一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它具有结构简单、控制方便的特点，它包括直流电源、辅助谐振电路、二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器和三相阻感性负载，辅助谐振电路中，包括四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感，三电平逆变器主开关需要切换时，通过谐振电容Cr1和谐振电感Lr1之间的谐振使谐振电容Cr1的端电压下降到零，或是通过谐振电容Cr2和谐振电感Lr2之间的谐振使谐振电容Cr2的端电压下降到零，来实现主开关的零电压切换。本发明实现将谐振直流环节软开关拓扑结构拓展到二极管箝位型三相三电平逆变器中的目的，减少了辅助开关器件的数量，降低了硬件成本，操控也更加简单。
【专利说明】一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路
【技术领域】:
[0001]本发明涉及电力电子【技术领域】，确切地说，它是一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路。
【背景技术】:
[0002]相比于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有降低功率器件电压应力、减小电磁干扰和输出电压谐波含量等优点，这一技术越来越多的应用在高压大功率场合。近年来，高压大功率三电平逆变器已成为电力电子领域研究的热点。三电平逆变器应用在高压大功率场合时，其开关器件所承受的阻断电压和流过的电流都比较大，随着开关频率的提高，三电平硬开关逆变器的开关损耗也会显著增加，使逆变器的效率大大降低。三电平逆变器工作在硬开关状态时，较高的电压变化率和电流变化率也将会产生严重的电磁干扰。
[0003]为了解决三电平硬开关逆变器存在的诸多问题，软开关技术开始被应用到三电平逆变器中，主要是把两电平逆变器的软开关拓扑(谐振极型逆变器和谐振直流环节逆变器)拓展到三电平逆变器中。吴洪洋等人在《中国电机工程学报》2002年第22卷第10期上公开了“一种无源谐振极型三电平软开关逆变电路”，该电路中无辅助开关器件，相比于三电平硬开关逆变电路，只增加了电感、电容和二极管等无源器件，就可以有效降低开关损耗和提高效率，但是该软开关逆变器中的开关器件在关断时承受的电压高于三电平硬开关逆变器中的开关器件，增加了开关器件的电压应力。范子超等人在《电工技术学报》2006年第21卷第5期上公开了 “一种辅助谐振变换极型三电平软开关逆变电路”，辅助电路的控制和逆变器的控制完全独立，主开关管软开关操作不受负载条件影响，谐振电感和主功率通路分离，容易引入到多电平电路等几大优点，成为高压大容量高频逆变器的最有希望的解决手段，但是该拓扑结构应用到三相三电平逆变器时，辅助开关器件多达12个，控制复杂，硬件成本相对较高。
【发明内容】
[0004]目前，谐振直流环节软开关拓扑结构因为其结构简单、控制方便，已被广泛地应用在两电平逆变器中，研究人员提出多种谐振直流环节两电平软开关逆变器，推动了谐振直流环节软开关逆变器的发展。为了将谐振直流环节软开关拓扑结构拓展到二极管箝位型三相三电平逆变器中，本发明提供了一种具有对称辅助电路的谐振直流环节三相三电平软开关逆变电路。
[0005]一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它的主电路包括一个直流电源、一个二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器和三相阻感性负载，直流电源可以是把交流电整流成直流电的整流电源或者是电池串并联产生的直流电源；二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器把直流电转换为交流电；直流电源和二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器之间的部分称为直流环节。其特征在于:在直流环节添加的辅助谐振电路中，包括四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感。在直流母线之间串联了四个电解电容Cp C2, C3和C4，辅助开关Sal、Sa2、Sa3, Sa4、Sa5和Sa6分别反并联二极管Dal、Da2, Da3, Da4, Da5和Da6。