高增益電源嵌入雙準Y源T型三電平逆變器

房緒鵬，王 璞

（山東科技大學電氣與自動化工程學院，青島 266590）

近年來，隨著我國電力行業(yè)工業(yè)化和信息化的發(fā)展，對高質(zhì)量能源供應的需求變得越來越大，各種大功率變換器得到迅速發(fā)展[1-5]。多電平逆變器具有電壓電平數(shù)量多，開關(guān)器件電壓應力小的特點，適用于高壓大功率的場合，其中三電平逆變器應用較廣。

目前主要應用的三電平逆變器拓撲包括NPC三電平拓撲和T型三電平拓撲，NPC三電平拓撲具有操作簡單的優(yōu)點，但是由于其含有二極管等器件數(shù)量較多，導致逆變器損耗大，因而限制了其推廣與使用；T型三電平逆變器將兩個開關(guān)管反向串聯(lián)組成中點回路，從而省去了兩個箝位二極管，降低了逆變器損耗[6-8]。

在一些實際應用中，為了提高直流鏈輸入電壓需要在逆變器前增加一個額外的dc-dc變換器，這樣不僅增加了系統(tǒng)成本和控制復雜度，還降低了轉(zhuǎn)換效率[9]。在2002年和2008年，文獻[10]與文獻[11]分別提出了Z源和準Z源逆變器，其通過單級功率變換能夠?qū)崿F(xiàn)升降壓，使這一不足之處得到了改善。近幾年，許多專家學者對Z源、準Z源逆變器進行了改進[12-15]，Y源、Trans-Z、Γ-Z源等帶有耦合線圈的逆變器也被相繼提出，這些阻抗源電路拓撲和三電平逆變器的結(jié)合充分發(fā)揮了兩者的優(yōu)勢，并被大規(guī)模使用。文獻[16]提出了單Z源NPC三電平逆變器，利用電容串聯(lián)將輸入電源電壓一分為二，這樣不可避免地產(chǎn)生了中點電位不平衡問題。同時，這種結(jié)構(gòu)存在Z源網(wǎng)絡升壓能力有限以及電流不連續(xù)等缺陷。文獻[17]提出一種準Z源NPC三電平逆變器，其將傳統(tǒng)的Z源NPC逆變器的儲能電感用開關(guān)電感代替，輸入電流不連續(xù)的問題有了較好的改善。然而，僅通過增加無源器件來提高升壓能力是非常有限的。文獻[18]采用耦合電感來代替Z源阻抗網(wǎng)絡中的電感器，可以獲得更高的增益，但是其電容電壓應力也隨之升高。

為了更好地解決Trans-Z、Γ-Z源NPC逆變器電容電壓應力高的問題，本文提出一種高增益電源嵌入雙準Y源T型三電平逆變器（下文簡稱新型逆變器拓撲），新型逆變器采用對稱的阻抗網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，使直通狀態(tài)在零矢量和小矢量中均可插入，其在保持更高升壓比的同時控制策略更加靈活。此外，電源嵌入比未嵌入時產(chǎn)生的阻抗源網(wǎng)絡輸出電壓尖峰顯著減小。

1 新型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理

1.1 拓撲結(jié)構(gòu)

新型逆變器拓撲如圖1所示。該拓撲是由對稱的高升壓比準Y源阻抗網(wǎng)絡、T型三電平逆變橋和三相LC濾波器構(gòu)成。其中，C2、C3為分壓電容，C1、C4為阻抗源網(wǎng)絡電容，其值有C1=C4、C2=C3，Lin為阻抗源網(wǎng)絡電感，SX1-SX4（X=A、B、C）為三相橋臂開關(guān)器件。Lf、Cf、Z分別是三相輸出濾波電感、電容和負載電阻。

圖1 新型逆變器的拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of the novel inverter

輸入電壓Vin經(jīng)過高增益準Y源阻抗網(wǎng)絡并在逆變橋臂直通作用下，被調(diào)制成高頻脈沖母線電壓VO；VO經(jīng)過SVPWM[19]控制三相逆變橋開關(guān)管的開通和關(guān)斷得到高頻脈沖列，再經(jīng)過LC濾波器后獲得正弦電壓和電流。

1.2 工作原理

1.2.1 直通狀態(tài)

當直通零電壓狀態(tài)插入時，逆變橋可分為上、下直通，即某一橋臂上的開關(guān)管如SA1、SA2、SA3或同時導通。由于電路良好的對稱性，上、下直通狀態(tài)類似，所以以分析上直通狀態(tài)為例。

此時二極管D1承受反向電壓而截止，電容C1、C2均處于放電狀態(tài)，能量由電源和電容向電感Lin和三繞組耦合電感轉(zhuǎn)移。等效電路如圖2所示，根據(jù)KVL可得：

圖2 直通狀態(tài)Fig.2 Shoot-through state

1.2.2 非直通狀態(tài)

