一种复杂电力电子变换器的工作模态分析方法

摘要

本发明公开了一种复杂电力电子变换器的工作模态分析方法，包括步骤：1)将变换器所含各元件画成树状图；2)将树状图中的元件分成不同等级；3)列出每级中所有开关元件可能存在的通断状态组合；4)每级中的开关通断状态组合分别与非开关元件叠加；5)不同等级元件之间叠加，每叠加一级即获得新的模态；6)对模态进行筛选，剔除无效模态；7)依据电流实际流通情况合并有效模态，得出变换器有效工作模态的种类。本发明可获得电力电子变换器的所有工作模态，针对模态的识别全面且简单，可用于包含多开关电力电子变换器电路模态的分析。

说明书

技术领域

本发明涉及电力电子变换器有效工作模态识别的技术领域，尤其是指一种复杂电力电子变换器的工作模态分析方法。

背景技术

针对电力电子变换器的模态分析能有效识别电力电子变换器在实际工作过程中的所有有效工作模态，其中包含电力电子变换器正常工作模态及潜在电路模态。由于电力电子系统中含有较多的开关器件，电路模态识别的难度大。因此，需要研究一套适用于识别含多开关的复杂电力电子变换器的模态分析方法。

目前针对电力电子变换器的模态分析方法主要有：广义连接矩阵法、邻接矩阵法、开关布尔矩阵法、网孔组合法及计算机辅助分析法。当电力电子变换器含有较多的开关时，广义连接矩阵法所得矩阵阶数大，求矩阵的模计算复杂。邻接矩阵法用0和1代替各元件之间的联通情况，虽简化计算，但却只能表示电路中各元件之间联系，不能直观表示各模态。除此之外，以上两种方法均是分析电流路径而无法直接获得有效模态，在路径组合模态的过程中，可能会遗漏一些模态，导致分析结果不完备。开关布尔矩阵法则是仅依据开关通断状态对电力电子变换器的工作模态进行直接分析，该方法将所有非开关元件均默认为导通状态接入电路中，因此会导致电路模态识别不全面，同样存在分析结果不完备的缺点。网孔组合法利用网孔之间“并”和“环和”运算获得子电路，但这些子电路包含重复子电路，即在分析过程中含有较多的冗余子电路。同时，当网孔数目较多时，计算量大，重复的子电路数量也相应增加。利用计算机辅助分析软件对电路模态进行分析的方法，通过深度搜索获得有效路径，而对路径之间的组合关系没有提出明确的方法，无法直接获得有效模态，当有效路径较多时组合复杂。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提出了一种更加方便、可靠的复杂电力电子变换器的工作模态分析方法，依据电路基本原理及变换器的工作原理，有序叠加变换器中的元件可直接获得变换器所有模态，方便快捷，有助于变换器模态的分析。该方法能够直接通过元件叠加获得电力电子变换器模态而无需通过对有效路径的分析和组合获得有效模态，使得分析过程更加方便、直观。同时在对开关元件通断组合过程中，依据电路和变换器的基本原理，可剔除一些无效电路，从而减少分析整体的计算量并保证分析的完备性。该方法可获得所有有效模态，防止遗漏模态的情况，模态分析结果更加完备。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：一种复杂电力电子变换器的工作模态分析方法，包括以下步骤：

1)将电力电子变换器中各元件依据电流流通的先后顺序画入树状图中；

2)将树状图中的元件依据电流流通的先后顺序分成不同等级；

3)在满足电路原理及变换器工作原理的条件下，列出每级中所有开关元件可能存在的通断状态组合；

4)将各级中的开关状态组合分别叠加该级中的非开关元件得到该级的所有元件组合；

5)将各级元件组合由级数最大的一级往级数较小的等级依次叠加，每叠加一级即获得相应模态；

6)依据电路原理及变换器的工作原理对所有模态进行筛选，剔除无效模态后便可得到变换器所有有效工作模态；

7)合并实际电流流通路径相同的模态便可得变换器所有有效工作模态的种类。

在步骤1)中，依据电流流通的先后顺序是指从电源出发，将电路中所有元件依次画入树状图，在画树状图时设定电路中各元件均有特定的单向导通性，即不考虑实际元件的电流流通方向，均设定为从电源正极出发，流经各元件且无返回路径，最后流向地则该分支结束。

