CN103488831B - 一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，将电力电子变换器的电路拓扑视为由若干个独立网孔组成，网孔间进行组合运算，得到变换器中所有的子电路，根据电路基本原理和电力电子变换器的工作原理，剔除无效子电路，剩下的子电路即为有效工作模态，将有效工作模态根据变换器中开关元件的导通、关断规律，组合得到所有工作模式，与正常工作模式不同的即为潜在电路现象，由此得到电力电子变换器中的潜在电路现象。本发明简化了潜在电路现象分析步骤，分析结果更全面，无潜在电路现象的遗漏。本发明可用于各种电力电子变换器的潜在电路现象研究。

Description

一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法

技术领域

本发明属于可靠性分析和安全诊断领域，涉及一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法。

背景技术

潜在电路现象是电气电子系统中存在的一种潜藏现象，正常情况下，该现象不会出现，当激励条件得到满足时，潜在电路现象出现。潜在电路现象的出现会抑制电气电子系统期望的功能，或引入非期望功能，严重影响系统运行的安全可靠性。研究潜在电路现象的分析方法，可以预先获得系统中的潜在电路现象，从而采取合理措施预防该现象的发生，有效提高系统的安全可靠性。电力电子变换器是典型的电气系统，潜在电路现象是其固有现象，但是由于电力电子变换器工作在开关状态，有别于传统的电气电子系统，故现有的潜在电路分析方法无法应用于电力电子变换器，需研究适用于电力电子变换器的潜在电路现象分析法。

目前，适用于电力电子变换器的潜在电路现象分析的主要方法有：广义连接矩阵法和开关布尔矩阵法。但广义连接矩阵法只能得到潜在电路路径，而电力电子变换器是以工作模态为最小工作单元，故还需要在得到潜在电路路径的基础上设法组合出变换器的工作模态，潜在电路现象分析步骤复杂、工作量较大；开关布尔矩阵法虽然可以直接分析得到工作模态，但在分析过程中只考虑 了开关元件的通断特性，容易遗漏储能元件在能量释放完毕后的特殊情况，造成潜在电路现象分析结果不完整。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法。本发明所提出的电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，无需分析潜在路径，直接得到电力电子变换器的所有工作模态及工作模式，且还能获得潜在电路现象及其工作波形。故本发明与现有潜在电路分析方法相比，可以用计算机自动实现电力电子变换器的潜在电路分析，有效地减少工作量，且分析结果全面、无遗漏。

本发明的目的通过如下技术方案实现：

一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其将电力电子变换器的电路拓扑视为由若干个独立网孔组成；对不同的网孔间进行“并（∪）”和“环和”组合运算，运算结果为电力电子变换器中的子电路；根据电路基本原理和电力电子变换器的工作原理，得到子电路的约束条件，利用子电路的约束条件剔除无效子电路，剩下的即为有效工作模态；将有效工作模态根据变换器中开关元件的导通、关断规律，组合得到变换器的所有工作模式，将得到的变换器的所有工作模式与变换器的正常工作模式做比较，与正常工作模式不同的即为潜在电路现象，由此得到电力电子变换器中的潜在电路现象。

上述的网孔组合法中，将电力电子变换器的电路拓扑视为由若干个独立网孔组成，每个网孔用一个集合表示，网孔元素用构成网孔的变换器元件名称 表示。

上述的网孔组合法中，如果网孔之间没有共有元素，那么网孔之间的“环和”运算的结果与“并”运算的结果是一样的，即出现重复的组合运算结果，删除重复的组合运算结果。

上述的网孔组合法中，所述约束条件用网孔元素运算式表示。

上述的网孔组合法中，利用约束条件运算式，对所有不重复的子电路进行逐一判断，符合约束条件运算式的子电路为无效子电路，不符合的为有效工作模态。

上述的网孔组合法中，变换器的正常工作模式包含变换器正常工作情况下对应的有效工作模态及其电流方向。

上述的网孔组合法中，将变换器的所有工作模式与变换器的正常工作模式做比较，包含不同有效工作模态的工作模式，或包含不同电流方向的工作模式属于潜在电路现象。

与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：1、可以直接得到潜在电路现象，简化了潜在电路现象分析步骤；2、分析结果更全面，无潜在电路现象的遗漏；3、可以用计算机实现电力电子变换器的潜在电路自动分析。

