高增益电源嵌入双准Y源T型三电平逆变器

房绪鹏，王 璞

（山东科技大学电气与自动化工程学院，青岛 266590）

近年来，随着我国电力行业工业化和信息化的发展，对高质量能源供应的需求变得越来越大，各种大功率变换器得到迅速发展[1-5]。多电平逆变器具有电压电平数量多，开关器件电压应力小的特点，适用于高压大功率的场合，其中三电平逆变器应用较广。

目前主要应用的三电平逆变器拓扑包括NPC三电平拓扑和T型三电平拓扑，NPC三电平拓扑具有操作简单的优点，但是由于其含有二极管等器件数量较多，导致逆变器损耗大，因而限制了其推广与使用；T型三电平逆变器将两个开关管反向串联组成中点回路，从而省去了两个箝位二极管，降低了逆变器损耗[6-8]。

在一些实际应用中，为了提高直流链输入电压需要在逆变器前增加一个额外的dc-dc变换器，这样不仅增加了系统成本和控制复杂度，还降低了转换效率[9]。在2002年和2008年，文献[10]与文献[11]分别提出了Z源和准Z源逆变器，其通过单级功率变换能够实现升降压，使这一不足之处得到了改善。近几年，许多专家学者对Z源、准Z源逆变器进行了改进[12-15]，Y源、Trans-Z、Γ-Z源等带有耦合线圈的逆变器也被相继提出，这些阻抗源电路拓扑和三电平逆变器的结合充分发挥了两者的优势，并被大规模使用。文献[16]提出了单Z源NPC三电平逆变器，利用电容串联将输入电源电压一分为二，这样不可避免地产生了中点电位不平衡问题。同时，这种结构存在Z源网络升压能力有限以及电流不连续等缺陷。文献[17]提出一种准Z源NPC三电平逆变器，其将传统的Z源NPC逆变器的储能电感用开关电感代替，输入电流不连续的问题有了较好的改善。然而，仅通过增加无源器件来提高升压能力是非常有限的。文献[18]采用耦合电感来代替Z源阻抗网络中的电感器，可以获得更高的增益，但是其电容电压应力也随之升高。

为了更好地解决Trans-Z、Γ-Z源NPC逆变器电容电压应力高的问题，本文提出一种高增益电源嵌入双准Y源T型三电平逆变器（下文简称新型逆变器拓扑），新型逆变器采用对称的阻抗网络拓扑结构，使直通状态在零矢量和小矢量中均可插入，其在保持更高升压比的同时控制策略更加灵活。此外，电源嵌入比未嵌入时产生的阻抗源网络输出电压尖峰显著减小。

1 新型逆变器拓扑结构及其工作原理

1.1 拓扑结构

新型逆变器拓扑如图1所示。该拓扑是由对称的高升压比准Y源阻抗网络、T型三电平逆变桥和三相LC滤波器构成。其中，C2、C3为分压电容，C1、C4为阻抗源网络电容，其值有C1=C4、C2=C3，Lin为阻抗源网络电感，SX1-SX4（X=A、B、C）为三相桥臂开关器件。Lf、Cf、Z分别是三相输出滤波电感、电容和负载电阻。

图1 新型逆变器的拓扑结构Fig.1 Topological structure of the novel inverter

输入电压Vin经过高增益准Y源阻抗网络并在逆变桥臂直通作用下，被调制成高频脉冲母线电压VO；VO经过SVPWM[19]控制三相逆变桥开关管的开通和关断得到高频脉冲列，再经过LC滤波器后获得正弦电压和电流。

1.2 工作原理

1.2.1 直通状态

当直通零电压状态插入时，逆变桥可分为上、下直通，即某一桥臂上的开关管如SA1、SA2、SA3或同时导通。由于电路良好的对称性，上、下直通状态类似，所以以分析上直通状态为例。

