有源钳位准Y源逆变器及其PWM控制方法

《Chinese Journal of Electrical Engineering》：Active Clamped Quasi-Y-Source Inverter and Its PWM Control Method

　　

为了应对传统准Y源逆变器（quasi-Y-source inverter, qYSI）中母线电压峰值过高的问题，研究人员引入了一种新颖的有源钳位型准Y源逆变器（active clamp-type quasi-Y-source inverter）。功率开关、电容和二极管被嵌入准Y源逆变器，形成钳位电路，以抑制直流（DC）母线上的电压峰值，并提高逆变器的电压增益。同时，研究人员引入了一种改进的脉冲宽度调制（pulse-width modulation, PWM）方法。通过错开逆变器开关中的直通（shoot-through, ST）状态与附加开关的导通（on-state）状态，可以进一步提高电压增益，并降低输入电感的高频峰值电流纹波（high-frequency peak-to-peak current ripple）。研究人员详细分析了逆变器的工作原理，推导了电压增益和器件电压应力（device voltage stress）的公式，并将该逆变器的性能与其他逆变器进行了比较。最后，研究人员搭建了原型样机进行验证，实验结果证实了该逆变器的可行性。

**研究背景与问题**
传统电压源逆变器（voltage-source inverter, VSI）不具备升压功能，为获得高交流输出电压，需在前端插入直流-直流变换器，形成两级功率逆变器，但这增加了系统复杂度。Z源逆变器（Z-source inverter, ZSI）和准Z源逆变器（quasi-Z-source inverter, qZSI）通过引入阻抗网络克服了桥臂直通问题，但高电压增益需高占空比，导致调制指数低、输出波形畸变严重，且H桥半导体承受高电压应力。Y源逆变器（Y-source inverter, YSI）利用耦合电感引入匝比N，可在特定占空比下提升电压增益，但耦合电感漏感引起直流母线电压尖峰，影响器件可靠性。现有解决方案如Δ源阻抗网络、分裂式Y源、二极管辅助钳位等存在设计复杂、成本增加或不能完全消除尖峰等不足。为此，研究人员提出了一种有源钳位型准Y源逆变器（active clamp-type quasi-Y-source inverter, AC-YSI），旨在抑制电压尖峰并提高电压增益，同时设计改进的PWM控制方法以进一步优化性能。该论文发表在《Chinese Journal of Electrical Engineering》。

**关键技术方法**
研究人员采用的主要关键技术方法包括：（1）拓扑设计：在传统准Y源逆变器基础上嵌入功率开关S₀、电容C₃、二极管D₂和D₃，构成有源钳位电路，用于抑制直流母线电压尖峰并提高电压增益；（2）改进PWM调制策略：利用两个不同频率的载波（v_tri和v_tri0），将附加开关S₀的导通信号错开逆变桥的直通（shoot-through, ST）信号，使S₀与ST状态交替工作，从而进一步提高电压增益并降低输入电感的高频峰值电流纹波；（3）理论分析：基于基尔霍夫定律（KCL/KVL）和伏秒平衡原理，推导电流、电压表达式及电压增益公式；（4）实验验证：基于TMS320F28335微控制器搭建样机，在输入电压48V、占空比d=0.135、S₀导通占空比d₀=0.15、负载电阻100Ω等参数下进行测试。

