Z源逆變器直通電流回路及功率開關管電流應力分析

張千帆 董 帥 周超偉 程樹康（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

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Z源逆變器直通電流回路及功率開關管電流應力分析

張千帆 董 帥 周超偉 程樹康
（哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及自動化學院 哈爾濱 150001）

摘要Z源逆變器直通方式按橋臂直通數(shù)目可以分為單相、兩相和三相直通，其中三相直通方式較其他兩種具有開關管電流應力更小的特點。現(xiàn)有文獻分析三相直通方式下功率開關管的最大電流應力是在直通電流比較大的基礎上得出的，其值要大于負載相電流峰值。本文揭示了小電壓增益和低功率因數(shù)下，功率開關管的最大電流應力與負載相電流峰值相等。并詳細分析了三相直通方式時不同直通電流下負載的電流回路，為進一步分析開關管損耗、溫升和熱管理奠定基礎；揭示了當Z源逆變器工作于直通狀態(tài)，直通電流不同時負載的電流回路也不盡相同。針對不同的電流情況，得出了相應的開關管電流應力表達式，為三相直通方式下選擇開關管的功率等級提供了依據(jù)。實驗驗證了理論分析的正確性。

關鍵詞：Z源逆變器 直通方式 電流回路 電流應力

國家自然科學基金資助項目（51177027）。

Analysis of Circuit Path and Current Stress of Power Devices under Shoot-Through Mode in Z-Source Inverter

Zhang Qianfan Dong Shuai Zhou Chaowei Cheng Shukang
（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Abstract The three shoot-through modes in Z-source inverter are one-phase, two-phase and three-phase shoot-through. The current stress of the power device is lowest in the third mode. Generally, in three-phase shoot-through mode, the current stress of power devices is analyzed based on big shoot through current, and its value is greater than the peak value of load current. This paper reveals the current stress of power devices is equal to the peak value of load current with small voltage gain and low power factor. Current path of the load in three-phase shoot-through mode is analyzed, which supports further analysis on loss, temperature increment and thermal management of the power devices. It is shown that freewheeling current path in shoot-through state is different if the value of shoot-through current is different. The expression of power device current stress is obtained under different freewheeling conditions, which provides the theoretical basis for the selection of the current level of power devices. Experimental results verify the theoretical analysis.

Keywords：Z-source inverter, shoot-through mode, current path, current stress

0 引言

對于電動汽車、光伏發(fā)電等需要控制直流母線電壓的技術領域，目前主要有兩種方案來調(diào)節(jié)電壓：①在直流電源和逆變器之間加入DC-DC變換器；②加入阻抗源（Z源）網(wǎng)絡，如圖1所示。

Buck-Boost變換電路結構簡單、沒有變壓器隔離環(huán)節(jié)、具有很高的傳輸效率并且適合于大功率場合應用[1]。豐田公司從2004款Prius開始在其混合動力系統(tǒng)中采用Buck-Boost變換器將電池電壓提升至直流500V供給逆變器驅動電機，在不增加體積和重量的基礎上提升了電機系統(tǒng)的輸出轉矩和功率[2,3]。Z源逆變器是Michigan State University的彭方正教授提出的一種功率變換器拓撲[4]，能夠調(diào)節(jié)直流母線電壓，允許電壓型逆變器橋臂直通，電流型逆變器橋臂開路，提高了功率變換器的可靠性。

圖1 Z源逆變器Fig.1 Z-source inverter

Z源變換器和Buck-Boost型變換器都能夠調(diào)節(jié)逆變器的直流母線電壓，但Z源變換器用到的有源元器件更少，允許橋臂直通（電壓型）或橋臂開路（電流型），可靠性更高。Z源變換器提出以后受到了充分重視，研究人員開展了大量的研究工作，目前對Z源變換器的研究多是針對拓撲結構、PWM調(diào)制策略、Z源網(wǎng)絡參數(shù)設計和提高升壓比等變換器特性[5,6]，其應用涉及電機調(diào)速、光伏發(fā)電和電動汽車等諸多領域[7-12]。

Z源逆變器應用于不同的領域，在進行參數(shù)匹配時必然涉及到功率開關管的電流定額選取。常規(guī)電壓型逆變器開關管承受的最大電流應力就是負載相電流峰值，一般在此基礎上再取一定安全裕量來確定實際采用器件的電流規(guī)格。而Z源逆變器開關管承受的最大電流應力發(fā)生在直通時刻，直通期間，流經(jīng)開關管的電流可以看作是由電感電流和負載電流兩個分量組成。Z源逆變器按照橋臂直通數(shù)目、直通方式可以分為單相、兩相和三相直通，其中三相直通方式較其他兩種具有開關管電流應力更小的特點[13,14]。文獻[15,16]分析了三相直通模式下直通電流比較大時的電流回路及開關管電流應力，得到的結論是Z源逆變器開關管電流應力要大于負載相電流峰值。對于直通電流比較小時的電流回路，目前尚未見相關文獻報道。

