具有電壓尖峰抑制能力的高增益Y 源逆變器?

房緒鵬，王煦超，趙冰冰，張勝男

(山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，山東 青島 266590)

傳統(tǒng)電壓、電流源逆變器雖然已得到廣泛應(yīng)用，但仍存在許多缺點(diǎn)，如輸出電壓范圍有限、發(fā)生開關(guān)管死區(qū)延遲或受到電磁干擾時(shí)易造成橋臂瞬時(shí)開路或短路等。阻抗源逆變器的出現(xiàn)很好地解決了上述問題。Z 源逆變器(Z-Source Inverter，ZSI)[1]允許同一橋臂開路或者短路，為按需升壓或降壓提供了一種機(jī)制，但其啟動(dòng)電流大、輸入電流不連續(xù)的缺點(diǎn)限制了其應(yīng)用和發(fā)展。準(zhǔn)Z 源逆變器(Quasi Z-Source Inverter，q-ZSI)[2]、含有開關(guān)電感的Z 源逆變器[3－4]以及含有兩繞組耦合電感的Trans-Z、Γ-Z 源逆變器[5－7]的出現(xiàn)改善了上述不足，并提升了電壓增益。將三繞組耦合電感應(yīng)用到電路中便形成了具有代表性的Y源逆變器(Y-Source Inverter，YSI)[8]及改進(jìn)型Y 源逆變器(Improved Y-Source Inverter，I-YSI)[9]，I-YSI 結(jié)構(gòu)如圖1 所示，它擁有更加靈活的匝數(shù)比和更高的電壓增益，因此獲得廣泛應(yīng)用。然而，耦合電感的引入必然產(chǎn)生泄漏電感，當(dāng)開關(guān)管動(dòng)作時(shí)，逆變橋兩端會(huì)產(chǎn)生很大電壓尖峰，既對(duì)開關(guān)管的耐壓和耐高溫能力提出嚴(yán)苛要求，還會(huì)產(chǎn)生額外損耗。

圖1 I-YSI 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為減少泄漏電感，可將耦合電感由Y 型改為△型[10]，但△型結(jié)構(gòu)會(huì)使三繞組耦合電感形成獨(dú)立回路，限制了匝數(shù)比選擇的靈活性。另一種降低漏感影響的方法是增設(shè)緩沖電路，文獻(xiàn)[11]將緩沖電路分為有源與無(wú)源兩種，無(wú)源緩沖電路無(wú)需額外的控制與驅(qū)動(dòng)部分，因此更加簡(jiǎn)便實(shí)用。文獻(xiàn)[12]提出的無(wú)源緩沖電路僅需增設(shè)一個(gè)箝位二極管，但只能消除部分電壓尖峰，且不具有泛用性。文獻(xiàn)[13]中無(wú)源緩沖電路與原電路組成Buck-Boost 結(jié)構(gòu)，可將直流鏈電壓尖峰中能量回饋到主電路，但其元件參數(shù)要求嚴(yán)格，當(dāng)電路發(fā)生波動(dòng)時(shí)，現(xiàn)有的緩沖電路可能失去作用。文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[15]提出的緩沖電路適用于各類含耦合電感的阻抗源結(jié)構(gòu)，既能有效抑制電壓尖峰，還可提升電壓增益，文獻(xiàn)[16]提出僅由電容和二極管組成緩沖電路，是對(duì)前二者的簡(jiǎn)化，雖不能提升電壓增益，但損耗更小，效率更高。

基于上述文獻(xiàn)，本文提出一種具有母線電壓尖峰抑制能力的高增益Y 源逆變器(Peak Suppression Improved Y-Source Inverter，SI-YSI)，既能有效減小元件應(yīng)力，提升電壓增益，還能夠回收漏感能量，抑制直流鏈電壓尖峰。

1 逆變器拓?fù)浼澳妇€電壓尖峰分析

1.1 I-YSI 母線電壓尖峰分析

I-YSI 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1 所示，含有耦合電感漏感的I-YSI 等效電路如圖2 所示，為方便分析，將逆變橋等效為單一開關(guān)SW，負(fù)載等效為電流源，SW 的導(dǎo)通時(shí)間與整個(gè)周期的比值定義為導(dǎo)通占空比d。當(dāng)電路由直通狀態(tài)進(jìn)入非直通狀態(tài)時(shí)，直流母線的電流突變，耦合電感各繞組中電流也隨之迅速改變，進(jìn)而導(dǎo)致漏感兩端產(chǎn)生很大的電壓差。