當逆變橋處于非直通狀態(tài)時，二極管D1承受正向電壓而導通，電感Lin和三繞組耦合電感處于放電狀態(tài)，能量由電源和電感向電容轉(zhuǎn)移。等效電路如圖3所示，根據(jù)KVL可得：

圖3 非直通狀態(tài)Fig.3 Non-shoot-through state

設開關(guān)周期為，根據(jù)電感伏秒平衡原理，在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)L兩端電壓積分值為零，可得：

1.3 電流關(guān)系分析

當新型逆變器拓撲工作于直通狀態(tài)時，由KCL可得電流關(guān)系表達式為

同樣，可以求得新型逆變器拓撲非直通狀態(tài)時的電流關(guān)系為

根據(jù)電容伏秒平衡原理，在一個開關(guān)周期內(nèi)流過電容器電流的積分值為零，可得電感電流表達式為

2 新型逆變器拓撲特性分析比較

2.1 升壓能力分析比較

表1給出了新型逆變器拓撲的繞組因數(shù)和直通占空比的關(guān)系以及不同繞組因數(shù)下的電壓增益表達式。由圖4所示，電路的增益曲線隨著繞組因數(shù)的增加而更加陡峭，越陡峭的增益曲線會使直通時間Tst變窄并且通常難以實現(xiàn)。因此在實際應用中，繞組因數(shù)的選擇不應過高[20]。

表1 不同K值下的新型逆變器拓撲電壓增益Tab.1 Voltage gain of novel inverter topology under different values of K

圖4 不同K值下逆變器電壓增益的比較Fig.4 Comparison of inverter voltage gain under different values of K

Γ-Z源三電平逆變器直流側(cè)電壓[18]為

T-Z源三電平逆變器直流側(cè)電壓[18]為

3種拓撲的電壓增益的關(guān)系曲線如圖5所示。新型逆變器拓撲與T-Z源三電平逆變器升壓能力相同，但是相比Γ-Z源三電平逆變器，其升壓能力有較好的提升。

圖5 3種拓撲電壓增益的比較Fig.5 Comparison of voltage gain among three topologies

2.2 電壓應力分析比較

表3給出了在電壓增益相同的情況下，新型逆變器拓撲和T-Z源、Γ-Z源三電平逆變器的電容器電壓應力和二極管電壓應力。如圖6和圖7所示，當2≤K≤4，dst≤0.2時，T-Z源和Γ-Z源三電平逆變器的電容器、二極管電壓應力相同，新型逆變器拓撲的器件電壓應力明顯小于其他2種拓撲。

圖6 3種拓撲的電容電壓應力的比較Fig.6 Comparison of capacitor voltage stress among three topologies

圖7 3種拓撲的二極管電壓應力的比較Fig.7 Comparison of diode voltage stress among three topologies

表2 3種拓撲的器件電壓應力Tab.2 Voltage stress of devices with three topologies

2.3 直通狀態(tài)的插入

新型逆變拓撲采用比較穩(wěn)定的SVPWM控制策略。在T型三電平逆變器中共存在27種空間矢量組合[21]，將其進行分類并列于表3中。

表3 27種矢量分類Tab.3 Classification of 27 vectors

對于單電源拓撲需要將整個直流側(cè)短路，因此只能在零矢量中插入，而該新型逆變拓撲，直通狀態(tài)還可以在小矢量中插入。下面以小矢量PPO為例進行分析：小矢量PPO作用時，A、B相連接到直流母線正極P輸出正電平，C相連接直流母線中點O輸出零電平，等效電路如圖8所示。

圖8 矢量PPO作用下的等效電路Fig.8 Equivalent circuit under the action of vector PPO

圖9 矢量PPO作用下插入下側(cè)直通狀態(tài)的等效電路Fig.9 Equivalent circuit when inserting the lower shootthrough state under the action of vector PPO

經(jīng)過以上分析可以得到：對拓撲進行改進后，可以進行直通狀態(tài)插入的矢量數(shù)量從3個增加到15個，進而可以使逆變器的調(diào)制策略變得更加靈活。

3 損耗及效率分析

3.1 損耗分析

拓撲中的損耗主要來自電感等磁性元件和開關(guān)管。其中，磁性元件的損耗主要有磁芯損耗和繞組損耗，開關(guān)管的損耗主要有導通損耗、開關(guān)損耗。

耦合電感的熱源主要來自磁芯和繞組的損耗，如式（13）所示，可以通過熱阻的經(jīng)驗公式計算出電感的總損耗功率。

以阻性負載R=20 Ω，輸出功率Po=200 W，根據(jù)以上公式計算出各部分損耗的大小，得損耗分布圖如圖10所示。

圖10 不同功率下的損耗分析Fig.10 Power loss analysis at different power levels

3.2 效率分析

新型逆變拓撲和傳統(tǒng)的Trans-Z源三電平逆變器在不同功率下的效率如圖11所示。從圖11中可以看出：在功率較小時，新型拓撲的效率略低于傳統(tǒng)拓撲；但在功率較大時，新型拓撲的效率明顯高于傳統(tǒng)拓撲。同時，由圖10可得，導通損耗所占的比重會隨著功率增大而減小。由上一節(jié)的電壓增益和本節(jié)的效率分析得，在大功率條件下，對于Trans-Z、Γ-Z源三電平逆變器新型逆變拓撲的升壓能力和效率均有比較明顯的提升，其優(yōu)勢足以提高功率密度。

