一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器的制造方法
【专利摘要】一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路；三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别与直流电源并联连接；各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管至第八辅助二极管；本发明每个辅助开关管分别与各自的辅助谐振电容并联连接，使得辅助开关管关断后，其两端电压从零上升，实现零电压关断；在配线过程中存在寄生电感或寄生电容情况下，主、辅助开关管依然可以实现零电压关断。
【专利说明】一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子【技术领域】，特别涉及一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器。
【背景技术】
[0002]电力电子技术是电子学的一个新型应用领域，其特征是用功率电子开关处理电力的控制与变换。由于现代电力电子装置愈来愈趋向小型化和轻量化，因此开关频率需要大大提闻。随着开关频率的提闻，在硬开关电力变换电路中，会出现开关损耗大、电磁干扰严重、可靠性低等问题，软开关技术的出现解决了这一系列问题。随着软开关技术的发展，软开关逆变器得到了广泛的应用。在众多软开关逆变拓扑中，辅助谐振极型逆变器没有增加功率开关器件的电压和电流应力，更适用于大功率场合，因此受到国内外研究人员的普遍关注。
[0003]较早提出的有源辅助谐振变换极型逆变器具有两个很大的电解质电容，并且需要单独的检测电路和逻辑控制电路。随后出现的改进的辅助谐振变换极型逆变器，如变压器辅助逆变器、耦合电感逆变器、三角形或星形谐振吸收逆变器等，要么需要复杂的耦合电感或变压器及相应的磁通复位电路，要么三相谐振电路之间相互耦合，主电路与控制策略都很复杂。
[0004]《中国电机工程学报》2013年第33卷第12期公开了“辅助谐振极逆变器缓冲回路能耗最小化改进控制策略”，该逆变器的拓扑结构如图1所示(为叙述方便，以下称该拓扑结构为原拓扑)，该辅助谐振极逆变器在三相电路的每一相均设置一套辅助换流电路，使得三相辅助电路相互独立，易于应用各种控制策略。每一相辅助电路由2个主谐振电容、2个辅助谐振电容、2个辅助谐振电感、2个辅助开关管以及4个辅助二极管组成，在换流过程中通过合理控制辅助开关，使一部分能量暂时存储在辅助电感或辅助电容中，随后回馈给直流电源或直接释放给负载，从而实现了开关器件的软开关，这样电能的利用率得到显著的提高。但该辅助谐振极逆变器仍然存在不足:在实际应用中，配线过程引入的寄生参数是不可避免的，然而该逆变器的辅助开关管没有与辅助电容直接并联，这样，辅助开关管的关断过程必然会受到影响，不能实现可靠的零电压关断。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器。
[0006]本发明的技术方案是:
一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路；
所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路、B相主逆变电路和C主相逆变电路，三相主逆变电路分别与直流电源并联连接；各相主逆变电路包括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管；第一主开关管的发射极连接第二主开关管集电极，且第一主开关管和第二主开关管分别反并联一个二极管；
所述三相双辅助谐振换流电路中，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管；
第一主谐振电容的负极连接第二主谐振电容的正极，第一主谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二主谐振电容的负极连接第二辅助开关管的发射极，第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点；
第一辅助谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第一辅助谐振电容的正极还接在直流母线正极上，第一辅助谐振电容的负极连接第三辅助二极管的阴极，第三辅助二极管的阳极连接第三辅助谐振电感的一端，第三辅助谐振电感的另一端连接第三辅助谐振电容的负极，第三辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电容的负极，第四辅助谐振电容的负极还接在第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点上，第四辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电感的一端，第四辅助谐振电感的另一端连接第四辅助二极管的阴极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第二辅助谐振电容的正极还接在直流母线负极上；
第一辅助二极管的阳极与第三辅助二极管的阴极相连，第一辅助二极管的阴极与第一辅助开关管的发射极相连；第二辅助二极管的阴极与第四辅助二极管的阳极相连，第二辅助二极管的阳极与第二辅助开关管的集电极相连；
第五辅助二极管的阳极接在第四辅助谐振电容与第四辅助谐振电感的连接点上，第五辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第六辅助二极管的阴极接在第三辅助谐振电容与第三辅助谐振电感的连接点上，第六辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；
第七辅助二极管的阳极与第四辅助二极管的阴极相连，第七辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第八辅助二极管的阴极与第三辅助二极管的阳极相连，第八辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；
