中文源变换器

1、电 工 技 术 学 报TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY2004 年 2 月第 19 卷第 2 期Vol.19No2Feb.2004Z源 变顾换 器斌高杭州奇310027浙江大学电气摘要 提出了一种新型的阻抗源功率变换器拓扑和它应用于 DC/AC AC/DCAC/AC DC/DC功率变换时的 电源耦合在一起的功率变换概念阻抗源变换器提供了一个独特的阻抗或电路将变换器主电路和可以得到传统的电压源和电流源变换器不能得到的独特特性提供了一个新颖克服了传统的电压源和电流源变换器的不足以应用于电池逆变功率变换的阻抗源逆变器为例分析了其工作原理和Z

2、 源变换器升/降压新型拓扑号 TN624和实验结果证实了这些新的特点Z-Source ConverterPeng FangzhengFang XupengGu BinGao QiQian ZhaomingElectrical Engineering SchoolHangzhou310027China )(Abstract It proposes an impedance-source (or impedance-fed) power converter (abbreviated as Z-source converter) and its control method for implemen

3、ting dc-to-ac, ac-to-dc, ac-to-ac, and dc-to-dc power conversion. The Z-source converter employs a unique impedance network (or circuit) to couple the converter main circuit to the power source, thus providing unique features that cannot be obtained in the traditional voltage-source (or voltage-fed)

4、 and current-source (or current-fed) converters in which a capacitor and inductor are used, respectively. The Z-source converter overcomes the conceptual and theoretical barriers and limitations of the traditional voltage-source converter and current-source converter and provides a novel power conve

5、rsion concept. To describe the operating principle and control, this paper focuses on an example: a Z-source inverter for dc-ac power conversionneeded in fuel cell applications. Simulation and experimental results validate the new features.KeywordsZ-Source converterboost/bucknovel topology不串联电感 使电压源

6、变换器能够工作2 交流输出电压被限制只能低于而不能超过直流母线电压 或直流母线电压只能高于交流输入电压 因此 对于 DC/AC 功率变换 电压源逆变器是一个降压式逆变器 对于 AC/DC 功率变换来说 电压源变换器是一个升压式整流器 对于直流电压较低 需要较高的交流输出电压的 DC/AC 功率变换场合 需要一个额外的 DC/DC 升压式变换器 对于交流电源电压合适而需要较低的直流输出电压的 AC/DC 功率变换场合 需要一个额外的DC/DC 降压式变换器 这个额外的功率变换级增加了系统的成本 降低了变换效率3 每个桥臂的上 下器件不能同时导通1传统变换器拓扑的问题今天的功率变换技术基于两种传统

7、的变换器拓扑 电压源 或电压馈电 和电流源 或电流馈15电 变换器 或逆变器 取决于功率流方向电压源变换器和电流源变换器理论上的局限性 在许多应用场合造成装置造价高 效率低电压源变换器应用广泛 但是下列的缺陷1交流负载必须为电感性或交流电源不得自然科学基金资助项目 50377038收稿日期 2003-04-08改稿日期 2003-09-1648电 工 技术 学 报2004 年 2 月不管是有意为之会发生直通短路还是因为电磁干扰造成的 否则损坏器件 由电磁干扰造成的误图 1 示出了 Z 源功率变换器的一个一般拓扑结构 一个包含电感 L1L2 和电容器 C1C2 的二触发导致的直通问题是变换器可靠

8、性的主要端口接成 X 形 以提供一个阻抗源 Z 源电流源变换器下列理论上的局限性将变换器 或逆变器 和直流电源或负载耦合在一1 交流负载/电源侧必须为电容性 或只得并联电容 以使电流源变换器能够工作2 交流输出电压只能高于为直流电感供电的直流电压 或者所产生的直流电压总是低于交流输入电压 因此 对于 DC/AC 功率变换来说 电流源逆变器是一个升压型逆变器 对于 AC/DC 功率变换来说 电流源变换器是一个降压型整流器 或降压起 Z 源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 源为电源 主电路和负载提供了下列很大的灵

