Z源級聯三電平中點鉗位逆變器是指Z源三電平NPC 逆變器，它可以更好的提高Z源升壓比的電路拓撲。
基本介紹
- 中文名：Z源級聯三電平中點鉗位逆變器
- 外文名：Z source cascaded three level neutral point clamped inverter
- 背景：提高升壓因子減小電壓應力
- 原理：新型拓撲級聯一個Z源網路
- 控制方法：採用交替反相電壓偏移調製
- 優點：損耗小，無源器件小
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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升壓輸出。理論上，Z源NPC 逆變器與其它dc-dc 升壓拓撲一樣能得到無限大的電壓增益，但由於逆變器開關的耐壓限制、Z源逆變器的直通占空比D和調製因數M相互關聯，這些因素都限制了輸出電壓增益。為了產生高電壓增益的輸出電壓，需要採用小的調製因數。然而，小的調製因數導致器件的電壓應力更大。同時小的調製因數也降低了電壓利用率，增加系統了的不穩定性。因而提高Z源網路的升壓因子B 使得Z源NPC 逆變器能夠在更大的調製因數下得到相同的電壓增益，同時減少開關器件的電壓應力是Z源網路的重要研究方向。
近年來，出現了一些較好的可以提高Z源升壓比的電路拓撲。針對Z源三電平NPC 逆變器，提出的Z源級聯三電平NPC 逆變器，新型的拓撲結構能將升壓因子提高到1/(1−4D)。
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 源網路和傳統的三電平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 只開關如SA1、SA2、SA3同時導通)和下直通(某一橋臂下面的3 只開關如SA2、SA3、SA4同時導通)2 個狀態。為使Z源網路輸出電壓Uo保持平衡，一個開關周期T內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。
逆變器輸出相電壓的峰值可以表示為：
單Z源網路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 逆變器與傳統的電壓源NPC 逆變器相比，除了具有有效狀態和零狀態外，還需要增加一個直通狀態。
通過調節直通狀態的時間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，每一個開關器件的電壓應力為
U線/4M，調製因數M增大時器件所承受的電壓就會減少， 由於直通占空比最大被限制在
，當M增大時，可獲得的直通占空比減少，升壓效果也會被限制。
Z源級聯NPC逆變器工作原理
新型Z源三電平NPC逆變器電路拓撲如圖所示。新型拓撲與傳統拓撲的不同在於，新型拓撲級聯一個Z源網路。級聯一個Z源網路帶來的好處是新型拓撲能夠得到一個更高的升壓因子B。同時中線的輸出電壓等於1/2Uo適用於三電平拓撲。
每個Z源網路的2個電容電感相同，假設電感Ll=L2=LA，L3=L4=LB，電容器Cl=C2=CA，C3=C4=CB，C5=C6=CC。Z源網路為對稱網路。因而有
當逆變橋處於直通零電壓狀態時，可等效為短路，此時二極體D1、D2、D3、D4 承受反向電壓而截至，電容器的能量轉移到電感中。能量由電源和電容向電感轉移，電容器放電等效電路圖如圖所示。
新型Z源級聯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NPC逆變器可以得到更大的M從而降低開關器件的電壓應力。
圖所示為傳統Z源和Z源級聯拓撲結構的升壓因子與直通占空比的關係曲線，其中，傳統拓撲B=1/(1−2D)，Z 源級聯拓撲B=1/(1−4D)，更好地展示了不同拓撲結構的升壓效果。由圖可以看出，在相同的直通占空比情況下，Z 源級聯拓撲的電壓增益更大。
Z源級聯NPC逆變器控制方法
採用交替反相電壓偏移調製(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製波進行比較，產生觸發脈衝。傳統逆變器和Z 源級聯逆變器的APOD 調製方法和Z 源級聯NPC 逆變器的直通路徑如圖所示。
Z源級聯NPC逆變器的控制需要加入額外的直通狀態，由圖可以看出直通狀態的產生並不是同時開通某一路的4個開關器件，而是通過改變了不同橋路的開通關斷時間產生直通狀態，這種方式不會增加開關器件的開關次數。如圖所示，在t1~0.5T0開通A相的SA1和C相的SC4，這樣就產生圖中由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，並不會增加開關器件的開關次數。由此類推，在t4時刻，延遲0.5T0關斷A 相的SA1和C相的SC4，又會產生0.5T0的直通狀態。
在圖中，為了得到T0的直通狀態，需對調製信號進行調整，調製信號在垂直方向增加T0/T(假設一個載波信號的峰值為1V)，在水平方向得到T0的直通狀態。在任意時刻，通過對調製信號中最大的一相(在圖中Umax=max(Ua,Ub,Uc)=Ua)增加T0/T，同時對調製信號中最小的一相(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NPC逆變器所需的額外的2個調製信號。
為了同步A相和C相的門信號同時增加調製比需在原始的調製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NPC逆變器所需的調製信號為：
優點
1）利用電容將Z源網路級聯，可將Z源逆變器的升壓因子由1/（1-2D）升高到1/（1-4D）。
2）採用交替反相電壓偏移調製的調製方法對逆變器進行控制，這種方法不增加開關器件的開關次數，使得器件的損耗最小。
3）在相同的電壓電流波動下，新型拓撲Z源網路的無源器件可以更小。
