CN110941915A - 阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法 - Google Patents

Abstract

阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法，属于逆变器领域，本发明为解决采用逆变桥建模方式对阻抗源逆变器进行建模存在的问题。本发明方法对改进型Y源逆变器进行定量分析，改进型Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D、电容C₁、电容C₂和逆变桥；该方法包括以下步骤：步骤一、建立改进型Y源逆变器的等效模型，步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析改进型Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

Description

阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法

技术领域

本发明属于逆变器领域，涉及建模技术。

背景技术

对于传统的逆变器，目前主要基于两个层次进行建模分析。第一层次为器件层，集中于分析单个开关管的工作特性。这类模型种类繁多，根据建模方法又可分为物理建模和等效电路建模。物理建模需要对半导体有深刻的认识，还需要具备器件内部结构的相关知识，模型往往较为复杂，难以保证仿真时的收敛；同时不够直观，很难用于工程和总体电路分析。等效电路模型则是根据器件的外部特性，利用实验测试结果或者数据手册中的相关数据进行建模，其优点是易于仿真，能够直观地用于解释电路的行为。简单的等效电路模型只考虑恒定寄生电容效应，而复杂的等效电路模型则可能包括参数温变等动态特性。根据实际应用环境的不同，应该选用合适的器件模型进行分析。第二层次为逆变桥层。由于传统逆变器的桥臂之间干扰很小，而且工作情况相互对称，因此大多数研究只需要对半桥进行建模分析。这一层次的研究集中于分析逆变桥不同工作模式的切换过程。分析中需要选择适当的器件模型，且在进行高频建模时还应该与驱动电路模型结合进行分析。半桥模型可以解释主电路与驱动电路之间的干扰现象，而且还能够分析开关损耗的组成部分，有助于针对性地对电路进行优化。

但是，对于阻抗源逆变器来说，全桥模型仍有较大局限性。传统逆变器的主要结构只有逆变桥，因此只对逆变桥进行建模就能够完整分析传统逆变器的工作情况。而阻抗源逆变器实际上是将升压级与逆变级进行耦合所实现的电路拓扑，如果只对逆变桥进行建模，那么将无法分析逆变桥与阻抗网络之间的相互影响，而该影响随着频率的增加会变得愈加明显，所以单纯的全桥模型不适用于高频阻抗源逆变器。除此之外，对于耦合电感型阻抗源逆变器来说，全桥模型完全无法解释直流链电压尖峰现象，也不能够指导解决其开关损耗大幅增加的问题。所以，就耦合电感型阻抗源逆变器而言，其建模研究必须上升到第三层次，即结合阻抗网络与逆变桥的整体电路模型。整体电路模型能够分析高频条件下阻抗网络本身及其寄生参数与逆变级之间的相互影响，可以对高频耦合电感型阻抗源逆变器进行全面地计算和分析。然而，耦合电感型阻抗源逆变器中的耦合电感耦合了阻抗网络中的诸多状态变量，使得直接对阻抗网络进行建模变得十分困难。由于缺乏适用于阻抗网络中各器件的合理建模方案，目前国内外对于第三层次模型的研究还处于空白状态。

发明内容

本发明目的是为了解决采用逆变桥建模方式对阻抗源逆变器进行建模存在的问题，提供了一种阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法。该方法为构建真实准确的耦合电感型阻抗源逆变器高频整体模型方法，并利用整体电路模型分析耦合电感型阻抗源逆变器运行细节并优化和指导参数设计。

本发明对两类阻抗源逆变器的拓扑结构构建模型进行定量分析。

第一类为改进型Y源逆变器，参见图1，改进型Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D、电容C₁、电容C₂和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立改进型Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、等效开关SW、电流源I_O/K和电流源(K+1)I_in/K；等效电压源V_D1,ST的正极连接等效漏感L_K的一端，等效漏感L_K的另一端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接等效开关SW的一端、电流源I_O/K的正极端和电流源(K+1)I_in/K的负极端，等效电压源V_D1,ST的负极连接等效开关SW的另一端、电流源I_O/K的负极端和电流源(K+1)I_in/K的正极端；

