电力电子变换器的潜电路分析方法及其应用研究

摘要

近年来，随着电力电子技术的日益发展，电力电子系统的规模和复杂程度不断增加，对电力电子系统安全和可靠性的要求也越来越高。目前在电力电子变换器中已发现存在潜电路状态，它能够导致系统出现非期望的功能或抑制所期望的功能。由于潜电路状态往往是隐藏在正常的设计功能之后，是一种为了实现某种要求的系统功能而引入的、设计者并没有意识到的附加功能，当潜在的激励条件满足时才发生作用，故难以通过试验方式来甄别。因此，随着新型电力电子变换器拓扑的不断产生，有必要开展电力电子变换器潜电路分析技术的研究，以进一步提高电力电子变换器的可靠性和实用性。
　　 由于电力电子变换器能量流动的路径不再局限于电源与地之间，而且电力电子器件不能简单地用电阻模型代替，因此在军事和航天等领域已有的采用网络树和定性推理等方法实现潜电路分析的技术不能直接应用于电力电子系统，需要研究适用于电力电子变换器潜电路分析的理论和技术。
　　 为此，本论文尝试开展电力电子系统潜电路分析方法及其应用的研究工作，以期提出适用于电力电子系统潜电路分析的新理论和新方法，在研究和设计电力电子变换器时，能预先发现潜电路，并以此为基础提出通过消除或利用潜电路优化电力电子变换器性能的方法，应用于实际系统的设计中。
　　 本文的主要研究成果如下：
　　 1、提出了电力电子变换器潜电路的广义连接矩阵分析方法。根据电力电子电路的特点，建立了电力电子变换器的有向图，提出了适用于电力电子变换器电路分析的广义连接矩阵和开关路径函数的定义，通过计算开关函数，得到用元件符号序列描述的电流回路路径。在此基础上根据电路判据剔除无效路径，并与电路设计的正常工作回路比较，判断变换器是否存在非设计要求的潜电路。以Matlab7．0为平台编制了基于广义连接矩阵的电力电子变换器潜电路分析程序，并具体应用于三相PWM整流器开关模态和谐振开关电容变换器潜电路的分析中。
　　 2、提出了电力电子变换器潜电路的邻接矩阵分析方法。将变换器各元件间的连接状态采用邻接矩阵存储，通过深度优先搜索算法对邻接矩阵中处于连接状态的顶点序列进行搜索，根据路径判别条件实现了潜电路的识别，得到用顶点序列描述的潜电路路径。以C和VC++6．0为平台编制了基于邻接矩阵的电力电子变换器潜电路分析软件，并以升压谐振开关电容变换器潜电路的分析为例，详细分析了算法的实现过程，验证了算法的有效性。
　　 3、提出了电力电子变换器潜电路的开关布尔矩阵分析方法。通过建立电力电子变换器的开关布尔矩阵，并消去其中的无效开关向量，得到电路的最简布尔矩阵和与其相对应的有效开关状态。在此基础上将最简布尔矩阵与变换器设计的正常工作状态开关矩阵比较，判断变换器是否存在非设计要求的潜在开关路径。以Matlab7．0为平台设计了相应的算法程序，潜电路分析结果用模型文件的形式保存。
　　 4、以消除潜电路为目的，研究了通过设计电路参数、改变拓扑结构等方法消除电力电子变换器潜电路的可性行，并在零电流谐振开关电容变换器、Z阻抗逆变器、零电压转换PWM Buck变换器中进行了应用研究，为保证电力电子变换器的可靠运行奠定了理论基础。
　　 5、从利用潜电路的角度，研究了将电力电子变换器的潜电路模态附加在正常工作模态中，改进变换器性能的可行性。通过改变变换器的控制方式，可以将潜电路模态附加进正常工作模态中，改善软开关电力电子变换器的开关条件，为构造新型电力电子变换器奠定了理论基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 潜电路分析技术

1.2.1 全面状态潜电路分析技术

1.2.2 简化的潜电路分析技术

1.2.3 基于定性推理的潜电路分析技术

1.3 电力电子变换器的潜电路发现及分析技术研究现状

1.4 课题研究的意义与创新性

1.5 论文主要内容的安排

1.6 本课题来源

1.7 本章小结

第二章 电力电子变换器潜电路的广义连接矩阵分析法

2.1 引言

2.2 图的基本概念

2.3 开关函数和开关网络分析

2.3.1 开关函数

2.3.2 开关网络分析

2.4 基于广义连接矩阵的电力电子变换器潜电路分析方法

2.4.1 电力电子变换器的有向图和广义连接矩阵

2.4.2 电力电子变换器的开关函数和开关回路分析

2.4.3 基于广义连接矩阵的潜电路分析软件

2.5 DC/DC谐振开关电容变换器的潜电路分析

2.5.1 升压谐振开关电容变换器的潜电路分析

2.5.2 降压式谐振开关电容变换器潜电路分析

2.6 本章小结

第三章 电力电子变换器潜电路的邻接矩阵分析法

3.1 引言

3.2 图的邻接矩阵和路径定理

3.3 图的路径搜索算法

3.3.1 深度优先搜索算法

3.3.2 广度优先搜索算法

3.4 基于邻接矩阵的电力电子变换器潜电路分析方法

3.4.1 电力电子变换器的邻接矩阵

3.4.2 无效路径判断条件

3.4.3 基于邻接矩阵的潜电路分析软件

3.5 应用实例

3.5.1 基本升压谐振开关电容变换器的潜电路分析

3.5.2 高阶升压谐振开关电容变换器的潜电路分析

3.6 本章小结

第四章 电力电子变换器潜电路的开关布尔矩阵分析法

4.1 引言

4.2 布尔代数和布尔矩阵

4.3 电力电子变换器的开关布尔矩阵

4.4 基于开关布尔矩阵的电力电子变换器潜电路分析方法

4.4.1 电力电子变换器的完全开关布尔矩阵

4.4.2 电力电子变换器的潜电路路径分析

4.4.3 基于开关布尔矩阵的潜电路分析软件

4.4.4 算例验证

4.5 ZVT-PWM Buck变换器的潜电路分析

4.6 本章小结

第五章 消除电力电子变换器潜电路的方法研究

5.1 引言

5.2 消除谐振开关电容变换器潜电路的方法

5.2.1 谐振开关电容变换器潜电路发生的参数条件

5.2.2 谐振开关电容变换器拓扑结构的改进

5.2.3 实验结果

5.3 消除Z阻抗逆变器潜电路的方法

5.3.1 Z阻抗逆变器的潜电路分析

5.3.2 Z阻抗逆变器潜电路发生的参数条件

5.3.3 Z阻抗逆变器拓扑结构的改进

5.4 ZVT-PWM Buck变换器拓扑结构的改进

5.4.1 ZVT-PWM Buck的潜电路特性

5.4.2 ZVT-PWM Buck变换器拓扑结构的改进

5.4.3 仿真和实验验证

5.5 本章小结

第六章 ZCT-PWM 变换器潜电路改善软开关条件的研究

6.1 引言

6.2 ZCT-PWM Boost变换器的潜电路分析

6.3 ZCT-PWM Boost变换器软开关条件的改善

6.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致 谢