基于Z源阻抗网络逆变器的研究.pdf

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1、东南大学 硕士学位论文 基于Z源阻抗网络逆变器的研究 姓名：盛立健 申请学位级别：硕士 专业：电力电子与电力传动 指导教师：郑建勇 20080501 摘要 摘要 逆变器用于实现电能的D C A C 变换，在各种功率变换中的应用十分广泛，但是传统的电压 源和电流源逆变器都存在着理论上的局限性。常用的电压源逆变器是一种降压型逆变器，若想 得到更高的输出电压，就必须增加一个额外的D C D C 升压变换器。在电压源逆变器中，同一桥 臂的上下两个开关管有可能由于电磁干扰引起的噪声而同时导通形成直通零状态，这将损坏开 关器件，降低电路的可靠性。加入死区时间可以避免直通零状态，但这又会引起波形的畸变。 本

2、文主要分析一种新型的逆变器一基于z 源阻抗网络逆变器，它克服了传统逆变器的缺点， 为功率变换技术提供了一种新的拓扑和理论。这种新型的逆变器在逆变桥前引进了一个Z 源阻 抗网络，将逆变桥与直流电源耦合在一起。电压源逆变器中引入z 源阻抗网络，使逆变桥的直 通成为可能，并且正是利用逆变桥的直通状态使得z 源逆变器具备了升压的特性。 本文首先详细分析了Z 源逆变器的工作原理和等效电路；随后研究了几种Z 源逆变器的控制 方法，重点分析了单相全桥Z 源逆变器的改进型S P w M 控制技术原理，设计了能实现改进型 S P W M 控制的仿真模型，运用D S P 编程实现了符合z 源逆变器工作所要求的四个

3、开关管能独立控 制的技术；又详细分析了Z 源逆变器主电路中各个器件的参数设计方法，尤其是Z 源阻抗网络中 的电容器和电感的参数设计；最后运用仿真和实验结果验证了Z 源逆变器的升压能力，通过仿 真和实验研究对比了z 源逆变器和传统逆变器。 关键词：阻抗网络，Z 源逆变器，调制因数，直通占空比，正弦脉宽调制，直通零状态 A B S T R A C T A BS T R A C T T h ei n v e r t e r ，w h i c hi Sw i d e l yu s e di na l lk i n d so fp o w e rc o n v e r s i o n s ，i Su s

4、 e dt or e a l i z eD C A C c o n v e r s i o no fp o w e r H o w e v e r ，t r a d i t i o n a lv o l t a g e - s o u r c ei n v e r t e r ( V S l ) a n dc u r r e n t s o u r c ei n v e r t e r ( C S l ) a l lh a v et h et h e o r e t i c a l l i m i m t i o n s N o r m a lV S I i Sak i n do fb u c

5、 ki n v e r t e r I no r d e rt og e t h i g h e ro u t p u tv o l t a g e ，i tm u s ta d daa d d i t i o n a lD C D Cb o o s tc o n v e r t e r I naV S I ，t h eu p p e ra n dl o w e r s w i t c hd e v i c e so fe a c hp h a s el e gc o u l db eg a t e ds i m u l t a n e o u s l yb e c a u s eo fe l

6、 e c t r o n i cm a g n e t i c i n t e r f e r e n c e ( E M l ) ，t h u sb r i n ga b o u ts h o o t t h r o u g hz e r os t a t e ，i tw i l ld a m a g es w i t c hd e v i c e sa n d d e c r e a s et h er e l i a b i l i t yo fc i r c u i t T h ea d d i t i o no fd e a d b a n dt i m ec a na v o i

7、ds h o o t t h r o u g hz e r os t a t e ， b u ti tw i l lc a u s et h ew a v e f o r m Sd i s t o r t i o n T h i st h e s i sm a i n l ya n a l y z ean o v e li n v e r t e r - - t h ei n v e r t e rb a s e do nZ - s o u r c ei m p e d a n c en e t w o r k , i to v e r c o m et h es h o r t c o m

