Δ源逆变器的小信号建模与无源器件参数影响分析

Δ源逆变器的小信号建模与无源器件参数影响分析

房绪鹏; 田莹莹; 王明磊

【期刊名称】《《山东科技大学学报（自然科学版）》》

【年(卷),期】2019(038)005

【总页数】10页(P94-103)

【关键词】Δ源逆变器; 耦合电感; 小信号建模; 无源器件参数影响

【作者】房绪鹏; 田莹莹; 王明磊

【作者单位】山东科技大学电气与自动化工程学院山东青岛 266590; 哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院黑龙江哈尔滨 150001

【正文语种】中文

【中图分类】TM46

Z源逆变器的出现在电力电子技术领域具有革命性的意义，目前广泛应用于电机调速系统、分布式电源并网系统、电动汽车等领域。该逆变器直流电源与逆变桥之间由独特的电感电容网络联接，这种网络使得任意一个桥臂直通或者开路都不会对电源和开关器件造成影响。特殊的阻抗网络使得逆变器适用于输入电压或电流有频繁波动的场合，并且在各种功率变换中得到广泛研究与应用，文献[1-3]研究了其在DC/AC电能变换电路中的应用，文献[4-5]将其应用于DC/DC变换电路，文献[6]详细阐述了其在AC/AC电路中的应用。同时一些改进的新型Z源逆变器也被广泛研究[7-17]。

目前对于逆变器的功率等级要求越来越高，传统Z源逆变器的升压性能已经远远

达不到应用要求，而且由于逆变器注入直通控制方式使得调制系数与直通占空比存在相互制约关系，一味调高直通占空比会使得调制系数较小，不利于输出波形的优化，输出电压含较多的谐波会加重滤波器的负担，同时开关管承受了较高的电压应力，所以传统的Z源逆变器不适合电压增益较大的场合。另外不连续输入电流、

巨大的起动电流等问题制约了Z源逆变器的应用。改进的准Z源逆变器具有连续

输入电流，也使得一个电容器的电压应力减小[7-10]，但是仍然存在升压能力不足的问题。为了克服这些缺陷，最近几年含耦合电感网络的新型逆变器得到广泛研究，采用耦合电感网络使逆变器可以在较低的直通占空比时仍能获得较高的电压增益，同时减少了电路元件数量，减小了逆变器的体积，具有更为广阔的应用前景。

本研究在以上分析基础上探讨了一种具有新型耦合电感结构的Δ型电抗源逆变器，对该逆变器做出详细的工作原理分析以及耦合电感网络各元件对系统性能的影响分析，并且通过这些性能分析，根据电压电流纹波要求得到电路参数选择的一些规律，并用仿真和实验结果验证了得到的结论。

1 电压型Δ型电抗源逆变器原理分析

图1 AC-DC-AC电能变换Δ型电抗源逆变器电路拓扑Fig.1 Δ-type reactance-source inverter topology applied in AC-DC-AC power conversion

图2 Δ型电抗源逆变器Fig.2 Δ-source inverter

2.1 电路拓扑和工作原理

图1为Δ型耦合电感网络应用于AC-DC-AC电能变换电路的电路结构图。作为直流电源与逆变桥的中间升压级电路，为了便于分析，将Δ型电抗源逆变器简化等

效为如图2所示的工作原理图，图中将等效的励磁绕组和漏感也表示出来。由于

电路通常带电感性负载或采用LC低通滤波器，因此在图2中将逆变桥用电流源来代替。假定电路工作在理想状态下，耦合电感具有非常高的耦合程度，公式推导时

忽略图中漏感和线圈绕组的影响。该逆变器有两个稳定的工作状态：直通零状态和非直通状态。

当逆变器工作在直通零状态时，电源端的二极管D1关断，如图2(a)所示。在这种状态下，电容C2向耦合电感网络充电，各绕组按匝数比的关系分配电压，该过程中第三绕组将流过较大的电流，第一、二绕组流过的电流较小。可得直通零状态下磁化电感上的电压为：

(1)

其中，N1、N2、N3为耦合电感第一、二、三绕组的匝数。

当逆变器工作在非直通状态时，如图2(b)所示，电源端的二极管D1导通，电源和耦合电感网络向负载供电，使输出电压升高。同时电源通过第二绕组向电容充电，此状态第一、二绕组的电流较大，而第三绕组上的电流几乎为零。同样，可以求得非直通状态下磁化电感上的电压：

(2)

从公式(1)和(2)可以计算出电容C2的电压。通过在一个开关周期内对磁化电感上的电压应用伏秒平衡公式可列出：

vmTon+vmToff=0，

(3)

其中，Ton是一个周期T中的直通时间，Toff是非直通时间，考虑到理想三绕组耦合电感的电压与绕组关系，即三个绕组的电压与绕组匝数比相等，再根据绕组之间的基尔霍夫电压定律可得出V1=V2+V3，由此推出绕组匝数的关系：

N1=N2+N3。

(4)

由公式(1)～(4)得电容电压和直流链电压平均值为：

(5)

其中，dst是开关直通占空比。可以很容易地通过计算非直通状态的直流链电压，来获得Δ型耦合电感网络的升压因子G，非直通状态下直流链电压峰值为：

(6)

Δ型耦合电感网络的升压因子G为：

(7)

其中，KΔ是绕组系数，可以得出升压因子与耦合电感网络的KΔ以及dst的大小

有关。若逆变电路的调制系数为M，可以推导出三相逆变器交流线电压的峰值为：

(8)

由上面分析可知，Δ型电抗源逆变器有两个可以调整的自由度来实现高电压增益，既可以通过合理改变直通占空比的值，也可以通过改变绕组系数。而对于该类高增益逆变器来说，注入直通零状态的控制方式决定了调制系数与直通占空比存在相互制约关系，这种制约关系从Z源逆变器开始就存在。而Δ型电抗源逆变器的优势

就在于可以牺牲直通占空比来保持较大的调制系数，增大绕组系数来保持较高的电压增益，这样既不会影响电压的升压倍数，又使得开关管的电压应力较小。

1.2 相关电路拓扑的升压因子对比

表1给出了三种相关逆变器的参数对比。图3给出了三种逆变器升压能力曲线，

可以看出整个曲线是非线性的，Δ型电抗源逆变器的升压能力明显优于级联boost 型逆变器和Z源逆变器。图4给出了对应于不同绕组系数KΔ下Δ型电抗源逆变