关键词：Z源逆变器；最大升压SPWM；仿真

1 引言

传统电压源逆变器及电流源逆变器具有如下共同缺陷^[1]：（1）只是单一的升压型或降压型变换器，所得输出电压范围有限；（2）两者不能互换主电路；（3）逆变器同一桥臂两只开关器件易受电磁干扰误触发造成直通而损坏，抗电磁干扰能力很弱。为有效克服以上所述缺陷，彭方正教授于2002年首次提出了一种新型的逆变器拓扑结构-Z源逆变器^[1]。它是在传统逆变器结构基础上，将一个对称的由电容电感组成的X型Z源网络引入逆变器前端，使得逆变器同一桥臂功率开关器件可以实现直通而不会被烧毁，并可利用直通状态在没有附加额外升压环节的情况下，完成对输入电压的升压，而利用调制因子进行调节又可以对逆变器完成降压，因此Z源逆变器和两级并网系统性能相类似^[2]。由于即使Z源逆变器输入电压波动较大，也会得到稳定可靠的输出电压，且经济性好，所以该逆变器在新能源发电系统、电机拖动等领域有着广泛应用^[2]，并已引起很多学者的浓厚兴趣和广泛关注。

区别于传统电压型逆变器，Z源逆变器可以工作于传统零矢量状态和直通零矢量状态两种正常工作模式，在不影响逆变器输出交流电压，保证有效矢量作用时间不变的前提下，可以将直通零矢量作用时间插入传统零矢量时间，实现对传统零矢量时间的部分或者全部替代，从而达到升压目的。

作为逆变器的常用调制策略之一，最大升压SPWM^[3]可以在给定增益因子G₀条件下，实现开关电压应力降到最小；且在给定调制系数M₀前提下，最大升压SPWM比简单升压SPWM具有更强的增益能力。本文在三相Z源逆变器中应用最大升压SPWM调制技术，并运用Matlab仿真软件Simulink工具箱中的模块搭建仿真模型并实现运行。

2 Z源逆变器的拓扑结构

Z源逆变器区别于传统电压源逆变器，在其前端插入一个由电感L₁、L₂和电容C₁、C₂组成的二端口X形Z源网络，该Z源网络将直流电源和逆变桥或者负载耦合在一起。可以说，Z源逆变器是一种经济性好、可靠性高的单级式升/降压逆变器。其拓扑原理如图1所示。

图1 Z源逆变器拓扑原理图

3 Z源逆变器的最大升压SPWM技术原理及仿真

3.1 最大升压SPWM技术原理

针对Z源逆变器的控制，在给定调制系数M₀的条件下，要得到最大电压增益G₀，则应该尽可能增大直通占空比。最大升压SPWM^[4]作为Z源逆变器的常用调制方法之一，其技术原理是将传统零矢量时间由直通零矢量时间进行全部替代，从而能够实现在给定调制系数M₀的条件下，利用最大的直通占空比，得到最大的电压增益G₀。该调制技术的具体实现方法是分别利用三相正弦波作为调制波和三角波作为载波，当三角载波幅值大于三相正弦波幅值的最大值或者小于三相正弦波幅值的最小值时，逆变器工作于直通零矢量时间；当三角载波幅值介于三相正弦波的最大值和最小值两者之间时，逆变器工作于传统PWM状态。其调制原理图如图2所示。

图2 最大升压SPWM

3.2 最大升压SPWM仿真模型

根据最大升压SPWM技术原理，搭建基于Z源逆变器的最大升压SPWM仿真模型如图3所示。

图3 最大升压SPWM仿真模型

图3所示仿真模型，首先最左侧由上往下排列的六个仿真模块会依次产生三角载波信号，三相正弦调制波与三角载波比较后产生的最大值输出信号、三相正弦调制波与三角载波比较后产生的最小值输出信号以及三相中A相正弦波调制信号，B相正弦波调制信号和C相正弦波调制信号，然后利用中间部分逻辑比较模块对最左侧模块所产生信号分别作比较，从而产生传统零矢量时间和直通零矢量时间，并完成后者对前者的全部替代，最后运用示波器模块Scope将所产生调制信号显示出来。该调制信号输入逆变器，便可以使其工作于直通状态。其中三相正弦调制波与三角载波比较后产生的最大值输出信号封装模块Subsystem 1及最小值输出信号封装模块Subsystem 2中的子模块分别如图4、图5所示。

图4 封装模块Subsystem 1（最大值信号产生输出仿真模型）

图5 封装模块Subsystem 2（最小值信号产生输出仿真模型）

4 实例仿真验证

将最大升压SPWM应用于三相Z源逆变器，并运用Matlab软件Simulink工具箱中的模块搭建仿真模型框图如图6所示。仿真模型中各模块参数设置为：直流电源U_i=50V，三相正弦调制波频率为50Hz，逆变桥功率器件开关频率为f₀=11KHz，Z源网络中两电容均为1000µF，两电感均为1mH，滤波电路中电容为20µF，电感为1mH，负载电阻值为20Ω。将以上参数设置在图6所示仿真模型各模块中，运行后调制模块产生的最大升压SPWM调制信号作用于逆变器，便可以得到各模块运行结果，如Z源阻抗网络的电容电压、直流链峰值电压和逆变器输出电压仿真波形分别如图7（a）、图7（b）及图7（c）所示。

图6 三相Z源逆变器最大升压SPWM仿真

图7（a） Z源阻抗网络电容电压波形

图7（b） 直流链峰值电压波形

图7（c） 逆变器输出电压波形

由所设置参数值及Z源逆变器和最大升压SPWM相关公式^[2,4]计算出理论值为：Z源阻抗网络电容电压V_C ≈ 102V，直流链峰值电压V_pn ≈ 155V，逆变器输出电压值V₀ ≈ 62V。可知，理论计算值与图7所示所搭建模型仿真结果一致，从而验证了所搭建仿真模型和算法的正确性。

4 结论

将最大升压SPWM调制技术应用于三相Z源逆变器并利用Matlab软件Simulink工具箱中模块搭建仿真模型，最终实际运行的仿真结果与所计算理论值相一致，从而验证了所搭建仿真模型及算法的正确性，为相关从业人员及学习者提供了参照，可靠方便。