電力電子變換器潛電路中的無效路徑剔除方法

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?qū)е码娐废到y(tǒng)出現(xiàn)非期望的功能或抑制所期望的功能，嚴(yán)重時還會引起系統(tǒng)故障[1-2]。值得注意的是，潛在電路有別于通常所說的故障，產(chǎn)生原因不是元件、設(shè)備或系統(tǒng)故障，而是設(shè)計者為了實現(xiàn)設(shè)計意圖無意中帶進設(shè)計方案的[3]電流路徑。潛電路隱藏在系統(tǒng)正常工作狀態(tài)下，僅在某種特定的條件下才會被激發(fā)。
電子設(shè)計中容易造成潛路徑的電路主要是模擬的功率開關(guān)電路[4]，而模擬的功率開關(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(dāng)前電力電子變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究中的重要課題之一，以便及早發(fā)現(xiàn)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(tǒng)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行遍歷的算法以及如何找到實際存在的所有電流路徑及剔除無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。而在現(xiàn)有的電力電子變換器潛電路分析方法中，對無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。如果對無效路徑的判據(jù)不全面、不規(guī)范，則不能保證無效路徑被完全剔除，即最終所得的潛電路路徑中仍包含一些實際上并不存在的無效路徑，因此無效路徑剔除是否徹底直接影響到后續(xù)潛電路判定的準(zhǔn)確性。而要想完全剔除無效路徑，則需要完備的無效路徑判據(jù)，且盡可能地將這些判據(jù)統(tǒng)一表示?；谝陨媳尘?，本文提出了適用于一般電路的無效電流路徑剔除方法。
1 開關(guān)電路潛電路分析方法
規(guī)范的潛在電路分析方法在分析的完整性方面效果顯著，但在數(shù)據(jù)預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)樹生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期長且分析成本高[1]。在系統(tǒng)規(guī)模不大且設(shè)計更改頻繁的情況下實施難度大。而簡化的SCA方法不需要進行網(wǎng)絡(luò)樹的生成，實施較為便捷，適用于系統(tǒng)規(guī)模較小和設(shè)計更改頻繁的情況。電力電子變換器潛電路的分析適合簡化的SCA方法。開關(guān)電路廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中，對含有功率開關(guān)器件的電力電子電路進行潛電路分析的基本思路如下。
1.1 首先建立分析模型
對一個開關(guān)電路，隱去開關(guān)電路網(wǎng)絡(luò)的電氣特性，應(yīng)用圖論的概念抽象為一個圖，即將變換器用廣義連接矩陣、鄰接矩陣或開關(guān)布爾矩陣等不同的矩陣模型描述。
在電路建模過程中, 可以對電路模型適當(dāng)簡化以減少后期的工作量[5]。簡化方法主要有：
（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(guī)模；
（2）合并元件。如多個電路元件組合起來實現(xiàn)同一個功能，則可將其視為一個整體，而不必對每個元件建模；
（3）分解元件。復(fù)雜元件可以分解為若干個簡單元件的組合。
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(jié)點序列來表示，用節(jié)點序列表示電流路徑，既方便了路徑的存儲和讀取，也使?jié)撛陔娐酚嬎銠C分析成為可能，進而對電路中所有的電流路徑進行遍歷搜索。目前存在的有對所有開關(guān)狀態(tài)進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(jù)無效路徑的剔除方法找出無效路徑并剔除，則為變換器實際存在的所有電流路徑，即實際路徑；再依據(jù)設(shè)計要求得到設(shè)計所預(yù)期的路徑；若實際路徑數(shù)目大于預(yù)期路徑數(shù)目，則存在潛電路，從實際路徑中除去預(yù)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行分析，改進電路以消除潛在路徑，從而提高整個電路的穩(wěn)定性及可靠性。
2 一般的無效路徑剔除方法
若某頂點序列表示的一條電流通路在實際電路運行中不會出現(xiàn)，則為無效路徑，應(yīng)從搜索得到的電流路徑中剔除。在現(xiàn)有的電力電子變換器潛電路分析方法中，對無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)先搜索算法進行遍歷后得到全部電流路徑，其無效路徑判據(jù)是針對單相全橋逆變電路中要求上下橋臂開關(guān)管互補導(dǎo)通，故需設(shè)置一個預(yù)處理條件剔除含有上下2個開關(guān)管同時導(dǎo)通的路徑。
3 無效路徑剔除的新方法
一般的無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，為了實現(xiàn)完全剔除無效路徑，以保證后續(xù)潛電路判定的準(zhǔn)確性，本文提出的針對電力電子變換器電路中的無效路徑判據(jù)如下。
3.1 依據(jù)開關(guān)器件自身特點
對于全控型開關(guān)器件，因其特性的復(fù)雜性，其等效電路模型中可能包含多個單一電路元件。在電路建模時，應(yīng)將此類復(fù)雜元件分解為若干個簡單元件的組合[5]，并將其當(dāng)作多個獨立的電路元件看待，例如常用的開關(guān)器件MOSFET或IGBT。
由于生產(chǎn)制造工藝，一般的大功率MOSFET或IGBT里面都會有反向并聯(lián)的寄生二極管，起到防止反向擊穿(即續(xù)流)的作用?？紤]到實際工作情況，這里需要將寄生二極管單獨看作一個開關(guān)器件，當(dāng)且僅當(dāng)全控器件斷開且電流從圖1所示的源極S和圖2所示的發(fā)射極E流入時，寄生二極管導(dǎo)通。從而得出以下路徑均為無效路徑：
（1）全控器件和寄生二極管均導(dǎo)通的路徑；
（2）全控器件斷開，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(dǎo)通。