附图说明

图1是电力电子变换器潜在电路现象网孔组合法的工作流程图；

图2是Cuk变换器原理图及其网孔定义；

图3a～图3d是Cuk变换器四种有效工作模态的等效电路图；

图4a、图4b是Cuk变换器的两种开关控制规律图；

图5是C_uk变换器的电流方向定义图；

图6a～图6f是Cuk变换器所有工作模式的电流方向图；

图7a～图7e是Cuk变换器样机的不同工作模式实验结果图。

具体实施方式

以下结合Cuk变换器，对本发明技术方案的具体实施作进一步详细说明，但本发明的实施和保护范围不限于此。

1、C_uk变换器的网孔定义

Cuk变换器的原理图如图2所示，由4个独立网孔构成，分别为G₁、G₂、G₃、G₄。若将各网孔用集合表示，集合元素为网孔回路上的元件，其中V_i为输入直流电压源，S为功率开关管，D为功率二极管，L₁和L₂均为电感，C₁和C为电容，R为电阻。故Cuk变换器的各个网孔可表示为：G₁={V_i，L₁，S}、G₂={S，C₁，D}、G₃={D，L₂，C}、G₄={C，R}。

2、Cuk变换器的子电路

对Cuk电路的4个独立网孔进行“并（∪）”和“环和”运算，根据图的基本运算法则，如果两个集合之间无共有元素，那么它们的“环和”运算的结果与“并”运算的结果是一样的，由此得到的Cuk变换器网孔组合运算结果如表1所示。根据Cuk变换器中各个网孔的定义，上述组合运算结果可以转换为子电路，即Cuk变换器共有33个子电路。

3、Cuk变换器的有效工作模态

已知Cuk变换器的基本工作原理为：开关管S导通期间，二极管D承受反压关断，流过电感L₁和L₂的电流增大；开关管S关断期间，二极管D导通，为电感电流提供续流通道，电感电流减小。

在Cuk变换器的33个子电路中，有些子电路不满足电路基本原理或Cuk变换器的基本工作原理，属于无效子电路，需要剔除。故建立Cuk变换器的工作约束条件如下：

(1)开关管S和二极管D不能同时导通，否则会造成电容C₁被短路；

(2)流过电感L₁和L₂的电流同时为零或不为零；

(3)电容C足够大，电容C将一直处于与负载R的并联状态。

将上述3个约束条件转换为网孔元素运算式，可以得到剔除无效子电路的运算式为

S×D=1

$L_1\⊕L_2=1---\left(1\right)$

C×R=0

如果Cuk变换器的某个子电路表达式中所包含的元素满足式（1）中任意一个子式，那么该子电路属于无效子电路。对表1中Cuk变换器的33个子电路表达式进行逐一判断，剔除所有无效子电路后，剩下的子电路即为Cuk变换器的有效工作模态，包括：

(1)G₄（编号4）；

(2)（编号27）；

(3)（编号28）；

(4)（编号30）。

上述4个有效工作模态的等效电路分别如图3a～图3d所示，其中图3b对应于开关管S导通、二极管D关断的工作模态，图3c对应于二极管D导通、开关管S关断的工作模态，而图3a和3d均对应于开关管S和二极管D同时关断的工作模态。

4、Cuk变换器的工作模式

根据Cuk变换器的工作原理，Cuk变换器具有2种开关导通、关断规律，如图4所示。在图4a所示的控制规律1中，每个开关周期包含2个阶段，其中阶段I对应的工作模态为开关管S导通、二极管D关断，阶段II对应的工作模态为开关管S关断、二极管D导通；在图4b所示的控制规律2中，每个开关周期包含3个阶段，其中阶段I对应的工作模态为开关管S导通、二极管D关断，阶段II对应的工作模态为开关管S关断、二极管D导通，阶段III对应的工作模态为开关管S和二极管D均关断。

由于电力电子变换器的任一种工作模式都是有效工作模态按照开关控制规律进行组合的结果，参考图3所示的Cuk变换器有效工作模态，可以得到Cuk变换器所有的工作模式，具体如下：

(1)工作模式1，采用控制规律1，阶段I对应的有效工作模态为图3b，阶段 II对应的工作模态为图3c；

(2)工作模式2，采用控制规律2，阶段I对应的有效工作模态为图3b，阶段II对应的工作模态为图3c，阶段III对应的有效工作模态为图3a；

(3)工作模式3，仍采用控制规律2，阶段I对应的有效工作模态为图3b，阶段II对应的工作模态为图3c，阶段III对应的有效工作模态为图3d。

5、Cuk变换器的潜在电路现象

在电力电子变换器的所有工作模式中，与正常工作模式不同的为潜在电路现象。而变换器的正常工作模式包含变换器正常工作情况下对应的有效工作模态及其工作电流方向。

参考Cuk变换器的工作原理，可知正常工作情况下，Cuk变换器的电感电流连续且大于零，故Cuk变换器的正常工作模式只包含2种有效工作模态，不存在开关管S和二极管D同时关断的情况，且对应的正常电感电流方向（i_L1＞0，i_L2＞0）如图5所示。