9、活性1 Z 源变换器的电源既可为电压源 也可为电流源 因此 与传统的电压源或电流源变换器不同 Z 源变换器的直流电源可以为任意的 如电池型变流器对于需要宽电压范围的应用场合 需要一个额外的 DC/DC 降压式 或升压式个额外的功率变换级增加了系统成本效率变换器 这降低了变换二极管整流器 晶闸管变流器电容器或它们的组合电池堆 电感2 Z 源变换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 源变换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3 任何瞬间 至少应有上面的一个器件和下面的一个器件被触发且维持导通状态 否则 会发生直流电感的开路 损坏器件 由

10、电磁干扰造成的误关断引起的开路问题是变换器可靠性的一个杀手4 电流源变换器的主开关必须阻断反向电压 因此 需要一个串联二极管和高速 高性能晶体管 如绝缘栅双极型晶体管( s)配合使用 这3Z 源变换器的负载可为电感性或电容性阻碍了低成本 高性能的块的直接应用模块和集率模归纳起来 电压源变换器和电流源变换器下述共同的不足图 1Z 源变换器的一般拓扑Proposed general structure of the Z-source converterFig.11 它们或是升压型不可能是升/降压型变换器或是降压型变换器 而也就是说 它们可得到如前所述 Z 源具有极大的灵活性 可以将的输出电压范围是

11、有限的 或低于或高于输入电压2 它们的主电路不能互换 换句话说 没有一个电压源变换器主电路可用于电流源变换器 反之同样3 它们抵御电磁干扰噪声的能力很脆弱基于上述 有必要寻求一种新型的变换器拓扑克服传统变换器的缺陷的电源耦合到的主变换器电路 向的负载供电 这就意味着 Z 源变换器思想和理论可以应用到功率变换电路的整个范围内3应用于电池的实例及其理论分析Z 源变换器的优点是可以从下面的电池应用实例中清楚的体现出来 图 2 示出电池应2 一种新型的变换器拓扑Z 源功率变换器用的传统两级功率变换 它已被许多实际应用所验证6,721电池堆通常产生一个大范围波动的电压Z 源功率变换器为功率变换提供了一种

12、新的变换器拓扑和理论 它可以克服前述的传统电压源和电流源变换器的不足 Z 源功率变换器引进了一个输出电压的大小取决于电池堆输出电流的大小 对于电池汽车和分布式发电系统需要一个升压式 DC/DC 变换器 因为电压源逆变器不能产生高于直流电源电压的交流电压 例如 要产生三相 220V 有效值 交流电压 传统的电压源阻抗将主变换器电路与电源或负载耦合 因此 Z 源功率变换器既不是一个电压源变换器 也不是一个电流源变换器 不前述的问题第 19 卷第 2 期等Z 源变换器49逆变器理论上需要一个最小 310V 的直流电压 考虑到余裕和动态波动 400V 是理想的 因此 不得零电压状态 或矢量 成为可能

13、这个直通零电压状态为逆变器提供了独特的升/降压特性 图 4 示出了图 3 所示的 Z 源逆变器从直流环节看过去的等效不加大电池的体积来产生 400V 到 800V 的电压 或者应用一个 DC/DC 变换器来将电池电压电路 引入 Z 源后 当逆变桥处于直通零电压从 150300V 升高到 400V如图 2 所示 图 3 示状态时 可等效为短路 如图 5 所示 而当处于 6 种非零电压状态的一种时 逆变桥变成一个等效电流源 如图 6 所示 当处于两种传统的零电压状态时 逆变桥也可以用一个零值电流源 或开路 来代替 因此 图 6 示出了当逆变桥处于传统的 8 种非直通零电压状态的一种状态时 Z 源逆

14、变器从直流侧看进去的等效电路若电感 L1 L2 和电容器 C1 C2 分别具有相同电池的 Z 源变换器 它可电池堆电压的交流电压出一个应用于这样的直接产生高于或低于也就是说 Z 源变换器是一个升/降压逆变器 可得到的电压范围很宽 依靠传统的逆变器本身不可能提供这样的特性 图 2 和图 3 中与电池串联的二极管是必需的 以反向电流流入电池堆图 4从直流侧看进去的 Z 源逆变器的等效电路Fig.4Equivalent circuit of the Z-source inverterviewed from the DC link图 2Fig.2电池应用的传统两级功率变换器Traditional tw

