流紋波的同時(shí)不引入低頻脈動(dòng)，但較窄的調(diào)制度范圍使其仍有較高的開(kāi)關(guān)電壓應(yīng)力。SVPWM策略與SPWM策略相比，增大了調(diào)制度的變化范圍，在一定程度上減少了功率器件的電壓應(yīng)力，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，計(jì)算量變大，系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間明顯變長(zhǎng)[21]。文獻(xiàn)[22]提出了一種優(yōu)化直通時(shí)間的SVPWM策略，在一定程度上降低了電感電流紋波，但是計(jì)算變得更加復(fù)雜，且并未優(yōu)化系統(tǒng)的電壓應(yīng)力。

本文基于簡(jiǎn)單升壓控制提出一種注入均值信號(hào)的調(diào)制策略，均值信號(hào)為三相正弦調(diào)制波最大值和最小值的均值。通過(guò)將均值信號(hào)注入三相正弦調(diào)制波中從而得到新的調(diào)制波，再用新的調(diào)制波對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器進(jìn)行控制完成升壓逆變的功能。與簡(jiǎn)單升壓控制相比，新的調(diào)制策略在減小功率器件和電容電壓應(yīng)力的同時(shí)，有效降低電感電流紋波脈動(dòng)，有著更優(yōu)良的綜合性能。

1 三相準(zhǔn)Z源逆變器工作原理和簡(jiǎn) 單升壓調(diào)制策略

三相準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)淙鐖D1所示，準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)由電感L1、L2、電容C1、C2和二極管D構(gòu)成。分析準(zhǔn)Z源逆變器工作原理時(shí)準(zhǔn)Z源阻抗網(wǎng)絡(luò)對(duì)稱(chēng)，即L1=L2，C1=C2。準(zhǔn)Z源逆變器在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中有兩種工作模式，分別為直通模式和非直通模式。這兩種工作模式的等效電路分別如圖2(a)、(b)所示。

圖1 三相準(zhǔn)Z源逆變器拓?fù)?/p>

(a)直通狀態(tài)

(b)非直通狀態(tài)

準(zhǔn)Z源逆變器直通時(shí)，電感充電，電容放電，有：

vL1=VC2+Vin

(1)

vL2=VC1

(2)

處于非直通狀態(tài)時(shí)：

Vin=vL1+VC1

(3)

vL2=-VC2

(4)

綜合式(1)—(4)和電感電壓的伏秒平衡原理可得電容電壓VC、直流鏈峰值電壓Vpn分別為：

(5)

(6)

式中：T是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間；T0為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)直通零矢量持續(xù)的時(shí)間；D0為直通占空比；B定義為升壓因子。式中直流側(cè)電壓僅表示電路工作在非直通狀態(tài)時(shí)的值。

準(zhǔn)Z源逆變器的工作狀態(tài)不同于傳統(tǒng)電壓型逆變器的工作狀態(tài)，準(zhǔn)Z源逆變器需要在傳統(tǒng)8個(gè)基本工作狀態(tài)中添加直通零矢量工作狀態(tài)，添加直通零矢量之后傳統(tǒng)的調(diào)制策略可適用于準(zhǔn)Z源逆變器。簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略是常用SPWM策略中最簡(jiǎn)單的一種，參考信號(hào)和逆變橋開(kāi)關(guān)信號(hào)如圖3所示。

圖3 一個(gè)周期的簡(jiǎn)單升壓調(diào)制示意圖

為了更直觀地展示調(diào)制過(guò)程，載波比設(shè)置為10。定義調(diào)制因數(shù)m為三相正弦調(diào)制波峰值Vts與三角載波峰值Vtc之比，則m被限制在0≤m≤1。設(shè)簡(jiǎn)單升壓控制下的三相正弦調(diào)制信號(hào)為：

(7)

(8)

簡(jiǎn)單升壓控制下的升壓因子B、電壓增益G和輸出相電壓峰值vp分別為：

(9)

(10)

