中文源變換器

1、電 工 技 術(shù) 學(xué) 報(bào)TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY2004 年 2 月第 19 卷第 2 期Vol.19No2Feb.2004Z源 變顧換 器斌高杭州奇310027浙江大學(xué)電氣摘要 提出了一種新型的阻抗源功率變換器拓?fù)浜退鼞?yīng)用于 DC/AC AC/DCAC/AC DC/DC功率變換時(shí)的 電源耦合在一起的功率變換概念阻抗源變換器提供了一個(gè)獨(dú)特的阻抗或電路將變換器主電路和可以得到傳統(tǒng)的電壓源和電流源變換器不能得到的獨(dú)特特性提供了一個(gè)新穎克服了傳統(tǒng)的電壓源和電流源變換器的不足以應(yīng)用于電池逆變功率變換的阻抗源逆變器為例分析了其工作原理和Z

2、 源變換器升/降壓新型拓?fù)涮?hào) TN624和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了這些新的特點(diǎn)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不串聯(lián)電感 使電壓源

6、變換器能夠工作2 交流輸出電壓被限制只能低于而不能超過直流母線電壓 或直流母線電壓只能高于交流輸入電壓 因此 對(duì)于 DC/AC 功率變換 電壓源逆變器是一個(gè)降壓式逆變器 對(duì)于 AC/DC 功率變換來說 電壓源變換器是一個(gè)升壓式整流器 對(duì)于直流電壓較低 需要較高的交流輸出電壓的 DC/AC 功率變換場合 需要一個(gè)額外的 DC/DC 升壓式變換器 對(duì)于交流電源電壓合適而需要較低的直流輸出電壓的 AC/DC 功率變換場合 需要一個(gè)額外的DC/DC 降壓式變換器 這個(gè)額外的功率變換級(jí)增加了系統(tǒng)的成本 降低了變換效率3 每個(gè)橋臂的上 下器件不能同時(shí)導(dǎo)通1傳統(tǒng)變換器拓?fù)涞膯栴}今天的功率變換技術(shù)基于兩種傳統(tǒng)

7、的變換器拓?fù)?電壓源 或電壓饋電 和電流源 或電流饋15電 變換器 或逆變器 取決于功率流方向電壓源變換器和電流源變換器理論上的局限性 在許多應(yīng)用場合造成裝置造價(jià)高 效率低電壓源變換器應(yīng)用廣泛 但是下列的缺陷1交流負(fù)載必須為電感性或交流電源不得自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 50377038收稿日期 2003-04-08改稿日期 2003-09-1648電 工 技術(shù) 學(xué) 報(bào)2004 年 2 月不管是有意為之會(huì)發(fā)生直通短路還是因?yàn)殡姶鸥蓴_造成的 否則損壞器件 由電磁干擾造成的誤圖 1 示出了 Z 源功率變換器的一個(gè)一般拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 一個(gè)包含電感 L1L2 和電容器 C1C2 的二觸發(fā)導(dǎo)致的直通問題是變換器可靠

8、性的主要端口接成 X 形 以提供一個(gè)阻抗源 Z 源電流源變換器下列理論上的局限性將變換器 或逆變器 和直流電源或負(fù)載耦合在一1 交流負(fù)載/電源側(cè)必須為電容性 或只得并聯(lián)電容 以使電流源變換器能夠工作2 交流輸出電壓只能高于為直流電感供電的直流電壓 或者所產(chǎn)生的直流電壓總是低于交流輸入電壓 因此 對(duì)于 DC/AC 功率變換來說 電流源逆變器是一個(gè)升壓型逆變器 對(duì)于 AC/DC 功率變換來說 電流源變換器是一個(gè)降壓型整流器 或降壓起 Z 源最大的和獨(dú)特的特點(diǎn)是與傳統(tǒng)的電壓源或電流源不同 它可以開路和短路 這為變換器主電路根據(jù)需要升壓或降壓提供了一種機(jī)制 Z 源為電源 主電路和負(fù)載提供了下列很大的靈

