劉鴻鵬，盧 壯

（東北電力大學(xué) 現(xiàn)代電力系統(tǒng)仿真控制與綠色電能新技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 吉林 132012）

0 引言

相比于傳統(tǒng)的電壓源型逆變器和電流源型逆變器，以Z 源逆變器為代表的阻抗源逆變器具有許多優(yōu)勢(shì)［1-3］。這一類逆變器通過(guò)逆變橋的直通進(jìn)行升壓，可以在單級(jí)電路中實(shí)現(xiàn)升壓和逆變功能，節(jié)省了開關(guān)管及其相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路和散熱器件上的開支。因而近年來(lái)，阻抗源逆變器受到了學(xué)者們的廣泛關(guān)注，同時(shí)改進(jìn)的Z 源逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被相繼提出［4］。準(zhǔn)Z 源逆變器在不增加器件的情況下實(shí)現(xiàn)了連續(xù)的輸入電流［5］；開關(guān)電感型Z 源逆變器可以通過(guò)增加開關(guān)電感電路提高電路的升壓比［6］；Extend-Z 源逆變器通過(guò)增加阻抗網(wǎng)絡(luò)的級(jí)數(shù)來(lái)增強(qiáng)升壓性能［7］。盡管上述拓?fù)鋵?duì)于Z 源逆變器的性能有一定程度的提升，但是一些拓?fù)涞纳龎罕炔](méi)有得到提高，而另一些拓?fù)鋭t是以增加儲(chǔ)能元件為代價(jià)，均不具有太大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

為了解決以上問(wèn)題，學(xué)者們提出了一系列具有耦合電感型的阻抗源逆變器，主要包括中心抽頭電感型Z 源逆變器［8］、trans-Z 源逆變器［9］、T 源逆變器［10］、LCCT-Z 源逆變器［11］以及Γ-Z 源逆變器［12］。這些逆變器由于在電路拓?fù)渲幸肓笋詈想姼?，其升壓比受到耦合電感匝?shù)比的影響。因此，耦合電感型的阻抗源逆變器可以通過(guò)調(diào)整匝數(shù)比來(lái)提升在特定直通占空比下的升壓系數(shù)，同時(shí)不需要增加額外的元器件。但是上述拓?fù)渚捎秒p繞組耦合電感，在高升壓比的場(chǎng)合下，對(duì)耦合電感匝數(shù)比的設(shè)計(jì)精度的要求較為嚴(yán)苛，耦合電感制作較為困難。Y 源逆變器［13］綜合了其他各種阻抗源逆變器的優(yōu)勢(shì)。利用三端耦合電感傳遞能量，匝數(shù)比設(shè)計(jì)更加靈活，可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景的需要對(duì)電路進(jìn)行定制，適用范圍更廣［14］。因此在這些耦合電感型阻抗源逆變器中，Y 源逆變器是具有實(shí)用價(jià)值和研究意義的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而，傳統(tǒng)Y源逆變器輸入電流不連續(xù)，嚴(yán)重影響了逆變器的效率和工作特性。該拓?fù)溥€具有很大的啟動(dòng)沖擊電流［15］，難以保證逆變橋安全運(yùn)行。此外，電路拓?fù)渲械鸟詈想姼新└袝?huì)在直流母線上引起大的電壓尖峰，從而易使功率器件在開關(guān)時(shí)超出安全工作區(qū)范圍，損壞功率器件。上述問(wèn)題限制了Y 源逆變器的推廣應(yīng)用，也違背了耦合電感型阻抗源逆變器設(shè)計(jì)的初衷。

為此，本文提出了一種優(yōu)化型Y 源逆變器。該新型逆變器繼承了傳統(tǒng)Y 源逆變器的所有優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了輸入電流的連續(xù)性，具有抑制Y 源逆變器中啟動(dòng)沖擊電流的能力，而且還能夠在相同的直通占空比下獲得更高的電壓增益以及更小的磁芯尺寸。此外，該電路還能夠在一定程度上減小耦合電感漏感所導(dǎo)致的直流母線電壓尖峰，使得電路可以在更高的輸出電壓下安全運(yùn)行。