圖2 I-YSI 等效電路

I-YSI 工作在直通狀態(tài)時(shí)，各繞組中電流分別表示為:

工作在非直通狀態(tài)時(shí)，各繞組中電流分別表示為:

式中:K＝(N1＋N2)/(N2－N3)，為耦合電感匝數(shù)比。

對(duì)比式(1)、式(2)發(fā)現(xiàn)，逆變器的開關(guān)管動(dòng)作后，各繞組中電流變化很大，系統(tǒng)功率提高時(shí)，電流變化將進(jìn)一步加大。根據(jù)漏感的伏安關(guān)系VLk＝LK(diLk/dt)，迅速變化的電流在漏感兩端產(chǎn)生很大的感應(yīng)電壓，最終作用在直流母線上，產(chǎn)生電壓尖峰。

1.2 SI-YSI 工作過程及母線電壓尖峰抑制原理

SI-YSI 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3 所示，左側(cè)為新型Y 源結(jié)構(gòu)，可有效減小元器件應(yīng)力；右側(cè)為附加緩沖電路，不但能回收泄漏能量，抑制直流鏈電壓尖峰，還能進(jìn)一步提升電壓增益。

圖3 SI-YSI 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

含等效漏感的SI-YSI 在一個(gè)周期內(nèi)的各工作狀態(tài)如圖4 所示，對(duì)應(yīng)一個(gè)周期內(nèi)[t0～t1]、[t1～t2]、[t2～t3]、[t3～t4]四個(gè)時(shí)段，各時(shí)段電路中簡(jiǎn)化關(guān)鍵波形如圖5 所示。

圖4 SI-YSI 各工作狀態(tài)圖

圖5 SI-YSI 簡(jiǎn)化關(guān)鍵波形圖

圖4(a)所示直通狀態(tài)[ST(a)]:t0時(shí)刻，開關(guān)SW 因回路中電感的緩沖作用而發(fā)生零電流導(dǎo)通，二極管D1雖導(dǎo)通，但流過其電流迅速下降。二極管D2則承受反壓保持關(guān)斷。

圖4(b)所示直通狀態(tài)[ST(b)]:開關(guān)SW 保持導(dǎo)通，二極管D1中電流在t1時(shí)刻降至0 而關(guān)斷，D2保持關(guān)斷。輸入電感Lin、輸出電感Lo以及等效磁化電感LM在此期間線性充電，流過耦合電感的電流達(dá)到最大值，電容C1～C4在此期間線性放電。

圖4(c)所示非直通狀態(tài)[NST(c)]:開關(guān)SW在t2時(shí)刻關(guān)斷，二極管D1、D2導(dǎo)通。從電流角度來(lái)看，逆變器直流母線電流此刻發(fā)生突變，但與I-YSI相比，變化的電流除了通過耦合電感，還通過二極管D2、電容C3進(jìn)行分流，所以流經(jīng)漏感電流變化緩慢，產(chǎn)生的感應(yīng)電壓較低。從電壓角度來(lái)看，D2導(dǎo)通后，逆變橋、電容C3、C4形成了箝位回路，使直流母線電壓尖峰得到很好的抑制。

圖4(d)所示非直通狀態(tài)[NST(d)]:二極管D1保持導(dǎo)通，D2關(guān)斷。D1導(dǎo)通使互感線圈N1、N2、漏電感LK上的電壓受到C2箝位保持不變。直流鏈電壓此時(shí)等于電容C3、C4的電壓以及二極管D2上一個(gè)很小的反電壓。

與I-YSI 相比，SI-YSI 在每個(gè)周期內(nèi)存在一個(gè)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的NST(c)狀態(tài)，此狀態(tài)既給耦合電感中漏感電流變化提供了充足時(shí)間，又存在直流母線電壓箝位回路，保證了直流母線電壓尖峰的抑制。

2 穩(wěn)態(tài)性能分析及對(duì)比

2.1 電流分析

由圖5 不難發(fā)現(xiàn)，SI-YSI 各工作狀態(tài)下的電流分度很大，由電流計(jì)算不但能夠得到NST(c)狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)的占比，還能得到各元器件的電流應(yīng)力。

ST(a)狀態(tài)持續(xù)時(shí)間極短，可省略此過程，從ST(b)狀態(tài)開始，各電容電流表達(dá)式為:

NST(c)狀態(tài)下，流過電容C1和C2的電流線性變化，流過電容C3和C4的電流因D2的導(dǎo)通而發(fā)生突變，表達(dá)式為:

NST(d)狀態(tài)，流過電容C1～C4中電流均為恒定，表達(dá)式為:

由耦合線圈電流關(guān)系和基爾霍夫電流定律可得:

一個(gè)周期內(nèi)對(duì)電容C1～C4電流使用安秒平衡原理，有:

求解上式得:

式中:a是NST(c)狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)所占比例，定義其為非直通比例系數(shù)。Iin定義為輸入電流在一個(gè)周期內(nèi)的平均值。由式(8)可知，非直通比例系數(shù)a受K和d的影響，現(xiàn)實(shí)中往往要求d取較小值，此處設(shè)K為3，當(dāng)d小于0.5 時(shí)，NST(c)狀態(tài)在一個(gè)周期內(nèi)的占比不低于0.25，此狀態(tài)較高的時(shí)占比給耦合電感中漏感電流變化提供了充足時(shí)間。

另將式(9)、式(10)分別回代到ST(b)狀態(tài)，可得到三繞組耦合電感的電流最大值，其表達(dá)式為:

2.2 電壓分析

由基爾霍夫電壓定律，選擇合適的回路，可從ST(a)、ST(b)狀態(tài)得出相同電壓關(guān)系式:

NST(d)狀態(tài)中，二極管D2雖保持關(guān)斷，但其反電壓近乎為0，所以將此狀態(tài)與NST(c)合并計(jì)算，電壓關(guān)系式為:

由互感線圈電壓與匝數(shù)比關(guān)系可得:

一個(gè)周期內(nèi)對(duì)輸入、輸出電感以及互感線圈N1使用伏秒平衡原理，有:

求解上式得各電容電壓及輸出直流鏈電壓:

逆變器輸出交流電壓峰值與直流鏈電壓關(guān)系為:

式中:B＝1/[1－(2＋K)d]，為升壓因子，M為調(diào)制因數(shù)。

2.3 穩(wěn)態(tài)性能對(duì)比

由上兩節(jié)可得SI-YSI 主要元器件電壓及電流應(yīng)力表達(dá)式，將其總結(jié)在表1 中并與I-YSI 進(jìn)行對(duì)比。二者的直流鏈電壓增益對(duì)比如圖6(a)所示，圖中坐標(biāo)為同一種變量的比值或無(wú)量綱常數(shù)，均無(wú)單位，可以看出，在直通占空比和耦合電感匝數(shù)比相同情況下，SI-YSI 具有更高的電壓增益。

表1 兩種逆變器穩(wěn)態(tài)性能比較

圖6 I-YSI、SI-YSI 穩(wěn)態(tài)性能對(duì)比(K＝3)

為方便比較其他元件應(yīng)力，規(guī)定兩逆變器的輸出直流鏈電壓相同，即線圈匝數(shù)比需滿足Kc＝K＋1，Kc為I-YSI 耦合電感線圈匝數(shù)比。由表中數(shù)據(jù)可知，SI-YSI 中互感線圈N1、N2的電流應(yīng)力更小，而N3及逆變橋直通時(shí)電流應(yīng)力則與I-YSI 中對(duì)應(yīng)值相等。因此，無(wú)論是匝數(shù)比還是電流應(yīng)力，SI-YSI 對(duì)互感線圈選型都提出了更少的要求。兩逆變器電容C1、C2的電壓應(yīng)力對(duì)比如圖6(b)、圖6(c)所示，SIYSI 中兩電容電壓應(yīng)力更小，額外增加的兩個(gè)電容C3、C4的電壓應(yīng)力也較小。此外，SI-YSI 中二極管D1承受反壓相對(duì)有所減小，其值仍較大，而新增二極管D2電壓應(yīng)力相對(duì)較小。

3 額外損耗分析

與I-YSI 相比，SI-YSI 中改進(jìn)Y 源結(jié)構(gòu)無(wú)新增元器件，但緩沖電路多使用了一個(gè)電感、一個(gè)二極管和兩個(gè)電容，產(chǎn)生了額外的損耗，其中二極管、電感損耗較高，而電容的損耗較低，所以在計(jì)算中將其忽略。

3.1 二極管損耗分析

二極管D2的損耗主要有導(dǎo)通損耗和截止損耗，分別表示為:

式中:Vf為正向?qū)▔航?，IR為反向漏電流。由于二極管D2在NST(d)狀態(tài)承受反壓幾乎為0，所以VD2僅為逆變器直通時(shí)二極管D2所承受反壓。

3.2 電感損耗分析

電感的損耗主要由磁芯損耗和線圈銅耗組成。

磁芯損耗為:

式中:Ae為磁芯截面積，le為磁路長(zhǎng)度，PL為磁芯損耗密度，可從磁芯損耗表或曲線中得出其計(jì)算式:

式中:a、b、c是由磁芯損耗曲線契合度決定的常數(shù)[17]，f為電感電流的頻率，磁感應(yīng)強(qiáng)度B由下述擬合公式給出:

式中:d、e、g、j、k、x為磁化曲線決定的常數(shù)[17]，磁場(chǎng)強(qiáng)度H與電感電流均值Iav、波動(dòng)值ΔI及線圈匝數(shù)N有關(guān):

電感的銅耗由電感電流有效值IL及線圈電阻RL產(chǎn)生:

最終，SI-YSI 的額外損耗表示為:

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

基于理論分析，本文搭建了圖7 所示I-YSI 及SI-YSI 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，由TMS320F28335 型號(hào)DSP 產(chǎn)生控制信號(hào)，通過DA962D 驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2 所示，實(shí)驗(yàn)波形如圖8～圖11 所示。

表2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖7 I-YSI、SI-YSI 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖8 I-YSI、SI-YSI 輸出直流鏈電壓

圖8 為I-YSI、SI-YSI 輸出直流鏈電壓波形，可以看出，SI-YSI 輸出直流鏈電壓更高(理論值60 V)，而且當(dāng)逆變器由直通轉(zhuǎn)換到非直通狀態(tài)時(shí)，I-YSI 因漏感作用產(chǎn)生了電壓尖峰，SI-YSI 的電壓尖峰得到明顯抑制。

圖9、圖10 所示電流波形中，NST(c)與NST(d)兩狀態(tài)區(qū)分明顯，NST(c)狀態(tài)的周期占比約為0.44，與理論計(jì)算結(jié)果相符。其中各互感線圈電流在本工作狀態(tài)下變化緩慢，不至使漏感兩端感應(yīng)出過高的尖峰電壓，線圈電流峰值與表1 數(shù)據(jù)相符。

圖9 輸入電感電流波形及互感線圈電流波形

圖10 二極管D1、D2 電流及電壓波形

圖10(c)、(d)分別為二極管D1、D2電壓波形(理論值分別為180 V、60 V)，D2電壓波形及直流鏈電壓波形在整個(gè)非直通狀態(tài)沒有明顯波動(dòng)，驗(yàn)證了理論分析所述，NST(d)狀態(tài)D2雖保持關(guān)斷，但所承受反壓幾乎為0。

圖11 為SI-YSI 輸出交流電壓波形(理論值為52.8 V)，其數(shù)值及上述各實(shí)驗(yàn)數(shù)值相對(duì)理論值均存在一定偏差，主要是受到泄漏電感、線路阻抗、器件壓降影響，選擇更加精密的元件以及采用PCB 制板將在一定程度上減小偏差。另外，如圖12 所示，提高系統(tǒng)功率水平也將使各類損耗所占比重降低，進(jìn)而提升系統(tǒng)效率。

圖11 輸出交流電壓波形

圖12 不同功率水平下逆變器損耗及效率

圖12 還給出了SI-YSI 在各功率水平下的總損耗及緩沖電路損耗，雖然兩種損耗都隨系統(tǒng)功率水平提高而升高，但新增緩沖電路損耗占總損耗的比重始終較低。

5 結(jié)論

本文提出一種具有直流母線電壓尖峰抑制能力的高增益Y 源逆變器，可廣泛應(yīng)用于分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電、燃料電池、交流調(diào)速等領(lǐng)域。理論分析及實(shí)驗(yàn)證明本逆變器具有如下特點(diǎn):

①電壓增益高，元件電壓、電流應(yīng)力小，可在滿足輸出高電壓需求的同時(shí)，減小元器件的選型壓力。

②緩沖電路使開關(guān)管兩端的直流鏈電壓尖峰得到有效抑制，從而降低了開關(guān)損耗，減小了對(duì)開關(guān)管的損害。

③緩沖電路還可進(jìn)一步提升電壓增益，并且損耗較小，保證了逆變器的工作效率。