9、活性1 Z 源變換器的電源既可為電壓源 也可為電流源 因此 與傳統(tǒng)的電壓源或電流源變換器不同 Z 源變換器的直流電源可以為任意的 如電池型變流器對(duì)于需要寬電壓范圍的應(yīng)用場合 需要一個(gè)額外的 DC/DC 降壓式 或升壓式個(gè)額外的功率變換級(jí)增加了系統(tǒng)成本效率變換器 這降低了變換二極管整流器 晶閘管變流器電容器或它們的組合電池堆 電感2 Z 源變換器的主電路既可為傳統(tǒng)的電壓源結(jié)構(gòu) 也可為傳統(tǒng)的電流源結(jié)構(gòu) 另外 Z 源變換器所采用的開關(guān)可以是開關(guān)器件和二極管的組合即反并聯(lián)或串聯(lián)兩種組合形式3 任何瞬間 至少應(yīng)有上面的一個(gè)器件和下面的一個(gè)器件被觸發(fā)且維持導(dǎo)通狀態(tài) 否則 會(huì)發(fā)生直流電感的開路 損壞器件 由

10、電磁干擾造成的誤關(guān)斷引起的開路問題是變換器可靠性的一個(gè)殺手4 電流源變換器的主開關(guān)必須阻斷反向電壓 因此 需要一個(gè)串聯(lián)二極管和高速 高性能晶體管 如絕緣柵雙極型晶體管( s)配合使用 這3Z 源變換器的負(fù)載可為電感性或電容性阻礙了低成本 高性能的塊的直接應(yīng)用模塊和集率模歸納起來 電壓源變換器和電流源變換器下述共同的不足圖 1Z 源變換器的一般拓?fù)銹roposed general structure of the Z-source converterFig.11 它們或是升壓型不可能是升/降壓型變換器或是降壓型變換器 而也就是說 它們可得到如前所述 Z 源具有極大的靈活性 可以將的輸出電壓范圍是

11、有限的 或低于或高于輸入電壓2 它們的主電路不能互換 換句話說 沒有一個(gè)電壓源變換器主電路可用于電流源變換器 反之同樣3 它們抵御電磁干擾噪聲的能力很脆弱基于上述 有必要尋求一種新型的變換器拓?fù)淇朔鹘y(tǒng)變換器的缺陷的電源耦合到的主變換器電路 向的負(fù)載供電 這就意味著 Z 源變換器思想和理論可以應(yīng)用到功率變換電路的整個(gè)范圍內(nèi)3應(yīng)用于電池的實(shí)例及其理論分析Z 源變換器的優(yōu)點(diǎn)是可以從下面的電池應(yīng)用實(shí)例中清楚的體現(xiàn)出來 圖 2 示出電池應(yīng)2 一種新型的變換器拓?fù)鋃 源功率變換器用的傳統(tǒng)兩級(jí)功率變換 它已被許多實(shí)際應(yīng)用所驗(yàn)證6,721電池堆通常產(chǎn)生一個(gè)大范圍波動(dòng)的電壓Z 源功率變換器為功率變換提供了一種

12、新的變換器拓?fù)浜屠碚?它可以克服前述的傳統(tǒng)電壓源和電流源變換器的不足 Z 源功率變換器引進(jìn)了一個(gè)輸出電壓的大小取決于電池堆輸出電流的大小 對(duì)于電池汽車和分布式發(fā)電系統(tǒng)需要一個(gè)升壓式 DC/DC 變換器 因?yàn)殡妷涸茨孀兤鞑荒墚a(chǎn)生高于直流電源電壓的交流電壓 例如 要產(chǎn)生三相 220V 有效值 交流電壓 傳統(tǒng)的電壓源阻抗將主變換器電路與電源或負(fù)載耦合 因此 Z 源功率變換器既不是一個(gè)電壓源變換器 也不是一個(gè)電流源變換器 不前述的問題第 19 卷第 2 期等Z 源變換器49逆變器理論上需要一個(gè)最小 310V 的直流電壓 考慮到余裕和動(dòng)態(tài)波動(dòng) 400V 是理想的 因此 不得零電壓狀態(tài) 或矢量 成為可能

