專利名稱：使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所涉及的是一種電能變換裝置，具體地說是使用耦合電感的有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器。
背景技術(shù)：
近年來隨著可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的實施和節(jié)能減排工程的推進(jìn)，以逆變器(將直流電變換為交流電的裝置)和整流器(將交流電變換為直流電的裝置)為主要代表的三相和單相電力電子變流器得到了人們越來越多的重視和廣泛應(yīng)用。在電力電子變流器的典型應(yīng)用場合如不間斷電源、電機(jī)的變頻驅(qū)動器以及風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電等中對電力電子變流器的性能提出了許多的要求，如高運行效率、高功率密度、低輸出諧波、低電磁干擾等。目前電力電子變流器大多都采用“硬開關(guān)”的PWM技術(shù)，電力電子功率開關(guān)器件需要在高電壓大電流下開關(guān)動作，每次開通與關(guān)斷過程中其承受的電壓與流過的電流會出現(xiàn)相乘不為零的重疊部分，因而產(chǎn)生開關(guān)損耗，電力電子功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗又可以細(xì)分為開關(guān)管的開通損耗、開關(guān)管的關(guān)斷損耗以及二極管的反向恢復(fù)損耗。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗會急劇增加，系統(tǒng)效率會急劇下降，如果開關(guān)損耗過大還會導(dǎo)致電力電子開關(guān)器件結(jié)溫過高以至損壞器件，而過低的開關(guān)頻率帶來輸出諧波大、動態(tài)響應(yīng)慢、功率密度低等問題。 因此開關(guān)損耗限制了變流器開關(guān)頻率的提高和性能的改善，如果采用無源緩沖電路只是把開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到電阻電容上，系統(tǒng)的效率仍然不高。硬開關(guān)過程不僅產(chǎn)生開關(guān)損耗，還會引起很大的電流變化率，在開關(guān)器件關(guān)斷時在器件上產(chǎn)生很大的電壓尖峰，為了保證安全，開關(guān)器件需要降額使用。此外硬開關(guān)還產(chǎn)生高頻的電磁干擾，影響周圍電子設(shè)備的正常運行。 于是人們研究提出了采用“軟開關(guān)”技術(shù)來解決上面的問題，所謂“軟開關(guān)”是利用了諧振的原理，在電壓或者電流諧振過零的時刻執(zhí)行開關(guān)動作，從而大大減少開關(guān)損耗。使用耦合電感的零電壓軟開關(guān)技術(shù)是一種新型的軟開關(guān)技術(shù)，其基本的思想是在主開關(guān)開通過程中，通過輔助開關(guān)器件觸發(fā)耦合電感與主開關(guān)管的并聯(lián)電容的諧振，使得主開關(guān)管的電壓諧振到零以后再開通，從而實現(xiàn)主開關(guān)器件的零電壓開通，消除了開通損耗。在關(guān)斷過程中，則通過主開關(guān)并聯(lián)電容的作用，減緩主開關(guān)的電壓變化速度，使得其電流先降為零電壓才上升，從而減少電壓電流的重疊部分實現(xiàn)關(guān)斷損耗的減少。多電平的變流器與兩電平變流器相比有許多優(yōu)點，從上個世紀(jì)80年代以來一直是研究的熱點之一。目前二極管中點電壓鉗位三電平變流器應(yīng)用比較廣泛，在市場中占有較大的份額，其三相逆變器電路見圖1，其主要的優(yōu)點有其開關(guān)器件只承受一半的直流電壓應(yīng)力，因而可以選擇電壓等級較低的開關(guān)器件；其輸出的等效開關(guān)頻率是器件實際開關(guān)頻率的兩倍，因而減少了濾波器的體積和重量，提高了系統(tǒng)的功率密度；其電壓電流的變化率也為兩電平的一半，因而電磁干擾問題有所緩解。如何進(jìn)一步減少中點電壓鉗位三電平變流器的損耗提高其性能是人們研究比較多的一個問題。已有技術(shù)[I]，見 IEEE Transaction on industrial electronics雜志 2005 年第 52卷第三期刊登的，，The Active NPC Converter and Its Loss-balancing Control，，一文(作者Thomas Bruckner等)，該技術(shù)采用有源的電力電子開關(guān)替換無源的二極管作為中點電壓鉗位的器件，其三相逆變電路見圖2。采用有源中點電壓鉗位的三電平變流器具有以下特點無論輸出相電流的方向，其輸出零電平的開關(guān)狀態(tài)由一種增加到兩種，這兩種零電平開關(guān)狀態(tài)會在不同的開關(guān)管和二極管上產(chǎn)生開關(guān)損耗，所以通過選擇合理分配這兩種零電平的開關(guān)狀態(tài)，可以將損耗平均地分布在內(nèi)側(cè)和外側(cè)的開關(guān)器件上，克服了采用二極管鉗位中點電壓鉗位三電平變流器損耗分布不平均的問題，減少了外側(cè)開關(guān)管上的熱應(yīng)力，從而可以提高了開關(guān)頻率和系統(tǒng)性能。但該技術(shù)只是把損耗均勻地分布在不同的開關(guān)器件上，并沒有減少變流器總的開關(guān)損耗，系統(tǒng)的效率并沒有提高。