(11)

2 注入均值信號(hào)調(diào)制策略

本文提出的注入均值信號(hào)調(diào)制策略的實(shí)現(xiàn)不同于簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略，不需要額外的參考信號(hào)，通過(guò)向三相正弦調(diào)制信號(hào)注入均值信號(hào)就能實(shí)現(xiàn)逆變橋的直通，同時(shí)獲得低電壓應(yīng)力和電感電流紋波的特性，圖4為控制示意圖。

圖4 一個(gè)周期的注入均值信號(hào)調(diào)制策略示意圖

(12)

則均值信號(hào)v0定義為：

(13)

(14)

對(duì)于提出的注入均值信號(hào)調(diào)制策略，直通占空比D0以π/6為周期變化，用t0(θ)表示直通零矢量總的時(shí)間，直通占空比在(0，π/6)內(nèi)可以表達(dá)為：

(15)

(16)

于是升壓因子B為：

(17)

直流鏈電壓Vpn可表示為：

(18)

電壓增益G可由下式計(jì)算得到：

(19)

則輸出相電壓峰值vp為：

(20)

圖5為簡(jiǎn)單升壓控制和均值注入調(diào)制策略下電壓增益G和調(diào)制度m的關(guān)系示意圖。從圖可知，注入均值分量后，調(diào)制度的范圍更寬，同時(shí)在同一調(diào)制因數(shù)下，逆變器能獲得更大的電壓增益。

圖5 調(diào)制因數(shù)與電壓增益的關(guān)系

3 兩種調(diào)制策略比較分析

3.1 電壓應(yīng)力比較分析

簡(jiǎn)單升壓控制和均值注入控制策略下的逆變橋功率器件電壓應(yīng)力Vs、電容電壓和電壓增益G的關(guān)系如下。

1)簡(jiǎn)單升壓控制：

Vs=(2G-1)Vin

(21)

VC1=GVin

(22)

VC2=(G-1)Vin

(23)

2)均值注入調(diào)制策略：

(24)

(25)

(26)

故，在相同電壓增益G和輸入電壓Vin情況下，選取均值注入調(diào)制策略時(shí)，逆變橋開(kāi)關(guān)器件的電壓應(yīng)力減少為：

(27)

與此同時(shí)，電容電壓減小了：

(28)

圖6和圖7分別是兩種調(diào)制策略下電壓增益G與升壓因子B和電容電壓系數(shù)VC/Vin的關(guān)系示意圖。由圖可知，在同一電壓增益G下，注入均值信號(hào)之后可使準(zhǔn)Z源逆變器逆變橋功率器件和電容的電壓應(yīng)力均降低。

圖6 升壓因子B與電壓增益G的關(guān)系

(b)電容C2的電容電壓系數(shù)

3.2 電感電流脈動(dòng)比較分析

準(zhǔn)Z源逆變器工作在直通狀態(tài)時(shí)，電感電流可由下式計(jì)算：

(29)

工作在非直通狀態(tài)下電感電流為：

(30)

由式(29)和(30)可知，電感L1和L2取值相同時(shí)兩個(gè)電感電流相同，故取L1=L2，此時(shí)準(zhǔn)Z源逆變器的電感電流脈動(dòng)為：

(31)

在給定電壓增益G時(shí)，準(zhǔn)Z源逆變器采用簡(jiǎn)單升壓控制策略下的電感電流紋波為：

(32)

而采用均值分量注入后的電感電流紋波為：

(33)

(34)

式中：k1、k2分別為兩種調(diào)制策略下的電感電流紋波系數(shù)。

圖8為準(zhǔn)Z源逆變器在同一輸入電壓時(shí)k1、k2與電壓增益G的關(guān)系曲線，從圖可以看出，在電壓增益相同時(shí)，注入均值分量后的控制策略對(duì)應(yīng)的電感電流紋波系數(shù)小于簡(jiǎn)單升壓控制策略的電感電流紋波系數(shù)，且隨著電壓增益的增大，系數(shù)的差值變得越大。