13、這個(gè)直通零電壓狀態(tài)為逆變器提供了獨(dú)特的升/降壓特性 圖 4 示出了圖 3 所示的 Z 源逆變器從直流環(huán)節(jié)看過去的等效不加大電池的體積來產(chǎn)生 400V 到 800V 的電壓 或者應(yīng)用一個(gè) DC/DC 變換器來將電池電壓電路 引入 Z 源后 當(dāng)逆變橋處于直通零電壓從 150300V 升高到 400V如圖 2 所示 圖 3 示狀態(tài)時(shí) 可等效為短路 如圖 5 所示 而當(dāng)處于 6 種非零電壓狀態(tài)的一種時(shí) 逆變橋變成一個(gè)等效電流源 如圖 6 所示 當(dāng)處于兩種傳統(tǒng)的零電壓狀態(tài)時(shí) 逆變橋也可以用一個(gè)零值電流源 或開路 來代替 因此 圖 6 示出了當(dāng)逆變橋處于傳統(tǒng)的 8 種非直通零電壓狀態(tài)的一種狀態(tài)時(shí) Z 源逆

14、變器從直流側(cè)看進(jìn)去的等效電路若電感 L1 L2 和電容器 C1 C2 分別具有相同電池的 Z 源變換器 它可電池堆電壓的交流電壓出一個(gè)應(yīng)用于這樣的直接產(chǎn)生高于或低于也就是說 Z 源變換器是一個(gè)升/降壓逆變器 可得到的電壓范圍很寬 依靠傳統(tǒng)的逆變器本身不可能提供這樣的特性 圖 2 和圖 3 中與電池串聯(lián)的二極管是必需的 以反向電流流入電池堆圖 4從直流側(cè)看進(jìn)去的 Z 源逆變器的等效電路Fig.4Equivalent circuit of the Z-source inverterviewed from the DC link圖 2Fig.2電池應(yīng)用的傳統(tǒng)兩級(jí)功率變換器Traditional tw

15、o-stage power conversion for fuel-cell applications圖 5當(dāng)逆變橋處于直通零電壓狀態(tài)時(shí) 從直流側(cè)看進(jìn)去的 Z 源逆變器的等效電路Equivalent circuit of the Z-source inverter viewed from the DC link when the inverter brid ge is inthe shoot-through zero state圖 3電池應(yīng)用的 Z 源逆變器Fig.3Z-source inverter for fuel-cell applicationsFig.5為了描述圖 3 中的 Z 源逆

16、變器的工作原理和控制 我們簡要地分析 Z 源逆變器結(jié)構(gòu) 在圖 3 中三相 Z 源逆變橋具有 9 個(gè)的開關(guān)狀態(tài) 而不像傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器那樣只有 8 個(gè) 當(dāng)直流電壓加到負(fù)載上時(shí) 傳統(tǒng)的三相電壓源逆變器具有 6 個(gè)非零矢量 當(dāng)負(fù)載端分別被下面的或上面的三個(gè)器件短路時(shí) 三相電壓源逆變器有 2 個(gè)零電壓矢量然而 三相 Z 源逆變橋有一個(gè)另外的零電壓狀態(tài) 或零電壓矢量 當(dāng)負(fù)載端被上面的和下面的器件短路圖 6 當(dāng)逆變橋處于 8 種非直通零電壓狀態(tài)的一種狀態(tài)時(shí) 從直流側(cè)看進(jìn)去的 Z 源逆變器的等效電路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時(shí) 如所有的器件均被觸發(fā)在傳統(tǒng)的電壓源逆變器中這個(gè)零電壓狀態(tài) 或矢量 是的 因?yàn)樗鼘?dǎo)致直通 我們稱這個(gè)第三種零電壓狀態(tài) 或矢量 為直通零電壓狀態(tài) 或矢量Z 源使直通50電工技術(shù) 學(xué) 報(bào)2004 年 2 月的電感量 L 和電容量 C從對(duì)稱和等效電路 有VC1 = VC 2 = VC假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期 T 中Z 源變?yōu)閷?duì)稱升壓作用是必需的 所需要的器件額定電壓主要由期望的輸出電壓來決定 另外 兩