8、i n go ft r a d i t i o n a li n v e r t e ra n dp r o v i d ean e wt o p o l o g ya n dt h e o r yf o rp o w e r c o n v e r s i o nt e c h n i q u e T h i sn o v e li n v e r t e ri n t r o d u c e saZ s o u r c ei m p e d a n c en e t w o r ki nf r o n to f i n v e r t e rb r i d g e w h i c hc o

9、 u p l ei n v e r t e rb r i d g ea n dD Cs o u r c e T h ei n t r o d u c t i o no fZ s o u r c e i m p e d a n c en e t w o r ki n t oV S Im a k e st h es h o o t - t h r o u g hs t a t eo fi n v e r t e rb r i d g ep o s s i b l e ，w h i c hi s e x a c t l ym a d eu s eo ft or e a l i z et h eb o

10、 o s tf u n c t i o no fZ - s o u r c ei n v e r t e r A tf i r s t ，t h i st h e s i sd e t a i l e d l ya n a l y z e st h ew o r kp r i n c i p l ea n de q u i v a l e n tc i r c u i to fZ - s o u r c e i n v e r t e r S u b s e q u e n t l y ，s e v e r a lc o n t r o lt e c h n i q u e so fZ - s

11、 o u r c ei n v e r t e ra r er e s e a r c h e d T h ep r i n c i p l e o fm o d i f i e dS P W Mc o n t r o lm e t h o do fs i n g l e - p h a s ef u l l - b r i d g ei n v e r t e ri sm a i n l ya n a l y z e d ，t h e s i m u l a t e dm o d u l ew h i c hc a nr e a l i z em o d i f i e dS P W Mc

12、o n t r o lm e t h o di sd e s i g n e d T h ec o n t r o l t e c h n i q u e w h i c hi sr e q u i r e db yZ s o u r c ei n v e r t e ra n dc a nm a k ef o u rs w i t c hd e v i c e si n d e p e n d e n t l y r u n ，i sr e a l i z e db yD S Pp r o g r a m m i n g A n dt h e ne a c hd e v i c e Sd e

13、 s i g nm e t h o do fZ - s o u r c ei n v e r t e r S m a i nc i r c u i ti ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d e s p e c i a l l yt h ed e s i g no fc a p a c i t o ra n di n d u c t a n c ei nZ s o u r c e i m p e d a n c en e t w o r k A tl a s t ，t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n

14、a n de x p e r i m e n tv e r i f yt h eb o o s ta b i l i t yo f Z s o u r c ei n v e r t e r T h ec o n t r a s tb e t w e e nZ s o u r c ei n v e r t e ra n dt r a d i t i o n a li n v e r t e ra r ec a r r i e do u tb y s i m u l a t i o na n de x p e r im e n tr e s e a r c h K e yw o r d s ：I

15、m p e d a n c en e t w o r k ，Z - s o u r c ei n v e r t e r ，M o d u l a t i o ni n d e x , S h o o t - t h r o u g hd u t y ，S P W M ， S h o o t - t h r o u g hz e r os t a t e U 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的

16、学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示了谢意。 研究生签名： 叠兰碡 日期： 伊驴、j 占 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名： 导师签名：日期： 第一章绪论 1 1 逆变技术的现状 第一章绪论 随着

17、国民经济的高速发展和国内外能源供应的紧张，电能的开发和利用显得更为重要。 目前，国内外大力开发新能源，如太阳能发电、风力发电、潮汐发电等。一般情况下，这些 新型发电装置输出不稳定的直流电，不能直接提供给需要交流电的用户使用。为此，需要将 直流电变换成交流电，需要时可并入市电电网。这种D C - - A C 变换需要逆变技术来完成。 逆变电路的应用非常广泛。在已有的各种电源中，蓄电池、干电池、太阳能电池等都是 直流电源，当需要这些电源向交流负载供电时，就需要逆变电路。另外，交流电机调速用变 频器、不间断电源、感应加热电源等电力电子装置使用非常广泛，其电路的核心部分都是逆 变电路1 柏。 逆变器的