三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容与第四辅助谐振电容的连接点、第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点、第一主开关管与第二主开关管的连接点依次连接，以第一主开关管与第二主开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端。
[0007]所述三相主逆变电路的第一主开关管的集电极连接第一辅助开关管的集电极，第二主开关管的集电极连接第二辅助开关管的集电极。
[0008]所述第一主开关管、第二主开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管，均采用全控开关器件，所述全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。
[0009]所述三相主逆变电路中的与主开关管反并联的二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。
[0010]双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作模式包括:
(1)第一主开关管导通，电路处于电源供电状态；
(2)第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件；
(3)第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕；
(4)当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；
(5)第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件；
(6)当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源；
(7)当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态；
(8)第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件；
(9)与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕；
(10)第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕；
(11)当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；
(12)第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件；
(13)当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源；
(14)当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。
[0011]有益效果:
本发明的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路中的开关器件是全控器件，包括功率晶体管(GTR)、绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或功率场效应晶体管(MOSFET )，这样开关电路完全由控制电路直接控制；
本发明的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一个辅助开关管分别与各自的辅助谐振电容并联连接，使得辅助开关管关断后，其两端电压从零开始缓慢上升，实现零电压关断，减小开关损耗；在实际应用中，配线过程引入的寄生参数是不可避免的，在线路中存在寄生电感或寄生电容的情况下，主、辅助开关管依然可以实现零电压关断，逆变器的可靠性大大提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1是现有技术的辅助谐振极型三相软开关逆变器电路图；
图2是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器电路图；
图3是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器单相等效电路图；
图4是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的时序波形图；
图5是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器在一个开关周期内的工作流程图；
图6是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的换流工作模式图；图7是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主谐振电容的电压、辅助谐振电感的电流的仿真波形图；
图8是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助谐振电容的仿真波形图；
图9是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主开关管兄的电压和电流的仿真波形图；
图10是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管^al的电压和电流的仿真波形图；
图11是本发明【具体实施方式】的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管Sa2的电压和电流的仿真波形图。
【具体实施方式】
[0013]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】做详细说明。
[0014]本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路。