圖8 輸入電壓一定時(shí)電感電流紋波系數(shù)與電壓增益G的關(guān)系曲線

當(dāng)準(zhǔn)Z源逆變器負(fù)載端相電壓峰值vp一定時(shí)，由式(31)可知簡(jiǎn)單升壓控制的電感電流紋波為：

(35)

采用均值注入調(diào)制策略的電感電流紋波可表示為：

(36)

其中，k3、k4的表達(dá)式為：

(37)

k3、k4和電壓增益G的關(guān)系如圖9所示，由圖可知，當(dāng)輸出電壓一定時(shí)，相同電壓增益條件下，簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略給準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電感帶來(lái)的電感電流紋波更大，而注入均值分量之后系統(tǒng)電感電流紋波更小。

圖9 同輸出電壓下電感電流紋波系數(shù)與電壓增益G的關(guān)系曲線

3.3 直流鏈電壓利用率比較分析

直流鏈電壓利用率定義為線電壓基波幅值與直流鏈電壓之比。

簡(jiǎn)單升壓控制策略下逆變器輸出A、B相相電壓可以表示為：

(38)

則輸出線電壓基波幅UAB為：

(39)

由此可知調(diào)制度為1時(shí)，采用簡(jiǎn)單升壓控制策略下直流鏈電壓利用率為0.866。

均值注入調(diào)制策略下逆變器輸出A、B相相電壓可以表示為：

(40)

則輸出線電壓基波幅UAB為：

(41)

由上述分析可知，相較于簡(jiǎn)單升壓控制，注入均值信號(hào)控制可以得到更寬范圍的調(diào)制因數(shù)m和更高的直流鏈電壓利用率，開(kāi)關(guān)器件電壓應(yīng)力更小，兩個(gè)電容承受的電壓更??；在相同的開(kāi)關(guān)頻率下，準(zhǔn)Z源逆變器的電感電流紋波會(huì)減小，這有利于減少電感值從而減小逆變器體積。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證前述分析，通過(guò)MATLAB/Simulink對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器在簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略和注入均值信號(hào)調(diào)制策略這兩種調(diào)制策略下進(jìn)行仿真對(duì)比。設(shè)置仿真參數(shù)：令輸入電壓Vin=500 V，準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電感L1=L2=5 mH，電容C1=C2=1 000 μF，載波頻率fs=10 kHz，負(fù)載R=15 Ω。圖10為準(zhǔn)Z源逆變器分別采用兩種調(diào)制策略下的直流鏈電壓Vpn，電容電壓VC1、VC2，電感電流iL和輸出相電壓Vp的波形。

由圖10可知，在同輸入功率和同輸出電壓的情況下，兩種調(diào)制策略下的平均電感電流相同，為25.5 A。與此同時(shí)，簡(jiǎn)單升壓控制下的準(zhǔn)Z源逆變器直流鏈電壓約為1 030 V，采用注入均值分量后的調(diào)制策略直流鏈電壓降低到765.5 V，直流鏈電壓減少了約25.67%。與此同時(shí)，注入均值分量后電容電壓VC1、VC2分別為632.3 V和132.2 V，而簡(jiǎn)單升壓控制下的對(duì)應(yīng)的兩個(gè)電容電壓分別為762 V和264 V，注入均值分量后電容承受的電壓應(yīng)力更低，可以有效減少電容體積和整個(gè)系統(tǒng)的重量。

兩種調(diào)制策略下對(duì)應(yīng)逆變橋功率器件電壓應(yīng)力Vsw和電感電流iL的局部放大圖如圖11所示。由圖可知，逆變橋功率器件承受的電壓應(yīng)力數(shù)值與直流鏈電壓值相同，則與簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略相比，注入均值分量后逆變器功率器件電壓應(yīng)力減少了25.67%。此外，簡(jiǎn)單升壓控制策略下的最大電感電流紋波為1.973 A，而注入均值分量之后準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的最大電感電流紋波減少到1.030 A，降低了約47.8%。由此可以看出，注入均值分量控制策略在達(dá)到相同效果下可以降低準(zhǔn)Z源系統(tǒng)的最大電感電流紋波，有效減小電感成本。

