qZSI（准 Z 源逆变器）是一种近年来兴起的先进逆变器拓扑结构，旨在解决传统逆变器拓扑（如 CSI 和 VSI）在电压范围受限和功率波动中的挑战。与传统逆变器相比，qZSI 提供了更高的效率和更强的电压调节能力，特别是在处理电压尖峰、波动和电流浪涌方面具有显著优势。

qZSI 的设计演变自 Z 源逆变器（ZSI），而 qZSI 拓扑结构的引入为逆变器提供了更加灵活和高效的功率转换方式。这种拓扑结构通过引入二极管和精细调节的电感与电容，优化了逆变器的启动性能和电压调节能力，减少了电压波动，并提高了逆变器的可靠性。本文将探讨 qZSI 的设计原理、工作机制、PWM 控制方法及其应用领域。

1. qZSI的工作原理

qZSI 采用的“准 Z 源”拓扑结构结合了电压升压和降压功能，并且能够在同一阶段进行能量转换。这种设计不仅减少了对额外 DC-DC 转换器的需求，降低了功率损耗，还提高了系统的整体效率。

1.1 电压调节与击穿状态

qZSI 的核心工作原理是通过交替操作非击穿状态和击穿工作模式，来进行电压的升压和反转。在非击穿状态下，逆变器对直流电压进行调制；而在击穿状态下，逆变器的电流通过阻抗网络，电容器的电压被提升，从而提高整个系统的直流母线电压。

1.2 击穿状态与电流循环

在击穿状态下，qZSI 网络内的电流会循环流经两个电感器，而不会流入逆变器桥。此时，电流通过网络存储能量，并在击穿状态下提升电容两端的电压。通过调整占空比（Ts），可以调节升压因子（B），从而决定逆变器的升压效率。通过这种方式，qZSI 能够在低直流输入电压的情况下，获得较高的交流输出电压。

2. qZSI设计中的关键组件与参数选择

qZSI 的设计涉及多个关键组件，主要包括电感器、二极管、电容器等，其尺寸和选择至关重要。设计时需充分考虑这些组件的特性，以确保系统的稳定性和高效运行。

2.1 电感器的选择

电感器（L1 和 L2）的尺寸决定了能量的存储和峰值电流的处理能力。在击穿状态下，电感器能够存储电能并限制电流的快速波动，从而确保电流在反转过程中不出现异常波动。电感的选择可以通过以下公式进行优化：$L = \frac{V_{\text{in}} \times D_{\text{shoot-through}} \times T}{\Delta I_{\text{L}}}$L=ΔILVin×Dshoot-through×T其中，$V_{\text{in}}$Vin 是输入电压，$D_{\text{shoot-through}}$Dshoot-through 是击穿占空比，$T$T 是开关周期，$\Delta I_{\text{L}}$ΔIL 是电流纹波。通过此公式可以确定电感的合适规格，避免因电流过大导致系统不稳定。

2.2 电容器的选择

电容器在 qZSI 系统中起到了稳定直流母线电压和减少电压纹波的作用。电容的选择同样需要综合考虑工作电压和容值，以确保在击穿状态下电压纹波不会过大。电容器的选择可通过以下公式计算：$C = \frac{I_{\text{load}} \times D_{\text{shoot-through}} \times T}{\Delta V_{\text{c}}}$C=ΔVcIload×Dshoot-through×T其中，$I_{\text{load}}$Iload 是负载电流，$D_{\text{shoot-through}}$Dshoot-through 是击穿占空比，$T$T 是开关周期，$\Delta V_{\text{c}}$ΔVc 是电压纹波。

3. qZSI的升压与反转过程

qZSI 的升压过程通过调整占空比来实现，升压因子（B）与击穿占空比（Ts）有密切关系。占空比越大，升压因子越高，从而输出电压越高。qZSI 的升压因子（B）可以通过以下公式计算：

$$B = \frac{1}{1 - 2 \times T_{\text{s}}}$$B=1−2×Ts1

例如，当击穿占空比（Ts）为 0.25 时，升压因子为 2，这意味着输出电压是输入电压的两倍。

通过精确调节占空比，qZSI 能够在较低的输入电压下，获得较高的交流输出电压。这一特性使得 qZSI 非常适合应用于可再生能源系统和低电压环境中，如太阳能逆变器、风能逆变器等。

4. qZSI的 PWM 控制方法

qZSI 系统的效率、稳定性和开关损耗受到脉宽调制（PWM）控制技术的影响。qZSI 常用的三种 PWM 控制方法包括：

4.1 简单升压控制（SBC）

SBC 通过在载波信号低于预定义参考信号时引入击穿状态。这种方法通过调整击穿占空比来实现所需的电压提升。然而，由于高频开关损耗，SBC 在高升压系数下的效率较低，且可能引入谐波失真。

4.2 升压控制（MBC）

MBC 技术通过调整击穿状态的占空比，使其与参考信号的过零点对齐，从而优化直流电压的使用。这种控制方法能够有效减少开关期间的损耗，提升系统效率，并避免高频开关导致的损耗。

4.3 恒定升压控制（CBC）

CBC 根据负载条件和输出需求动态调整击穿占空比，平衡效率和电压升压。通过这种动态调节，CBC 控制方法能够在负载变化时保持系统稳定，并减少逆变器组件的整体应力，从而提高可靠性。

5. qZSI的优势与挑战

5.1 优势

• 高效能量转换：qZSI 提供了单级电源转换功能，减少了功率损耗，并有效提高了系统效率。

• 升压与降压功能：qZSI 可以在一个阶段同时实现升压和降压，无需额外的 DC-DC 转换器，简化了系统设计。

• 增强的故障容忍度：通过引入二极管，qZSI 提高了对电压尖峰等故障的容忍度，减少了逆变器组件的压力。

• 较高的电压调节能力：qZSI 能够在较低输入电压条件下，提供较高的输出电压，适合于可再生能源系统。

5.2 挑战

• 复杂的控制策略：由于涉及多种控制模式和参数调整，qZSI 的控制策略相对复杂，需要精确的系统设计和调试。

• 开关损耗：尽管采用了多种 PWM 控制方法，但高开关频率和击穿状态下的电流循环仍然可能导致一定的开关损耗。

• 组件选择的精度要求：电感器、电容器等组件的尺寸和参数必须精准匹配，稍有不慎可能影响系统的稳定性和性能。

6. 结论

qZSI（准 Z 源逆变器）作为一种新型逆变器拓扑，凭借其独特的升压和降压功能、高效的单级电源转换、以及优异的电压调节能力，已成为处理功率波动、电压波动和电流浪涌的理想选择。尽管其控制策略和设计要求较为复杂，但其在可再生能源、低电压环境中的应用前景广阔。随着技术的发展和控制方法的优化，qZSI 将在更多领域中发挥重要作用。