已有技術(shù)[2],見 IEEE Transactions on Industry Electronics 雜志 2002 年第 49 卷第 4 期刊登的 “Zero-voltage switching for the neutral-point-clamped (NPC) inverter”一文(作者Xiaoming Yuan等)，該逆變器原理圖見圖3。該技術(shù)在公知的二極管中點電壓鉗位三電平變流器的每相橋臂中加入一組零電壓軟開關(guān)輔助電路，該輔助電路只在輸出電平轉(zhuǎn)換時工作，在主開關(guān)開通前將其電壓諧振到零，使得主開關(guān)管在零電壓條件下開通，從而減少了主開關(guān)管的開關(guān)損耗。該拓?fù)涞膬?yōu)點是主開關(guān)器件的損耗得到很大的減少，同時所有輔助開關(guān)管也是零電流開關(guān)，且輔助開關(guān)器件的容量遠(yuǎn)小于主開關(guān)器件。但該技術(shù)的缺點是輔助電路太復(fù)雜，每組輔助電路包含4個輔助開關(guān)器件、4個輔助二極管、4 個諧振電容、一個三繞組的耦合電感，且控制非常復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供了一種新型的基于使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，該有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器具有結(jié)構(gòu)以及控制簡單、易于模塊化設(shè)計、可靠性更高，更易于實用化等優(yōu)點。本發(fā)明是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容、及與該兩個串聯(lián)的電容相連的主電路，在主電路上連接有輔助電路，其特征在于所述主電路包括依次串聯(lián)連接的開關(guān)管T1、T2、T3、T4及與該開關(guān)管分別反并聯(lián)的二極管D1、 D2、D3、D4 ;所述開關(guān)管Tl、Τ2及Τ3、Τ4之間并聯(lián)連接有兩個串聯(lián)的開關(guān)管Τρ、Tn,與該兩開關(guān)管分別反并聯(lián)有二極管Dp和Dn ；所述輔助電路包括分別并聯(lián)連接于開關(guān)管Τ2、Τ3上的兩個諧振電容、連接于開關(guān)管Tl、Τ2輸出端的耦合電感5以及并聯(lián)在主電路二極管Dp和Dn輸出端的輔助開關(guān)電路。本發(fā)明的進(jìn)一步特征在于所述開關(guān)管Tp的集電極與開關(guān)管Tl、Τ2的連接點C相連，開關(guān)管Tn的發(fā)射集與開關(guān)管Τ3、Τ4的連接點D相連。所述直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容分別設(shè)正電平點P、零電平點O和負(fù)電平點N，開關(guān)管Tl的集電極與直流側(cè)的正電平點P相連接，開關(guān)管Τ4的發(fā)射極與直流側(cè)的負(fù)電平點N 相連接，開關(guān)管Tp、Tn的連接點與零電平O相連。所述兩個諧振電容分別為輔助諧振電容C2和C3，該輔助諧振電容C2和C3分別與反并聯(lián)于開關(guān)管Τ2和Τ3端的二極管D2、D3并聯(lián)，并與開關(guān)管Τ2和Τ3相并聯(lián)。所述輔助開關(guān)電路包括兩相互串聯(lián)連接的開關(guān)管Tal、Ta2，以及與該開關(guān)管Tal、Ta2分別反并聯(lián)的二極管Dal、Da2，在開關(guān)管Tal、Ta2之間還反并聯(lián)有二極管Da3、Da4 ;所述輔助開關(guān)電路的一端E與開關(guān)管Tl、T2的連接點C連接，另一端F與開關(guān)管T3、T4的連接點D連接。所述耦合電感為耦合電感Tx，其包括有一個原邊繞組Np，一個副邊繞組Ns，兩繞組的一對異名端H相短接與開關(guān)管Τ2和Τ3連接點A連接，另一對異名端分別與Tal、Ta2 的連接點B和Da3、Da4的連接點G連接。耦合電感Tx可以等效為由原邊繞組Np和副邊繞組Ns構(gòu)成的理想變壓器，其中Lm是變壓器等效勵磁電感，Lr是等效諧振電感，Lr在電路工作中起到非常重要的作用。所述開關(guān)管為IGCT、IGBT, MOSFET或GTO半導(dǎo)體功率開關(guān)器件。所述使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器應(yīng)用于單相逆變器電路、單相整流器電路、三相逆變器電路、三相整流器電路以及五相、六相整流逆變器多相電路中。本發(fā)明的三電平零電壓軟開關(guān)電路在有源中點電壓鉗位三電平電路的基礎(chǔ)上，每相橋臂增加了一組的零電壓軟開關(guān)輔助電路。每組輔助開關(guān)電路僅包括2個輔助開關(guān)器件、2個輔助二極管，2個諧振電容，一個兩繞組耦合電感。比已有技術(shù)[2]相比每相的輔助電路節(jié)省了 2個輔助開關(guān)器件，2個輔助二極管，2個諧振電容和一個耦合電感繞組。此外本發(fā)明的該電路保持了已有技術(shù)[2]中零電壓軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點，可以實現(xiàn)所有輸出電平轉(zhuǎn)換過程中所有主開關(guān)管的零電壓開通，大大減少了主開關(guān)管上的開關(guān)損耗，此外輔助電路中的輔助開關(guān)器件也實現(xiàn)了零電流開關(guān)且其容量遠(yuǎn)小于主開關(guān)器件。本發(fā)明主電路的每個三電平橋臂可以采用三個兩電平的半橋開關(guān)模塊來構(gòu)成，而輔助開關(guān)器件也可以用一個半橋開關(guān)模塊和一個二極管半橋模塊實現(xiàn)。因此本發(fā)明公開的該有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)電路具有性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)以及控制簡單、易于模塊化設(shè)計、可靠性更高，易于實用化等優(yōu)點。