(a)簡(jiǎn)單升壓控制策略

(b)均值信號(hào)注入后的控制策略

(a)簡(jiǎn)單升壓控制策略

(b)均值信號(hào)注入后的控制策略

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

使用RT-LAB實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)一步驗(yàn)證所提調(diào)制策略帶來(lái)的低電壓應(yīng)力和電感電流紋波效果，DSP控制器選用TMS320F2812型號(hào)，三相準(zhǔn)Z源逆變器系統(tǒng)由RT-LAB(OP5600)構(gòu)建，系統(tǒng)參數(shù)與仿真參數(shù)保持一致。

圖12為傳統(tǒng)簡(jiǎn)單升壓調(diào)制策略和所提出的均值信號(hào)注入調(diào)制策略方法的輸出電壓Vp和準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)電感電流iL波形。由此可知，同輸入功率和同輸入電壓情況下，兩種調(diào)制策略對(duì)負(fù)載作用效果一致。

(a)簡(jiǎn)單升壓控制策略

(b)均值信號(hào)注入后的控制策略

圖13顯示了當(dāng)Vin=500 V時(shí)準(zhǔn)Z源逆變器直流鏈電壓和電容電壓的實(shí)驗(yàn)波形。從實(shí)驗(yàn)波形可知，注入均值信號(hào)后準(zhǔn)Z源逆變器的直流鏈電壓和電容電壓相較于簡(jiǎn)單升壓控制策略下的均顯著降低，和仿真結(jié)果保持一致。因此采用注入均值信號(hào)分量后的調(diào)制策略可使逆變橋功率器件和準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)的兩個(gè)電容承受更低的電壓應(yīng)力。

(a)簡(jiǎn)單升壓控制策略

(b)均值信號(hào)注入后的控制策略

逆變器橋的開(kāi)關(guān)管電壓Vsw和電感電流iL實(shí)驗(yàn)波形的局部放大圖如圖14所示。由圖可知，改進(jìn)的調(diào)制策略電感電流脈動(dòng)明顯減少，最大電感電流紋波顯著降低。與此同時(shí)，從Vsw波形可知，逆變橋開(kāi)關(guān)管承受的電壓應(yīng)力也更小。上述結(jié)果表明采用注入均值信號(hào)后的調(diào)制策略，準(zhǔn)Z源逆變器系統(tǒng)有著更低的電壓應(yīng)力和電感電流紋波。

(a)簡(jiǎn)單升壓控制策略

(b)均值信號(hào)注入后的控制策略

實(shí)驗(yàn)波形

6 結(jié)論

本文針對(duì)準(zhǔn)Z源逆變器采用簡(jiǎn)單升壓控制策略所存在的電壓應(yīng)力大和最大電感電流紋波高的問(wèn)題，提出一種注入均值分量的控制策略。這種控制策略可以減小準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)最大電感電流紋波，同時(shí)有效降低準(zhǔn)Z源網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)電容的電容電壓和功率器件的電壓應(yīng)力。通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)注入均值信號(hào)控制策略和簡(jiǎn)單升壓控制策略下的性能進(jìn)行對(duì)比，可以得到：

1)采用注入均值信號(hào)控制策略下的電壓應(yīng)力相較于采用簡(jiǎn)單升壓控制策略下的顯著減小，逆變橋功率器件減少約25.67%，電容電壓VC1減少約17.02%，電容電壓VC2降低了49.92%。

2)提出的調(diào)制策略所帶來(lái)的電感電流紋波性能更優(yōu)越，在同輸入功率、同輸出電壓情況下電感電流脈動(dòng)減小，最大電感電流紋波較簡(jiǎn)單升壓控制策略下降低了47.8%。