此时二极管D1承受反向电压而截止，电容C1、C2均处于放电状态，能量由电源和电容向电感Lin和三绕组耦合电感转移。等效电路如图2所示，根据KVL可得：

图2 直通状态Fig.2 Shoot-through state

1.2.2 非直通状态

当逆变桥处于非直通状态时，二极管D1承受正向电压而导通，电感Lin和三绕组耦合电感处于放电状态，能量由电源和电感向电容转移。等效电路如图3所示，根据KVL可得：

图3 非直通状态Fig.3 Non-shoot-through state

设开关周期为，根据电感伏秒平衡原理，在一个开关周期Ts内L两端电压积分值为零，可得：

1.3 电流关系分析

当新型逆变器拓扑工作于直通状态时，由KCL可得电流关系表达式为

同样，可以求得新型逆变器拓扑非直通状态时的电流关系为

根据电容伏秒平衡原理，在一个开关周期内流过电容器电流的积分值为零，可得电感电流表达式为

2 新型逆变器拓扑特性分析比较

2.1 升压能力分析比较

表1给出了新型逆变器拓扑的绕组因数和直通占空比的关系以及不同绕组因数下的电压增益表达式。由图4所示，电路的增益曲线随着绕组因数的增加而更加陡峭，越陡峭的增益曲线会使直通时间Tst变窄并且通常难以实现。因此在实际应用中，绕组因数的选择不应过高[20]。

表1 不同K值下的新型逆变器拓扑电压增益Tab.1 Voltage gain of novel inverter topology under different values of K

图4 不同K值下逆变器电压增益的比较Fig.4 Comparison of inverter voltage gain under different values of K

Γ-Z源三电平逆变器直流侧电压[18]为

T-Z源三电平逆变器直流侧电压[18]为

3种拓扑的电压增益的关系曲线如图5所示。新型逆变器拓扑与T-Z源三电平逆变器升压能力相同，但是相比Γ-Z源三电平逆变器，其升压能力有较好的提升。

图5 3种拓扑电压增益的比较Fig.5 Comparison of voltage gain among three topologies

2.2 电压应力分析比较

表3给出了在电压增益相同的情况下，新型逆变器拓扑和T-Z源、Γ-Z源三电平逆变器的电容器电压应力和二极管电压应力。如图6和图7所示，当2≤K≤4，dst≤0.2时，T-Z源和Γ-Z源三电平逆变器的电容器、二极管电压应力相同，新型逆变器拓扑的器件电压应力明显小于其他2种拓扑。

图6 3种拓扑的电容电压应力的比较Fig.6 Comparison of capacitor voltage stress among three topologies

图7 3种拓扑的二极管电压应力的比较Fig.7 Comparison of diode voltage stress among three topologies

表2 3种拓扑的器件电压应力Tab.2 Voltage stress of devices with three topologies

2.3 直通状态的插入

新型逆变拓扑采用比较稳定的SVPWM控制策略。在T型三电平逆变器中共存在27种空间矢量组合[21]，将其进行分类并列于表3中。

表3 27种矢量分类Tab.3 Classification of 27 vectors

对于单电源拓扑需要将整个直流侧短路，因此只能在零矢量中插入，而该新型逆变拓扑，直通状态还可以在小矢量中插入。下面以小矢量PPO为例进行分析：小矢量PPO作用时，A、B相连接到直流母线正极P输出正电平，C相连接直流母线中点O输出零电平，等效电路如图8所示。

图8 矢量PPO作用下的等效电路Fig.8 Equivalent circuit under the action of vector PPO

图9 矢量PPO作用下插入下侧直通状态的等效电路Fig.9 Equivalent circuit when inserting the lower shootthrough state under the action of vector PPO

经过以上分析可以得到：对拓扑进行改进后，可以进行直通状态插入的矢量数量从3个增加到15个，进而可以使逆变器的调制策略变得更加灵活。

3 损耗及效率分析

3.1 损耗分析

拓扑中的损耗主要来自电感等磁性元件和开关管。其中，磁性元件的损耗主要有磁芯损耗和绕组损耗，开关管的损耗主要有导通损耗、开关损耗。

耦合电感的热源主要来自磁芯和绕组的损耗，如式（13）所示，可以通过热阻的经验公式计算出电感的总损耗功率。

以阻性负载R=20 Ω，输出功率Po=200 W，根据以上公式计算出各部分损耗的大小，得损耗分布图如图10所示。

图10 不同功率下的损耗分析Fig.10 Power loss analysis at different power levels

3.2 效率分析

新型逆变拓扑和传统的Trans-Z源三电平逆变器在不同功率下的效率如图11所示。从图11中可以看出：在功率较小时，新型拓扑的效率略低于传统拓扑；但在功率较大时，新型拓扑的效率明显高于传统拓扑。同时，由图10可得，导通损耗所占的比重会随着功率增大而减小。由上一节的电压增益和本节的效率分析得，在大功率条件下，对于Trans-Z、Γ-Z源三电平逆变器新型逆变拓扑的升压能力和效率均有比较明显的提升，其优势足以提高功率密度。