18、控制目标是提高逆变器输出电压的稳态和动态性能。稳态性能主要包括输出电 压的稳态精度和带不平衡负载的能力；动态性能主要包括输出电压的T H D ( T o t a lH a r m o n i c D i s t o r t i o n ) 和负载突变时逆变器的动态响应水平。在这些指标中，人们对输出电压T H D 的要 求比较高。这些指标与逆变器的控制策略息息相关。逆变器控制技术的发展主要经历了四个 阶段： 1 早期的逆变器采用阶梯波形式输出，主要通过改变功率电路的设计来改善输出电压波 形质量，如通过对输出变压器的特殊设计提高输出电压波形的正弦度。 2 脉宽调制技术( P W M ) 出现后，通

19、过开环的脉宽调制方法使输出电压波形大幅度改善， 使逆变技术产生了一个飞跃。 3 随着控制技术的发展，采用模拟的闭环控制方法和P W M 技术相结合，使逆变器输出 电压质量得到进一步提高。 4 近年随着具有高速运算能力的D S P ( D i g i t a lS i g n a lP r o c e s s o r ) 问世，使逆变器控制的全 数字化成为现实，许多先进的现代控制理论和方法在逆变器中得到应用，使逆变器的稳定性 和可靠性大幅度提高1 3 1 0 逆变技术的分类方式很多，主要分类方式叙述如下： ( 1 ) 按逆变器输出交流的频率分为：工频( 5 0 6 0 H z ) 逆变、中频(

20、4 0 0 H z 到几十k H z ) 逆变和高频( 几十k H z 到几M H z ) 逆变； ( 2 ) 按逆变器输出交流能量的去向分为：无源逆变和有源逆变； ( 3 ) 按逆变器功率的流动方向分为：单相逆变和双向逆变； ( 4 ) 按逆变器输出电压的波形分为：正弦波逆变和非正弦波逆变； ( 5 ) 按逆变器输出电压的电平分为：二电平逆变和多电平逆变； ( 6 ) 按逆变器输出交流的相数分为：单相逆变、三相逆变和多相逆变； ( 7 ) 按逆变器输入与输出的电气隔离分为：非隔离型逆变、低频链逆变和高频链逆变： ( 8 ) 按逆变器输入直流电源的性质分为：电压源逆变和电流源逆变； ( 9 )

21、 按逆变器的电路结构分为：单端式逆变、推挽式逆变、半桥式逆变和全桥式逆变； ( 1 0 ) 按逆变器的功率开关管分为：大功率品体管( G T R ) 逆变、晶闸管( S C R ) 逆变、 可关断晶闸管( G T O ) 逆变、功率场效应品体管( M O S F E T ) 逆变和绝缘栅双极晶体管( I G B T ) 逆变； ( 1 1 ) 按逆变器的功率开关管工作方式分为：硬开关逆变、谐振式逆变和软开关逆变； ( 1 2 ) 按逆变器的控制方式分为：脉宽调制( P W M ) 逆变、脉频调制( P F M ) 逆变和数 字逆变们。 1 2 传统逆变器存在的问题 目前的功率逆变技术基于两种传

22、统的逆变器拓扑：电压源逆变器( V S l ) 和电流源逆变 器( C S I ) ，如图1 - 1 和图1 - 2 所示。电压源逆变器和电流源逆变器存在理论上的局限性，在 许多应用场合造成装置造价高，效率低。 直流电 D C 三相逆变器 s 1 一 s 3 jS 5 j 弋z i V D lJ7V D 3 了7、一。 卜 卜 。 。) =二C S 4 一 S 6 ，S 2 ， 弋z V D 4 卜 j 。V D 6 孓zV 图l - 1 传统的电压源逆变器 至 交流 负载 电压源逆变器应用广泛但是存在下列的缺陷： ( 1 ) 交流负载必须为电感性或交流电源必须串联电感，使电压源逆变器能够工作

