改进型跨z源逆变器的恒升压控制方法

S.Divya¹， vedavalli Prabhu夫人²

M.E，电力电子和驱动，圣约瑟夫工程学院，Jeppiar nagar，老马马拉普兰路，金奈- 600 119，印度
圣约瑟夫工程学院EEE系，Jeppiar nagar,Old mamallapuram road, Chennai-600 119，印度

摘要

本文讨论了在传统z源逆变器基础上改进的高升压逆变器。传统的Z-Source逆变器具有用于buck-boost功能的阻抗网络，以连接直流电源和逆变器桥。改进的跨z源逆变器采用变压器来获得高电压。该逆变器由于使用了变压器，提高了升压增益，减小了电压应力，提高了升压系数。通过使变压器的匝数比大于1，我们可以从这个逆变器中获得高电压。本文介绍了改进型Trans-Z-Source逆变器的工作原理、分析和仿真结果，并与传统的Z-Source逆变器进行了比较。射穿状态和匝数比都可以通过调节来控制升压增益。指标术语-射穿状态，升压增益，改进型跨z源逆变器

关键字

介绍了Z-Source逆变器，以完成单级功率转换与buck-boost设施。在传统的逆变器中，当腿上的两个开关同时打开时，由于开关的寄生电容与传递给它们的能量相比太小，传输的能量会引起巨大的电压尖峰。开关会因为电压尖峰超过击穿电压而损坏。这一事实将降低逆变器的可靠性。但是在z源逆变器[1]中，这种直通状态被有效地利用，并且增加了真实性，减少了输出波形失真。这种Z-Source逆变器增加了对导致开关错选的EMI问题的抗扰度。但Z-Source逆变器存在电压增益小、电压应力大等缺点。

为了提高电压增益，我们引入了一种连接直流电源和逆变器桥的变压器。本文在恒升压控制下进行，减少了频率波动，减少了电感和电容的需求，但比最大升压控制有轻微的电压增益。改进型Trans-Z-Source逆变器的变压器额定值比Trans-Z-Source逆变器[8]要低。变压器额定功率越低，铁芯尺寸越小。因此，变压器的尺寸和额定值都降低了。改进后的逆变器在变压器的基础上增加了一个电感和一个电容以获得高电压增益。因此，改进后的逆变器具有可靠性高、电压增益高、应力小等特点。因此，通过增加变压器的匝数比，电压增益就会增加。因此，高压流过逆变器桥。

2传统的z源逆变器拓扑结构

图1显示了传统的z源逆变器拓扑结构。它采用独特的阻抗网络将转换器主电路耦合到直流电源、负载或任何其他转换器电路，以提供独特的降压升压能力，这在分别具有电容和电感的传统电压源和电流源逆变器中无法观察到。z源逆变器的另一个特点是输出交流电压可以是零到无穷大之间的任何值。Z-Source逆变器由分裂电感L1和L2和电容sc1和C2组成，连接成X形[7]用于提供阻抗源(z -源)，将逆变器耦合到直流源、负载或另一个转换器。直流电源可以是电压源也可以是电流源。因此，直流电源可以是电池、二极管整流器、晶闸管转换器、燃料电池、电感器、电容器或它们的组合。在变换器中使用的开关可以是开关器件和二极管的组合，如反平行组合。

与传统的三相电压源逆变器有8个开关状态不同，三相z源逆变器桥有9个允许开关状态。传统的三相电压源逆变器，当直流电压压在负载上时，有六个有源矢量，当负载端子分别通过下部或上部三个设备短路时，有两个零状态。然而，三相z源逆变器桥有一个额外的零状态，当负载端子通过任何一个相腿的上下设备(即，两个设备都是门控的)，任何两个相腿，或所有三个相腿短路。传统电压源逆变器禁止这种直通零状态，因为它会导致直通。我们把第三个零状态称为直通零状态，它可以通过7种不同的方式产生。这种贯穿状态被有效地利用来提供美元提升机制。