[0015]三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路2、B相主逆变电路4和C主相逆变电路6，三相主逆变电路分别与直流电源E并联连接；各相主逆变电路包
括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管。
[0016]三相双辅助谐振换流电路分别为A相双辅助谐振换流电路1、B相双辅助谐振换流电路3和C相双辅助谐振换流电路5，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管。
[0017]双辅助谐振极型三相软开关逆变器电路如图2所示，单相主逆变电路及其双辅助谐振换流电路如图3所示，第一主开关管&、第二主开关管分别反并联二极管仏和二极管久，第一主开关管&、第二主开关管S2位于a相桥臂；第一主开关管&、第二主开关管S4分别反并联二极管久和二极管仏，第一主开关管A、第二主开关管S4位于b相桥臂；第一主开关管&，第二主开关管5；分别反并联二极管久和二极管凡，第一主开关管A、第二主开关管S6位于c相桥臂。
[0018]在<3相上，第一主谐振电容C1与第一主开关管兄并联；第二主谐振电容C2与第二主开关管并联。第一主谐振电容C1的负极连接第二主谐振电容的/^及，第一主谐振电容C1的正极连接第一辅助开关管S31的集电极，第二主谐振电容C2的负极连接第二辅助开关管的发射极，第一辅助开关管S31的发射极连接第一辅助谐振电感Z31的一端，第一辅助谐振电感之i的另一端连接至第一主谐振电容C1与第二主谐振电容C2的连接点，第二辅助开关管S32的集电极连接第二辅助谐振电感Z32的一端，第二辅助谐振电感Z32的另一端连接至第一主谐振电容C1与第二主谐振电容G的连接点。
[0019]第一辅助谐振电容Q1的正极连接第一辅助开关管S31的集电极，第一辅助谐振电容Q1的正极还接在直流母线/7极上，第一辅助谐振电容Q1的负极连接第三辅助二极管的阴极，第三辅助二极管的阳极连接第三辅助谐振电感43的一端，第三辅助谐振电感Lm的另一端连接第三辅助谐振电容Q3的负极，第三辅助谐振电容G3的正极连接第四辅助谐振电容G4的负极，第四辅助谐振电容G4的负极还接在第一主谐振电容C1与第二主谐振电容G的连接点上，第四辅助谐振电容G4的正极连接第四辅助谐振电感Z34的一端，第四辅助谐振电感Z34的另一端连接第四辅助二极管見4的阴极，第四辅助二极管見4的阳极连接第二辅助谐振电容G2的正极，第二辅助谐振电容Q2的正极还接在直流母线Λ/极上。
[0020]第一辅助二极管化i的阳极与第三辅助二极管的阴极相连，第一辅助二极管久i的阴极与第一辅助开关管S31的发射极相连；第二辅助二极管久2的阴极与第四辅助二极管Dai的阳极相连，第二辅助二极管久2的阳极与第二辅助开关管S32的集电极相连。
[0021]第五辅助二极管化5的阳极接在第四辅助谐振电容Q4与第四辅助谐振电感Z34的连接点上，第五辅助二极管化5的阴极接在直流母线P极上；第六辅助二极管久6的阴极接在第三辅助谐振电容G3与第三辅助谐振电感43的连接点上，第六辅助二极管化6的阳极接在直流母线#极上。
[0022]第七辅助二极管化7的阳极与第四辅助二极管化4的阴极相连，第七辅助二极管久7的阴极接在直流母线P极上；第八辅助二极管化8的阴极与第三辅助二极管的阳极相连，第八辅助二极管化8的阳极接在直流母线#极上。
[0023]三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容&与第四辅助谐振电容匕的连接点、第一辅助谐振电感Z31与第二辅助谐振电感Z32的连接点、第一主谐振电容C1与第二主谐振电容C2的连接点、第一主开关管&与第二主开关管的连接点依次连接，以第一主开关管兄与第二主开关管S2的连接点处的引出线为单相交流电输出端。
[0024]三相主逆变电路的第一主开关管兄的集电极连接第一辅助开关管S31的集电极，第二主开关管的集电极连接第二辅助开关管的集电极。
[0025]第一主开关管兄、第二主开关管、第一辅助开关管5.31、第二辅助开关管兄2，均采用全控开关器件，全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。
[0026]三相主逆变电路中的二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、 第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。[0027]在6相上，主谐振电容C、与主开关管S3并联；主谐振电容C4与主开关管Sli并联。辅助开关管与辅助谐振电感Z35串联，辅助开关管S。的集电极接在直流母线P极上，辅助开关管S33的发射极与辅助谐振电感之5的一端相连，辅助谐振电感Z35的另一端接在主谐振电容 G、主谐振电容C4的连接点上；辅助开关管S34与辅助谐振电感Z36串联，辅助开关管兄4的发射极接在直流母线#极上，辅助开关管S34的集电极与辅助谐振电感Z36的一端相连，辅助谐振电感Z36的另一端接在主谐振电容Q、主谐振电容C4的连接点上。辅助谐振电容Q5、二极管化n、辅助谐振电感Z37、辅助谐振电容Ca7依次串联，辅助谐振电容C35的一端接在直流母线P极上，辅助谐振电容Q5的另一端与二极管化n的阴极相连，二极管化n的阳极与辅助谐振电感总7 —端相连，辅助谐振电感Z37的另一端与辅助谐振电容G7的一端相连，辅助谐振电容G7的另一端接在主谐振电容G、主谐振电容C4的连接点上；辅助谐振电容G6、二极管化12、辅助谐振电感Z38、辅助谐振电容G8依次串联，辅助谐振电容G6的一端接在直流母线ΛΖ极上，辅助谐振电容Q6的另一端与二极管久12的阳极相连，二极管化12的阴极与辅助谐振电感Z38 —端相连，辅助谐振电感Z38的另一端与辅助谐振电容C38的一端相连，辅助谐振电容Cm的另一端接在主谐振电容C3、主谐振电容C4的连接点上。二极管Dm的阳极与二极管化H的阴极相连，二极管久9的阴极与辅助开关管S33的发射极相连；二极管化K)的阴极与二极管化12的阳极相连，二极管化K1的阳极与辅助开关管S34的集电极相连。二极管化15的阳极接在辅助谐振电容G8与辅助谐振电感Z38的连接点上，二极管久13的阴极接在直流母线/7极上；二极管^14的阴极接在辅助谐振电容G7与辅助谐振电感Z37的连接点上，二极管化14的阳极接在直流母线Λ/极上。二极管^15的阳极与二极管化12的阴极相连，二极管^15的阴极接在直流母线P极上；二极管^16的阴极与二极管化n的阳极相连，二极管久16的阳极接在直流母线Λ/极上。