23、。 ( 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D C A C 功率变换，电压源逆变器是一个降压式逆变器。对于A C D C 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D C A C 功率变换场合，需要一个额外的D C D C 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A C D C 功率变换场合，需要一个额外的D C D C 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 ) 同一桥臂的上、下器件不能同时导通，不管是人为的原因，

24、还是因为电磁干扰( E M I ) 造成的，否则，会发生直通短路，损坏器件。由电磁干扰造成的误触发导致的直通问题是电 压源变换器可靠性的主要杀手。 2 第一章绪论 三相逆变器 图1 2 传统的电流源逆变器 至 交流 负载 电流源逆变器存在下列理论上的局限性： ( 1 ) 交流负载电源侧必须为电容性，或只得并联电容，以使电流源逆变器能够工作。 ( 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D C A C 功率变换来说电流源逆变器是一个升压型逆变器；对 于A C D C 功率变换来说，电流源变换器是一个降压型整流器。对于需要宽电压范

25、围的应用 场合，需要一个额外的D C D C 降压式( 或升压式) 变换器。这个额外的功率变换级增加了 系统成本，降低了变换效率。 ( 3 ) 任何瞬间，至少应有一个桥臂的上方器件和另一个桥臂的下方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。由电磁干扰造成的误关断所引起的开路 问题是影响电流源变换器可靠性的一个主要因素。 ( 4 ) 电流源逆变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，如绝缘栅双极型品体管( I G B T ) 配合使用。这阻碍了低成本、高性能的I G B T 模 块和集成功率模块的直接应用。 归纳起来，电压源逆变器和电流

26、源逆变器存在下述共同的不足： ( 1 ) 两者或是升压型，或是降压型逆变器，而不可能是升降压型逆变器。也就是说， 它们可得到的输出电压范围是有限的，或低于或高于输入电压。 ( 2 ) 两者的主电路不能互换，换句话说，没有一个电压源逆变器主电路可用于电流源逆 变器，反之同样。 ( 3 ) 两者抵御电磁干扰噪声的能力都很脆弱。 基于上述原冈，有必要寻求一种新型的功率变换器拓扑，克服传统变换器存在的缺陷 6 ， 1 3 一种新型的逆变器拓扑一Z 源逆变器 z 源逆变器为功率变换提供了一种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 源逆变器引进了一个阻抗网络，将逆变器主

27、电路与直流电源耦 合。因此，z 源逆变器既不是一个电压源逆变器，也不是一个电流源逆变器，不存在前述的 问题。 3 东南人学硕士学位论文 直流电 D C 电压源逆 变主电路 ( V S l ) 图1 3Z 源逆变器拓扑结构图 图1 3 示出了Z 源逆变器的一个一般拓扑结构。一个包含电感L l 、L 2 和电容器C 1 、C 2 的二端口网络接成X 形，以提供一个阻抗源( Z 源) ，将逆变器和直流电源耦合在一起。Z 源阻抗网络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 逆变器主电路根据需要升压或降压提供了一种机制。分析表明，Z 源逆变器通过电感和电容 的跨接可以允许后

28、面同一桥臂的上下开关管的直通，通过控制直通状态的插入与否和插入时 间长短，加上调制比的组合，使得理论上z 源逆变器的输出电压可以为任意值，而实际上由 于电路中器件的非理想特性和控制方法的限制使得Z 源逆变器的输出电压有一定的限制范围 1 7 】 o Z 源阻抗网络为电源、主电路和负载提供了下列很大的灵活性： ( 1 ) Z 源逆变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 逆变器不同，Z 源逆变器的直流电源可以为任意的如电池、二极管整流器、晶闸管变流器、 燃料电池堆、电感、电容器或它们的组合。 ( 2 ) Z 源逆变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