15、o-stage power conversion for fuel-cell applications图 5当逆变桥处于直通零电压状态时 从直流侧看进去的 Z 源逆变器的等效电路Equivalent circuit of the Z-source inverter viewed from the DC link when the inverter brid ge is inthe shoot-through zero state图 3电池应用的 Z 源逆变器Fig.3Z-source inverter for fuel-cell applicationsFig.5为了描述图 3 中的 Z 源逆

16、变器的工作原理和控制 我们简要地分析 Z 源逆变器结构 在图 3 中三相 Z 源逆变桥具有 9 个的开关状态 而不像传统的三相电压源逆变器那样只有 8 个 当直流电压加到负载上时 传统的三相电压源逆变器具有 6 个非零矢量 当负载端分别被下面的或上面的三个器件短路时 三相电压源逆变器有 2 个零电压矢量然而 三相 Z 源逆变桥有一个另外的零电压状态 或零电压矢量 当负载端被上面的和下面的器件短路图 6 当逆变桥处于 8 种非直通零电压状态的一种状态时 从直流侧看进去的 Z 源逆变器的等效电路Fig.6Equivalent circuit of the Z-source inverter vie

17、wed from the DC link when the inverter bridge is in one ofthe eight non-shoot-through switching states时 如所有的器件均被触发在传统的电压源逆变器中这个零电压状态 或矢量 是的 因为它将导致直通 我们称这个第三种零电压状态 或矢量 为直通零电压状态 或矢量Z 源使直通50电工技术 学 报2004 年 2 月的电感量 L 和电容量 C从对称和等效电路 有VC1 = VC 2 = VC假设在一个开关周期 T 中Z 源变为对称升压作用是必需的 所需要的器件额定电压主要由期望的输出电压来决定 另外 两

18、个直流电感 L1 L2 可以通过一个铁心以变压器的形式进行耦合 它们所需要的电感量由开关频率所决定 而不是由输出交流电压频率所决定 通过提高开关频率可以使所需的电感量最小vL1 = vL2 = vL(1) 逆变桥工作于直通状态中的一种工作状态的时间为 T0, 从等效电路图 5有vL = VC , vd = 2VC , vi = 0(2)假设在一个开关周期 T 中 逆变桥工作电压状态的时间为 T1从等效电路图 6直通零有4结果vL = V0 - VC , vd = V0 , vi = VC - vL = 2VC - V0式中 V0 是直流电源电压 T = T0 + T1(3) 图 7 示出电池堆

19、电为了证实上述理论和分析 进行了了电路结构 图 8 示出了波形 其中压为 V0=150V L1=L2=L=500mH, C1=C2=C=1000mF 系在一个开关周期 T 中 电感两端的平均电压在稳态下必然为 0由式 2式 3得电池堆的 150 300V 直流电压产生统的目的是从VL = vL = T0 ×VC + T1 × (V0 - VC )/ T = 0三相 208V 有效值 的交流电压 从波形中可以清楚看到 电容器两端电压被升高到VC2 = 335 V 输出线电(4) VC =T1或(5)V0T1 - T0压 vLab 为 208V 有效值 或 294V 峰值负载电

20、流 iLa和直流电感电流 IL1 也示电路拓扑的可行性它证实了 Z 源逆变器类似地 加在逆变桥的平均直流电压可以得到如下V = v = T × 0 + T × (2V - V )/ T = T1V = V( 6)ii01C00CT - T10加在逆变桥的峰值直流环节电压在式 3 中有表述 可以重写为Tv = V - v = 2V - V =V = B × V7iCLC000T - T10式中 B由直通零电压状态得到的升压因子图 7系统电路结构TB =Fig.7Simulation system configuration18T1 - T0另一方面 逆变器输出相电压

21、的峰值可以表示为v= M × vi 9ac2式中 M逆变器的调制因子对于正弦脉宽调制(SPWM), M1; 对于空间(2 / 3 )矢量 PWMM应用式7式 9可进一步表示为v= M × B × V010ac2式 10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vac= BB = M × B = (0 ¥)11()V / 20(2 / 3 )升/降压因子 BB 是由调制因子 M升压因子 B1 决定的 升压因子 B 是这样确定的在逆变器的 PWM中直通零电压状态的图 8波形时间相对于零电压矢量的比 当输入电压较低时Fig.8