[0028]在c相上，主谐振电容C5与主开关管S5并联；主谐振电容C&与主开关管5；并联。辅助开关管与辅助谐振电感Z39串联，辅助开关管S35的集电极接在直流母线P极上，辅助开关管5；5的发射极与辅助谐振电感Z39的一端相连，辅助谐振电感49的另一端接在主谐振电容G、主谐振电容G的连接点上；辅助开关管S36与辅助谐振电感Z3l。串联，辅助开关管S36的发射极接在直流母线#极上，辅助开关管S36的集电极与辅助谐振电感Zaltl的一端相连，辅助谐振电感之1(|的另一端接在主谐振电容C5、主谐振电容C6的连接点上。辅助谐振电容Q9、二极管化19、辅助谐振电感Z311、辅助谐振电容Q11依次串联，辅助谐振电容Q9的一端接在直流母线/7极上，辅助谐振电容G9的另一端与二极管化19的阴极相连，二极管化19的阳极与辅助谐振电感Z311 —端相连，辅助谐振电感Z311的另一端与辅助谐振电容G11的一端相连，辅助谐振电容G11的另一端接在主谐振电容G、主谐振电容G的连接点上；辅助谐振电容C3ltl、二极管久2(|、辅助谐振电感Z312、辅助谐振电容Q12依次串联，辅助谐振电容C13ltl的一端接在直流母线#极上，辅助谐振电容Gltl的另一端与二极管化2(1的阳极相连，二极管Daw的阴极与辅助谐振电感Z312 —端相连，辅助谐振电感Z312的另一端与辅助谐振电容Q12的一端相连，辅助谐振电容Q12的另一端接在主谐振电容G、主谐振电容G的连接点上。二极管化17的阳极与二极管化19的阴极相连，二极管化17的阴极与辅助开关管的发射极相连；二极管^18的阴极与二极管久2(1的阳极相连，二极管^18的阳极与辅助开关管的集电极相连。二极管^21的阳极接在辅助谐振电容Q12与辅助谐振电感之12的连接点上，二极管Da2l的阴极接在直流母线及上；二极管^22的阴极接在辅助谐振电容Q11与辅助谐振电感Lall的连接点上，二极管化22的阳极接在直流母线#极上。二极管^23的阳极与二极管化2(|的阴极相连，二极管久23的阴极接在直流母线P极上；二极管^24的阴极与二极管久19的阳极相连，二极管化24的阳极接在直流母线#极上。
[0029]本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器适用于各种功率等级的逆变场合，在工业生产、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等领域均可发挥有效作用。下面以在变频调速系统中的应用为例，分析本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作过程。
[0030]首先，电网中的三相交流电输送到整流器中，经过整流器变换后得到相对平稳的直流电。然后，该直流电输入到本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器中进行电能变换，具体电能变换过程如下:
本例中的逆变器的a、b、c三相之间相位互差120°，每一相主逆变电路的桥臂的第一主开关管和第二主开关管相位互差180°电角度。双辅助谐振极型三相软开关逆变器的调制策略如图4所示，主开关管的触发信号为相位差180°电角度的带死区的SPWM信号，在主开关管进入死区的同时，相应的辅助开关管被触发开通，在主开关管的死区时间结束后，辅助开关管被关断。在主开关管开通时，该软开关逆变器的工作过程与传统的硬开关三相桥式逆变器工作过程相同。在主开关管进入死区时，辅助开关管开通，此时双辅助谐振换流电路工作。双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一相电路在一个开关周期内的工作流程如图5所示，每一个开关周期中主逆变电路与双辅助谐振换流电路分别交替工作一次。
[0031]双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作模式包括:
(1)第一主开关管导通，电路处于电源供电状态；
(2)第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件；
(3)第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕；
(4)当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；
(5)第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件；
(6)当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源；
(7)当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态；
(8)第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件；
(9)与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕；
(10)第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕；
(11)当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；
(12)第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件；
(13)当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源；
(14)当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。
[0032]双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一相电路在一个开关周期内的14个工作模式，如图6所示。为简化分析，假设:①所有器件均为理想器件；②负载电感远大于谐振电感，逆变器开关状态过渡瞬间的负载电流可以认为是恒流源i3。各模式具体的工作情况如下:
模式a [:假定电路的初始工作状态为，兄导通，^2A31A32关断，电流经过兄流向
