電力電子變換器潛電路中的無(wú)效路徑剔除方法

所謂“潛在電路”SC(Sneak Circuit)，是指電氣電子電路中存在的一種狀態(tài)，在特定條件下，它能夠導致電路系統出現非期望的功能或抑制所期望的功能，嚴重時(shí)還會(huì )引起系統故障[1-2]。值得注意的是，潛在電路有別于通常所說(shuō)的故障，產(chǎn)生原因不是元件、設備或系統故障，而是設計者為了實(shí)現設計意圖無(wú)意中帶進(jìn)設計方案的[3]電流路徑。潛電路隱藏在系統正常工作狀態(tài)下，僅在某種特定的條件下才會(huì )被激發(fā)。
電子設計中容易造成潛路徑的電路主要是模擬的功率開(kāi)關(guān)電路[4]，而模擬的功率開(kāi)關(guān)器件正是電力電子變換器中不可缺少的電路元件之一，因此電力電子變換器潛在電路研究成為當前電力電子變換器拓撲結構研究中的重要課題之一，以便及早發(fā)現潛在電路，采取措施消除潛在狀態(tài)，從根本上提高電力電子系統運行的安全可靠性。
在電力電子變換器的潛電路分析中，對電路中的電流路徑進(jìn)行遍歷的算法以及如何找到實(shí)際存在的所有電流路徑及剔除無(wú)效的路徑是最核心的技術(shù)，前者更是成為大家研究的熱點(diǎn)。而在現有的電力電子變換器潛電路分析方法中，對無(wú)效路徑的剔除方法大多是針對某具體電路而提出的特有的方法，不具有普遍的適用性。如果對無(wú)效路徑的判據不全面、不規范，則不能保證無(wú)效路徑被完全剔除，即最終所得的潛電路路徑中仍包含一些實(shí)際上并不存在的無(wú)效路徑，因此無(wú)效路徑剔除是否徹底直接影響到后續潛電路判定的準確性。而要想完全剔除無(wú)效路徑，則需要完備的無(wú)效路徑判據，且盡可能地將這些判據統一表示?；谝陨媳尘?，本文提出了適用于一般電路的無(wú)效電流路徑剔除方法。
1 開(kāi)關(guān)電路潛電路分析方法
規范的潛在電路分析方法在分析的完整性方面效果顯著(zhù)，但在數據預處理和網(wǎng)絡(luò )樹(shù)生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期長(cháng)且分析成本高[1]。在系統規模不大且設計更改頻繁的情況下實(shí)施難度大。而簡(jiǎn)化的SCA方法不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )樹(shù)的生成，實(shí)施較為便捷，適用于系統規模較小和設計更改頻繁的情況。電力電子變換器潛電路的分析適合簡(jiǎn)化的SCA方法。開(kāi)關(guān)電路廣泛應用于電力電子系統中，對含有功率開(kāi)關(guān)器件的電力電子電路進(jìn)行潛電路分析的基本思路如下。
1.1 首先建立分析模型
對一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，隱去開(kāi)關(guān)電路網(wǎng)絡(luò )的電氣特性，應用圖論的概念抽象為一個(gè)圖，即將變換器用廣義連接矩陣、鄰接矩陣或開(kāi)關(guān)布爾矩陣等不同的矩陣模型描述。
在電路建模過(guò)程中, 可以對電路模型適當簡(jiǎn)化以減少后期的工作量[5]。簡(jiǎn)化方法主要有：
（1）忽略次要元件，即對電路功能影響較小的元件可以忽略，以減小電路模型的規模；
（2）合并元件。如多個(gè)電路元件組合起來(lái)實(shí)現同一個(gè)功能，則可將其視為一個(gè)整體，而不必對每個(gè)元件建模；
（3）分解元件。復雜元件可以分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單元件的組合。
1.2 路徑的表示及遍歷搜索
電路中的電流路徑可由一組節點(diǎn)序列來(lái)表示，用節點(diǎn)序列表示電流路徑，既方便了路徑的存儲和讀取，也使潛在電路計算機分析成為可能，進(jìn)而對電路中所有的電流路徑進(jìn)行遍歷搜索。目前存在的有對所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)行組合的搜索算法以及深度優(yōu)先搜索法等。
1.3 潛在電路的判定
對于路徑遍歷得到的所有電流路徑，首先根據無(wú)效路徑的剔除方法找出無(wú)效路徑并剔除，則為變換器實(shí)際存在的所有電流路徑，即實(shí)際路徑；再依據設計要求得到設計所預期的路徑；若實(shí)際路徑數目大于預期路徑數目，則存在潛電路，從實(shí)際路徑中除去預期路徑即得到潛在電路路徑。
1.4 潛在電路的排除
對得到的潛在路徑進(jìn)行分析，改進(jìn)電路以消除潛在路徑，從而提高整個(gè)電路的穩定性及可靠性。
2 一般的無(wú)效路徑剔除方法
若某頂點(diǎn)序列表示的一條電流通路在實(shí)際電路運行中不會(huì )出現，則為無(wú)效路徑，應從搜索得到的電流路徑中剔除。在現有的電力電子變換器潛電路分析方法中，對無(wú)效路徑的剔除方法大多是針對某具體電路而提出的特有的方法，不具有普遍的適用性。
參考文獻[6]提出，基于鄰接矩陣表示、深度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行遍歷后得到全部電流路徑，其無(wú)效路徑判據是針對單相全橋逆變電路中要求上下橋臂開(kāi)關(guān)管互補導通，故需設置一個(gè)預處理條件剔除含有上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導通的路徑。
3 無(wú)效路徑剔除的新方法
一般的無(wú)效路徑剔除方法大多是針對某具體電路而提出的特有的方法，不具有普遍的適用性。在此背景下，為了實(shí)現完全剔除無(wú)效路徑，以保證后續潛電路判定的準確性，本文提出的針對電力電子變換器電路中的無(wú)效路徑判據如下。
3.1 依據開(kāi)關(guān)器件自身特點(diǎn)
對于全控型開(kāi)關(guān)器件，因其特性的復雜性，其等效電路模型中可能包含多個(gè)單一電路元件。在電路建模時(shí)，應將此類(lèi)復雜元件分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單元件的組合[5]，并將其當作多個(gè)獨立的電路元件看待，例如常用的開(kāi)關(guān)器件MOSFET或IGBT。
由于生產(chǎn)制造工藝，一般的大功率MOSFET或IGBT里面都會(huì )有反向并聯(lián)的寄生二極管，起到防止反向擊穿(即續流)的作用?？紤]到實(shí)際工作情況，這里需要將寄生二極管單獨看作一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，當且僅當全控器件斷開(kāi)且電流從圖1所示的源極S和圖2所示的發(fā)射極E流入時(shí)，寄生二極管導通。從而得出以下路徑均為無(wú)效路徑：
（1）全控器件和寄生二極管均導通的路徑；
（2）全控器件斷開(kāi)，且電流從圖1所示的漏極D和圖2所示的集電極C流入，二極管導通。