29、。另外， Z 源逆变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 ) Z 源逆变器的负载可为电感性或电容性1 。 对于z 源逆变器来说，与传统的电压源逆变器或电流源逆变器不同，Z 源逆变器既可以 工作在电压型逆变器模式，也可以工作在电流型逆变器模式，它具有以下独特优点： 1 从电路结构上 以电压型逆变器模式工作时，Z 源逆变器的输入电源为电压源，主电路为传统的电压源 逆变器结构，Z 源阻抗网络输入阻抗较小，所采用的开关是开关器件和二极管反并联的组合， 负载为感性，输出阻抗较大。 以电流型逆变器模式工作时，Z 源逆变器的输入电源为电流源，主电路为传统的电流源

30、逆变器结构，z 源阻抗网络输入阻抗较大，所采用的开关是开关器件和二极管串联的组合， 负载为容性，输出阻抗较小。 2 从控制方法上 以电压型逆变器模式工作时，z 源逆变器主电路可以承受瞬时短路，并通过特殊的控制 方式引入短路零矢量而为逆变器的升压提供可能，从而使该电路成为b o o s t 型电路。 以电流型逆变器模式工作时，Z 源逆变器主电路可以承受瞬时开路，并通过特殊的控制 方式引入开路零矢量而为逆变器的降压提供了可能性，从而使该电路成为b u c k 型电路“ 1 。 4 第一章绪论 1 4 论文选题的意义和工作内容 1 4 1 论文选题的意义 如前所述，Z 源逆变器是一种不同于传统的电压

31、源、电流源逆变器的新型逆变器，论文 着重研究z 源逆变器本身就具有重要的学术意义。另一方面，近年来，随着工业的发展和人 1 2 1 的激增，世界范围内的能源供需矛盾日益突出。世界各国都在一方面节能降耗，一方面寻 求新的替代能源。同时，传统能源的利用还有一个明显的不足：环境污染。因此，各种绿色 能源的开发应用变得越来越重要。现在，人们熟知的绿色能源技术有燃料电池发电、风力发 电和光伏发电等。而太阳能之所以受世人瞩目，是因为它具有其他能源不可比拟的优越性， 主要表现在效率、安全性、可靠性、清洁性、良好的操作性能、灵活性及未来发展潜力等方 面。 太阳能随处可得，可就近供电，不必长距离输送，因而避免了

32、输电线路等电能损失；太 阳能发电不产生任何废弃物，没有污染、噪声等公害，对环境无不良影响，是理想的清洁能 源；安装1 k w 光伏发电系统，每年可少排放C 0 2 6 0 0 - - 一2 3 0 0 k g 。N O 。1 6 k g ，S O 。9 k g 及其他微 粒0 6 k g ，一个4 k W 的屋顶家用光伏系统，可以满足普通美国家庭用电需要，每年少排放的 C 0 2 数量，相当于一辆家庭轿车每年的排放量。太阳能发电系统建设周期短，由于是模块化 安装，不仅可用于小到太阳能计算器的几个毫瓦，大到数十兆瓦的光伏电站，而且可以根据 负荷的增减，任意添加或减少太阳电池容量，既方便灵活，又避

33、免了浪费t 1 0 1 。 由于传统的电压源和电流源逆变器有其固有的缺陷，难以用于太阳能发电系统，而新型 的Z 源逆变器特别适合。 近年来，传统电压源逆变器和电流源逆变器拓扑在各种场合都得到了广泛的应用，且控 制技术也已经非常成熟，但是却摆脱不了其自身所I 司有的缺点，从而使得在一些复杂的应用 场合，传统的电压源型或电流源型逆变器受到了挑战，甚至无法满足一些特殊情况下的要求。 本文所研究的这种新型的Z 源逆变器系统，可以较好地解决传统逆变器电路拓扑所存在的缺 点，利用直通零矢量获得一些传统逆变器电路所无法实现的功能。目前针对Z 源逆变器 的理论研究己取得了重大突破，其应用前景也引起了国内外学者