在步骤2)中，依据电流流经元件的先后顺序将元件进行分级处理，电源为第一级，往后流经的各元件级数逐级递增，同时流经电流的元件为同一等级，无需划分等级。

在步骤3)中，在满足电路原理及变换器工作原理的条件下，避免元件短路情况，各开关的开关状态分为“通”和“断”，对每级中所含有的开关元件的通断状态进行组合。

在步骤5)中，各级开关元件与非开关元件组合完成后，将各级元件组合从级数最大的等级开始，依次往级数较小的等级叠加直至电源，每叠加一级则获得相应的工作模态。

在步骤6)中，各级元件叠加完成后，依据电路基本原理及变换器的工作原理对所有模态进行筛选，符合基本原理的模态即为有效状态，否则为无效模态。

在步骤7)中，依据各模态中电流的实际流通情况整合流通路径相同的有效模态，得出复杂电力电子变换器有效模态的种类。

本发明与现有技术相比，具有如下优点与有益效果：

1、通过元件的组合叠加可以直接获得所有有效工作模态，简化电路模态的分析步骤使得分析过程更加方便、直观。

2、在对开关元件通断组合过程中，依据电路和变换器的基本原理，可剔除一些无效电路，分析时所含重复电路少，从而减少整体的分析量。

3、保证所得模态的完备性，分析结果更加全面，不会遗漏电路模态。

4、通过元件的组合叠加获得所有有效工作模态，过程便于理解，减少分析难度。

5、分析过程不包含计算，使得整体分析过程更加简单，快捷。

附图说明

图1是本发明方法的分析流程图。

图2是BUCK ZCS QRC变换器的结构图及特定电流流向。

图3是BUCK ZCS QRC变换器生成的树状图。

图4a～4k是BUCK ZCS QRC变换器所有工作模态图。

图5a～5f是BUCK ZCS QRC变换器的六种有效工作模态的等效电路图。

图6a～6b是BUCK ZCS QRC变换器不同工作模态的实验结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本实施例所提供的复杂电力电子变换器的工作模态分析方法，包括以下步骤：

1)将电力电子变换器中各元件依据电流流通的先后顺序画入树状图中，其中，依据电流流通的先后顺序是指从电源出发，将电路中所有元件依次画入树状图，在画树状图时设定电路中各元件均有特定的单向导通性，即不考虑实际元件的电流流通方向，均设定为从电源正极出发，流经各元件且无返回路径，最后流向地则该分支结束。

2)将树状图中的元件依据电流流通的先后顺序分成不同等级，其中，依据电流流经元件的先后顺序将元件进行分级处理，电源为第一级，往后流经的各元件级数逐级递增，同时流经电流的元件为同一等级，无需划分等级。

3)在满足电路原理及变换器工作原理的条件下，列出每级中所有开关元件可能存在的通断状态组合，其中，在满足电路原理及变换器工作原理的条件下，避免元件短路情况，各开关的开关状态分为“通”和“断”，对每级中所含有的开关元件的通断状态进行组合。

4)将各级中的开关状态组合分别叠加该级中的非开关元件得到该级的所有元件组合；

5)各级开关元件与非开关元件组合完成后，将各级元件组合从级数最大的等级开始，依次往级数较小的等级叠加直至电源，每叠加一级则获得相应的工作模态。

6)依据电路原理及变换器的工作原理对所有模态进行筛选，符合基本原理的模态即为有效状态，否则为无效模态，剔除无效模态后便可得到变换器所有有效工作模态。

7)合并实际电流流通路径相同的模态便可得变换器所有有效工作模态的种类，具体是：依据各模态中电流的实际流通情况整合流通路径相同的有效模态，得出复杂电力电子变换器有效模态的种类。

下面我们结合BUCK ZCS QRC变换器，对本实施例上述的工作模态分析方法作进一步详细说明，具体情况如下：

1、BUCK ZCS QRC变换器的结构

BUCK ZCS QRC变换器的结构如图2所示，它是由电源V_i，输出电阻R，滤波电感L₁、滤波电容C₁、谐振电感L_r与谐振电容C_r串联构成的谐振单元,开关管S和反向并联二极管D_s、二极管D₁组成的电路。其中开关元件包括D₁、D_s及S，非开关元件包括V_i、R、L_r、C_r、L₁、C₁。黑色箭头所指路径代表特定电流流通路径。