3.2 依據(jù)拓?fù)?/strong>約束關(guān)系
基爾霍夫定律反映了電路的基本拓?fù)浼s束關(guān)系：
（1）根據(jù)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(yīng)剔除只含一個電路元件的路徑；單一的電壓源、電阻、電感和電容元件若與處于導(dǎo)通狀態(tài)的開關(guān)器件串聯(lián)，則此路徑應(yīng)判定為無效路徑。
（2）根據(jù)基爾霍夫電流定律KCL(Kirchhlff′s Current Law)，電路中存在電流源時，電路中的電流方向應(yīng)與電流源的電流方向一致；否則應(yīng)視為無效路徑。
3.3 依據(jù)元件約束關(guān)系
在不含儲能元件的電阻性電路中，根據(jù)元件約束關(guān)系（即歐姆定律），電流只能從電源正極流向負(fù)極；否則應(yīng)視為無效路徑。
3.4 依據(jù)開關(guān)組合中各開關(guān)元件的匹配情況
為實現(xiàn)某種電路功能，對一組開關(guān)中的各開關(guān)狀態(tài)有要求，相互匹配不能有沖突。比如在各種諧振開關(guān)變換器中，要求每組全控元件中的兩元件輪流導(dǎo)通，點空比為50%，即不能同時導(dǎo)通。
4 電路舉例
對于如圖3所示的基本降壓式諧振開關(guān)電容變換器，根據(jù)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(xiàn)依據(jù)上述的無效路徑剔除方法，其無效路徑剔除過程如下：
（1）由于全控器件與其本身的寄生二極管或直接并聯(lián)的二極管不能同時導(dǎo)通，即S1與Ds1、S1與Ds2不能同時導(dǎo)通；并且諧振電路要求2個開關(guān)元件輪流導(dǎo)通，即S1與S2不能同時導(dǎo)通，則可判定0→1→2→4(S1與S2同時導(dǎo)通)；3→2→1→0→4(Ds1與Ds2同時導(dǎo)通)為無效路徑。

（2）根據(jù)KVL，單一的電阻元件不能被開關(guān)器件短路，則2→4→3為無效路徑。
全部電流路徑經(jīng)過以上無效路徑剔除過程后，得到的是實際存在的所有電流路徑，即實際電流路徑。又由已知的基本降壓式諧振開關(guān)電容變換器的功能，得到其預(yù)期電流路徑為：0→1→3→2→4；1→2→4→3；2→4，從實際電流路徑中除去預(yù)期電流路徑，即得潛電流路徑，如表1所示。分析結(jié)果與參考文獻[7]和參考文獻[8]分析結(jié)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效路徑剔除的新方法，如形成開關(guān)器件的分解模型、基本電路原理對實際電路各元件的約束如何體現(xiàn)、各開關(guān)器件的相互匹配等。目的在于盡可能搜索出所有無效路徑，從而減少后期的工作量，使?jié)撛陔娐返呐卸ǜ鼫?zhǔn)確。最后以基本降壓式諧振開關(guān)電容變換器為例進行潛電路分析，結(jié)果驗證了本文所述的無效路徑剔除方法的可行性和正確性。
參考文獻
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