事實上，直通電流大小由調(diào)制比M、升壓因子B、負載功率因數(shù)cosφ 和負載相電流峰值共同決定，在數(shù)學關系上是電感電流的兩倍。本文從數(shù)學推導和電路分析的角度揭示了Z源逆變器的6個功率開關管在三相直通方式下會同時收到驅動信號，但受負載功率因數(shù)和電壓增益的影響，不同大小的直通電流對應的電流回路是不同的。一方面，分析電流回路可以為研究開關管的損耗、溫升和熱管理奠定基礎；另一方面，不同的電流回路導致的開關管電流應力也是不同的。負載功率因數(shù)低、電壓增益小的情況下，最大電流應力并非大于而是等于負載相電流峰值。

1 直通電流比SCR定義

直通狀態(tài)下，電感電流可表示為[17]

定義直通電流比（Shoot Current Ratio, SCR）為直通電流Ish與負載相電流峰值的比值，即

為了簡化分析，忽略式（2）中的高頻分量項，即認為電感量足夠大并且開關頻率足夠高，則有

式（3）表征了直通電流的相對大小。在三相直通控制方式下，SCR取值不同時，逆變器電流回路也會不同，以下給出具體分析過程。

2 不同SCR下的Z源逆變器電流回路及功率開關管電流應力分析

2.1 電流回路分析

假設直通發(fā)生之前逆變器工作于上橋臂開關管全部導通的零狀態(tài)，此時逆變器電流回路如圖3所示。

直通電流足夠大的情形在文獻[18]中已具體分析，此時6個功率開關管均導通，電流回路如圖4所示。

圖2 三相負載電流Fig.2 Three-phase load current waveforms

圖3 上管全部導通的零狀態(tài)Fig.3 Zero state when up-IGBTs are conducting

圖4 6個開關管導通的直通模式Fig.4 Shoot-through mode of six IGBTs conducting

流經(jīng)開關管電流滿足

式中，x=1, 3, 5；y =2, 4, 6；m=a, b, c。直通電流Ish和相電流ia、ib、ic的參考正方向如圖4所示。

為了保證iVTx, iVTy＞0，需滿足

由圖2可以看出，在區(qū)間［0,π/6］上ib達到三相負載中的電流最小值，此時只要保證iVT3＞0即可保證6個開關管中均有電流流過。可以得到滿足條件的SCR＞1.5。

當SCR＜1.5時，VT3中將可能沒有電流流過，此時

滿足式（6）的負載電流相角區(qū)間為

為了保證電流流經(jīng)其他5個開關管，則只要保證iVT2＞0即可，容易推得。此時逆變器電流回路如圖5所示。

圖5 5個開關管導通的直通模式Fig.5 Shoot-through mode of five IGBTs conducting

由基爾霍夫電壓、電流定律得到流經(jīng)開關管的電流表達式為

圖6 4個開關管導通的直通模式Fig.6 Shoot-through mode of four IGBTs conducting

此時流經(jīng)開關管的電流表達式為

推廣至整個相位區(qū)間，在三相直通方式下的直通期間可以得到結論：SCR＞1.5，6個開關管均有電流流過；時，雖然6個開關管均有觸發(fā)信號，但實際導通的只有5個；時，雖然6個開關管均有觸發(fā)信號，但實際導通的只有4個。其中的兩個開關管屬于同一橋臂，其余的兩個分屬于剩下的兩個橋臂。

2.2 功率開關管電流應力分析

由式（4）可知，SCR值較大（＞1.5）時，直通電流平均分配給三相橋臂，逆變器開關管的電流應力最大為

由式（7）和式（8）可知，當1＜SCR＜1.5時，Z源逆變器實際上是工作于兩相或單相直通方式，此時逆變器開關管的電流應力最大為負載相電流峰值，即

3 Z源逆變器功率開關管電流定額的選取

由式（2）SCR定義可知，SCR數(shù)值的大小是由電壓增益MB和負載功率因數(shù)共同決定的，如果所帶的是電機負載，體現(xiàn)的正是直流變換環(huán)節(jié)升壓比和驅動電機的功率因數(shù)。直流變換環(huán)節(jié)的升壓比是指直流鏈電壓與直流電源電壓之比。直流電源的電壓下限閾值與直流鏈電壓期望值決定了Z源逆變器的升壓因子B。應用簡單控制方式時，調(diào)制比M越小，升壓倍數(shù)越大，但過小的M會引起輸出電壓質(zhì)量低和器件電壓應力大等問題。