等效电压源V_D1,ST＝KBV_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与改进型Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

输出电流

I_in为输入电流；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析改进型Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

第二类为加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器，参见图4，加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D₁、D₂、电容C₁、C₂、C₃和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效电压源V_D2,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、二极管D₂、等效变压器、等效开关SW、电流源I_O和电流源(K+1)I_in；

等效变压器具有匝数比为1：K-1：1的两个原边线圈和一个副边线圈，匝数1原边线圈、等效电压源V_D2,ST和二极管D₂串联；匝数K-1原边线圈、等效电压源V_D1,ST和二极管D₁串联；副边线圈两端同时并联等效开关SW和电流源I_O，副边线圈两端反向并联电流源(K+1)I_in；

等效电压源V_D1,ST＝(K-1)BV_in，V_D2,ST＝(B+1)V_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

等效变压器与三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃等效；

输出电流

I_in为输入电流；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

本发明的有益效果：本发明构建真实准确的耦合电感型阻抗源逆变器高频整体模型，该模型是结合阻抗网络与逆变桥的整体电路模型，整体电路模型能够分析高频条件下阻抗网络本身及其寄生参数与逆变级之间的相互影响，可以对高频耦合电感型阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感进行定量分析，利用整体电路模型分析耦合电感型阻抗源逆变器运行细节并优化和指导参数。

附图说明

图1是改进型Y源逆变器拓扑结构；

图2是改进型Y源逆变器的等效模型；

图3是改进型Y源逆变器模型的推导过程；

图4是加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑结构；

图5是加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的等效模型；

图6是加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器模型的推导过程；

图7是实施方式一在SW导通、关断时各参数波形图；

图8是实施方式一在SW导通、关断时开关损耗波形图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

实施方式一：下面结合图1至图3、图7和图8说明本实施方式，本实施方式所述阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法，该方法对改进型Y源逆变器进行定量分析，参见图1，改进型Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D、电容C₁、电容C₂和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立改进型Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、等效开关SW、电流源I_O/K和电流源(K+1)I_in/K；等效电压源V_D1,ST的正极连接等效漏感L_K的一端，等效漏感L_K的另一端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接等效开关SW的一端、电流源I_O/K的正极端和电流源(K+1)I_in/K的负极端，等效电压源V_D1,ST的负极连接等效开关SW的另一端、电流源I_O/K的负极端和电流源(K+1)I_in/K的正极端；

电流源I_O/K两端的电压为KV_dc，V_dc为拓扑中的非直通状态下的直流母线电压值；

等效电压源V_D1,ST＝KBV_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与改进型Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

输出电流

I_in为输入电流；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析改进型Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

图3是Y源逆变器拓扑的等效模型推导过程。Y源逆变器拓扑的阻抗网络和逆变器等效电路如图3(a)所示。其中，实际的耦合电感由理想耦合电感N₁、N₂、N₃，等效漏感L_K和等效励磁电感L_M所表示，逆变桥则由等效开关SW和电流源I_o所表示。

在实际工程中，电容C₁、C₂的容值以及电感L_in、L_M的感值通常选取得足够大，而开关瞬态的持续时间又非常短，因此，C₁、C₂、L_in、L_M的能量在开关瞬态过程中完全可以认为是恒定不变的。在这种情况下，C₁、C₂和电压源的特性完全相同，而L_in、L_M则和电流源的特性完全相同。

据此，可以用电压源代替Y源逆变器拓扑的阻抗网络电路中的电容，用电流源代替其中的电感，这样能够得到图3b)所示电路。可以看到，由于耦合电感的存在，在等效开关SW动作的瞬间，各个支路上的电流和电压是较难确定的。传统方法可以利用微分方程对电路进行解析，但是计算量较大，因此有必要采取一种方法将耦合电感进行化简。