18、個(gè)直流電感 L1 L2 可以通過一個(gè)鐵心以變壓器的形式進(jìn)行耦合 它們所需要的電感量由開關(guān)頻率所決定 而不是由輸出交流電壓頻率所決定 通過提高開關(guān)頻率可以使所需的電感量最小vL1 = vL2 = vL(1) 逆變橋工作于直通狀態(tài)中的一種工作狀態(tài)的時(shí)間為 T0, 從等效電路圖 5有vL = VC , vd = 2VC , vi = 0(2)假設(shè)在一個(gè)開關(guān)周期 T 中 逆變橋工作電壓狀態(tài)的時(shí)間為 T1從等效電路圖 6直通零有4結(jié)果vL = V0 - VC , vd = V0 , vi = VC - vL = 2VC - V0式中 V0 是直流電源電壓 T = T0 + T1(3) 圖 7 示出電池堆

19、電為了證實(shí)上述理論和分析 進(jìn)行了了電路結(jié)構(gòu) 圖 8 示出了波形 其中壓為 V0=150V L1=L2=L=500mH, C1=C2=C=1000mF 系在一個(gè)開關(guān)周期 T 中 電感兩端的平均電壓在穩(wěn)態(tài)下必然為 0由式 2式 3得電池堆的 150 300V 直流電壓產(chǎn)生統(tǒng)的目的是從VL = vL = T0 ×VC + T1 × (V0 - VC )/ T = 0三相 208V 有效值 的交流電壓 從波形中可以清楚看到 電容器兩端電壓被升高到VC2 = 335 V 輸出線電(4) VC =T1或(5)V0T1 - T0壓 vLab 為 208V 有效值 或 294V 峰值負(fù)載電

20、流 iLa和直流電感電流 IL1 也示電路拓?fù)涞目尚行运C實(shí)了 Z 源逆變器類似地 加在逆變橋的平均直流電壓可以得到如下V = v = T × 0 + T × (2V - V )/ T = T1V = V( 6)ii01C00CT - T10加在逆變橋的峰值直流環(huán)節(jié)電壓在式 3 中有表述 可以重寫為Tv = V - v = 2V - V =V = B × V7iCLC000T - T10式中 B由直通零電壓狀態(tài)得到的升壓因子圖 7系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)TB =Fig.7Simulation system configuration18T1 - T0另一方面 逆變器輸出相電壓

21、的峰值可以表示為v= M × vi 9ac2式中 M逆變器的調(diào)制因子對(duì)于正弦脈寬調(diào)制(SPWM), M1; 對(duì)于空間(2 / 3 )矢量 PWMM應(yīng)用式7式 9可進(jìn)一步表示為v= M × B × V010ac2式 10表明 通過選擇一個(gè)合適的升/降壓因子BB, 輸出電壓可以升高和降低vac= BB = M × B = (0 ¥)11()V / 20(2 / 3 )升/降壓因子 BB 是由調(diào)制因子 M升壓因子 B1 決定的 升壓因子 B 是這樣確定的在逆變器的 PWM中直通零電壓狀態(tài)的圖 8波形時(shí)間相對(duì)于零電壓矢量的比 當(dāng)輸入電壓較低時(shí)Fig.8