34、的广泛关注。因此，采用这 种新型的z 源逆变器来取代传统的逆变器具有很强的实用意义，会产生很大的经济和社会效 应。 1 4 2 论文的工作内容 目前输入为电压源的逆变器应用更为广泛，所以本文的研究重点放在对电压型z 源逆变 器( 以下简称为Z 源逆变器) 的研究，分析其_ T 作原理、等效电路和控制方法，研究其主电路 的设计原则和方法，比较其电路的优缺点和适用场合。本文对z 源逆变器进行了深入的分析 和研究，工作的重点可以总结如下： ( 1 ) 细致地分析了电压型Z 源逆变器的拓扑结构、工作原理和控制模式，并就己知的Z 源逆变器可能存在的电流断续模式问题进行了说明。 ( 2 ) 对Z 源逆变器

35、的各种P W M 调制策略进行了文献综述，分析了四种常用的Z 源逆 变器调制策略，深入详细研究了改进型S P W M 控制策略。分析研究改进型S P W M 技术的原 理，设计了Z 源逆变器的仿真控制系统，并使用D S P 程序实现了控制策略所要求的目标。 ( 3 ) 基于m a t l a b s i m u l i n k 搭建了系统仿真模型，研究直通时间的长短、调制因数和Z 源阻抗网络参数对Z 源逆变器工作状态和升压能力的影响。证明所提出的电路拓扑的可用性。 5 东南大学硕士学位论文 ( 4 ) 给出了Z 源逆变器主电路参数的设计公式，搭建了单相全桥式Z 源逆变器实验平 台，通过实验研究

36、直通时间的长短和调制因数对z 源逆变器工作状态和升压能力的影响。 ( 5 ) 在同等条件下将Z 源逆变器的仿真及实验结果和传统的传统逆变器的仿真及实验 结果进行了对比，也展示出z 源逆变器较之传统逆变器有着更加优异的特性。 6 第二章Z 源逆变器原理及工作特性分析 第二章Z 源逆变器原理及工作特性分析 2 1Z 源逆变器的工作原理 2 1 1 电路拓扑结构 图2 1 是单相桥式z 源逆变器的主电路拓扑结构。为了阐述它的工作原理，下面简要地 分析Z 源逆变器的结构。在图中，单相Z 源逆变器具有5 个允许的开关状态，而不像传统的 单相电压源逆变器那样只有4 个。当直流电压加到负载上时，传统逆变器具

37、有2 个非零电压 矢量；当负载端被逆变桥的下半部分两个器件或上半部分两个器件短路时，传统逆变器还有 2 个零电压矢量。然而，传统逆变器还有一个额外的零电压状态( 或零电压矢量) ：当负载端被 同一桥臂上的两个器件短路时( 如所有的器件均被触发) 。在传统逆变器中这个零电压状态是 禁止的，因为它将导致器件的直通，这里称这个第三种零电压状态为直通零电压状态。Z 源 阻抗网络使直通零电压状态成为可能，而且恰恰正是这个直通零电压状态为Z 源逆变器提供 了独特的升降压特性。 E v o ， 22 w I R 卜一 匕气 一 V D 49 一 Z 卜、 2 1 2 工作原理 图2 1 单相桥式z 源逆变器

38、的主电路结构图 V D 3 V D 2 图2 2 为z 源逆变器从直流侧看进去的等效电路。当逆变桥工作在直通零电压状态时， 此时同一桥臂上的两个开关器件同时导通，因为开关器件都是理想器件，所以此时逆变器输 入端等效为短路状态，输出电压为零；当逆变桥工作在非直通零电压状态时，分为传统的零 电压状态和有效矢量状态，考虑到逆变器输入端和输出端的功率平衡，此时Z 源阻抗网络输 出的电流可以等效为一个电流源t1 1 2 1 。 7 东南大学硕：仁学位论文 L 1 图2 2 从直流侧看进去的Z 源逆变器的等效电路 匕1 了 图2 - 3 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

