Z源逆变器直通电流回路及功率开关管电流应力分析

张千帆 董 帅 周超伟 程树康（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）



Z源逆变器直通电流回路及功率开关管电流应力分析

张千帆 董 帅 周超伟 程树康
（哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院 哈尔滨 150001）

摘要Z源逆变器直通方式按桥臂直通数目可以分为单相、两相和三相直通，其中三相直通方式较其他两种具有开关管电流应力更小的特点。现有文献分析三相直通方式下功率开关管的最大电流应力是在直通电流比较大的基础上得出的，其值要大于负载相电流峰值。本文揭示了小电压增益和低功率因数下，功率开关管的最大电流应力与负载相电流峰值相等。并详细分析了三相直通方式时不同直通电流下负载的电流回路，为进一步分析开关管损耗、温升和热管理奠定基础；揭示了当Z源逆变器工作于直通状态，直通电流不同时负载的电流回路也不尽相同。针对不同的电流情况，得出了相应的开关管电流应力表达式，为三相直通方式下选择开关管的功率等级提供了依据。实验验证了理论分析的正确性。

关键词：Z源逆变器 直通方式 电流回路 电流应力

国家自然科学基金资助项目（51177027）。

Analysis of Circuit Path and Current Stress of Power Devices under Shoot-Through Mode in Z-Source Inverter

Zhang Qianfan Dong Shuai Zhou Chaowei Cheng Shukang
（School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China）

Abstract The three shoot-through modes in Z-source inverter are one-phase, two-phase and three-phase shoot-through. The current stress of the power device is lowest in the third mode. Generally, in three-phase shoot-through mode, the current stress of power devices is analyzed based on big shoot through current, and its value is greater than the peak value of load current. This paper reveals the current stress of power devices is equal to the peak value of load current with small voltage gain and low power factor. Current path of the load in three-phase shoot-through mode is analyzed, which supports further analysis on loss, temperature increment and thermal management of the power devices. It is shown that freewheeling current path in shoot-through state is different if the value of shoot-through current is different. The expression of power device current stress is obtained under different freewheeling conditions, which provides the theoretical basis for the selection of the current level of power devices. Experimental results verify the theoretical analysis.

Keywords：Z-source inverter, shoot-through mode, current path, current stress

0 引言

对于电动汽车、光伏发电等需要控制直流母线电压的技术领域，目前主要有两种方案来调节电压：①在直流电源和逆变器之间加入DC-DC变换器；②加入阻抗源（Z源）网络，如图1所示。

Buck-Boost变换电路结构简单、没有变压器隔离环节、具有很高的传输效率并且适合于大功率场合应用[1]。丰田公司从2004款Prius开始在其混合动力系统中采用Buck-Boost变换器将电池电压提升至直流500V供给逆变器驱动电机，在不增加体积和重量的基础上提升了电机系统的输出转矩和功率[2,3]。Z源逆变器是Michigan State University的彭方正教授提出的一种功率变换器拓扑[4]，能够调节直流母线电压，允许电压型逆变器桥臂直通，电流型逆变器桥臂开路，提高了功率变换器的可靠性。

图1 Z源逆变器Fig.1 Z-source inverter

Z源变换器和Buck-Boost型变换器都能够调节逆变器的直流母线电压，但Z源变换器用到的有源元器件更少，允许桥臂直通（电压型）或桥臂开路（电流型），可靠性更高。Z源变换器提出以后受到了充分重视，研究人员开展了大量的研究工作，目前对Z源变换器的研究多是针对拓扑结构、PWM调制策略、Z源网络参数设计和提高升压比等变换器特性[5,6]，其应用涉及电机调速、光伏发电和电动汽车等诸多领域[7-12]。

Z源逆变器应用于不同的领域，在进行参数匹配时必然涉及到功率开关管的电流定额选取。常规电压型逆变器开关管承受的最大电流应力就是负载相电流峰值，一般在此基础上再取一定安全裕量来确定实际采用器件的电流规格。而Z源逆变器开关管承受的最大电流应力发生在直通时刻，直通期间，流经开关管的电流可以看作是由电感电流和负载电流两个分量组成。Z源逆变器按照桥臂直通数目、直通方式可以分为单相、两相和三相直通，其中三相直通方式较其他两种具有开关管电流应力更小的特点[13,14]。文献[15,16]分析了三相直通模式下直通电流比较大时的电流回路及开关管电流应力，得到的结论是Z源逆变器开关管电流应力要大于负载相电流峰值。对于直通电流比较小时的电流回路，目前尚未见相关文献报道。