对于理想耦合电感来说，只要知道了其中某个线圈的电流和电压以及各个线圈之间的匝数之比，就可以知道其它所有线圈的电流和电压。根据这一准则，可以将耦合电感表示为受控电流源和受控电压源的组合。选取N₁和N₃两端的电压v₁₃作为受控电压，i₂作为受控电流，它们的值可以由下列公式导出：

N₁(i_L-I_M)+N₂i₂+N₃i₃＝0 (2)

i_L＝i₂+i₃ (3)

其中，

为耦合电感的匝数比。

将式(3)代入式(2)，可以得到受控电流i₂的表达式：

据此，可以得到如图3c)所示电路。

根据电路理论，当一个电压源和一个电流源串联在同一条支路里时，电压源可以被忽略或者移除，也可以被添加进支路中。因此在图3(c)中，与电流源I_in串联的电压源V_in被短路掉了。与此类似，在图3d)中，与电流源Ki_L和KI_in串联的电压源V_C1也被短路掉了。

另外，当一个电流源和电压源并联时，电流源可以被忽略或者移除，也可以增加新的电路与电压源并联。因此，在图3d)中，额外添加了一个电流源I_in与电压源V_C2相并联。这时，图3d)中的虚线部分线路流过的等效电流为0A，可以被移除掉。电流源I_in也变为和电流源I_o相并联的结构。基于同样的原理，在图3e)中，电流源KI_in可以变换为和电流源I_o相并联的结构；在图3g)中，电流源Ki_L也可以变换为和电流源I_o相并联的结构，如图3h)所示。

从图3h)中可以发现，电路其实可以被划分为两个单独环路，根据KCL，两个环路之间没有电流相互流通，因此电路可以变为图3i)所示的形式。其中V_D1,ST是二极管D₁在等效开关SW导通状态下承受的反向压降，其值为：

图3i)中两个环路中的受控电压源Kv_dc和受控电流源Ki_L的工作性质与一个匝数比为K:1的理想交直流变压器是完全相同的。所以在图3j)中，受控源被替换为了一个交直流变压器。

如图3k)所示，等效开关SW在开通和关断的时候可以用一个可变电阻R_SW和并联电容C_oes进行模拟(可变电阻R_SW和并联电容C_oes是和逆变桥的开关管有关，R_SW由开关管的导通电阻决定，C_oes由开关管的寄生电容决定可以通过查阅开关的数据手册得到)。如果利用变压器的特性，可以将一侧的所有器件都映射到另一侧去，如图3l)所示。由于电流源和大电感在开关瞬态可以认为性质是相同的，所以图3l)所示电路实际上是一个Boost变换器。这表明改进型Y源逆变器的开关瞬态波形应该与Boost变换器类似，同时也揭示了改进型Y源逆变器的本质与Boost变换器相同。

开关SW导通和关断瞬态相关理论波形如图7所示。开关损耗波形如图8所示。其中图8a)是改进型Y源逆变器中等效开关SW导通时的波形，将该波形与图7a)所示的理论波形相对比可以发现两者是一致的。图8b)则是等效开关SW关断时的波形，这一实验波形与图7b)所示的理论波形是完全一致的。这证明了所提出的建模方法对改进型Y源逆变器是有效的。同时，由图8b)可以发现，t₀到t₂的时间间隔为168ns，而V_dc的峰值则达到了480V。开关损耗约为11.75W。这一损耗占据了总功率的5.9％。

实施方式二：下面结合图4至图6说明本实施方式，本实施方式所述阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法，该方法对加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器进行定量分析，参见图4，加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D₁、D₂、电容C₁、C₂、C₃和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效电压源V_D2,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、二极管D₂、等效变压器、等效开关SW、电流源I_O和电流源(K+1)I_in；