在零状态时，所有在上或下侧的开关都短路。在这种状态下，电感L1和L2通电。当对角线开关进行时，存储在电感器中的电荷将转移到开关上。然而，当同一支腿的开关同时导电时，存储的电荷将转移到电容器C1和C2。因此，可以避免开关上的电压峰值，从而防止开关损坏。

逆变器桥上的直流链路电压与输入直流电压的比值为Z源逆变器的升压系数，可写成

其中D=T0/T为每个穿透状态的占空比。T0为切换间隔内的直通时间间隔，T为总时间周期。注意，直通状态不会影响输出电压，因为直通状态的输出电压为零，这与零状态类似。因此，在不影响主动状态的情况下，贯穿状态在总时间段内均匀分配。

尽管z源逆变器克服了传统电压源和电流源逆变器在概念和理论上的障碍和限制，并提供了一种新的功率转换概念，但它仍然存在许多缺点。

1) ZSource逆变器输入直流电流不连续，输出电压纹波较大。

2)通过开关的高压应力

3)升压系数较小，在大功率应用中不够充分。

因此，改进的trans - z源逆变器可以克服上述缺点。

3提出了改进的跨源逆变器

图2显示了所提出的具有连续输入电流和buckboost能力的改进Trans-Z-Source逆变器。它是通过连接电感变压器和直流电源和逆变器桥之间的电容来创建的。因此，所提出的逆变器由一个电感L3，一个变压器，两个电容器C1和C2，以及一个二极管d组成

1)输入电流连续

2)可以获得更高的升压系数

3)通过增加变压器的匝数比和改变贯穿间隔，可以实现电压降压升压。

A.工作原理

在传统电压源逆变器中，除了传统的6个有源和2个零状态外，改进的trans - z源逆变器具有额外的直通零状态。改进后的逆变器的工作原理与传统的z源逆变器相似。为便于分析，将其工作状态简化为穿射和非穿射。图3为互感改进型Trans-Z-Source逆变器等效电路。

B.运作模式

1)模式1:在如图4(a)所示的直通状态下，逆变器侧被任意一个相腿的上下开关器件同时短路。在这个直通状态下，二极管D反向偏置(即D为OFF)。

在直通状态下

在射击通过状态电感L3得到能量。由于短路，变压器绕组L1有大电流流过。由于L1绕组的存在，L2绕组也因耦合而获得了能量。电容器C1也被通电。

2)模式2:在图4(b)所示的非直通状态下，改进后的逆变器有6个有源状态，主电路有2个零状态。在非通射状态下，二极管D正向偏置。变压器在非直通状态下的一次绕组和二次绕组对应的电压分别为和。

在非穿透状态下，电容器C2通过变压器充电。然后二极管D正向偏置，通过变压器绕组通电。因此，流向逆变器桥的主要功率是来自变压器和电容器C2的总功率。

将伏秒平衡原理应用于电感L1和L2(1)和(2)，从而得到

逆变器桥上的直流链路电压峰值可以写成

因此，通过比较式(1)和式(12)，改进型Trans-Z-Source逆变器通过使用变压器具有比传统Z-Source逆变器更高的升压因子。当n = 0时，改进的Trans-Z-Source逆变器将像传统的Z-Source逆变器一样正常工作。但当n≥1时，改进的Trans-Z-Source逆变器的升压能力更高，可以通过增加变压器的匝数比来提高。另一方面，这种改进的Trans-Z-Source逆变器使用更小的贯穿占空比来产生与传统Z-Source逆变器相同的升压因子。因此，使用更高的调制指数来获得更好的输出波形。

当我们使用恒升压控制[2]时，该逆变器直通状态的恒占空比可写成:

改进的Trans-Z-Source逆变器在直流链路上产生了更低的电压应力，更低的电流应力流到变压器绕组和二极管，以及更低的输入电流纹波。然而，在改进的Trans-Z-Source逆变器的直通状态下，二极管上的电压应力和主电源电路上的电流应力更高。这是因为改进的Trans-Z-Source逆变器在高调制指数下具有更强的功率能力。