圖I是公知技術(shù)二極管中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路。圖2是已有技術(shù)[I]的有源中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路。圖3是已有技術(shù)[2]的二極管中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)單相電路。圖4是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器單相橋臂電路。圖5是本發(fā)明中耦合電感的等效電路圖。圖6是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)單相逆變器電路。圖7是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)單相整流器電路。圖8是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電電壓軟開關(guān)三相逆變器電路。圖9是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電電壓軟開關(guān)三相整流器電路。圖10(a)是本發(fā)明電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流為正時，一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號。圖10(b)是本發(fā)明電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流為負(fù)時,一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號。圖11(a)是本發(fā)明電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流為正時,一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號。圖11(b)是本發(fā)明電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流為負(fù)時,一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號。圖12為本發(fā)明電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流方向為正時，一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間轉(zhuǎn)換的零電壓軟開關(guān)波形。圖13(a) 圖13(f)為本發(fā)明電路在輸出相電壓正半周輸出相電流方向為正時， 一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間零電壓開關(guān)過程中的各個電路狀態(tài)。圖14為本發(fā)明電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流方向為負(fù)時,一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間轉(zhuǎn)換的零電壓軟開關(guān)波形。圖15(a) 圖15(f)為本發(fā)明電路在輸出相電壓正半周輸出相電流方向為負(fù)時， 一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間零電壓開關(guān)過程中的各個電路狀態(tài)。圖16為本發(fā)明電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流方向為正時，一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換的零電壓軟開關(guān)波形。圖17(a) 圖17(f)為本發(fā)明電路在輸出相電壓負(fù)半周輸出相電流方向為正時， 一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間零電壓開關(guān)過程中的各個電路狀態(tài)。圖18為本發(fā)明電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流方向為負(fù)時，一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換的零電壓軟開關(guān)波形。圖19(a) 圖19(f)為本發(fā)明電路在輸出相電壓負(fù)半周輸出相電流方向為負(fù)時， 一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間零電壓開通過程中的各個電路狀態(tài)。