负载。此时，Kc1-fCM-O, VC2~vCa\~VCa2~VCa?rE^ 1S1-1B0
[0033]模式6 [&%]:1Q 时刻，乂关断，负载电流i3立即换流至此时，
Ca^La2和Ca2、Ca^开始谐振，在QQG3的作用下，C1的电压从零开始上升，兄为ZVS关断。在Z32的作用下，Z32中的电流从零开始上升，S32 Szcs开通。当GG3的电压下降至零时，谐振完毕，模式6结束。
[0034]模式c UCt2] 4时刻，Z32中的电流达到最大值Α?，G的电压被充电至万，G、C3的电压下降至零，見6关断，久开通，负载电流立即换流至久。当&、&、&中的电流下降至零时，谐振完毕，模式c结束。
[0035]模式d [i2l3] 't2时刻，Ca2电压下降至零，电压上升至万，Dai关断，谐振电流U hD)回路中环流。如果在环流期间开通S2，可实现开通。当5；2关断时，模式V结束。
[0036]模式e [?3~?4]:?3时刻，Sa2关断。La2和Ca2开始谐振，La2放电，Q2充电，Ca2电压从零开始上升，Sa2为ZVS关断。当Ca2的充电电压上升至万时，模式e结束。
[0037]模式/ [?4%]:?4时刻，Ca2的电压上升至万，化6、見7开通。La2中残余的能量通过Da2- Da^ Dal回馈给输入直流电源万，其电流线性减小。当Z32的电流下降至零时,模式/结束。
[0038]模式貧|?6]:?5时亥ILA32中的电流下降至零，流过久的电流保持恒定负载电流ia不变，与传统硬开关回路二极管续流工作模式相同。
[0039]模式力[?0-?7]:?6时亥1J，Sal开通。由于久导通，输入直流电压万完全施加在A3I上，Z31中的电流从零开始线性上升，久中的电流从i3开始线性下降，负载电流i3由久向Ζ3ι换流，S31为ZCS开通。当Z31中的电流上升至负载电流i3时，久中的电流线性下降至零，久自然关断，模式A结束。
[0040]模式i [?τ"?8]: ?7时刻，久中的电流下降至零而关断，负载电流i3完全换流至Z31,L C2, Cai与Cal、CaZ、LaZ开始谐振，当C1'Ca4的电压下降至零时，谐振完毕，模式i结束。[0041]模式J [?厂?9]:?8时刻，Lal中的电流达到最大值iZ3to，C1, CaA的电压下降至零，C2的电压上升至万，Da5关断，D1开通，负载电流立即换流至仏，当C3l、Ca^La,中的电流下降至零时，谐振完毕，模式J结束。
[0042]模式左[CiiJ:?9时刻，Cal电压下降至零，电压上升至万，Da,关断，谐振电流 在Hal-Sal-Dl)回路中环流。如果在环流期间开通兄，可实现兄的ZVS开通。当5^关
断时，模式々结束。
[0043]模式I [?10-?η] U10时刻，S31关断。Lal和Cal开始谐振，Lal放电，Cal充电，Cal电压从零开始上升，Sal为ZVS关断。当Q1的充电电压上升至万时，模式7结束。
[0044]模式》IX1I12] J11时亥1J,C31的电压上升至万，見3、見8开通，A31中残余的能量通过Dal、Da?)、Da%回馈给输入直流电源万，其电流线性减小。当Z31的电流下降至i3时,^1关断，模式结束。
[0045]模式/? Li12^i13]:?12时亥1LA31中的电流线性减小至i3,D1关断,在输入直流电压万的作用下，Z31中的电流继续线性减小，兄中的电流线性上升，负载电流忍从^31向兄换流。当Z31中的电流下降至零时，负载电流i3完全换流至兄，模式结束，回路的工作状态又回到模式<3，完成一次开关操作。
[0046]最后，用逆变得到的三相交流电为交流电动机供电，根据电动机的转矩、转速变化调整交流电的幅值与频率，使变频调速系统能够稳定运行。
[0047]本实施方式的双 辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主谐振电容的电压、辅助谐振电感的电流的仿真波形如图7所示，辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助谐振电容的仿真波形如图8所示，可以看出，由于辅助谐振电感和辅助谐振电容的存在，开关器件开通后其电流上升率受到了限制，开关器件关断后其电压上升率受到了限制，从而实现了主、辅开关器件的软开关。
[0048]本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主开关管兄的电压和电流的仿真波形如图9所示，其中的I区域可以看出主开关管兄关断后，兄两端的电压从O开始逐渐上升。所以主开关管兄实现了 ZVS (零电压)关断。从图9中的II区域可以看出主开关管兄开通后，流过兄的电流从O开始逐渐上升，而兄两端的电压始终为O。所以主开关管兄实现了 ZCZVS (零电压零电流)开通。
[0049]本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S31的电压和电流的仿真波形如图10所示，其中的I区域可以看出辅助开关管S31开通后，流过S31的电流从O开始逐渐上升，所以辅助开关管S31实现了 ZCS (零电流)开通。从图10中的II区域可以看出辅助开关管S31关断后，S31两端的电压从O开始逐渐上升。所以辅助开关管S31实现了 ZVS关断。
[0050]本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S32的电压和电流的仿真波形如图11所示，其中的I区域可以看出辅助开关管S32开通后，流过S32的电流从O开始逐渐上升，所以辅助开关管S32实现了 ZCS开通。从图11中的II区域可以看出辅助开关管关断后，S32两端的电压从O开始逐渐上升。所以辅助开关管实现了 ZVS关断。
【权利要求】