事实上，直通电流大小由调制比M、升压因子B、负载功率因数cosφ 和负载相电流峰值共同决定，在数学关系上是电感电流的两倍。本文从数学推导和电路分析的角度揭示了Z源逆变器的6个功率开关管在三相直通方式下会同时收到驱动信号，但受负载功率因数和电压增益的影响，不同大小的直通电流对应的电流回路是不同的。一方面，分析电流回路可以为研究开关管的损耗、温升和热管理奠定基础；另一方面，不同的电流回路导致的开关管电流应力也是不同的。负载功率因数低、电压增益小的情况下，最大电流应力并非大于而是等于负载相电流峰值。

1 直通电流比SCR定义

直通状态下，电感电流可表示为[17]

定义直通电流比（Shoot Current Ratio, SCR）为直通电流Ish与负载相电流峰值的比值，即

为了简化分析，忽略式（2）中的高频分量项，即认为电感量足够大并且开关频率足够高，则有

式（3）表征了直通电流的相对大小。在三相直通控制方式下，SCR取值不同时，逆变器电流回路也会不同，以下给出具体分析过程。

2 不同SCR下的Z源逆变器电流回路及功率开关管电流应力分析

2.1 电流回路分析

假设直通发生之前逆变器工作于上桥臂开关管全部导通的零状态，此时逆变器电流回路如图3所示。

直通电流足够大的情形在文献[18]中已具体分析，此时6个功率开关管均导通，电流回路如图4所示。

图2 三相负载电流Fig.2 Three-phase load current waveforms

图3 上管全部导通的零状态Fig.3 Zero state when up-IGBTs are conducting

图4 6个开关管导通的直通模式Fig.4 Shoot-through mode of six IGBTs conducting

流经开关管电流满足

式中，x=1, 3, 5；y =2, 4, 6；m=a, b, c。直通电流Ish和相电流ia、ib、ic的参考正方向如图4所示。

为了保证iVTx, iVTy＞0，需满足

由图2可以看出，在区间［0,π/6］上ib达到三相负载中的电流最小值，此时只要保证iVT3＞0即可保证6个开关管中均有电流流过。可以得到满足条件的SCR＞1.5。

当SCR＜1.5时，VT3中将可能没有电流流过，此时

满足式（6）的负载电流相角区间为

为了保证电流流经其他5个开关管，则只要保证iVT2＞0即可，容易推得。此时逆变器电流回路如图5所示。

图5 5个开关管导通的直通模式Fig.5 Shoot-through mode of five IGBTs conducting

由基尔霍夫电压、电流定律得到流经开关管的电流表达式为

图6 4个开关管导通的直通模式Fig.6 Shoot-through mode of four IGBTs conducting

此时流经开关管的电流表达式为

推广至整个相位区间，在三相直通方式下的直通期间可以得到结论：SCR＞1.5，6个开关管均有电流流过；时，虽然6个开关管均有触发信号，但实际导通的只有5个；时，虽然6个开关管均有触发信号，但实际导通的只有4个。其中的两个开关管属于同一桥臂，其余的两个分属于剩下的两个桥臂。

2.2 功率开关管电流应力分析

由式（4）可知，SCR值较大（＞1.5）时，直通电流平均分配给三相桥臂，逆变器开关管的电流应力最大为

由式（7）和式（8）可知，当1＜SCR＜1.5时，Z源逆变器实际上是工作于两相或单相直通方式，此时逆变器开关管的电流应力最大为负载相电流峰值，即

3 Z源逆变器功率开关管电流定额的选取

由式（2）SCR定义可知，SCR数值的大小是由电压增益MB和负载功率因数共同决定的，如果所带的是电机负载，体现的正是直流变换环节升压比和驱动电机的功率因数。直流变换环节的升压比是指直流链电压与直流电源电压之比。直流电源的电压下限阈值与直流链电压期望值决定了Z源逆变器的升压因子B。应用简单控制方式时，调制比M越小，升压倍数越大，但过小的M会引起输出电压质量低和器件电压应力大等问题。