具體實施例方式如圖4所示，使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容I、及與該兩個串聯(lián)的電容I相連的主電路2，在主電路2上連接有輔助電路，其中主電路2包括依次串聯(lián)連接的開關(guān)管Tl、T2、T3、T4及與該開關(guān)管分別反并聯(lián)的二極管D1、D2、D3、D4 ;開關(guān)管T1、T2及Τ3、Τ4之間并聯(lián)連接有兩個串聯(lián)的開關(guān)管Τρ、Τη， 與該兩開關(guān)管分別反并聯(lián)有二極管Dp和Dn ;開關(guān)管Tp的集電極與開關(guān)管Τ1、Τ2的連接點 C相連，開關(guān)管Tn的發(fā)射集與開關(guān)管Τ3、Τ4的連接點D相連。輔助電路包括分別并聯(lián)連接于開關(guān)管Τ2、Τ3上的兩個諧振電容6、連接于開關(guān)管 Τ1、Τ2輸出端的耦合電感5以及并聯(lián)在主電路2 二極管Dp和Dn輸出端的輔助開關(guān)電路4。主電路2中，直流側(cè)由兩個串聯(lián)的電容I分別設(shè)正電平點P、零電平點O和負(fù)電平點N，開關(guān)管Tl的集電極與直流側(cè)的正電平點P相連接，開關(guān)管Τ4的發(fā)射極與直流側(cè)的負(fù)電平點N相連接，開關(guān)管Tp、Tn的連接點與零電平O相連。輔助電路中，兩個諧振電容6分別為輔助諧振電容C2和C3，該輔助諧振電容C2和 C3分別與反并聯(lián)于開關(guān)管Τ2和Τ3端的二極管D2、D3并聯(lián)，并與開關(guān)管Τ2和Τ3相并聯(lián)。輔助電路中，輔助開關(guān)電路4包括兩相互串聯(lián)連接的開關(guān)管Tal、Ta2，以及與該開關(guān)管Tal、Ta2分別反并聯(lián)的二極管Dal、Da2，在開關(guān)管Tal、Ta2之間還反并聯(lián)有二極管 Da3、Da4 ;所述輔助開關(guān)電路4的一端E與開關(guān)管T1、T2的連接點C連接，另一端F與開關(guān)管Τ3、Τ4的連接點D連接。輔助電路中，耦合電感5為耦合電感Τχ，其包括有一個原邊繞組Np，和一個Ns副邊繞組，其諧振電感大小為Lr，該諧振電感可為變壓器漏感也可以是變壓器漏感和外加串聯(lián)電感之和，兩繞組的一對異名端H相短接與開關(guān)管T2和T3連接點A連接，另一對異名端分別與Tal、Ta2的連接點B和Da3、Da4的連接點G連接。所述耦合電感為Tx，其等效電路圖見圖5，該等效電路包含一個原邊繞組為Np，副邊繞組為Ns的理想變壓器，變壓器勵磁電感Lm和諧振電感Lr。勵磁電感Lm中的勵磁電流很小，對電路的工作過程影響不大，因此在分析工作原理時可以忽略勵磁電感；而諧振電感 Lr在電路工作中起到非常重要的作用，該電感可以為變壓器的漏感也可為變壓器漏感與外加串聯(lián)電感之和。如圖6和圖7所示，為本發(fā)明的單相全橋逆變器與整流器電路，使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)電路可以應(yīng)用于單相逆全橋變器電路及單相整流器電路中；圖
8、圖9為本發(fā)明的三相逆變器和三相整流器電路。使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)電路除了在單相和三相電路中應(yīng)用外，也可以擴(kuò)展到五相六相等更多相整流、逆變電路中。如圖6，7，8，9所示為本電路在單相、三相整流及逆變器中的應(yīng)用，圖中用字母Q標(biāo)識開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管。圖6、圖7、圖8、圖9中，QA「QA6、QM-QB6、Qa-Qc6等效于圖4中 T1-T4、Tp、Tn, DAX1~DAX2> Dbxi-Dbx2> Dcxi-Dcx2 等效于圖 4 中 Dda3-Dda4, Qax「Qax2、Qbx「Qbx2、Qcxi_Qcx2 等效于圖4中Da3-Da4, Tax, Tbx, Tcx等效于圖4中Tx。無論是單相還是三相應(yīng)用中每個橋臂的輔助電路都是獨立工作，可以通過對一個橋臂的分析來說明本發(fā)明電路的特點及其工作原理，圖4所示為本發(fā)明單個橋臂的電路原理圖。如圖4所示，與已有技術(shù)[2]不同，本發(fā)明電路的特征在于第一、本發(fā)明的主電路不同，本發(fā)明的主電路2包含了依次串聯(lián)連接的開關(guān)管Τ1、Τ2、Τ3、Τ4及其反并聯(lián)的二極管 Dl、D2、D3、D4，此外還包括起中點電壓鉗位作用的兩個串聯(lián)開關(guān)管Tp、Tn及其反并聯(lián)二極管Dp和Dn，Tp的集電極與T1、T2的連接點C相連，Tn的發(fā)射集與Τ3、Τ4的連接點D相連。 直流側(cè)由兩個串聯(lián)的電容I提供正電平點P、零電平點O和負(fù)電平點Ν，Τ1的集電極與直流側(cè)的正電平點P相連接，Τ4的發(fā)射極與直流側(cè)的負(fù)電平點N相連接，Tp、Tn的連接點與零電平O相連。第二、本發(fā)明采用的輔助電路不同，每個橋臂的輔助電路由一個輔助開關(guān)電路
4、一個耦合電感5和兩個諧振電容6組成，而每個輔助開關(guān)電路包括兩個串聯(lián)連接的輔助開關(guān)管Tal和Ta2及其反并聯(lián)二極管Dal和Da2，以及串聯(lián)連接的輔助二極管Da3和Da4， Da3與Da4串聯(lián)后的兩端又與Tal和Ta2的兩端相連。耦合電感Tx有兩個繞組，Np為原邊繞組，Ns為副邊繞組，兩繞組的一對異名端相短接，另一對異名端分別與Tal、Ta2的連接點 B和Da3、Da4的連接點G連接。第三、輔助電路與主電路的連接不相同。輔助開關(guān)電路的一端E與開關(guān)管T1、T2的連接點C連接，另一端F與開關(guān)管Τ3、Τ4的連接點D連接，輔助諧振電容C2和C3分別與開關(guān)管Τ2和Τ3并聯(lián)，耦合電感相短接的異名端H與開關(guān)管Τ2、Τ3 的連接點A連接。A點為橋臂輸出節(jié)點，連接負(fù)載或者電網(wǎng)，由于負(fù)載多為感性負(fù)載，并網(wǎng)應(yīng)用中變流器多被控制成電流源，所以圖4中用一個正弦的電流源3來代替負(fù)載和電網(wǎng)。由于逆變器與整流器工作時變流器主電路都是相同的，以下以逆變器為對象分析本發(fā)明電路的工作原理，其分析同樣適用于整流器。因每相橋臂的輔助電路是獨立工作的， 可以以一相橋臂為例說明輸出電平轉(zhuǎn)換過程中電路工作的各個狀態(tài)。
