[科普中國]-Z源級聯(lián)三電平中點鉗位逆變器

背景

Z 源中點鉗位(neutral point clamped，NPC)逆變器通過控制直通占空比可以實現(xiàn)升壓輸出。理論上，Z源NPC 逆變器與其它dc-dc 升壓拓?fù)湟粯幽艿玫綗o限大的電壓增益，但由于逆變器開關(guān)的耐壓限制、Z源逆變器的直通占空比D和調(diào)制因數(shù)M相互關(guān)聯(lián)，這些因素都限制了輸出電壓增益。為了產(chǎn)生高電壓增益的輸出電壓，需要采用小的調(diào)制因數(shù)。然而，小的調(diào)制因數(shù)導(dǎo)致器件的電壓應(yīng)力更大。同時小的調(diào)制因數(shù)也降低了電壓利用率，增加系統(tǒng)了的不穩(wěn)定性。因而提高Z源網(wǎng)絡(luò)的升壓因子B 使得Z源NPC 逆變器能夠在更大的調(diào)制因數(shù)下得到相同的電壓增益，同時減少開關(guān)器件的電壓應(yīng)力是Z源網(wǎng)絡(luò)的重要研究方向。

近年來，出現(xiàn)了一些較好的可以提高Z源升壓比的電路拓?fù)?。針對Z源三電平NPC 逆變器，提出的Z源級聯(lián)三電平NPC 逆變器，新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能將升壓因子提高到1/(1?4D)。1

Z源NPC逆變器Z 源三電平中點鉗位逆變器如圖所示，圖(a)所示的是由2 個獨立的直流電源、雙Z 源網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)的三電平NPC 逆變橋組成。這種雙Z 源三電平NPC 逆變器與傳統(tǒng)的電壓源NPC 逆變器相比，需要增加上直通(某一橋臂上面的3 只開關(guān)如SA1、SA2、SA3同時導(dǎo)通)和下直通(某一橋臂下面的3 只開關(guān)如SA2、SA3、SA4同時導(dǎo)通)2 個狀態(tài)。為使Z源網(wǎng)絡(luò)輸出電壓Uo保持平衡，一個開關(guān)周期T內(nèi)的上直通和下直通時間需滿足

式中TU、TG、T0分別表示上、下直通時間和橋臂有效直通時間。1

逆變器輸出相電壓的峰值可以表示為：

式中:

為直通占空比;

為逆變器的調(diào)制因數(shù);

為升壓比;

單Z源網(wǎng)絡(luò)的三電平中點鉗位逆變器如圖(b)所示。這種單Z 源三電平NPC 逆變器與傳統(tǒng)的電壓源NPC 逆變器相比，除了具有有效狀態(tài)和零狀態(tài)外，還需要增加一個直通狀態(tài)。

通過調(diào)節(jié)直通狀態(tài)的時間T0即選擇合適的升壓因子B，輸出電壓就可以升高和降低。當(dāng)T0/T=0時逆變器工作在降壓模式，若B>1 逆變器工作在升壓模式。

雙Z源和單Z源三電平NPC逆變器一樣，升壓因子為 。同時，每一個開關(guān)器件的電壓應(yīng)力為

U線/4M，調(diào)制因數(shù)M增大時器件所承受的電壓就會減少， 由于直通占空比最大被限制在 ，當(dāng)M增大時，可獲得的直通占空比減少，升壓效果也會被限制。2

Z源級聯(lián)NPC逆變器工作原理新型Z源三電平NPC逆變器電路拓?fù)淙鐖D所示。新型拓?fù)渑c傳統(tǒng)拓?fù)涞牟煌谟?，新型拓?fù)浼壜?lián)一個Z源網(wǎng)絡(luò)。級聯(lián)一個Z源網(wǎng)絡(luò)帶來的好處是新型拓?fù)淠軌虻玫揭粋€更高的升壓因子B。同時中線的輸出電壓等于1/2Uo適用于三電平拓?fù)洹?/p>