二极管Dal的阴极与直流母线的Pl极相连，二极管Dai的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件Sal的集电极与二极管Dal的阴极相连，开关器件Sal的发射极与二极管Dal的阳极相连，开关器件Sa2的发射极与直流母线的P2极相连，二极管Da2的阳极与开关器件Sa2的发射极相连，二极管Da2的阴极与开关器件Sa2的集电极相连，开关器件Sa2的集电极与开关器件Sa3的集电极相连，二极管Da3的阴极与开关器件Sa3的集电极相连，二极管Da3的阳极与开关器件Sa3的发射极相连，Sa3的发射极与谐振电感Lrt的一端相连，谐振电感Lrt的另一端与电解电容C2的正极相连，电解电容C2的正极与电解电容C1的负极相连，电解电容C1的正极与直流母线的Pl极相连；二极管Da4的阴极与直流母线的N2极相连，二极管Da4的阳极与直流母线的NI极相连，开关器件Sa4的集电极与二极管Da4的阴极相连，开关器件Sa4的发射极与二极管Da4的阳极相连，开关器件Sa6的发射极与直流母线的N2极相连，二极管Da6的阳极与开关器件Sa6的发射极相连，二极管Da6的阴极与开关器件Sa6的集电极相连，开关器件Sa6的集电极与开关器件Sa5的集电极相连，二极管Da5的阴极与开关器件Sa5的集电极相连，二极管Da5的阳极与开关器件Sa5的发射极相连，开关器件Sa5的发射极与谐振电感L1^2的一端相连,谐振电感Lrf的另一端与电解电容C4的正极相连，电解电容C4的正极与电解电容C3的负极相连，电解电容C3的正极与电解电容C2的负极相连，电解电容C4的负极与直流母线的NI极相连；谐振电容Crt的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容Crt的另一端与谐振电容(；2的一端相连，谐振电容Crf的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容Crt和谐振电容Crf的连接点再与电解电容C2和电解电容C3的连接点相连。直流母线的Pl极与直流电源的正极相连，直流母线的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的NI极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。
[0006]当三电平逆变器的主开关需要切换时，通过谐振电容Cr1和谐振电感Lr1之间的谐振使谐振电容Crt的端电压下降到零，或是通过谐振电容(；2和谐振电感Lrf之间的谐振使谐振电容Cr2的端电压下降 到零，来实现主开关的零电压切换。
[0007]本发明的的优点是:相比于谐振极型三相三电平软开关逆变器，辅助谐振电路中的器件较少；两组镜像对称的辅助谐振电路位于三相三电平逆变器的直流环节，为主开关提供零电压开关的条件；主开关器件承受的电压和电流应力不会因为增加了辅助电路而高于硬开关逆变器；逆变器的主开关器件和辅助开关器件都可以实现软开关。
【专利附图】
【附图说明】:
[0008]图1是本发明谐振直流环节三电平软开关逆变电路图。
[0009]图2是本发明谐振直流环节三电平软开关逆变电路的单相电路图；图2 (a)是S。S2开通、S3、S4关断时的单相电路图；图2 (13)是52、53开通、S1'S4关断时的单相电路图；图2 (c)是53、S4开通、SpS2关断时的单相电路图。
[0010]图3是本发明逆变电路的特征工作波形图。
[0011]图4是本发明逆变电路的各工作模式等效电路图；图4 (a)是模式I等效电路图，图4 (b)是模式2等效电路图，图4 (c)是模式3等效电路图，图4 (d)是模式4等效电路图，图4 (e)是模式5等效电路图，图4 (f)是模式6等效电路图，图4 (g)是模式7等效电路图，图4 (h)是模式8等效电路图。[0012]图5是实验波形图；图5 (a)是谐振电容Crt的端电压u&1和谐振电流的实验波形，图5 (b)是辅助开关Sal开通和关断时的电压Usal和电流iSal的实验波形，图5 (c)是辅助开关Sa2开通和关断时的电压uSa2和电流iSa2的实验波形，图5 Cd)是辅助开关Sa3开通和关断时的电压uSa3和电流iSa3的实验波形，图5 (e)是软开关逆变器输出线电压Uab的实验波形，图5 Cf)是软开关逆变器三相的相电流的实验波形。