如圖4所示為本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)逆變器一個橋臂的電路圖，其中Tl，T2，T3，T4，Tp, Tn是主電路橋臂的開關(guān)管，Dl, D2，D3，D4，Dp, Dn為相應(yīng)開關(guān)管的反并聯(lián)二極管；Tal，Ta2為輔助電路的輔助開關(guān)管，Dal和Da2為相應(yīng)輔助開關(guān)管的反并聯(lián)二極管；Da3和Da4為輔助電路的輔助二極管；Tx為耦合電感，其原邊匝數(shù)為Np， 副邊匝數(shù)為Ns，諧振電感為Lr ；C2和C3為并聯(lián)在主開關(guān)管T2和T3旁的諧振電容，在T2或 T3關(guān)斷過程中起到減緩T2和T3的電壓變化率減少開關(guān)管的關(guān)斷損耗的作用，而在T2或 T3的開通過程中這兩個電容與諧振電感Lr諧振，實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓開通。根據(jù)中點電壓鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制原理，當(dāng)輸出相電壓為正半周期時， 逆變橋的輸出電平在正電平與零電平之間轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸出相電壓負(fù)半周期時，逆變橋的輸出電平在負(fù)電平與零電平之間轉(zhuǎn)換。兩類轉(zhuǎn)換需要開通關(guān)斷的開關(guān)器件是不同的I、輸出電平在正電平與零電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)逆變橋輸出正電平時，主開關(guān)管Tl、T2、Tn開通，主開關(guān)管T3、T4、Tp關(guān)斷；當(dāng)輸出零電平時， 主開關(guān)管T1、T3和Tn開通，主開關(guān)管Τ2、Τ4、Τρ關(guān)斷。輸出電平在零電平與正電平之間轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)輸出相電流為正時(流出逆變橋臂)開關(guān)損耗出現(xiàn)在T2、D3，當(dāng)輸出相電流為負(fù)(流入逆變橋臂)時開關(guān)損耗出現(xiàn)在T3、D2。2、輸出電平在負(fù)電平與零電平轉(zhuǎn)換。當(dāng)有源中點電壓鉗位三電平零電壓軟開關(guān)逆變橋輸出負(fù)電平時，主開關(guān)管T3、T4、Tp開通，主開關(guān)管Tl、T2、Tn關(guān)斷；當(dāng)輸出零電平時， 主開關(guān)管T2、T4和Tp開通，主開關(guān)管Tl、T3、Tn關(guān)斷。輸出電平在零電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)輸出相電流為正時(流出逆變橋臂)開關(guān)損耗出現(xiàn)在T2、D3，當(dāng)輸出相電流為負(fù)(流入逆變橋臂)時開關(guān)損耗出現(xiàn)在T3、D2，因而輸出負(fù)電平與零電平轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗只出現(xiàn)在T2、T3兩個開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管D2、D3上。可見對于有源中點電壓鉗位三電平逆變器按以上所述選擇開通關(guān)斷的開關(guān)器件， 就可以使得不論是輸出電平在零電平和正電平之間轉(zhuǎn)換還是零電平和負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換，開關(guān)損耗都只出現(xiàn)在主開關(guān)管T2、T3及其反并聯(lián)二極管D2、D3上。為了減少T2、T3、D2、D3的開關(guān)損耗，本發(fā)明軟開關(guān)電路通過對輔助開關(guān)管Tal和 Ta2的控制來協(xié)助主開關(guān)管實現(xiàn)零電壓開通。當(dāng)輸出相電壓正半周輸且出相電流為正時，一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號見圖10(a);當(dāng)輸出相電壓正半周且輸出相電流為負(fù)時，一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號見圖10(b)。當(dāng)輸出相電壓負(fù)半周且輸出相電流為正時，一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號見圖11(a);當(dāng)輸出相電壓負(fù)半周且輸出相電流為負(fù)時，一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號見圖11(b)?？梢姳景l(fā)明電路的控制方法中當(dāng)輸出相電流為正時是輔助開關(guān)管Tal協(xié)助主開關(guān)管T2開通和主二極管D3關(guān)斷；而當(dāng)輸出相電流為負(fù)時，由輔助開關(guān)管Ta2協(xié)助主開關(guān) T3開通和主二極管D2關(guān)斷。以下分別對輸出相電壓正半周而輸出電流為正和為負(fù)以及輸出相電壓負(fù)半周而輸出相電流為正和為負(fù)四種情況進(jìn)行分析。由于一個PWM開關(guān)周期與逆變器的輸出相電壓周期相比很小，而接感性負(fù)載和接電網(wǎng)時逆變器的輸出是一個電流源的特性，所以為了分析方便可以認(rèn)為在一個PWM開關(guān)周期中輸出相電流是恒定不變的一個值。I、輸出相電壓正半周(I)輸出相電流為正時