1 工作原理

圖1 為本文提出的優(yōu)化型Y 源逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與傳統(tǒng)Y源逆變器相比，優(yōu)化型Y源逆變器保留了耦合電感L1—L3（匝數(shù)比為N1∶N2∶N3）和電容C1，額外增加了輸入電感Lin和電容C2。同時(shí)，耦合電感的公共端與直流母線的一端相連。需要注意的是，耦合電感的同名端與傳統(tǒng)Y 源逆變器不同。圖1 中，Vin為輸入電壓；Lf和Cf分別為濾波電感和濾波電容。

圖1 優(yōu)化型Y源逆變器Fig.1 Optimized Y-source inverter

與其他阻抗源逆變器一樣，優(yōu)化型Y 源逆變器存在2種工作模式，分別為直通ST（Shoot-Through）模式和非直通NST（Non-Shoot-Through）模式，相應(yīng)的等效電路如圖2 所示。為了簡(jiǎn)化分析，逆變橋和交流負(fù)載被等效為一個(gè)開關(guān)SW 和一個(gè)電流源Io并聯(lián)的形式。逆變橋的ST 和NST 則被分別等效為開關(guān)SW 的開通和關(guān)斷。假設(shè)所有開關(guān)器件均為理想器件，電容和電感的值無(wú)窮大。需要注意的是，勵(lì)磁電感并不是一個(gè)實(shí)際的電感，而是三端耦合電感的等效勵(lì)磁電感。

圖2 優(yōu)化型Y源逆變器的等效電路Fig.2 Equivalent circuits of optimized Y-source inverter

如圖2（a）所示，在ST 模式下，開關(guān)SW 閉合，二極管D 反偏，電容C1和C2放電，耦合電感被電容C1的電壓VC1箝位，同時(shí)輸入電感Lin和勵(lì)磁電感LM被充電。由基爾霍夫電壓定律（KVL）可得：

由文獻(xiàn)［13］可以得到傳統(tǒng)Y 源逆變器的升壓比表達(dá)式為B=1/(1-Kd)，對(duì)比式（17）可以看出：當(dāng)繞組因數(shù)K和直通占空比d一致的情況下，優(yōu)化型Y源逆變器具有更好的升壓能力。換言之，當(dāng)2 個(gè)拓?fù)涞纳龎罕菳和繞組因數(shù)K相同時(shí)，優(yōu)化型Y 源逆變器能夠選取更小的直通占空比，意味著可以獲得更大的調(diào)制比和更好的輸出波形質(zhì)量。表1 為不同匝數(shù)比下優(yōu)化型Y 源逆變器的升壓比表達(dá)式，表中dmax為最大允許直通占空比。每種升壓比的情況都對(duì)應(yīng)著多種不同的電感纏繞方式，這使得優(yōu)化型Y 源逆變器的設(shè)計(jì)方式十分靈活，可以根據(jù)具體的應(yīng)用需求對(duì)纏繞方式進(jìn)行調(diào)整。

表1 不同匝數(shù)比下的優(yōu)化型Y源逆變器升壓比表達(dá)式Table 1 Expressions of voltage gain of optimizedY-source inverter with different turns ratios

2 運(yùn)行特性分析

2.1 啟動(dòng)沖擊電流分析

Y源逆變器啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓為：

由于Y 源逆變器的匝數(shù)必須滿足N3＞N2＞0，根據(jù)式（20）可得Vdc＜0。此時(shí)逆變橋中反并聯(lián)二極管導(dǎo)通，耦合電感L2、L3、電容C1與逆變橋二極管會(huì)構(gòu)成回路，流經(jīng)巨大的沖擊電流，可能導(dǎo)致逆變橋開關(guān)器件的損壞。