**研究结果**
**Section 1 Introduction**
研究人员通过文献综述指出传统VSI、ZSI、qZSI及Y源逆变器存在的问题，提出本研究的必要性。
**Section 2 Circuit Analysis**
- **2.1 Operation Principle**：将AC-YSI的工作状态分为直通（ST）和非直通（NST）两个大阶段，其中由于漏感影响，每个阶段又细分为两个子阶段，共四种工作模式（Phase I–IV）。Phase I（ST初期）：逆变桥上下管同时导通，S₀开通，D₂、D₃关断，D₁因漏感电流续流；Phase II（ST稳态）：D₁关断，输入电源与电容共同对输入电感L_in和磁化电感L_m充电；Phase III（NST初期）：逆变桥正常工作，S₀关断，所有二极管导通，电容C₃和D₃钳位直流母线电压，使耦合电感电流线性变化，避免电压尖峰；Phase IV（NST末期）：D₃电流降至零后关断，直流母线电压略有下降。
- **2.2 Current Analysis**：忽略Phase I的极短时间，基于KCL和耦合电感匝比关系，推导出各阶段电容电流表达式，并利用电容安秒平衡（ampere-second balance）得到比例系数α、磁化电流I_m和输出电流I₀的表达式，其中α = 2d(1-d)/(K+d)，K = (N₁+N₃)/(N₃-N₂)为耦合电感匝比。
- **2.3 Voltage Analysis**：忽略Phase I，对ST和NST阶段分别列写KVL方程，结合伏秒平衡原理，推导出电容电压V_C1、V_C2、V_C3和直流母线电压V_dc的表达式，得到电压增益B = 1/[1-(K+2)d]。
**Section 3 PWM Control Method of Inverter**
- **3.1 Traditional PWM Method**：传统简单升压调制（SBC）下，ST占空比d限制调制指数M ≤ 1-d，导致输出谐波增大；电感电流纹波与B和L相关，高增益需大电感或高频开关，增加损耗。
- **3.2 Improved PWM Method**：提出改进方法，将S₀的控制信号与逆变桥的ST信号错开，使S₀在ST间隔之外导通，且S₀载波频率为逆变桥载波频率的两倍，从而增加电感工作频率，降低电流纹波。
- **3.3 Analysis of the Improved PWM Method**：在改进方法下，逆变器存在三种工作模式：ST模式（S₀关断，逆变桥直通）、NST模式1（S₀关断，逆变桥正常）、NST模式2（S₀导通，逆变桥正常）。通过伏秒平衡重新推导电容电压和直流母线电压：V_dc = 1/[1-(K+1)d-d₀]·V_in，即电压增益B = 1/[1-(K+1)d-d₀]。当d₀ = d时，与传统方法增益相同；当d₀ > d时，增益提高。交流侧电压增益G = M·B，在相同调制指数下，改进方法可获得更高增益，改善输出波形质量。
**Section 4 Comparative Analysis**
- **4.1 Inductor Current Ripple Comparison**：推导传统和改进方法下输入电感的高频峰值电流纹波表达式。当d₀ = d时，改进方法的纹波Δi_Lin = d(1-2d)V_in/[2f_triL[1-(K+2)d]]，传统方法的纹波Δi_{Lin_C} = 2d(1-d)V_in/[2f_triL[1-(K+2)d]]，显然改进方法纹波显著降低，且电感需求量更小。
- **4.2 Comparison of Voltage Stresses**：给出两种方法下器件电压应力的对比表（Tab. 1）和曲线（Fig. 9）。在相同电压增益下，AC-YSI的电容C₁、C₂电压应力低于传统准YSI，且改进方法下应力进一步降低；电容C₃电压等于增益B。
**Section 5 Experimental Verification**
搭建实验样机（TMS320F28335），参数：V_in=48V，d=0.135，d₀=0.15，R=100Ω，K=3。传统方法下，直流母线电压V_dc实测约240V（理论252.6V），电感电流纹波约3A；改进方法下，V_dc实测约262V（理论274.2V），纹波约1.8A，且频率加倍。二极管反向电压和电容电压与理论值吻合。效率对比显示，在低功率时AC-YSI效率略低，但在高功率时因能量回收而效率更高，且改进方法效率优于传统方法。

**总结与结论**
本文提出了一种有源钳位型准Y源逆变器（AC-YSI）。在传统准Y源逆变器中嵌入开关、电容和二极管，形成钳位电路，能够成功降低直流母线电压峰值，提高逆变器电压增益，并降低逆变器电容和二极管的电压应力。研究人员针对该逆变器改进了PWM方法。通过错开直通（ST）信号和开关S₀的控制信号，可以进一步提高电压增益，使参数设计更加灵活，并减小输入电感的高频峰值电流纹波，这有助于减小电感体积。研究人员搭建了实验样机，验证了该逆变器及其PWM方法的性能。