當(dāng)輸出相電流大于零即流出逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管分別是T2和D3。圖12所示為一個PWM開關(guān)周期中，輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T2零電壓開通過程各開關(guān)管驅(qū)動信號以及主開關(guān)管電壓電流等波形。根據(jù)時間順序可以將一個PWM開關(guān)周期的整個過程分為六個不同的電路狀態(tài)，見圖13。l)t0 tl時間段電路狀態(tài)見圖13(a)。橋臂輸出零電平，在t0時刻關(guān)斷主開關(guān)管T3，由于T2和T3之間有一段死區(qū)時間(上下開關(guān)管都處關(guān)斷狀態(tài))此時T2還未開通， 相電流繼續(xù)通過Tn、D3續(xù)流，Τ3上不產(chǎn)生關(guān)斷損耗。2)tl t2時間段電路狀態(tài)見圖13(b)。在tl時刻輔助開關(guān)管Tal開通，由于開關(guān)管Tl是開通狀態(tài)，耦合電感的原邊繞組開始承受上半直流電壓，電壓極性為右正左負(fù)， 其原邊電流通過Tal和Tl開始由零線性增加，其增速率正比于上半直流電壓，反比于原邊的諧振電感值，同時耦合電感的副邊電流通過Da4和D3流通，其大小為原邊電流除以原副邊匝比。原副邊電流共同流入橋臂的中點。3) t2 t3時間段電路狀態(tài)見圖13 (C)。在t2時刻原副邊電流之和等于橋臂流出的電流，二極管D3電流減少為零實現(xiàn)自然關(guān)斷，沒有反向恢復(fù)損耗。t2時刻之后原副邊電流之和開始大于橋臂流出電流，諧振電感開始與諧振電容C3和C2諧振。隨著C3被充電， T3的電壓開始上升，隨著C2被放電，T2的電壓開始下降。4)t3 t4時間段電路狀態(tài)見圖13(d)。在t3時刻C3的電壓被充電到一半直流電壓，而C2的電壓被放電到使得T2的反并連二極管D2開始導(dǎo)通。此時開通T2實現(xiàn)了零電壓開通。D2導(dǎo)通后諧振過程結(jié)束，耦合電感的原邊通過D2、Ta3短接，副邊承受一半的直流側(cè)電壓，電壓極性為左正右負(fù)，因此副邊電流開始線性減少，同時原邊電流成比例減少。5) t4 t5時間段電路狀態(tài)見圖13 (e)。在t4時刻原邊和副邊電流之和減少到等于橋臂流出電流，二極管D2電流降為零自然關(guān)斷，此后開關(guān)管T2開始導(dǎo)通電流，隨著T2電流增加耦合電感的電流繼續(xù)減少。6)t5以后時間段電路狀態(tài)見圖13(f)。在t5時刻耦合電感電流降為零，全部的橋臂流出電流通過T2流通。t5時刻后輔助開關(guān)管Tal零電流關(guān)斷，輔助電路停止工作，等待下個開關(guān)周期。(2)輸出相電流為負(fù)時輸出相電流小于零，即輸出相電流流入逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管是T3和D2。圖14所示為一個PWM開關(guān)周期中輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T3開通關(guān)斷過程實現(xiàn)零電壓開通的各驅(qū)動信號以及諧振支路電壓電流波形。根據(jù)時間順序也可以將一個PWM開關(guān)周期的整個過程也分為六個不同的電路狀態(tài)，見圖15。l)t0 tl時間段電路狀態(tài)見圖15(a)。橋臂輸出正電平，在t0時刻關(guān)斷主開關(guān)管T2，由于T2和T3之間有一段死區(qū)時間(上下開關(guān)管都處關(guān)斷狀態(tài))此時T3還未開通， 相電流繼續(xù)通過Dl、D2續(xù)流，T2上不產(chǎn)生關(guān)斷損耗。2)tl t2時間段電路狀態(tài)見圖15(b)。在tl時刻輔助開關(guān)管Ta2開通，耦合電感的原邊繞組開始承受上半直流電壓，電壓極性為左正右負(fù)，其原邊電流通過Ta2和Dn開始由零線性增加，其增速率正比于上半直流電壓，反比于原邊的諧振電感值，同時耦合電感的副邊電流通過Da3和D2流通，其大小為原邊電流除以原副邊匝比。原副邊電流共同流出橋臂的中點。