在優(yōu)化型Y 源逆變器的啟動(dòng)階段，由于輸入電感Lin的存在，啟動(dòng)電流得以緩沖。此時(shí)，電源通過(guò)Lin和二極管D 為電容C1充電，耦合電感和電容C2上的電壓為0，輸入電壓全部由Lin承受，因而逆變橋兩端不會(huì)承受反壓，也不會(huì)產(chǎn)生巨大的啟動(dòng)沖擊電流。

2.2 磁芯尺寸分析

假設(shè)逆變器的效率為100%，則輸出功率和輸入功率相等，均為P，此時(shí)有：

式中：SLin為輸入電感磁芯尺寸；N為輸入電感的繞組匝數(shù)。式（31）和式（32）可用于指導(dǎo)優(yōu)化型Y 源逆變器的電感設(shè)計(jì)。

2.3 電壓和電流應(yīng)力分析

傳統(tǒng)Y 源逆變器和優(yōu)化型Y 源逆變器各器件承受的電壓及電流應(yīng)力對(duì)比如表2所示。表中，Kc和dc分別為傳統(tǒng)Y 源逆變器的繞組因數(shù)和直通占空比；VD為二極管D 的電壓；i1，peak—i3，peak為耦合電感峰值電流；iST為ST 模式下的母線電流。當(dāng)傳統(tǒng)Y 源逆變器和優(yōu)化型Y 源逆變器的升壓比和直通占空比取相同值時(shí)，兩者的繞組因數(shù)滿足如下關(guān)系：K=Kc-1。此時(shí)可以看出，優(yōu)化型Y 源逆變器中電容C1和二極管D 的電壓和傳統(tǒng)Y 源逆變器的相等，而耦合電感峰值電流要比傳統(tǒng)Y 源逆變器中的更小，在ST 模式下母線電流和傳統(tǒng)Y源逆變器的相等。

表2 電壓和電流應(yīng)力對(duì)比Table 2 Comparison of voltage and current stresses

綜上，優(yōu)化型Y 源逆變器中各器件的電壓應(yīng)力和開關(guān)管電流應(yīng)力與傳統(tǒng)Y 源逆變器的相等，而耦合電感上的電流應(yīng)力則小于傳統(tǒng)Y 源逆變器，耦合電感磁芯尺寸能夠得到極大的減小。同時(shí)，額外增加的電容C2承受的電壓應(yīng)力低于C1，因此不需要對(duì)C2的耐壓能力提出很高的要求。

2.4 寄生參數(shù)效應(yīng)分析

寄生參數(shù)的存在會(huì)在直流母線上引起母線電壓尖峰，同時(shí)還會(huì)造成直通占空比損失，導(dǎo)致升壓比降低［17-18］，從而限制了耦合電感型阻抗源逆變器的推廣。三端耦合電感作為優(yōu)化型Y 源逆變器的核心器件，其參數(shù)對(duì)逆變器的性能會(huì)產(chǎn)生很大影響。文獻(xiàn)［19］分析了耦合電感中漏感對(duì)Y 源逆變器的影響，但僅進(jìn)行了粗略估計(jì)。為此，本文將對(duì)漏感的影響進(jìn)行解析計(jì)算，詳細(xì)分析漏感對(duì)電路造成的影響，并進(jìn)一步說(shuō)明優(yōu)化型Y源逆變器對(duì)漏感的抑制作用。

優(yōu)化型Y 源逆變器的暫態(tài)過(guò)程如附錄A 圖A1所示。當(dāng)逆變器在ST 模式和NST 模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)，漏感的存在將影響逆變器的正常工作，此時(shí)就需要考慮耦合電感漏感對(duì)電路的影響。以圖A1（a）所示的NST 模式向ST 模式過(guò)渡為例，開關(guān)瞬間閉合，但是由于二極管自身特性不能瞬時(shí)關(guān)斷，因此形成了一個(gè)過(guò)渡狀態(tài)如附錄A圖A2所示。由KVL可得：

