准 Z 源逆变器的设计

准 Z 源逆变器概述

qZSI 旨在解决与可再生能源中电压范围受限相关的挑战，与 CSI 和 VSI 等传统逆变器拓扑不同，qZSI 可以处理功率波动。qZSI 拓扑结构增强了对突然电压尖峰等故障的容忍度，从而提高了电压转换的整体效率和可靠性。QZSI 是从 Z 源逆变器 （ZSI） 拓扑演变而来的，允许在一个阶段进行升压和降压操作。ZSI 拓扑由以“X”形配置排列的电容器和两个电感器组成，用于存储能量并提供电力传输功能。这会在逆变器的开关设备和可再生能源直流电源之间形成一个阻抗网络。尽管能够处理 CSI 和 VSI 的波动限制，但 ZSI 也带来了一些问题，例如启动过程中的浪涌电流，使逆变器的组件承受压力并影响电压稳定性和可靠性。这些限制和电压纹波使 ZSI 拓扑需要更复杂的控制。

另一方面，QZSI 比 ZSI 减少了其组件的压力、提高了效率和更好的电压调节。为了提高启动性能和输入电压稳定性，qZSI 拓扑结构在更紧凑的阻抗网络中增加了二极管。这及其击穿功能提高了对故障的容忍度，否则会损坏 VSI 和 CSI 逆变器。qZSI 拓扑还具有降压-升压功能和单级电源转换功能，无需 DC-DC 转换器，从而降低了功率损耗和系统复杂性。

qZSI 的设计和工作原理

当谈到 qZSI 的运行时，其设计允许在不损坏逆变器组件的情况下发生受控的“击穿”状态。对于电压反转和升压，qZSI 在非击穿状态和击穿工作模式之间交替。在设计过程中，正确的组件尺寸至关重要。L1 和 L2 电感器的尺寸可以调整，以处理击穿状态下的能量存储和峰值电流。为了限制纹波电流 （?L），则可以通过考虑开关周期 （T）、输入直流电压 （V 来评估 qZSI 逆变器的电感在） 和击穿占空比 （D射击).

L=Vin×Dshoot?through×TΔIl

为逆变器选择电容器时，应正确调整尺寸，以确保稳定的直流母线电压并减少击穿状态下的电压纹波。电容可以通过考虑所选电容器可以处理的电压来评估 （?C).

　L=I负载×D击穿×TΔVc络有两个电感器和电容器，用于在击穿状态下处理能量存储。图片由 Bob Odhiambo 提供

在击穿状态下，在同时激活一个逆变器支路中的两个开关后，准 z 网络内发生电流循环。在这种模式下，电流不会流入逆变器桥。为了更好地理解升压机制，考虑了击穿状态的占空比 （Ts） 并用于评估逆变器的升压因子 （B）。当电流流过网络中的两个电感器时，能量被储存起来，从而提升电容器两端的电压，从而增加逆变器的整体直流母线电压。

B=11?2Ts

通过在反转前提高电压，即使在 DC 输入电压较低的情况下，也可以实现更高的 AC 输出电压。假设 qZSI 的占空比为 0.25，则升压因数等于 2，如下所示，这意味着输出电压是输入电压的两倍。

B=11?2×0.25=11?0.5=2　

这意味着，随着占空比的增加，升压因子也会增加，如图 2 所示。例如，占空比为 0.1 时的升压系数约为 1.11，而占空比为 0.4 时的升压系数约为 1.67。

图 2.准 z 源逆变器的占空比与其升压因数之间的关系。图片由 Bob Odhiambo 提供

一旦电压在击穿状态下被提升，就可以在非击穿状态下完成直流到交流的反转过程，其中逆变器桥由带电电容器提供的存储能量。标准脉宽调制技术 （PWM） 可以在单级中将直流电压转换为交流电压输出。qZSI 逆变器的调制交流输出电压 （Vac） 可以通过考虑调制指数 M 来近似计算，如下所示 （Vdc），即直流输入电压。    B=11?2Ts

用于 qZSI 控制的脉宽调制

qZSI 控制的三种 PWM 技术包括简单升压控制 （SBC）、升压控制 （MBC） 和恒定升压控制 （CBC），它们会影响逆变器的稳定性、效率和开关损耗。这些 PWM 方法在 qZSI 控制中各有优势和局限性。SBC 涉及在载波信号低于预定义的参考信号时将击穿状态插入调制信号。这种调制方法修改了击穿占空比，以实现所需的电压提升。在效率方面，由于连续开关会导致高开关损耗，因此 SBC 在高升压系数下的效率低于 CBC 和 MBC。这种 PWM 控制方法中的高开关频率也可能在 qZSI 中引入谐波失真。

MBC PWM 技术的工作原理是通过调整击穿状态以与参考信号的过零点一致来优化直流电压的使用。这通过在阻抗网络上电压的周期内应用击穿，限度地减少了开关期间的损耗。与 SBC 不同，MCB 效率更高，因为它避免了在峰值电压条件下的连续开关。CBC 通过根据负载条件和输出需求对击穿占空比进行动态调整来平衡效率和电压升压。无论负载如何变化，这都能实现一致性，并减少逆变器组件的整体应力。