C.恒定升压控制、简单升压控制和最大恒定升压控制的比较

栅极脉冲是通过简单的升压技术获得的，但该方法的缺点是，由于每个开关周期都需要不断地维持发射时间，因此不能用于提高输出电压。开关中的电压应力随着电压增益的增加而增加。因此，由于开关额定电压的限制，这种控制方法[6]无法实现更高的增益。因此，可以采用其他合适的控制技术，使z源逆变器在更高的电压增益下运行。

通过最大限度地提高射速和升压系数，将开关上的电压应力降至最低。考虑到简单的升压控制方法，需要进行简单的修改。与简单的升压控制相比，电压应力要低得多。

因此，逆变器可以在更高的电压增益下工作。在这种方法中，所有的零状态都被用作贯穿状态，因此从该方法中产生最大输出。这种方法在电感电流和电容电压中引入了与输出频率相关的低频电流纹波。当输出频率变得很低时，这将导致对无源元件的更高要求。因此，最大升压控制适用于输出频率固定或相对较高且六倍频率电流纹波不存在问题的应用。对于具有可变和低输出频率的应用，该方法可能需要一个大的直流电感。

因此，为了克服上述的电压应力、低频波纹等缺点，降低对电感和电容的要求，从而降低网络的体积和成本，我们引入了恒升压控制方法。因此，为了减少z源网络的体积和成本，我们需要使用恒定的贯穿占空比来消除低频电流纹波。同时，对于任何给定的调制指数，都需要更大的电压升压，以降低开关上的电压应力。更重要的是，恒升压控制方法需要最小的电感和电容，因为电感电流和电容电压不包含与输出电压相关的低频波纹，从而降低了z源网络的成本、体积和重量。与简单升压控制相比，电压应力降低，略高于最大恒定升压控制。输入电流是流过电感器L3的电流。因此，在改进的Trans-Z-Source逆变器的输入电流纹波可以忽略不计，等于零。

四、仿真结果

Ã¯Â′Â Ã¯Â Â - o验证所提出的改进型跨Z源逆变器的优点，如图2所示，MATLAB仿真比较了其与传统Z源逆变器[1]的性能。输入电压选择为230，输出相电压选择为390。采用恒升压控制。表一显示了逆变器的仿真参数。该滤波器用于减少输出波形的失真。

通过将三个参考波与载波三角形波进行比较，将栅极脉冲提供给开关。栅极脉冲产生是该逆变器的关键电源。这种射通是通过恒定升压控制来实现的，其中第三次谐波注入波与产生脉冲的三角形进行比较。这些脉冲将提供一个贯穿，通过，在同一腿的开关传导。图5为恒升压控制的脉冲发生器。

通过比较基准三角形和载波三角形的振幅来确定调制指数。因此，所选择的调制指数为M=0.96。图6显示了恒升压控制方法的脉冲产生情况。

图7所示为所提改进Trans-Z-Source逆变器的仿真电路。在这个电路中，我们使用变压器来提高直流链路电压。在这种方法中，通过改变调制指数来改变射穿脉冲，可以使输出电压降压升压。因此，电压由变压器和电容器共同提高。如图8所示，在升压到390V ac左右时，改进型Trans-Z-Source逆变器的输出电压。通过对比Z-Source逆变器240V的输出电压，该逆变器的升压电压更高，为390V，而该逆变器的升压增益更高，输入电流持续，电压应力更小。

图9所示为改进后的跨源逆变器的负载电流。总谐波失真是在负载电流中测量的。改进的Trans-Z-source逆变器的失真系数为2.36%，与传统的Z-Source逆变器的7.42%相比，失真系数大大降低。

诉的结论

因此，设计了一种新的拓扑结构来改进传统的Z源逆变器，该拓扑结构具有升压高、通过改变脉冲间隔和改变变压器匝比可以实现降压升压、输入电流连续等特点。与传统的z源逆变器相比，在相同的输入电压下，改进的Trans- Z-source逆变器具有更高的升压输出电压，减小了直流链路上的电压应力，减小了流向变压器绕组的电流应力，减小了输入电流纹波。

仿真结果表明，当输入电压为230V DC时，输出电压约为390V AC。改进后的Trans-Z-Source逆变器适用于燃料电池、光伏应用，获得的输出电压需要提升到高交流电压。

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