z源变流器电路结构与拓扑设计i--传统z源变流器

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1、2013年第3卷第5期45Z源变流器电路结构与拓扑设计I—传统Z#源变流器*汤雨（南京航空航天大学自动化学院，南京210016）摘要：本文从传统Z源变流器电路结构出发，得到了更能体现Z源变流器特征的电路结构，并从中提取出Z源基本电路单元，分析了它的基本工作原理，推导了基于该电路结构的Z源变流器电路拓扑设计方法。根据工作区间的不同，传统Z源变流器存在两种不同的电路拓扑。分析表明，电压型拓扑中Z源电容电压高于输入电压，而电流型拓扑中Z源电感电流大于输入电流。因此，传统Z源变流器中Z源网络的元件尺寸较大，导致变流器体积

2、与重量大，实现成本高。关键词：Z源变流器；电路结构；拓扑设计CircuitStructureandTopologicalDesignofZ-sourceConverterI—TraditionalZ-sourceconverterTANGYu(NanjingUniversityofAeronautics&Astronautics,Nanjing210016)Abstract:AcircuitstructurewhichcanpresentthecharacteristicofZ-sourceconvertermo

3、reclearlyisgivenbasedonthetraditionalstructure.TheZ-sourceunitisdistilledfromthestructureandanalyzeddetailly.ThentheZ-sourceconvertertopologicaldesignmethodisderivedfromthestructure.TherearetwotraditionalZ-sourceconvertertopologiesindifferentoperationregions.

4、TheanalysisrevealsthattheZ-sourcecapacitorvoltageishigherthaninputvoltageinvoltage-fedtopologywhiletheZ-sourceinductorcurrentislargerthaninputcurrentincurrent-fedtopology,thereforethesizeofZ-sourcenetworkislargewhichcausesahighvolumn,weightandcost.Keywords:Z-

5、sourceconverter;circuitstructure;topologicaldesign0引言电压源与电流源变流器是两种常见的变流器拓扑形式，它们结构简单并获得了广泛应用[1]。电压源变流器中储能元件为电容，其交流侧电压低于直流母线电压，仅仅是一个降压型变换器，并且同一个桥臂的上下功率开关管不能同时开通，否则会产生短路现象而损坏电路；电流源变流器中储能元件为电感，其交流侧电压高于直流母线电压，仅仅是一个升压型变换器，并且上桥臂和下桥臂在任何时刻都要各有一个开关处于导通状态，否则会产生开路现象[2-3]

6、而损坏电路。为了实现升降压变换的功能，需要两级式功率变换来实现，但会导致电路结构与控制偏复杂、效率低等缺陷。[4-6]Z源变流器可以克服电压源和电流源变流器的不足。与电压源和电流源逆变器中仅有电容和电感相比，由于Z源网络的引入，桥臂既能直通也能开路，因此Z源变流器结合[7-8]了电压源和电流源变流器的优点，能够实现单级升降压变换的功能。现有对Z源变流器基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金项目(20093218120017)作者简介：汤雨（1980-），男，讲师，主要研究方向：功率电子变换技术-1-46201

7、3年第3卷第5期的研究都是针对某个具体电路拓扑的研究，而缺乏对Z源变流器电路拓扑一般规律的探索[9-10]和分析。本文从电路结构的角度出发，开展对Z源基本电路单元的研究，既能从中提取出Z源变流器的一般性特性，又能在此基础上分析得到Z源变流器电路拓扑设计方法。1Z源变流器电路结构文献[1]给出了Z源变流器的电路结构，如图1所示。它通过一个由电感和电容所组成的Z源网络将电源侧与负载侧耦合起来，提供了一种独特的升降压机制。Z源网络由两个相同的电感和两个相同的电容所组成，与电压源变流器桥臂不能直通和电流源变流器桥臂不能开

8、路相比，Z源变流器桥臂既能直通也能开路。当桥臂直通时，Z源网络电感对电流起限流作用，当桥臂开路时，Z源网络电感电流通过Z源网络电容回路流通，并且Z源变流器就是通过直通状态和开路状态来实现升降压功能的，因此Z源变流器结合了传统电压源和电流源变流器的优点而避免它们的缺点，具有完全不同于电压源和电流源变流器的独特特性。图1所示电路结构中，负载和电源分别位于Z源网络的两侧，传统的