3.2 依據拓撲約束關(guān)系
基爾霍夫定律反映了電路的基本拓撲約束關(guān)系：
（1）根據基爾霍夫電壓定律KVL(Kirchhlff′s Voltage Law)，單一元件不能形成電流路徑，因此全路徑中應剔除只含一個(gè)電路元件的路徑；單一的電壓源、電阻、電感和電容元件若與處于導通狀態(tài)的開(kāi)關(guān)器件串聯(lián)，則此路徑應判定為無(wú)效路徑。
（2）根據基爾霍夫電流定律KCL(Kirchhlff′s Current Law)，電路中存在電流源時(shí)，電路中的電流方向應與電流源的電流方向一致；否則應視為無(wú)效路徑。
3.3 依據元件約束關(guān)系
在不含儲能元件的電阻性電路中，根據元件約束關(guān)系（即歐姆定律），電流只能從電源正極流向負極；否則應視為無(wú)效路徑。
3.4 依據開(kāi)關(guān)組合中各開(kāi)關(guān)元件的匹配情況
為實(shí)現某種電路功能，對一組開(kāi)關(guān)中的各開(kāi)關(guān)狀態(tài)有要求，相互匹配不能有沖突。比如在各種諧振開(kāi)關(guān)變換器中，要求每組全控元件中的兩元件輪流導通，點(diǎn)空比為50%，即不能同時(shí)導通。
4 電路舉例
對于如圖3所示的基本降壓式諧振開(kāi)關(guān)電容變換器，根據參考文獻[6]所述的基于深度優(yōu)先搜索算法得到的全部電流路徑如表1所示。

現依據上述的無(wú)效路徑剔除方法，其無(wú)效路徑剔除過(guò)程如下：
（1）由于全控器件與其本身的寄生二極管或直接并聯(lián)的二極管不能同時(shí)導通，即S1與Ds1、S1與Ds2不能同時(shí)導通；并且諧振電路要求2個(gè)開(kāi)關(guān)元件輪流導通，即S1與S2不能同時(shí)導通，則可判定0→1→2→4(S1與S2同時(shí)導通)；3→2→1→0→4(Ds1與Ds2同時(shí)導通)為無(wú)效路徑。

（2）根據KVL，單一的電阻元件不能被開(kāi)關(guān)器件短路，則2→4→3為無(wú)效路徑。
全部電流路徑經(jīng)過(guò)以上無(wú)效路徑剔除過(guò)程后，得到的是實(shí)際存在的所有電流路徑，即實(shí)際電流路徑。又由已知的基本降壓式諧振開(kāi)關(guān)電容變換器的功能，得到其預期電流路徑為：0→1→3→2→4；1→2→4→3；2→4，從實(shí)際電流路徑中除去預期電流路徑，即得潛電流路徑，如表1所示。分析結果與參考文獻[7]和參考文獻[8]分析結果一致。
本文歸納完善了適用于電力電子變換器的潛電路分析方法，并提出了具有普遍適用性的無(wú)效路徑剔除的新方法，如形成開(kāi)關(guān)器件的分解模型、基本電路原理對實(shí)際電路各元件的約束如何體現、各開(kāi)關(guān)器件的相互匹配等。目的在于盡可能搜索出所有無(wú)效路徑，從而減少后期的工作量，使潛在電路的判定更準確。最后以基本降壓式諧振開(kāi)關(guān)電容變換器為例進(jìn)行潛電路分析，結果驗證了本文所述的無(wú)效路徑剔除方法的可行性和正確性。
參考文獻
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