39、 陵1 i 图2 - 4 当逆变桥处于非直通零电压状态时，从直流侧看进去的z 源逆变器的等效电路 8 第二奄Z 源逆变器原理及工作特性分析 假设L 1 和L 2 相等，C 1 和C 2 相等，则Z 源阻抗网络变为对称网络， 路可得： 圪。= 圪2 = ，屹l = 吃2 = 屹 从对称性和等效电 ( 2 1 ) 设直流电源电压是B ，z 源逆变器的一个开关周期为菇，逆变桥工作于直通状态的时间 是瓦，工作于非直通状态的时间为五，则五= 瓦+ 互，直通时间占空比为D = T o l T s 。 在直通状态时间死期间，由图2 - 3 可得： 吃= 圪，K = 吃+ = 2 ，哆= 0 在非直通状态时间

40、五期间，由图2 - 4 可得： ( 2 2 ) 1 ，= E s 一，屹= B ，哆= 一V L = 2 一E s ( 2 3 ) n 在一个开关周期中，电感两端的平均电压在稳态下必然为0 ，即1 ，。d t = 0 ，则由 0 2 焘乓 ( 2 4 ) 同理可以推出Z 源阻抗网络的输出电压均值，即逆变桥输入直流电压均值为 = 五= 业半= 矗0 B = 圪 5 ， 1 S上l 工 即 圪2 击B = 播B = 高B 旺6 ， 由式2 3 和2 4 ，可得到逆变桥输入直流电压峰值0 f 和输出交流电压峰值0J 为： 孤母糟乓5 该1 B 2 而1 B = 甄 ( 2 7 ) ；，：M 旦：Bj

41、M 生1 ( 2 8 ) 其中，B = 二一 1 ( 0 5 0 0 0 的连续增减记数方式，如果S P W M 的幅度 调制比为0 9 ，则正弦波的峰峰值为5 0 0 * 9 0 = 4 5 0 ，标准正弦波的变化范嗣为：2 2 5 0 2 5 5 。加 上偏移量5 0 0 2 = 2 5 0 ，偏移后的正弦波的变化范围就变为：2 5 2 5 0 4 7 5 。在程序空间中可以预 先存储加了偏移量后的正弦波数据表，这样就可以方便地实现S P W M 波形。 D S PT M S 3 2 0 F 2 8 1 2 有专门的单元来实现P W M 波的输出，只要合理的设置该单元中相应的 寄存器的值，

42、D S P 就可以输出满足要求的带死区的P W M 波“ 。 3 4 3D S P 中改进型正弦脉宽调制的实现 传统意义上，若想运用T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 生成四路S P W M 脉冲波形，只需用2 个P W M 完 全比较单元输出2 组互补的P W M 脉冲共4 路即可。而本系统中由于加入了z 源阻抗网络， 则必须在驱动脉冲信号中加入同一桥臂的上下功率管同时导通的直通时间，这样一来，必须 分别独立控制4 路S P W M 脉冲。由于T M S 3 2 0 F 2 8 1 2 拥有2 个事件管理器E V A 和E V B ，所 以如果只用事件管理器E V A 来实现此功能，

43、则必须用通用定时器l ( T 1 ) 的比较输出单元以 及3 个完全比较单元( C M P R I ，C M P R 2 ，C M P R 3 ) 来输出4 路独立控制的S P W M 脉冲1 3 6 1 0 由于在本系统中事件管理器的通用定时器l 被用于捕获单元( C A P ) 的定时操作，所以，除 了用3 个完全比较单元C M P R I 、C M P R 2 和C M P R 3 输出三路S P W M 脉冲外，还必须用通用 定时器2 ( T 2 ) 来完成另一路S P W M 脉冲的输出。按改进型S P W M 调制的需要，对各个寄 存器的设置如下： ( 1 ) T 1P R ：S

44、Y S T E M F R E Q U E N C Y * 10 0 0 0 0 0 * T 2 其中S Y S T E MF R E Q U E N C Y 为C P U 系统时钟，以M H z 为单位，T 为载波周期。该寄 第三章z 源逆变器的控制策略研究 存器设置了一个载波周期内事件管理器A 通用定时器1 的记数最大值。同时，也成为C M P R I ， C M P R 2 ，C M P R 3 的记数周期。 ( ”T 2 P R ：S Y S T E M F R E Q U E N C Y 10 0 0 0 0 0 幸T 2 由于要用通用定时器2 实现一路P W M 脉冲输出，则必须使