1.一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路； 所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路、B相主逆变电路和C主相逆变电路，三相主逆变电路分别与直流电源并联连接；各相主逆变电路包括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管；第一主开关管的发射极连接第二主开关管集电极，且第一主开关管和第二主开关管分别反并联一个二极管； 所述三相双辅助谐振换流电路中，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管； 第一主谐振电容的负极连接第二主谐振电容的正极，第一主谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二主谐振电容的负极连接第二辅助开关管的发射极，第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点； 第一辅助谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第一辅助谐振电容的正极还接在直流母线正极上，第一辅助谐振电容的负极连接第三辅助二极管的阴极，第三辅助二极管的阳极连接第三辅助谐振电感的一端，第三辅助谐振电感的另一端连接第三辅助谐振电容的负极，第三辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电容的负极，第四辅助谐振电容的负极还接在第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点上，第四辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电感的一端，第四辅助谐振电感的另一端连接第四辅助二极管的阴极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第二辅助谐振电容的正极还接在直流母线负极上； 第一辅助二极管的阳极与第三辅助二极管的阴极相连，第一辅助二极管的阴极与第一辅助开关管的发射极相连；第二辅助二极管的阴极与第四辅助二极管的阳极相连，第二辅助二极管的阳极与第二辅助开关管的集电极相连； 第五辅助二极管的阳极接在第四辅助谐振电容与第四辅助谐振电感的连接点上，第五辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第六辅助二极管的阴极接在第三辅助谐振电容与第三辅助谐振电感的连接点上，第六辅助二极管的阳极接在直流母线负极上； 第七辅助二极管的阳极与第四辅助二极管的阴极相连，第七辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第八辅助二极管的阴极与第三辅助二极管的阳极相连，第八辅助二极管的阳极接在直流母线负极上； 三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容与第四辅助谐振电容的连接点、第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点、第一主开关管与第二主开关管的连接点依次连接，以第一主开关管与第二主开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端。
2.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:所述三相主逆变电路的第一主开关管的集电极连接第一辅助开关管的集电极，第二主开关管的集电极连接第二辅助开关管的集电极。
3.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:所述第一主开关管、第二主开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管均采用全控开关器件。
4.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:所述三相主逆变电路中的两个二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。
5.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:该逆变器的工作模式包括: (1)第一主开关管导通，电路处于电源供电状态； (2)第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件； (3)第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕； (4)当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流； (5)第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件； (6)当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源； (7)当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态； (8)第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件； (9)与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕； (10)第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕； (11)当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流； (12)第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件； (13)当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源； (14)当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。
6.根据权利要求3所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于:所述全控开关器件为 功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。
【文档编号】H02M7/5387GK103701356SQ201310749779
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】禇恩辉, 黄亮, 张化光, 张兴, 刘秀翀 申请人:东北大学