圖11 不同逆變器的仿真效率分析Fig.11 Efficiency analysis of different inverters based on simulations

4 仿真分析及實驗驗證

4.1 仿真分析

為驗證上文理論分析的正確性，本文在Matlab/Simulink軟件平臺上搭建了高增益電源嵌入雙準Y源T型三電平逆變器仿真模型，并進行仿真分析。根據(jù)紋波要求對電感、電容進行取值，具體參數(shù)如表4所示。

表4 仿真參數(shù)Tab.4 Simulation parameters

本文選取繞組因數(shù)K=3，直通占空比dst=0.2，調(diào)制因子M=0.85，如圖12所示，逆變器的輸出電壓峰值為200 V（理論值204 V），逆變器端口輸入的線電壓峰值為475 V（理論值480 V），相電壓峰值為272 V（理論值277 V）。如圖13和圖14所示，電容C1的電壓為139 V（理論值144 V），電容C2的電壓為141 V（理論值144 V），電感ILin的電流為12.5 A（理論值13 A），電感電流和電容電壓波形中均存在紋波，但脈動幅度很小。此時電壓增益B=5，交流升壓增益G=2.125，仿真值基本與理論值相符。

圖12 逆變器輸出線電壓，逆變器前級輸出線電壓、相電壓波形Fig.12 Waveforms of inverter output line voltage，inverter front output line voltage，and phase voltage

圖13 電容C1、C2的電壓波形Fig.13 Voltage waveforms of capacitorsC1andC2

圖14 電感電流波形Fig.14 Waveform of

為了驗證電源嵌入對阻抗源網(wǎng)絡輸出電壓峰值的影響，在Simulink平臺上做了兩組對比仿真，所得結(jié)果如圖15所示。從圖15可以看出，在電源未嵌入時阻抗源網(wǎng)絡輸出的尖峰值為680 V，在電源嵌入后，其的電壓尖峰值降低了110 V，充分說明了把電源內(nèi)嵌后阻抗源網(wǎng)絡輸出電壓的尖峰得到了有效的改善。

圖15 電源嵌入和未嵌入時的阻抗網(wǎng)絡輸出電壓波形比較Fig.15 voltage waveforms when power supply is embedded or not Comparison of DC-side

4.2 實驗驗證

在仿真的基礎上，本文搭建了逆變器樣機試驗平臺，對高增益電源嵌入雙準Y源T型三電平逆變器進行研究。控制信號由TMS320F28335型的DSP控制器產(chǎn)生，驅(qū)動板采用的型號是落木源DA962D6。硬件實驗裝置如圖16所示，實驗所用的參數(shù)與仿真參數(shù)相同。

圖16 硬件實驗裝置Fig.16 Photo of hardware experimental device

由圖17～圖21所示，逆變器輸出線電壓峰值大約在190 V，電容C1、C2的電壓均在135 V左右，電感的電流在11.5 A左右。由實驗數(shù)據(jù)可知，實驗結(jié)果和理論值、仿真有一些差距，其原因主要分為兩個部分，一是未采用電壓閉環(huán)控制，二是實際電路中存在線路的阻抗、器件的導通壓降以及耦合電感中漏感的干擾等不可避免的因素。實驗結(jié)果基本驗證了本文所提出拓撲的有效性。

圖17 逆變器前級輸出線電壓Fig.17 Front output line voltage of inverter

圖18 逆變器輸出線電壓Fig.18 Output line voltage of inverter

圖19 電容C1的電壓實驗波形Fig.19 Experimental waveforms ofC1

圖20 電容C2的電壓實驗波形Fig.20 Experimental waveforms ofC2

圖21 電感的電流實驗波形Fig.22 Experimental waveform of

5 結(jié)語

高增益電源嵌入雙準Y源T型三電平逆變器利用準Y源阻抗網(wǎng)絡替換了傳統(tǒng)Trans-Z、Γ-Z源三電平逆變器中的耦合電感，并將電源嵌入至阻抗網(wǎng)絡和逆變器之間。分析了新型逆變拓撲的基本結(jié)構(gòu)和工作原理，對比了其對于傳統(tǒng)Trans-Z、Γ-Z源三電平逆變拓撲的優(yōu)勢，結(jié)果表明新型拓撲在電壓增益、器件電壓應力以及阻抗源網(wǎng)絡輸出電壓的穩(wěn)定性等方面均有較好的改善，新型拓撲使插入直通狀態(tài)的控制策略變得更加靈活。總體來說，新型拓撲更適用于中高功率的場合。