【具体实施方式】:
[0013]实施例1
[0014]一、电路结构
[0015]参照图1，一种新型谐振直流环节三相三电平二极管箝位型软开关逆变器主电路，它可用于三相交流电机的驱动。主电路包括:一个直流电源1，一个辅助谐振电路2(由镜像对称辅助谐振电路A和B组成)，一个公知的二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器3，一个三相阻感性负载4。本发明用于二极管箝位型三相三电平逆变器的谐振直流环节软开关辅助谐振电路在直流母线之间串联了四个电解电容C1、C2、C3、C4，辅助开关Sal、Sa2、Sa3，Sa4,Sa5> Sa6分别反并联二极管Dal、Da2、Da3，Da4、Da5、Da6。二极管Dal的阴极与直流母线的Pl极相连，二极管Dal的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件Sal的集电极与二极管Dal的阴极相连，开关器件Sal的发射极与二极管Dal的阳极相连，开关器件Sa2的发射极与直流母线的P2极相连，二极管Da2的阳极与开关器件Sa2的发射极相连，二极管Da2的阴极与开关器件Sa2的集电极相连，开关器件Sa2的集电极与开关器件Sa3的集电极相连，二极管Da3的阴极与开关器件Sa3的集电极相连，二极管Da3的阳极与开关器件Sa3的发射极相连，Sa3的发射极与谐振电感Lrt的一端相连，谐振电感Lrt的另一端与电解电容C2的正极相连，电解电容C2的正极与电解电容C1的负极相连，电解电容C1的正极与直流母线的Pl极相连；二极管Da4的阴极与直流母线的N2极相连，二极管Da4的阳极与直流母线的NI极相连，开关器件Sa4的集电极与二极管Da4的阴极相连，开关器件Sa4的发射极与二极管Da4的阳极相连，开关器件Sa6的发射极与直流母线的N2极相连，二极管Da6的阳极与开关器件Sa6的发射极相连，二极管Da6的阴极与开关器件Sa6的集电极相连，开关器件Sa6的集电极与开关器件Sa5的集电极相连，二极管Da5的阴极与开关器件Sa5的集电极相连，二极管Da5的阳极与开关器件Sa5的发射极相连，开关器件Sa5的发射极与谐振电感L2的一端相连，谐振电感Lrf的另一端与电解电容C4的正极相连，电解电容C4的正极与电解电容C3的负极相连，电解电容C3的正极与电解电容C2的负极相连，电解电容C4的负极与直流母线的NI极相连；谐振电容Crt的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容Crt的另一端与谐振电容Crf的一端相连，谐振电容Crf的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容Crt和谐振电容Crf的连接点再与电解电容C2和电解电容C3的连接点相连。直流母线的Pl极与直流电源的正极相连，直流母线的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的NI极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。
[0016]辅助电路A (B)包括电解电容C1 (。3)和。2 (C4),辅助开关器件Sal (Sa4)、Sa2 (Sa5),Sa3 (sa6)，及其反并联二极管Dal (Da4), Da2 (Da5), Da3 (Da6),谐振电容Cr1 ((；2)和谐振电感Lrl (Lr2)。在参数值方面，C1=C2=C3=C4, Crl=Cr2, Lrl=Lr2, Ra=Rb=Rc, La=Lb=Lc。当三电平逆变器的主开关需要切换时，通过辅助谐振电路A (B)中的Crt (Crf)和Lrt (L2)之间的谐振使Crt(Cr2)的端电压下降到零，实现主开关的零电压切换。为简化分析，做如下假设:1)器件均工作在理想状态；2)谐振电感远小于负载电感，逆变桥开关状态过渡瞬间的负载电流I。恒定；3)电解电容值足够大，其端电压恒定，并均分直流电源电压。取逆变器的单相电路进行分析，三电平逆变器有三种开关状态组合，分别是(a) S1, S2开通，S3、S4关断；(b) S2, S3开通，SpS4关断；(c) S3、S4开通，Sp S2关断。这三种开关状态下的电路工作状态分别对应图2(a)，图2(b)和图2(c)，其中u&1，1^和Itl的正方向如图2所示，在开关状态a和b之间的换流过程中，辅助电路A工作；在开关状态b和c之间的换流过程中，辅助电路B工作。
