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(shí)還會(huì)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(shuō)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(jì)者為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖無(wú)意中帶進(jìn)設(shè)計(jì)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(huì)被激發(fā)。

    電子設(shè)計(jì)中容易造成潛路徑的電路主要是模擬的功率開(kāi)關(guān)電路[4]，而模擬的功率開(kāi)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(yùn)行的安全可靠性。
    在電力電子變換器的潛電路分析中，對(duì)電路中的電流路徑進(jìn)行遍歷的算法以及如何找到實(shí)際存在的所有電流路徑及剔除無(wú)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(diǎn)。而在現(xiàn)有的電力電子變換器潛電路分析方法中，對(duì)無(wú)效路徑的剔除方法大多是針對(duì)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(duì)無(wú)效路徑的判據(jù)不全面、不規(guī)范，則不能保證無(wú)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(shí)際上并不存在的無(wú)效路徑，因此無(wú)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(wú)效路徑，則需要完備的無(wú)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(wú)效電流路徑剔除方法。
1 開(kāi)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(shù)生成方面需要投入大量的前期工作，分析周期長(zhǎng)且分析成本高[1]。在系統(tǒng)規(guī)模不大且設(shè)計(jì)更改頻繁的情況下實(shí)施難度大。而簡(jiǎn)化的SCA方法不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)樹(shù)的生成，實(shí)施較為便捷，適用于系統(tǒng)規(guī)模較小和設(shè)計(jì)更改頻繁的情況。電力電子變換器潛電路的分析適合簡(jiǎn)化的SCA方法。開(kāi)關(guān)電路廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中，對(duì)含有功率開(kāi)關(guān)器件的電力電子電路進(jìn)行潛電路分析的基本思路如下。
1.1 首先建立分析模型
    對(duì)一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，隱去開(kāi)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(gè)圖，即將變換器用廣義連接矩陣、鄰接矩陣或開(kāi)關(guān)布爾矩陣等不同的矩陣模型描述。
    在電路建模過(guò)程中, 可以對(duì)電路模型適當(dāng)簡(jiǎn)化以減少后期的工作量[5]。簡(jiǎn)化方法主要有：
    （1）忽略次要元件，即對(duì)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(gè)電路元件組合起來(lái)實(shí)現(xiàn)同一個(gè)功能，則可將其視為一個(gè)整體，而不必對(duì)每個(gè)元件建模；
    （3）分解元件。復(fù)雜元件可以分解為若干個(gè)簡(jiǎn)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(diǎn)序列來(lái)表示，用節(jié)點(diǎn)序列表示電流路徑，既方便了路徑的存儲(chǔ)和讀取，也使?jié)撛陔娐酚?jì)算機(jī)分析成為可能，進(jìn)而對(duì)電路中所有的電流路徑進(jìn)行遍歷搜索。目前存在的有對(duì)所有開(kāi)關(guān)狀態(tài)進(jìn)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(duì)于路徑遍歷得到的所有電流路徑，首先根據(jù)無(wú)效路徑的剔除方法找出無(wú)效路徑并剔除，則為變換器實(shí)際存在的所有電流路徑，即實(shí)際路徑；再依據(jù)設(shè)計(jì)要求得到設(shè)計(jì)所預(yù)期的路徑；若實(shí)際路徑數(shù)目大于預(yù)期路徑數(shù)目，則存在潛電路，從實(shí)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(duì)得到的潛在路徑進(jìn)行分析，改進(jìn)電路以消除潛在路徑，從而提高整個(gè)電路的穩(wěn)定性及可靠性。
2 一般的無(wú)效路徑剔除方法
    若某頂點(diǎn)序列表示的一條電流通路在實(shí)際電路運(yùn)行中不會(huì)出現(xiàn)，則為無(wú)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(duì)無(wú)效路徑的剔除方法大多是針對(duì)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(xiàn)[6]提出，基于鄰接矩陣表示、深度優(yōu)先搜索算法進(jìn)行遍歷后得到全部電流路徑，其無(wú)效路徑判據(jù)是針對(duì)單相全橋逆變電路中要求上下橋臂開(kāi)關(guān)管互補(bǔ)導(dǎo)通，故需設(shè)置一個(gè)預(yù)處理?xiàng)l件剔除含有上下2個(gè)開(kāi)關(guān)管同時(shí)導(dǎo)通的路徑。
3 無(wú)效路徑剔除的新方法
    一般的無(wú)效路徑剔除方法大多是針對(duì)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(shí)現(xiàn)完全剔除無(wú)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(duì)電力電子變換器電路中的無(wú)效路徑判據(jù)如下。
3.1 依據(jù)開(kāi)關(guān)器件自身特點(diǎn)
    對(duì)于全控型開(kāi)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(gè)單一電路元件。在電路建模時(shí)，應(yīng)將此類(lèi)復(fù)雜元件分解為若干個(gè)簡(jiǎn)單元件的組合[5]，并將其當(dāng)作多個(gè)獨(dú)立的電路元件看待，例如常用的開(kāi)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(huì)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。考慮到實(shí)際工作情況，這里需要將寄生二極管單獨(dú)看作一個(gè)開(kāi)關(guān)器件，當(dāng)且僅當(dāng)全控器件斷開(kāi)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(shí)，寄生二極管導(dǎo)通。從而得出以下路徑均為無(wú)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(kāi)，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)浼s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(gè)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(kāi)關(guān)器件串聯(lián)，則此路徑應(yīng)判定為無(wú)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(shí)，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(wú)效路徑。
3.3 依據(jù)元件約束關(guān)系
    在不含儲(chǔ)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(wú)效路徑。
3.4 依據(jù)開(kāi)關(guān)組合中各開(kāi)關(guān)元件的匹配情況
    為實(shí)現(xiàn)某種電路功能，對(duì)一組開(kāi)關(guān)中的各開(kāi)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(kāi)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(diǎn)空比為50%，即不能同時(shí)導(dǎo)通。
4 電路舉例
    對(duì)于如圖3所示的基本降壓式諧振開(kāi)關(guān)電容變換器，根據(jù)參考文獻(xiàn)[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(wú)效路徑剔除方法，其無(wú)效路徑剔除過(guò)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(shí)導(dǎo)通，即S1與Ds1、S1與Ds2不能同時(shí)導(dǎo)通；并且諧振電路要求2個(gè)開(kāi)關(guān)元件輪流導(dǎo)通，即S1與S2不能同時(shí)導(dǎo)通，則可判定0→1→2→4(S1與S2同時(shí)導(dǎo)通)；3→2→1→0→4(Ds1與Ds2同時(shí)導(dǎo)通)為無(wú)效路徑。

    （2）根據(jù)KVL，單一的電阻元件不能被開(kāi)關(guān)器件短路，則2→4→3為無(wú)效路徑。
    全部電流路徑經(jīng)過(guò)以上無(wú)效路徑剔除過(guò)程后，得到的是實(shí)際存在的所有電流路徑，即實(shí)際電流路徑。又由已知的基本降壓式諧振開(kāi)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(shí)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(xiàn)[7]和參考文獻(xiàn)[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(wú)效路徑剔除的新方法，如形成開(kāi)關(guān)器件的分解模型、基本電路原理對(duì)實(shí)際電路各元件的約束如何體現(xiàn)、各開(kāi)關(guān)器件的相互匹配等。目的在于盡可能搜索出所有無(wú)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(kāi)關(guān)電容變換器為例進(jìn)行潛電路分析，結(jié)果驗(yàn)證了本文所述的無(wú)效路徑剔除方法的可行性和正確性。
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