下面分析各个有效工作模态可能存在的电流方向。

图3a所示的有效工作模态，对应的电感电流i_L1=i_L2=0，故不需要考虑该模态的电流方向。

图3b所示的有效工作模态，根据开关管S的导通要求即i_S＞0，共有3种电感电流方向：i_L1＞0，i_L2＞0，i_L1＜0，i_L2＞0和i_L1＞0，i_L2＜0。

图3c所示的有效工作模态，根据二极管D的导通要求即i_D＞0，同样也有3 种电感电流方向：i_L1＞0，i_L2＞0，i_L1＜0，i_L2＞0和i_L1＞0，i_L2＜0。

图3d所示的有效工作模态，由于不含开关器件，且所有元件都能双向流过电流，故有2种电感电流方向：i_L1=-i_L2＜0和i_L1=-i_L2＞0。

在保证电感电流在不同工作模态之间切换时不能突变的情况下，Cuk变换器每一种工作模式下可能出现的电流方向如表2所示，共有6种工作现象。从表中可见，除了第1种现象属于正常工作模式之外，其余5种均属于潜在电路现象。正常工作模式和5种潜在电路现象的电感电流i_L1、i_L2和开关管S的驱动信号v_S的波形如图6a～图6f所示。

6、Cuk变换器潜在电路现象的实验验证

为了验证Cuk变换器的各种工作模式，参照图2制作了一台Cuk变换器样机，样机的参数为：V_g=12V，f=100kHz，L₁=440μH，L₂=120μH，C₁=330μF，C=180μF，R=50Ω。

取不同的占空比d，使Cuk变换器样机进入不同的工作模式。

(1)当d=0.54时，样机的开关管驱动信号v_s、输出电压V_o、电感电流i_L1和i_L2的波形如图7a所示，可见i_L1和i_L2均为正值，与图6a的正常工作模式一致；

(2)当d=0.4时，样机的实验波形如图7b所示，可见i_L1恒为正值、i_L2出现负值，与图6c的潜在电路现象一致；

(3)当d=0.167时，样机的实验波形如图7c所示，可见i_L1和i_L2同时下降 到零，与图6d的潜在电路现象一致；

(4)当d=0.075时，样机的实验波形如图7d所示，可见i_L2恒为正值、i_L1出现负值且出现i_L1+i_L2=0，与图6e的潜在电路现象一致；

(5)当d=0.23时，样机的实验波形如图7e所示，可见i_L1恒为正值、i_L2出现负值且出现i_L1+i_L2=0，与图6f的潜在电路现象一致；

从图7可见，除了图6b的潜在电路现象因条件不满足而不会发生之外，实验结果与理论分析相符，验证了Cuk变换器的各种潜在电路现象。

由上述分析可见，将本发明提出的电力电子变换器潜在电路现象网孔组合法应用到Cuk变换器，可以准确地获得Cuk变换器的潜在电路现象，且与实验结果相符。由此证明了本发明的正确性和实用性。

表1

表2

Claims (7)

1.一种获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于：将电力电子变换器的电路拓扑视为由若干个独立网孔组成；对不同的网孔间进行“并”和“环和”组合运算，运算结果为电力电子变换器中的子电路；根据电路基本原理和电力电子变换器的工作原理，得到子电路的约束条件，利用子电路的约束条件剔除无效子电路，剩下的即为有效工作模态；将有效工作模态根据变换器中开关元件的导通、关断规律，组合得到变换器的所有工作模式，将得到的变换器的所有工作模式与变换器的正常工作模式做比较，与正常工作模式不同的即为潜在电路现象，由此得到电力电子变换器中的潜在电路现象。

2.如权利要求1所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于，将电力电子变换器的电路拓扑视为由若干个独立网孔组成，每个网孔用一个集合表示，网孔元素用构成网孔的变换器元件名称表示。

3.如权利要求1所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于如果网孔之间没有共有元素，那么网孔之间的“环和”运算的结果与“并”运算的结果是一样的，即出现重复的组合运算结果，删除重复的组合运算结果。

4.如权利要求1所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于，所述约束条件用网孔元素运算式表示。

5.如权利要求4所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于，利用约束条件运算式，对所有不重复的子电路进行逐一判断，符合约束条件运算式的子电路为无效子电路，不符合的为有效工作模态。

6.如权利要求1所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于，变换器的正常工作模式包含变换器正常工作情况下对应的有效工作模态及其电流方向。

7.如权利要求1所述获取电力电子变换器潜在电路现象的网孔组合法，其特征在于，将变换器的所有工作模式与变换器的正常工作模式做比较，包含不同有效工作模态的工作模式，或包含不同电流方向的工作模式属于潜在电路现象。