等效变压器具有匝数比为1：K-1：1的两个原边线圈和一个副边线圈，匝数1原边线圈、等效电压源V_D2,ST和二极管D₂串联；匝数K-1原边线圈、等效电压源V_D1,ST和二极管D₁串联；副边线圈两端同时并联等效开关SW和电流源I_O，副边线圈两端反向并联电流源(K+1)I_in；

等效电压源V_D1,ST＝(K-1)BV_in，V_D2,ST＝(B+1)V_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

等效变压器与三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃等效；

输出电流

I_in为输入电流；

电流源I_O两端电压为v_dc，v_dc为直流链电压，即逆变桥上桥臂开关管的S极与地之间的电压；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

图6是加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的等效模型推导过程。加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的阻抗网络和逆变器等效电路如图6a)所示。其中，实际的耦合电感由理想耦合电感N₁、N₂、N₃，等效漏感L_K和等效励磁电感L_M所表示，逆变桥则由等效开关SW和电流源I_o所表示。

加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的模型推导过程与改进型Y源逆变器的模型推导过程基本一致，需要注意的是在图6g)变换到6h)的过程中，受控电流源Ki_L被拆分为到了两个环路之中，内部环路流过的电流为i_L，根据KCL，可知外部环路的受控电流为(K-1)i_L。在图6h)中，外部环路可视为与开关SW所在环路直接相连的电路，也可以变为如图6i)中与开关SW所在环路通过1:1逆变器相连的隔离电路。内部环路中的受控电压源(K-1)v_dc和开关SW所在环路中的受控电流源(K-1)i_L的工作性质与一个匝数比为(K-1):1的理想交直流变压器是完全相同的。所以在图6i)可以将受控源替换为一个交直流变压器。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (2)

1.阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法，其特征在于，该方法对改进型Y源逆变器进行定量分析，改进型Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D、电容C₁、电容C₂和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立改进型Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、等效开关SW、电流源I_O/K和电流源(K+1)I_in/K；等效电压源V_D1,ST的正极连接等效漏感L_K的一端，等效漏感L_K的另一端连接二极管D1的负极，二极管D1的正极连接等效开关SW的一端、电流源I_O/K的正极端和电流源(K+1)I_in/K的负极端，等效电压源V_D1,ST的负极连接等效开关SW的另一端、电流源I_O/K的负极端和电流源(K+1)I_in/K的正极端；

等效电压源V_D1,ST＝KBV_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与改进型Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

输出电流

I_in为输入电流；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析改进型Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

2.阻抗源逆变器的拓扑开关损耗、漏感的定量分析方法，其特征在于，该方法对加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器进行定量分析，加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器包括输入电源Vin、输入电感Lin、三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃、二极管D₁、D₂、电容C₁、C₂、C₃和逆变桥；

该方法包括以下步骤：

步骤一、建立加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器的等效模型，

该等效模型包括等效电压源V_D1,ST、等效电压源V_D2,ST、等效漏感L_K、二极管D₁、二极管D₂、等效变压器、等效开关SW、电流源I_O和电流源(K+1)I_in；

等效变压器具有匝数比为1：K-1：1的两个原边线圈和一个副边线圈，匝数1原边线圈、等效电压源V_D2,ST和二极管D₂串联；匝数K-1原边线圈、等效电压源V_D1,ST和二极管D₁串联；副边线圈两端同时并联等效开关SW和电流源I_O，副边线圈两端反向并联电流源(K+1)I_in；

等效电压源V_D1,ST＝(K-1)BV_in，V_D2,ST＝(B+1)V_in，其中，耦合电感的匝数比

升压比

等效开关SW与加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的逆变桥等效；

等效变压器与三绕组耦合电感N₁、N₂、N₃等效；

输出电流

I_in为输入电流；

步骤二、根据步骤一的等效模型定量分析加电压尖峰抑制吸收回路的Y源逆变器拓扑的开关损耗、漏感。

Images