驱动电机的功率因数受电机类型及其控制方法影响。永磁同步电机功率因数高，在额定功率点附近接近于1[19]。如果再加以单位功率因数控制[20, 21]，其数值可在宽范围内保持在1左右。与永磁同步电机相比，感应电机的功率因数偏低，但仍然可以通过恒功率因数控制将功率因数控制在小于1的较高值[22]。

为了更清楚地说明开关管电流定额的选取方法，以下给出一个具体算例。

直流电源最低工作电压155V；直流链电压稳定在310V；驱动电机采用感应电机；电机相电流峰值85A。功率因数取值参考文献[22]中取得：未加功率因数优化控制时，电机功率因数在0.1～0.65范围内变化；加入功率因数优化控制后，电机功率因数在0.2～0.92范围内变化。

升压因子B=310/180=1.72，简单控制方式下能够得到电压增益MB=1.36。驱动电机未加功率因数优化控制时，Z源逆变器的直通电流比SCR= 1.5MBcosφ =1.33＜1.5，代入式（10）得到功率开关管最大电流应力为85A，折合有效值为60A。按照英飞凌IGBT的规格，取20%的电流裕量，可以选取600V、75A。

采用功率因数优化控制后，直通电流比SCR= 1.5MBcosφ =1.88＞1.5。代入式（9）得到功率开关管最大电流应力为95.7A，折合有效值为67.7A。IGBT规格需要选取600V、100A。

4 实验结果

为了验证所提出的SCR不同时电流回路不同，并且由此产生的开关管电流应力也不尽相同的结论，本文对三相直通方式下SCR＞1.5和1＜SCR＜1.5的两种情况进行了实验验证。

4.1 SCR＞1.5时的相关实验

实验电路参数设置为：Z源网络电感L1=L2= 1mH，电容C1=C2=2 700μF，载波频率fs=10kHz，控制方式为简单控制。负载电阻R=10Ω，电感L=1.15mH，调制比M=0.72，角频率ω =314rad/s，计算此时直通电流比SCR=2.45＞1.5。

图7 SCR＞1.5时的实验波形Fig.7 Experimental waveforms of SCR＞1.5

图7中从上至下依次为A相负载电流、直通电流和开关管VT1的电流波形，其中，直通电流是通过在直通状态时采集直流链电流得到。图7用虚线标示出了直通状态时处于同时刻的3个数据点，此时，A相负载电流ia=1.1A，直通电流Ish=6A，代入式（4）计算得到此时开关管VT1的电流应为iVT1=2.55A。从图中可以看出实验得到的电流为iVT1= 2.5A，与之基本相符。为了进一步验证开关管电流、直通电流及负载相电流之间数学关系的正确性，进行了多组实验数据采集，其结果见表1。

表1 SCR＞1.5时VT1电流值Tab.1 VT1current of SCR＞1.5

由实验波形和数据可以得到：当SCR＞1.5时，三相桥臂6个开关管均有电流流过，并且电流大小满足式（4）中给出的数量关系。

4.2 1＜SCR＜1.5时的相关实验

取负载电阻R=5Ω，电感L=1.15mH，调制比M=0.95，角频率ω =3 140rad/s，计算此时直通电流比SCR=1.28＜1.5。

图8 1＜SCR＜1.5时的实验波形Fig.8 Experimental waveforms of 1＜SCR＜1.5

5 结论

本文详细分析了三相直通方式下不同的直通电流对应的电流回路及相应的开关管电流应力表达式。不同的电流回路导致的开关管的损耗是不一样的，相关研究可以在本文基础上进一步展开。另一方面，不同的电流回路导致的开关管电流应力也是不同的。电压增益和驱动电机的功率因数较高导致SCR＞1.5时，逆变器三相桥臂的6个开关管均有电流流过，其受到的最大电流应力要大于负载相电流峰值。电压增益和驱动电机的功率因数较低导致SCR＜1.5时，逆变器三相桥臂的功率开关管虽然全都收到驱动信号，但会有1～2个开关管中没有电流流过，其受到的最大电流应力与负载相电流峰值相等。

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张千帆 男，1974年生，教授，博士生导师，研究方向为电机控制及电力电子相关技术。

E-mail: zhang_qianfan@hit.edu.cn（通信作者）

董 帅 男，1987年生，博士研究生，研究方向为电机控制及电力电子相关技术。

E-mail: laiyangjiuzhong@163.com

作者简介

收稿日期2014-09-23 改稿日期 2015-08-21

中图分类号：TM46