22、Simulation waveforms第 19 卷第 2 期等Z 源变换器515实验结果以图 7 所示的电路构造了实验模型参考文献采用1K Thorborg.Power Electronics. LondonPrentice Hall电路中的参数 得到了实验结果 如图 9 所示International (U.K.). 19882Muhammad H. Rashid. Power Electronics. 2nd Edition.Prentice Hall 1993n N Robbin W P, Undeland T. Power Electronics: Converters Applic

23、ations and Design. 2nd Edition. John Wiley and Sons 1995Andrzej M Trzynadlowski. Introduction to ModernPower Electronics. John Wiley and Sons 1998Bose B K. Modern Power Electronics and AC Drives.Prentice Hall PTR 20023456美B.K.应用.著.社 2002主编. 电力电子学与变频传动技术和等译. 徐州 中国矿业大学现代电力电子电路. 杭州 浙江大学1999图 9实验波形电池的电压

24、较低 逆变器的7调制因数为 0.642直通时间比为 0.358Fig.9 Experiment waveforms (the fuel cell voltage is low, inverter modulation index M=0.642, and shoot-through period ratio T0 /T=0.358)8Peng F Z. Z-source inverter. Industry ApplicationsConference, 2002. Conference Record of the 37th IAS Annual Meeting. 20027756结论从上述理

25、论分析中可以得到的最重要的结论Z 源逆变器的输出电压可以根据需要升高和降传统的电压源或电流源逆变器不能得到这样的是低特性 Z 源变换器拓扑可以克服传统变换器拓扑的不足 并可以衍生出很多电路拓扑Z 源变换器作者：，浙江大学电气，作者刊名：,杭州,310027电工技术学报英文刊名： 年，卷(期)：被次数：TRANSACTIONS OFCHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY2004,19(2)24次1.K Thorborg Power Electronics 19882.Muhammad H Rashid Power Electronics. 2nd Edition 19933

26、.n N;Robbindeland T Power Electronics: Converters,Applications,and Design. 2nd Edition 19954.Andrzej M Trzynadlowski Introduction to Modern Power Electronics 19985.Bose B K Modern Power Electronics and AC Drives 20026.B K;电力电子学与变频传动技术和应用 19997.现代电力电子电路 20028.Peng F Z Z-source inverter外文会议 20021.Wang

27、 Limin.Qian Zhaoming.Peng Fangzheng Z源升压变换器-电气传动2006,36(1)2.Z源直流变换器-电气应用2005,24(2)3. 许颇.Xu Po.Zhang Xing.Zhang Chongwei.Cao Renxian.Zhao Wei 采用Z源变换器的小型风力并网逆变系统-电工技术学报2008,23(4)4.Z-Source变换器在电机驱动上的研究会议-20075.CAI Lei.QIAN Zhao-ming.PENG Fang-zheng Z源单相并网逆变器的实现-电力电子技术2008,42(7)6.Gu Bin.Qian Zhaoming.Fa

28、ng Xupeng.Gao Qi.Peng Fangzheng Z源变频调速系统及其空间矢量PWM-电气传动2005,35(5)7.Gao Qi.Qian Zhaoming.Gu Bin.Fang Xupeng.Zhang Fan.Peng Fangzheng 阻抗型逆变器的一种工作状态分析-电工技术学报2005,20(8)8.SHENG Li-jian.ZHANG Xian-fei.ZHENG Jian-yong Z源逆变器的研究-江苏电器2008(2)9. 丁新平.DING Xin-ping.QIAN Zhao-ming.CUI Bin.PENG Fang-zheng Z源逆变器交流调速系

29、统前馈策略研究-电力电子技术2007,41(12)10.丁新平.Xie Yeyuan.Qian Zhaoming.Ding Xinping.Peng Fangzheng 阻抗源Buck/Boost整流器-电气传动2006,36(11)-自动化技术与应用 2013(10)1.宽输入电压范围Z源谐振DC-DC变换器-低压电器 2013(17)2.简化型Z源并网逆变器-电工技术 2013(12)3.改进型Z源逆变器-低压电器 2012(24)4.Z源并网逆变器的电流策略-高电压技术 2010(8)5.宽范围电能变换系统及其应用-电机与6.基于电流滞环的Z源光伏并网系统研究学报 2010(5)-通信电源技术 2009(5)7.Z源逆变器中SVPWM技术实现