[0017]二、工作原理
[0018]以开关状态b到开关状态a的换流过程为例，来分析电路的工作原理。在开关状态b到开关状态a的换流过程中，辅助电路A工作，辅助电路B不工作，电路的特征工作波形如图3所示。根据图3，该电路在一个开关周期内分为八个工作模式。各工作模式的等效电路如图4所示。
[0019]工作模式:
[0020]模式Ut-tJ:初始状态，S2、S3开通，Sp S4关断，正向负载电流Itl通过D13和S2续流，逆变器工作于稳态。
[0021]模式2 (Vt1):在t0时刻，关断Sa2,同时开通Sa3,因为在关断Sa2之前，流过Sa2的电流已经等于零，所以Sa2实现了零电流关断；在Lrl的作用下，降低了流过Sa3电流的上升率，所以Sa3实现了零电流开通。开通Sa3以后，Lrl承受的电压值为E/4，Lrl被充电，iLrl线性增大，在h时刻，当线性增大到Ibl时，模式2结束。Sa3开通瞬间的电流上升率为
[0022]
【权利要求】
1.一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它的主电路包括一个直流电源(I)、一个二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器(3)和三相阻感性负载(4)，其特征在于:在直流环节添加的辅助谐振电路(2)中，有四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感；在直流母线之间串联了四个电解电容q、C2、C3和Ci,Sal, Sa2, Sa3, Sai, Sa5和5；6分别反并联二极管1、見2、見3，見4、見5和化6; 二极管Dal的阴极与直流母线的Pl极相连，二极管j3l的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件S31的集电极与二极管久i的阴极相连，开关器件^3l的发射极与二极管化工的阳极相连，开关器件S32的发射极与直流母线的P2极相连，二极管的阳极与开关器件S32的发射极相连，二极管的阴极与开关器件S32的集电极相连，开关器件S32的集电极与开关器件的集电极相连，二极管的阴极与开关器件的集电极相连，二极管的阳极与开关器件的发射极相连，Sa3的发射极与谐振电感Zn的一端相连,谐振电感Zn的另一端与电解电容C2的正极相连，电解电容C2的正极与电解电容C1的负极相连，电解电容C1的正极与直流母线的Pl极相连；二极管的阴极与直流母线的N2极相连，二极管化4的阳极与直流母线的NI极相连，开关器件的集电极与二极管化4的阴极相连，开关器件S34的发射极与二极管Dai的阳极相连，开关器件S36的发射极与直流母线的N2极相连，二极管的阳极与开关器件S36的发射极相连，二极管化6的阴极与开关器件S36的集电极相连，开关器件S36的集电极与开关器件S35的集电极相连，二极管久5的阴极与开关器件S35的集电极相连，二极管久5的阳极与开关器件的发射极相连，开关器件S35的发射极与谐振电感Zrf的一端相连，谐振电感Zrf的另一端与电解电容C4的正极相连，电解电容C4的正极与电解电容C3的负极相连，电解电容C3的正极与电解电容C2的负极相连，电解电容C4的负极与直流母线的NI极相连；谐振电容G1的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容G1的另一端与谐振电容C；2的一端相连，谐振电容&2的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容G1和谐振电容C；2的连接点再与电解电容C2和电解电容C3的连接点相连，直流母线的Pl极与直流电源的正极相连，直流母线 的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的NI极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。
【文档编号】H02M7/487GK103780118SQ201310746526
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2013年12月30日 优先权日:2013年12月30日
【发明者】王强 申请人:辽宁石油化工大学