一般情況下，為了獲得較高的升壓比，K的取值均很大，且vLK1＜0，vLK2＜0，vLK3＞0，因此可得v1(T)≈vLM(NST)，利用L1的伏秒平衡可知，直通時(shí)間被縮短為：

d′T=dT-(Δd1T+Δd2T)＜dT（40）

式中：d′為考慮漏感影響的直通占空比；T為開關(guān)周期；Δd1T為由續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到ST狀態(tài)時(shí)直通時(shí)間的損失量；Δd2T為由有效狀態(tài)轉(zhuǎn)換到ST狀態(tài)時(shí)直通時(shí)間的損失量。

以續(xù)流狀態(tài)轉(zhuǎn)換到ST 狀態(tài)為例，直通占空比的損失Δd1可表示為：

可以看出，直通占空比的損失與升壓比成反比，與漏感的大小和耦合電感中電流的變化成正比，與輸入電壓成反比；同時(shí)還和耦合電感匝數(shù)比有關(guān)。

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證理論分析的正確性，使用Plecs 軟件分別搭建傳統(tǒng)Y 源逆變器和優(yōu)化型Y 源逆變器的仿真模型，對(duì)比分析2 種Y 源逆變器的工作性能，并建立優(yōu)化型Y 源逆變器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)來(lái)驗(yàn)證拓?fù)淇尚行浴閷?shí)現(xiàn)公平的比較，兩者采用同一個(gè)三端耦合電感，N1∶N2∶N3=1∶1∶2，繞組因數(shù)K=3。為了保證相同的升壓比，傳統(tǒng)Y 源逆變器和優(yōu)化型Y 源逆變器的直通占空比分別設(shè)置為0.2和0.15。此外，耦合電感的電感值分別為0.363 6 mH、0.367 3 mH、1.415 1 mH，漏感分別為2.0 μH、1.8 μH、7.5 μH，分別占耦合電感的電感值的0.55%、0.49%和0.53%。具體的系統(tǒng)參數(shù)如附錄B表B1所示。

3.1 仿真結(jié)果

附錄B 圖B1 為優(yōu)化型Y 源逆變器仿真模型。圖3為2種Y源逆變器的啟動(dòng)波形。由圖可見：傳統(tǒng)Y 源逆變器出現(xiàn)較大的啟動(dòng)沖擊電流，同時(shí)直流母線電流Ish出現(xiàn)負(fù)值，說(shuō)明逆變橋兩端承受了反向電壓，反并聯(lián)的二極管導(dǎo)通，流過(guò)很大的啟動(dòng)電流，很容易導(dǎo)致器件損壞；而優(yōu)化型Y源逆變器啟動(dòng)時(shí)，耦合電感中沒(méi)有電流通過(guò)，電容C1兩端的電壓和直流母線電流都是0，且增長(zhǎng)速度較慢，說(shuō)明優(yōu)化型Y 源逆變器具有抑制啟動(dòng)沖擊電流的能力，而且逆變橋沒(méi)有出現(xiàn)反向壓降，這與前面的理論分析一致。

圖3 啟動(dòng)時(shí)波形Fig.3 Waveforms at startup

附錄B 圖B2為2種Y 源逆變器的的輸出電壓和電流波形。由圖可見，輸出電壓的峰值要比理論峰值低，該差值在傳統(tǒng)Y源逆變器中體現(xiàn)得更明顯，這主要是由漏感引起的直通占空比損失和功率波動(dòng)導(dǎo)致的。輸出功率會(huì)在輸出電壓達(dá)到峰值時(shí)達(dá)到最大值（阻性負(fù)載），由于從阻抗網(wǎng)絡(luò)中吸取的能量過(guò)多，母線電壓會(huì)發(fā)生顯著的跌落，而輸出電壓等于母線電壓和調(diào)制比的乘積，所以此時(shí)輸出電壓也較低。同樣輸出電流波形上也可以得到相同的結(jié)論。附錄B 圖B3 為2 種Y 源逆變器輸出電壓和輸出電流的快速傅里葉變換（FFT）分析圖，可以看出優(yōu)化型Y 源逆變器的基波含量更高，波形質(zhì)量更好。