驅動電機的功率因數(shù)受電機類型及其控制方法影響。永磁同步電機功率因數(shù)高，在額定功率點附近接近于1[19]。如果再加以單位功率因數(shù)控制[20, 21]，其數(shù)值可在寬范圍內(nèi)保持在1左右。與永磁同步電機相比，感應電機的功率因數(shù)偏低，但仍然可以通過恒功率因數(shù)控制將功率因數(shù)控制在小于1的較高值[22]。

為了更清楚地說明開關管電流定額的選取方法，以下給出一個具體算例。

直流電源最低工作電壓155V；直流鏈電壓穩(wěn)定在310V；驅動電機采用感應電機；電機相電流峰值85A。功率因數(shù)取值參考文獻[22]中取得：未加功率因數(shù)優(yōu)化控制時，電機功率因數(shù)在0.1～0.65范圍內(nèi)變化；加入功率因數(shù)優(yōu)化控制后，電機功率因數(shù)在0.2～0.92范圍內(nèi)變化。

升壓因子B=310/180=1.72，簡單控制方式下能夠得到電壓增益MB=1.36。驅動電機未加功率因數(shù)優(yōu)化控制時，Z源逆變器的直通電流比SCR= 1.5MBcosφ =1.33＜1.5，代入式（10）得到功率開關管最大電流應力為85A，折合有效值為60A。按照英飛凌IGBT的規(guī)格，取20%的電流裕量，可以選取600V、75A。

采用功率因數(shù)優(yōu)化控制后，直通電流比SCR= 1.5MBcosφ =1.88＞1.5。代入式（9）得到功率開關管最大電流應力為95.7A，折合有效值為67.7A。IGBT規(guī)格需要選取600V、100A。

4 實驗結果

為了驗證所提出的SCR不同時電流回路不同，并且由此產(chǎn)生的開關管電流應力也不盡相同的結論，本文對三相直通方式下SCR＞1.5和1＜SCR＜1.5的兩種情況進行了實驗驗證。

4.1 SCR＞1.5時的相關實驗

實驗電路參數(shù)設置為：Z源網(wǎng)絡電感L1=L2= 1mH，電容C1=C2=2 700μF，載波頻率fs=10kHz，控制方式為簡單控制。負載電阻R=10Ω，電感L=1.15mH，調(diào)制比M=0.72，角頻率ω =314rad/s，計算此時直通電流比SCR=2.45＞1.5。

圖7 SCR＞1.5時的實驗波形Fig.7 Experimental waveforms of SCR＞1.5

圖7中從上至下依次為A相負載電流、直通電流和開關管VT1的電流波形，其中，直通電流是通過在直通狀態(tài)時采集直流鏈電流得到。圖7用虛線標示出了直通狀態(tài)時處于同時刻的3個數(shù)據(jù)點，此時，A相負載電流ia=1.1A，直通電流Ish=6A，代入式（4）計算得到此時開關管VT1的電流應為iVT1=2.55A。從圖中可以看出實驗得到的電流為iVT1= 2.5A，與之基本相符。為了進一步驗證開關管電流、直通電流及負載相電流之間數(shù)學關系的正確性，進行了多組實驗數(shù)據(jù)采集，其結果見表1。

表1 SCR＞1.5時VT1電流值Tab.1 VT1current of SCR＞1.5

由實驗波形和數(shù)據(jù)可以得到：當SCR＞1.5時，三相橋臂6個開關管均有電流流過，并且電流大小滿足式（4）中給出的數(shù)量關系。

4.2 1＜SCR＜1.5時的相關實驗

取負載電阻R=5Ω，電感L=1.15mH，調(diào)制比M=0.95，角頻率ω =3 140rad/s，計算此時直通電流比SCR=1.28＜1.5。

圖8 1＜SCR＜1.5時的實驗波形Fig.8 Experimental waveforms of 1＜SCR＜1.5

5 結論

本文詳細分析了三相直通方式下不同的直通電流對應的電流回路及相應的開關管電流應力表達式。不同的電流回路導致的開關管的損耗是不一樣的，相關研究可以在本文基礎上進一步展開。另一方面，不同的電流回路導致的開關管電流應力也是不同的。電壓增益和驅動電機的功率因數(shù)較高導致SCR＞1.5時，逆變器三相橋臂的6個開關管均有電流流過，其受到的最大電流應力要大于負載相電流峰值。電壓增益和驅動電機的功率因數(shù)較低導致SCR＜1.5時，逆變器三相橋臂的功率開關管雖然全都收到驅動信號，但會有1～2個開關管中沒有電流流過，其受到的最大電流應力與負載相電流峰值相等。

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張千帆 男，1974年生，教授，博士生導師，研究方向為電機控制及電力電子相關技術。

E-mail: zhang_qianfan@hit.edu.cn（通信作者）

董 帥 男，1987年生，博士研究生，研究方向為電機控制及電力電子相關技術。

E-mail: laiyangjiuzhong@163.com

作者簡介

收稿日期2014-09-23 改稿日期 2015-08-21

中圖分類號：TM46