3) t2 t3時間段電路狀態(tài)見圖15 (C)。在t2時刻原副邊電流之和等于橋臂流入的電流，二極管D2電流減少為零實現(xiàn)自然關(guān)斷，沒有反向恢復(fù)損耗。t2時刻之后原副邊電流之和開始大于橋臂流出電流，諧振電感開始與諧振電容C2和C3諧振。隨著C2被充電， T2的電壓開始上升，隨著C3被放電，T3的電壓開始下降。4)t3 t4時間段電路狀態(tài)見圖15(d)。在t3時刻C2的電壓被充電到一半直流電壓，而C3的電壓被放電到使得T3的反并連二極管D3開始導(dǎo)通。此時開通T3實現(xiàn)了零電壓開通。D3導(dǎo)通后諧振過程結(jié)束，耦合電感的原邊通過D3、Ta2短接，副邊承受一半的直流側(cè)電壓，電壓極性為右正左負(fù)，因此副邊電流開始線性減少，同時原邊電流成比例減少。5) t4 t5時間段電路狀態(tài)見圖15 (e)。在t4時刻原邊和副邊電流之和減少到等于橋臂流入電流，二極管D3電流降為零自然關(guān)斷，此后開關(guān)管T3開始導(dǎo)通電流，隨著T3電流增加耦合電感的電流繼續(xù)減少。6)t5以后時間段電路狀態(tài)見圖15(f)。在t5時刻耦合電感電流降為零，全部的橋臂流出電流通過T3流通。t5時刻后輔助開關(guān)管Ta2零電流關(guān)斷，輔助電路停止工作，等待下個開關(guān)周期。2、輸出相電壓負(fù)半周(I)輸出相電流為正時當(dāng)輸出相電流大于零即流出逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管分別是T2和D3。圖16所示為一個PWM開關(guān)周期中，輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T2實現(xiàn)零電壓開通過程各開關(guān)管的驅(qū)動信號及電壓電流波形。與輸出電壓正半周相對稱，根據(jù)時間順序可以將一個PWM開關(guān)周期的整個過程分為六個不同的電路狀態(tài)，見圖17。Dto tl時間段電路狀態(tài)見圖17(a)。這段時間橋臂輸出負(fù)電平，在t0時刻關(guān)斷主開關(guān)管T3，由于T2和T3之間有一段死區(qū)時間(上下開關(guān)管都處關(guān)斷狀態(tài))此時T2還未開通，相電流繼續(xù)通過D3、D4續(xù)流，T3是零電壓條件關(guān)斷不產(chǎn)生關(guān)斷損耗。2) tl t2時間段電路狀態(tài)見圖17(b)。在tl時刻輔助開關(guān)管Tal開通，耦合電感的原邊繞組開始承受下半直流電壓，電壓極性為左負(fù)右正，其原邊電流通過Tal和Tp由零開始線性增加，其增速率正比于下半直流電壓，反比于原邊的諧振電感值，同時耦合電感的副邊電流通過Da4和D3流通，其大小為原邊電流除以原副邊匝比。原副邊電流共同流入橋臂的中點。3) t2 t3時間段電路狀態(tài)見圖17 (C)。在t2時刻原副邊電流之和等于橋臂流出的電流，二極管D3電流減少為零實現(xiàn)自然關(guān)斷，沒有反向恢復(fù)損耗。t2時刻之后原副邊電流之和開始大于橋臂流出電流，諧振電感開始與諧振電容C3和C2諧振。隨著C3被充電， T3的電壓開始上升，隨著C2被放電，T3的電壓開始下降。4)t3 t4時間段電路狀態(tài)見圖17(d)。在t3時刻C3的電壓被充電到一半直流電壓，而C2的電壓被放電到使得T2的反并連二極管D2開始導(dǎo)通。此時開通T2實現(xiàn)了零電壓開通。D2導(dǎo)通后諧振過程結(jié)束，耦合電感的原邊通過D2、Tal短接，副邊承受一半的直流側(cè)電壓，電壓極性為左正右負(fù)，因此副邊電流開始線性減少，同時原邊電流成比例減少。5) t4 t5時間段電路狀態(tài)見圖17 (e)。在t4時刻原邊和副邊電流之和減少到等于橋臂流出電流，二極管D2電流降為零自然關(guān)斷，此后開關(guān)管T2開始導(dǎo)通電流，隨著T2電流增加耦合電感的電流繼續(xù)減少。
6)t5以后時間段電路狀態(tài)見圖17(f)。在t5時刻耦合電感電流降為零，全部的橋臂流出電流通過T2流通。t5時刻后輔助開關(guān)管Tal零電流關(guān)斷，輔助電路停止工作，等待下個開關(guān)周期。(2)輸出相電流為負(fù)時輸出相電流小于零，即輸出相電流流入逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管是T3和D2。圖18所示為一個PWM開關(guān)周期中輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T3實現(xiàn)零電壓開通過程各開關(guān)管驅(qū)動信號及電壓電流波形。同樣根據(jù)時間順序也可以將一個PWM 開關(guān)周期的整個過程分為六個不同的電路狀態(tài)，見圖19。l)t0 tl時間段電路狀態(tài)見圖19(a)。這段時間橋臂輸出零電平，在t0時刻關(guān)斷主開關(guān)管T2，由于T2和T3之間有一段死區(qū)時間(上下開關(guān)管都處關(guān)斷狀態(tài))此時T3還未開通，相電流繼續(xù)通過Tp、D2續(xù)流，T2是零電壓條件關(guān)斷不產(chǎn)生關(guān)斷損耗。2)tl t2時間段電路狀態(tài)見圖19(b)。在tl時刻輔助開關(guān)管Ta2開通，耦合電感的原邊繞組開始承受下半直流電壓，電壓極性為左正右負(fù)，其原邊電流通過Ta2和T4由零開始線性增加，其增速率正比于下半直流電壓，反比于原邊的諧振電感值，同時耦合電感的副邊電流通過Da3和D2流通，其大小為原邊電流除以原副邊匝比。原副邊電流共同流出橋臂的中點。3) t2 t3時間段電路狀態(tài)見圖19 (C)。在t2時刻原副邊電流之和等于橋臂流入的電流，二極管D2電流減少為零實現(xiàn)自然關(guān)斷，沒有反向恢復(fù)損耗。t2時刻之后原副邊電流之和開始大于橋臂流入電流，此大于部分的電流開始分別對諧振電容C2和C3進(jìn)行充放電。隨著C2被充電，T2的電壓開始上升，隨著C3被放電，T3的電壓開始下降。4)t3 t4時間段電路狀態(tài)見圖19(d)。在t3時刻C2的電壓被充電到一半直流電壓，而C3的電壓被放電到使得T3的反并連二極管D3開始導(dǎo)通。此時開通T3實現(xiàn)了零電壓開通。D3導(dǎo)通后諧振過程結(jié)束，耦合電感的原邊通過D3、Ta2短接，副邊承受一半的直流側(cè)電壓，電壓極性為右正左負(fù)，因此副邊電流開始線性減少，同時原邊電流成比例減少。5) t4 t5時間段電路狀態(tài)見圖19 (e)。在t4時刻原邊和副邊電流之和減少到等于橋臂流入電流，二極管D3電流降為零自然關(guān)斷，此后開關(guān)管T3開始導(dǎo)通電流，隨著T3電流增加耦合電感的電流繼續(xù)減少。6)t5以后時間段電路狀態(tài)見圖19(f)。在t5時刻耦合電感電流降為零，全部的橋臂流出電流通過T3流通。t5時刻后輔助開關(guān)管Ta2零電流關(guān)斷，輔助電路停止工作，等待下個開關(guān)周期。