22、Simulation waveforms第 19 卷第 2 期等Z 源變換器515實(shí)驗(yàn)結(jié)果以圖 7 所示的電路構(gòu)造了實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥⒖嘉墨I(xiàn)采用1K Thorborg.Power Electronics. LondonPrentice Hall電路中的參數(shù) 得到了實(shí)驗(yàn)結(jié)果 如圖 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.應(yīng)用.著.社 2002主編. 電力電子學(xué)與變頻傳動(dòng)技術(shù)和等譯. 徐州 中國礦業(yè)大學(xué)現(xiàn)代電力電子電路. 杭州 浙江大學(xué)1999圖 9實(shí)驗(yàn)波形電池的電壓

24、較低 逆變器的7調(diào)制因數(shù)為 0.642直通時(shí)間比為 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結(jié)論從上述理

25、論分析中可以得到的最重要的結(jié)論Z 源逆變器的輸出電壓可以根據(jù)需要升高和降傳統(tǒng)的電壓源或電流源逆變器不能得到這樣的是低特性 Z 源變換器拓?fù)淇梢钥朔鹘y(tǒng)變換器拓?fù)涞牟蛔?并可以衍生出很多電路拓?fù)鋃 源變換器作者：，浙江大學(xué)電氣，作者刊名：,杭州,310027電工技術(shù)學(xué)報(bào)英文刊名： 年，卷(期)：被次數(shù)：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;電力電子學(xué)與變頻傳動(dòng)技術(shù)和應(yīng)用 19997.現(xiàn)代電力電子電路 20028.Peng F Z Z-source inverter外文會(huì)議 20021.Wang

27、 Limin.Qian Zhaoming.Peng Fangzheng Z源升壓變換器-電氣傳動(dòng)2006,36(1)2.Z源直流變換器-電氣應(yīng)用2005,24(2)3. 許頗.Xu Po.Zhang Xing.Zhang Chongwei.Cao Renxian.Zhao Wei 采用Z源變換器的小型風(fēng)力并網(wǎng)逆變系統(tǒng)-電工技術(shù)學(xué)報(bào)2008,23(4)4.Z-Source變換器在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上的研究會(huì)議-20075.CAI Lei.QIAN Zhao-ming.PENG Fang-zheng Z源單相并網(wǎng)逆變器的實(shí)現(xiàn)-電力電子技術(shù)2008,42(7)6.Gu Bin.Qian Zhaoming.Fa

28、ng Xupeng.Gao Qi.Peng Fangzheng Z源變頻調(diào)速系統(tǒng)及其空間矢量PWM-電氣傳動(dòng)2005,35(5)7.Gao Qi.Qian Zhaoming.Gu Bin.Fang Xupeng.Zhang Fan.Peng Fangzheng 阻抗型逆變器的一種工作狀態(tài)分析-電工技術(shù)學(xué)報(bào)2005,20(8)8.SHENG Li-jian.ZHANG Xian-fei.ZHENG Jian-yong Z源逆變器的研究-江蘇電器2008(2)9. 丁新平.DING Xin-ping.QIAN Zhao-ming.CUI Bin.PENG Fang-zheng Z源逆變器交流調(diào)速系

29、統(tǒng)前饋策略研究-電力電子技術(shù)2007,41(12)10.丁新平.Xie Yeyuan.Qian Zhaoming.Ding Xinping.Peng Fangzheng 阻抗源Buck/Boost整流器-電氣傳動(dòng)2006,36(11)-自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用 2013(10)1.寬輸入電壓范圍Z源諧振DC-DC變換器-低壓電器 2013(17)2.簡化型Z源并網(wǎng)逆變器-電工技術(shù) 2013(12)3.改進(jìn)型Z源逆變器-低壓電器 2012(24)4.Z源并網(wǎng)逆變器的電流策略-高電壓技術(shù) 2010(8)5.寬范圍電能變換系統(tǒng)及其應(yīng)用-電機(jī)與6.基于電流滯環(huán)的Z源光伏并網(wǎng)系統(tǒng)研究學(xué)報(bào) 2010(5)-通信電源技術(shù) 2009(5)7.Z源逆變器中SVPWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)