2、BUCK ZCS QRC变换器的树状图画法

依照电流流通元件顺序可画出电力电子变换器的树状图。依据图2所示的电流路径可得BUCK ZCS QRC变换器的树状图如图3所示。将电源设为第一等级，S、D_s设为第二等级，L_r设为第三等级，D₁、C_r及L₁设为第四等级，C₁、R设为第五等级，地为各分支的终点，电流流向地则代表该分支结束，但地无需分等级。

3、BUCK ZCS QRC变换器开关通断状态分类时的约束条件

依据电路基本原理及变换器工作原理可得BUCK ZCS QRC变换器开关通断状态分类时的约束条件如下：(1)S₁和D_S不可同时导通；(2)C_r和D₁不可同时导通。

4、BUCK ZCS QRC变换器元件的组合与叠加

依据电路基本原理及变换器工作原理，对每级中所有开关元件的通断状态进行组合。当开关关断时，将其所在支路视为开路，当开关导通时，则将其所在支路接入，画入回路中的元件即表示该元件处于导通状态。所得到的开关元件状态组合分别与该级非开关元件叠加得到该级所有元件的组合。各级元件组合叠加完成后，再进行等级之间元件的叠加，即从级数最大的等级开始，依次往级数较小的等级叠加直至电源，每叠加一级则获得相应的工作模态。

在BUCK ZCS QRC变换器树状图中，最后一级为第五级，由C₁和R组成。由于它们均是非开关元件因此可将它们直接组合。由第五级元件组成的回路可得到模态1，如图4a所示。第四级元件则包括D₁、C_r及L₁三个元件，其中D₁为开关元件，因此需对其开关状态进行分类，分别为D₁导通和D₁不导通两种状态。依据约束条件(2)可知D₁导通时C_r不导通，D₁不导通时C_r导通。L₁为非开关元件且满足约束条件，因此可将它直接叠加。将第五级组合状态叠加于第四级各组合状态中，叠加后的回路可得到模态2和模态3，分别如图4b～4c所示。第三级元件包含L_r，由于它是非开关元件同时满足约束条件，因此可直接叠加于模态2至模态3，组合成的回路可得到模态4和模态5，分别如图4d～4e所示。第二级元件包含S和D_s，它们均属于开关元件。由约束条件(1)可知，S和D_s不可同时导通，则根据其开通及关段状态可分类为(1)S导通D_s关断、(2)S关断D_s导通、(3)S和D_s均关断。第一级元件为电源，属于非开关元件，可直接进行叠加。将第二级各元件组合和第一级中的电源同时叠加于模态4和模态5后可得到模态6至模态11，分别如图4f～4k所示。通过以上的叠加运算即可得出BUCK>

5、BUCK ZCS QRC变换器的模态分类

列出所有可能存在的模态后，剔除无效模态1，剩余模态均为有效模态。在剩余的10个有效模态中依据实际电流流通路径进行整合，路径相同的模态整合为同一类，因此可获得以下六种模态，模态6属于模态I；模态9属于模态II，模态10属于模态III，模态3、5、11属于模态IV，模态2、4、8属于模态V，模态7属于模态VI。模态I～VI分别如图5a～5f所示。

6、BUCK ZCS QRC变换器的工作模态分析

在正常工作条件下，变换器中滤波电感L_f>>谐振电感L_r，BUCK>r的充电阶段，开关管S零电流导通；模态II表示BUCK>1关断；模态III表示电路工作于谐振阶段二，开关管S关断，反并联二极管D_s导通；模态IV表示BUCK>1均处于关断状态，电容C_r放电；模态V表示变换器处于自然续流阶段，此时二极管D₁导通。变换器工作在模态VI时则表示反并联二极管D_s与二极管D₁导通，电感向电源放电。将所有模态依据约束条件进行筛选后所得的即是BUCKZCS>

以上所述实施例只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。