權(quán)利要求
1.一種使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容、及與該兩個串聯(lián)的電容相連的主電路，在主電路上連接有輔助開關(guān)電路，其特征在于所述主電路包括依次串聯(lián)連接的開關(guān)管T1、T2、T3、T4及與該開關(guān)管分別反并聯(lián)的二極管Dl、D2、D3、D4 ;所述開關(guān)管Tl、Τ2及Τ3、Τ4之間并聯(lián)連接有兩個串聯(lián)的開關(guān)管Τρ、Tn, 與該兩開關(guān)管分別反并聯(lián)有二極管Dp和Dn ；所述輔助開關(guān)電路包括分別并聯(lián)連接于開關(guān)管Τ2、Τ3上的兩個諧振電容、連接于開關(guān)管Tl、Τ2輸出端的耦合電感以及并聯(lián)在主電路二極管Dp和Dn輸出端的輔助開關(guān)電路。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述開關(guān)管Tp的集電極與開關(guān)管Τ1、Τ2的連接點C相連，開關(guān)管Tn的發(fā)射集與開關(guān)管Τ3、Τ4的連接點D相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容分別設(shè)正電平點P、零電平點O和負(fù)電平點N，開關(guān)管 Tl的集電極與直流側(cè)的正電平點P相連接，開關(guān)管Τ4的發(fā)射極與直流側(cè)的負(fù)電平點N相連接，開關(guān)管Tp、Tn的連接點與零電平O相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述兩個諧振電容分別為輔助諧振電容C2和C3，該輔助諧振電容C2和C3分別與反并聯(lián)于開關(guān)管Τ2和Τ3端的二極管D2、D3并聯(lián)，并與開關(guān)管Τ2和Τ3相并聯(lián)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述輔助開關(guān)電路包括兩相互串聯(lián)連接的開關(guān)管Tal、Ta2，以及與該開關(guān)管Tal、 Ta2分別反并聯(lián)的二極管Dal、Da2，在開關(guān)管Tal、Ta2之間還反并聯(lián)有二極管Da3、Da4 ;所述輔助開關(guān)電路的一端E與開關(guān)管Tl、T2的連接點C連接，另一端F與開關(guān)管T3、T4的連接點D連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述耦合電感為耦合電感Τχ，其包括有一個原邊繞組Np，一個副邊繞組Ns，兩繞組的一對異名端H相短接與開關(guān)管Τ2和Τ3連接點A連接，另一對異名端分別與Tal、Ta2的連接點B和Da3、Da4的連接點G連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述開關(guān)管為IGCT、IGBT, MOSFET或GTO半導(dǎo)體功率開關(guān)器件。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，其特征在于所述使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器應(yīng)用于單相逆變器電路、單相整流器電路、三相逆變器電路、三相整流器電路以及五相和六相整流逆變器多相電路中。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種使用耦合電感的有源鉗位三電平零電壓軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)的兩個串聯(lián)的電容、及與該兩個串聯(lián)的電容相連的主電路，在主電路上連接有輔助開關(guān)電路，其特征在于所述主電路包括依次串聯(lián)連接的開關(guān)管T1、T2、T3、T4及與該開關(guān)管分別反并聯(lián)的二極管D1、D2、D3、D4；所述開關(guān)管T1、T2及T3、T4之間并聯(lián)連接有兩個串聯(lián)的開關(guān)管Tp、Tn，與該兩開關(guān)管分別反并聯(lián)有二極管Dp和Dn；所述輔助開關(guān)電路包括分別并聯(lián)連接于開關(guān)管T2、T3上的兩個諧振電容、連接于開關(guān)管T1、T2輸出端的耦合電感以及并聯(lián)在主電路二極管Dp和Dn輸出端的輔助開關(guān)電路。該開關(guān)變流器具有結(jié)構(gòu)以及控制簡單、易于模塊化設(shè)計、可靠性更高，更易于實用化等優(yōu)點。
文檔編號H02M7/5387GK102594191SQ201210044150
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年2月24日
發(fā)明者劉進(jìn)軍, 李錦 申請人:西安交通大學(xué)