圖4為2種Y 源逆變器的耦合電感電流，可以看出流經(jīng)優(yōu)化型Y 源逆變器三端耦合電感的電流明顯小于傳統(tǒng)Y 源逆變器。這說(shuō)明優(yōu)化型Y 源逆變器的磁芯尺寸能夠得到極大的減小，且與前面的理論分析相符。附錄B圖B4為直流母線電壓以及二極管D上的電壓和電流波形，均與理論值相符。其中，二極管電流波形存在二倍工頻波動(dòng)，這是由輸入、輸出側(cè)功率不匹配所導(dǎo)致的。附錄B 圖B5為2種Y 源逆變器相應(yīng)參數(shù)的波形。由圖可見，優(yōu)化型Y 源逆變器具有更高的直流母線利用率，且具有更小的電壓尖峰。這進(jìn)一步證明了優(yōu)化型Y 源逆變器對(duì)耦合電感的漏感具有一定的抑制作用。

圖4 耦合電感電流的仿真波形Fig.4 Simulative waveforms of coupled inductor current

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)基于DSP TMS320F28335 的200 W實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上進(jìn)行，具體如附錄B 圖B6 所示。圖5 為優(yōu)化型Y 源逆變器的輸入和輸出波形，圖中vo、io分別為輸出電壓和輸出電流，可以看出輸入電流是連續(xù)的。此外，在輸入電壓為80 V 且調(diào)制比為0.8 的條件下，逆變器的輸出電壓峰值為150 V，比理論值低了10 V。這主要是由于耦合電感存在漏感，在NST 模式轉(zhuǎn)換到ST 模式的瞬間，直通占空比存在一定的損失。

圖5 Vin、Iin、vo和io的實(shí)驗(yàn)波形Fig.5 Experimental waveforms of Vin，Iin，vo and io

圖6 為優(yōu)化型Y 源逆變器的直流母線電壓以及二極管D 上的電壓和電流波形。由圖可見，在ST 模式向NST 模式轉(zhuǎn)換的暫態(tài)過(guò)程中，直流母線上有電壓尖峰且幅值較?。?0 V），表明優(yōu)化型Y 源逆變器能夠在一定程度上抑制直流母線上的電壓尖峰，與前面理論分析的結(jié)果一致，體現(xiàn)了優(yōu)化型Y 源逆變器的優(yōu)越性。根據(jù)式（16），直流母線電壓的理論值為200 V，符合實(shí)驗(yàn)所測(cè)量的結(jié)果。二極管D上的電壓是580 V，與理論計(jì)算結(jié)果一致。另外，二極管D上的電壓在ST 狀態(tài)下存在較為明顯的振鈴現(xiàn)象，這是由耦合電感中的漏感和二極管寄生電容諧振引起的，諧振發(fā)生在二極管D 上的電流iD（即i1）減小到0之后。

圖6 Vdc、VD和iD的實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveforms of Vdc，VD and iD

附錄B 圖B7 為優(yōu)化型Y 源逆變器的電容電壓，可以看出VC1=165 V，VC2=87 V。該結(jié)果與由式（12）和式（13）所計(jì)算出的理論計(jì)算結(jié)果VC1=170 V、VC2=90 V十分接近。優(yōu)化型Y 源逆變器的耦合電感電流如附錄B 圖B8 所示。由于耦合電感L2、L3均與電容串聯(lián)，因而當(dāng)電路進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，電流的正、負(fù)積分面積在一個(gè)周期內(nèi)是大致相等的。

4 結(jié)論

本文提出了一種含有耦合電感的優(yōu)化型Y 源逆變器，相比于傳統(tǒng)Y源逆變器，它具有更高的升壓能力和連續(xù)的輸入電流，消除了啟動(dòng)沖擊電流，并減小了磁芯尺寸。在額定輸出功率時(shí)，直流母線的電壓尖峰被限制在了50 V 以內(nèi)，從而可以選取耐壓低的功率開關(guān)器件。此外，通過(guò)解析方法詳細(xì)分析了耦合電感中漏感引起的直通占空比丟失問(wèn)題。最后，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了優(yōu)化型Y 源逆變器運(yùn)行特性的優(yōu)越性。

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