每個Z源網(wǎng)絡(luò)的2個電容電感相同，假設(shè)電感Ll=L2=LA，L3=L4=LB，電容器Cl=C2=CA，C3=C4=CB，C5=C6=CC。Z源網(wǎng)絡(luò)為對稱網(wǎng)絡(luò)。因而有

當(dāng)逆變橋處于直通零電壓狀態(tài)時，可等效為短路，此時二極管D1、D2、D3、D4 承受反向電壓而截至，電容器的能量轉(zhuǎn)移到電感中。能量由電源和電容向電感轉(zhuǎn)移，電容器放電等效電路圖如圖所示。

新型Z源級聯(lián)NPC逆變器有更高的升壓因子，在相同的升壓效果下，新型Z源級聯(lián)NPC逆變器可以得到更大的M從而降低開關(guān)器件的電壓應(yīng)力。

圖所示為傳統(tǒng)Z源和Z源級聯(lián)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓因子與直通占空比的關(guān)系曲線，其中，傳統(tǒng)拓?fù)銪=1/(1?2D)，Z 源級聯(lián)拓?fù)銪=1/(1?4D)，更好地展示了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的升壓效果。由圖可以看出，在相同的直通占空比情況下，Z 源級聯(lián)拓?fù)涞碾妷涸鲆娓蟆?

Z源級聯(lián)NPC逆變器控制方法采用交替反相電壓偏移調(diào)制(alternativephase opposition disposition，APOD)方法，即利用在空間上是垂直分布，頻率相同，相位相差180°，彼此之間緊密相連的兩列三角載波與正弦調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。傳統(tǒng)逆變器和Z 源級聯(lián)逆變器的APOD 調(diào)制方法和Z 源級聯(lián)NPC 逆變器的直通路徑如圖所示。

Z源級聯(lián)NPC逆變器的控制需要加入額外的直通狀態(tài)，由圖可以看出直通狀態(tài)的產(chǎn)生并不是同時開通某一路的4個開關(guān)器件，而是通過改變了不同橋路的開通關(guān)斷時間產(chǎn)生直通狀態(tài)，這種方式不會增加開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)。如圖所示，在t1~0.5T0開通A相的SA1和C相的SC4，這樣就產(chǎn)生圖中由A相的SA1、SA2、SA3到C相的SC2、SC3、SC4的通路。這樣做僅僅將SA1 和SC4的開通時間提前0.5T0，得到0.5T0的直通狀態(tài)，并不會增加開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)。由此類推，在t4時刻，延遲0.5T0關(guān)斷A 相的SA1和C相的SC4，又會產(chǎn)生0.5T0的直通狀態(tài)。

在圖中，為了得到T0的直通狀態(tài)，需對調(diào)制信號進(jìn)行調(diào)整，調(diào)制信號在垂直方向增加T0/T(假設(shè)一個載波信號的峰值為1V)，在水平方向得到T0的直通狀態(tài)。在任意時刻，通過對調(diào)制信號中最大的一相(在圖中Umax=max(Ua,Ub,Uc)=Ua)增加T0/T，同時對調(diào)制信號中最小的一相(在圖中Umin=min(Ua,Ub,Uc)=Uc)減去相同的值，從而得到控制Z源級聯(lián)NPC逆變器所需的額外的2個調(diào)制信號。

為了同步A相和C相的門信號同時增加調(diào)制比需在原始的調(diào)制信號中注入零序分量U0。由以上分析可以得出控制Z源級聯(lián)NPC逆變器所需的調(diào)制信號為：1

優(yōu)點1）利用電容將Z源網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，可將Z源逆變器的升壓因子由1/（1-2D）升高到1/（1-4D）。

2）采用交替反相電壓偏移調(diào)制的調(diào)制方法對逆變器進(jìn)行控制，這種方法不增加開關(guān)器件的開關(guān)次數(shù)，使得器件的損耗最小。

3）在相同的電壓電流波動下，新型拓?fù)鋃源網(wǎng)絡(luò)的無源器件可以更小。1