图11 不同逆变器的仿真效率分析Fig.11 Efficiency analysis of different inverters based on simulations

4 仿真分析及实验验证

4.1 仿真分析

为验证上文理论分析的正确性，本文在Matlab/Simulink软件平台上搭建了高增益电源嵌入双准Y源T型三电平逆变器仿真模型，并进行仿真分析。根据纹波要求对电感、电容进行取值，具体参数如表4所示。

表4 仿真参数Tab.4 Simulation parameters

本文选取绕组因数K=3，直通占空比dst=0.2，调制因子M=0.85，如图12所示，逆变器的输出电压峰值为200 V（理论值204 V），逆变器端口输入的线电压峰值为475 V（理论值480 V），相电压峰值为272 V（理论值277 V）。如图13和图14所示，电容C1的电压为139 V（理论值144 V），电容C2的电压为141 V（理论值144 V），电感ILin的电流为12.5 A（理论值13 A），电感电流和电容电压波形中均存在纹波，但脉动幅度很小。此时电压增益B=5，交流升压增益G=2.125，仿真值基本与理论值相符。

图12 逆变器输出线电压，逆变器前级输出线电压、相电压波形Fig.12 Waveforms of inverter output line voltage，inverter front output line voltage，and phase voltage

图13 电容C1、C2的电压波形Fig.13 Voltage waveforms of capacitorsC1andC2

图14 电感电流波形Fig.14 Waveform of

为了验证电源嵌入对阻抗源网络输出电压峰值的影响，在Simulink平台上做了两组对比仿真，所得结果如图15所示。从图15可以看出，在电源未嵌入时阻抗源网络输出的尖峰值为680 V，在电源嵌入后，其的电压尖峰值降低了110 V，充分说明了把电源内嵌后阻抗源网络输出电压的尖峰得到了有效的改善。

图15 电源嵌入和未嵌入时的阻抗网络输出电压波形比较Fig.15 voltage waveforms when power supply is embedded or not Comparison of DC-side

4.2 实验验证

在仿真的基础上，本文搭建了逆变器样机试验平台，对高增益电源嵌入双准Y源T型三电平逆变器进行研究。控制信号由TMS320F28335型的DSP控制器产生，驱动板采用的型号是落木源DA962D6。硬件实验装置如图16所示，实验所用的参数与仿真参数相同。

图16 硬件实验装置Fig.16 Photo of hardware experimental device

由图17～图21所示，逆变器输出线电压峰值大约在190 V，电容C1、C2的电压均在135 V左右，电感的电流在11.5 A左右。由实验数据可知，实验结果和理论值、仿真有一些差距，其原因主要分为两个部分，一是未采用电压闭环控制，二是实际电路中存在线路的阻抗、器件的导通压降以及耦合电感中漏感的干扰等不可避免的因素。实验结果基本验证了本文所提出拓扑的有效性。

图17 逆变器前级输出线电压Fig.17 Front output line voltage of inverter

图18 逆变器输出线电压Fig.18 Output line voltage of inverter

图19 电容C1的电压实验波形Fig.19 Experimental waveforms ofC1

图20 电容C2的电压实验波形Fig.20 Experimental waveforms ofC2

图21 电感的电流实验波形Fig.22 Experimental waveform of

5 结语

高增益电源嵌入双准Y源T型三电平逆变器利用准Y源阻抗网络替换了传统Trans-Z、Γ-Z源三电平逆变器中的耦合电感，并将电源嵌入至阻抗网络和逆变器之间。分析了新型逆变拓扑的基本结构和工作原理，对比了其对于传统Trans-Z、Γ-Z源三电平逆变拓扑的优势，结果表明新型拓扑在电压增益、器件电压应力以及阻抗源网络输出电压的稳定性等方面均有较好的改善，新型拓扑使插入直通状态的控制策略变得更加灵活。总体来说，新型拓扑更适用于中高功率的场合。