45、其与通用定时器l 的记数同 步，所以将其记数周期设置成与通用定时器l 的周期一致。 ( 3 ) T 1 C N T ，T 2 C N T ：0 设置通用定时器1 和2 的记数寄存器的初始值为O ，也就是使其记数初始同步。 ( 4 ) T 1 C O N ，T 2 C O N ：0 x 8 8 4 A 设置操作不受仿真挂起的影响，连续增减模式，输入时钟预定标因子1 ，T 2 使用自身的 使能位，使能定时器操作，使能定时器比较，定时器比较寄存器重新转载条件设置为立即。 ( 5 ) G P T C O N A ：0 x 0 0 7 A 屏蔽T 2 C T R I P E ，T 1 C T R I P

46、 E ，无事件启动A D C 转换，通用定时器1 和2 比较输出使能 并各自由自己的逻辑触发独立驱动，通用定时器l 和2 比较输出极性为高有效。 ( 6 ) D B T C O N A ：0 x 0 0 0 0 由于允许并且需要有同一桥臂上下功率管直通的存在，故死区时间设为0 。 ( 7 ) C O M C o N A ：0 x A 2 0 0 使能完全比较单元比较操作，比较单元比较寄存器重新装载的条件为下溢或周期匹配， P W M l 2 3 4 5 6 由相应的比较器逻辑控制。 ( 8 ) A C T R A ：0 x 0 D E D 设置完全比较单元输出引脚极性，l 为有效低，2 为强制

47、高，3 为有效高，4 为强制高，5 为有效低，6 为强制高，从而利用通用定时器2 的比较输出和通用定时器的1 的完全比较单 元P W M l 、P W M 3 和P W M 5 形成4 路独立的P W M 输出脉冲。 3 5 改进型S P W M 调制技术的实验结果 由于实验平台中的I P M 模块打开方式采用的是低电平打开、高电平关闭，低电平是0 V ， 高电平是+ 5 V 。因此在C C S 3 1 开发环境下编写的程序经仿真器和D S P 处理后输出的波形中 低电平表示相应的开关管导通，高电平表示相应的开关管关断。 程序设计的载波频率是1 2 8 K H z ，则一个开关周期的时间是7

48、8 u s 。改变调制冈数M 和直 通时间占空比D 的值即可得到相应的四组独立S P W M 脉冲波形，下面几组图中四条曲线从 上至下依次代表驱动开关管I G B T l 、I G B T 4 、I G B T 3 和I G B T 2 工作的四路独立S P W M 脉冲 波形。 ( 1 ) M = 0 8 ，D = 0 2 东南大学硕士学位论文 ：二：。- 一 - 。一? _ F - l 1 ：i ，7 j ? 二。；：。j ，i j ，一i 。： j ! ， j 二：f 一一； 二一- 一- - 够； 1 一一 ，i 一 l 一 i 小 。：。一一一_ 。 。：。：一： 飘0 孺，如e 凇

49、。谢 a O 啦 嬲；0 膨O “ 1 4 翳洌1 0 1 “ 1 1 ( a )( b ) 图3 1 6M = O 8 ，D = 0 2 时四路独立的S P W M 脉冲波形 由图3 1 6 ( a ) 可见，此时调制因数M 取为O 8 ，直通时间占空比D 取最大值0 2 。在正 半周时开关管I G B T l 和I G B T 2 同时导通，开关管I G B T 4 和I G B T 3 不同时导通，桥臂l 中的 开关管I G B T l 和I G B T 4 直通一段时间，桥臂2 中的I G B T 3 和l G B T 2 也直通一段时间，两个 桥臂直通的时间是相等的。由图3 1 6 ( b ) 可见，在负半周时开关管I G B T l 和I G B