一种变频器的制作方法

本实用新型涉及变频技术，更具体地，涉及一种变频器。
背景技术：
：中高压变频器通常采用耐压1700V以上的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为开关器件，其广泛应用于商业和工业领域，包括不间断电源、交流传动、光伏逆变以及风力发电等领域。传统变频器的开关管，即IGBT，通常工作于硬开关条件下，导致其开关损耗高，并且占据了总损耗中的绝大部分。显著的开关损耗不但限制了开关频率，导致逆变器总体积难以缩小，而且降低了工作效率，增加了散热难度。此外，硬开关工作模式会产生高的电压变化率(dv/dt)和高的电流变化率(di/dt)，这会带来强烈的电磁干扰(EMI)。当接入电网时，在某些场合为了满足EMI标准，必须通过EMI滤波器来滤除这些电磁干扰。高的电压电流变化率会在长电缆上产生行波反射，对电机的绝缘产生破坏。最后，硬开关工作模式会导致续流二极管产生强烈的反向恢复效应。最后，硬开关工作模式会导致续流二极管产生强烈的反向恢复效应，不但增加了系统干扰而且会带来额外损耗。在高压逆变领域，为了提高阀组耐压，通常会采用高压绝缘栅双极型晶体管(IGBT)或集成门极换流晶阀管(IGCT)的串联技术。但在硬开关工作模式下，开关管串联技术难度高，存在静态均压和动态均压的难题，并对阀组中各开关信号的一致性要求极为苛刻。若工作在软开关模式下，串联则会容易得多，仅需考虑静态均压即可。技术实现要素：本实用新型为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种实现软开关工作模式的变频器。为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案如下：一种变频器，其特征在于，包括直流母线电容、桥臂开关管支路、中性点开关管支路、谐振电感、谐振电容和输出滤波电感；谐振电感串联在桥臂开关管支路中，谐振电容与中性点开关管支路并联，桥臂开关管支路与中性点开关管支路连接构成T型结构，直流母线电容两端与桥臂开关管支路两端连接，直流母线中性点与中性点开关管支路一端连接，中性点开关管支路另一端连接输出滤波电感一端，输出滤波电感另一端连接一负载电阻。上述方案中，所述直流母线电容包括第一电解电容和第二电解电容，第一电解电容的负极和第二电解电容的正极连接后与中性点开关管支路一端连接，第一电解电容的正极和第二电解电容的负极分别连接桥臂开关管支路的两端。上述方案中，所述桥臂开关管支路包括两个桥臂开关管，谐振电感包括两个电感；一桥臂开关管的发射极与一电感的一端连接组成第一支路，第一支路中的桥臂开关管的集电极与第一电解电容的正极连接，第一支路中的电感另一端与中性点开关管支路连接；另一桥臂开关管的发射极与另一电感的一端连接组成第二支路，第二支路中的桥臂开关管的集电极与中性点开关管支路连接,第二支路中的电感另一端与第二电解电容的负极连接。上述方案中，第一支路和第二支路中的桥臂开关管还分别串联相同数量的桥臂开关管后再分别与对应的电感组合形成第一支路和第二支路。上述方案中，所述桥臂开关管支路包括六个桥臂开关管，谐振电感包括六个电感；三个桥臂开关管的发射极分别与三个电感的一端一对一连接组成第三支路,第三支路中的三个桥臂开关管的集电极均与第一电解电容的正极连接，第三支路中的三个电感的另一端与中性点开关管支路连接；另三个桥臂开关管的发射极与另三电感的一端一对一连接组成第四支路，第四支路中的三个桥臂开关管的集电极与中性点开关管支路连接,第四支路中的三个电感另一端与第二电解电容的负极连接。上述方案中，所述中性点开关管支路包括三个，谐振电容包括三个，三个中性点开关管支路与三个谐振电容一对一并联，三个中性点开关管支路一端分别与第三支路中的三个电感另一端一对一连接以及分别与第四支路中的三个开关管的集电极一对一连接，三个中性点开关管支路另一端均连接至直流母线中性点。上述方案中，第三支路和第四支路中的各个桥臂开关管还分别串联相同数量的桥臂开关管后再分别与对应的电感连接组成第三支路和第四支路。上述方案中，所述桥臂开关管为带反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管或者金属氧化物半导体场效应管或者带反向并联二极管的集成门极换流晶闸管。上述方案中，所述中性点开关管支路由两个反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管反向串联构成或者由两个逆阻型绝缘栅双极型晶体管反向并联构成或者由金属氧化物半导体场效应管反相串联构成或者多个上述结构再串联构成。上述方案中，谐振电容为薄膜电容或者高压瓷片电容。与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果是：本实用新型的桥臂开关管支路与中性点开关管支路工作在互补导通状态，桥臂开关管支路的导通标志着一个谐振周期的开始，由于桥臂开关管支路与谐振电感串联，因此实现了零电流开通；当谐振过程发生到谐振电感电流反向时，桥臂电流将流经桥臂开关管，此刻桥臂开关管得到关断从而实现零电流关断。由于中性点开关管支路与谐振电容并联，因此实现了零电压关断。当谐振过程发生到谐振电容电压回零时，开通中性点开关管支路可实现零电压开通。综上所述，全部开关管均实现了软开关工作模式。而且由于采用了软开关工作模式，使得开关管易于串联，更容易应用于高压大功率领域。附图说明图1为本实用新型一种变频器单相形式的电路原理图。图2为本实用新型一种变频器单相形式电路工作时的电流电压波形图以及栅极信号的时序图，其中图2(a)为谐振电容50的电压波形图和中性点开关管支路30的栅极信号时序图，图2(b)为谐振电感40的电流波形图和桥臂开关管支路中T1的栅极信号时序图，图2(c)为负载电流波形图。图3为本实用新型一种变频器单相形式电路工作时的桥臂电流、输出相电压以及负载电流的波形图，其中图3(a)为谐振电感Lr1的电流波形图，图3(b)为谐振电感Lr2的电流波形图，图3(c)为谐振电容Cr的电压波形图，图3(d)为负载电流的波形图。图4为本实用新型一种变频器三相形式的电路原理图。图5为本实用新型一种变频器三相形式电路工作时的A相相关电流电压波形图,其中图5(a)为电压VAO的波形图，图5(b)为电压VAB的波形图，图5(c)为电压VAN的波形图，图5(d)为电流iAN的波形图。图6为本实用新型一种变频器三相形式电路工作时的三相输出电流电压波形图，其中图6(a)为负载电压的波形图，图6(b)为负载电流的波形图。图7是实施例4的电路原理图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接连接，可以说两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型的具体含义。下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案做进一步的说明。实施例1如图1所示，为本实用新型一种变频器单相形式的电路原理图。参见图1，本实用新型单相形式的变频器包括直流母线电容10、桥臂开关管支路、中性点开关管支路30、谐振电感40、谐振电容50和输出滤波电感60；谐振电感40串联在桥臂开关管支路中，谐振电容50与中性点开关管支路30并联，桥臂开关管支路与中性点开关管支路30连接构成T型结构，直流母线电容10两端与桥臂开关管支路两端连接，直流母线中性点O与中性点开关管支路30一端连接，中性点开关管支路30另一端连接输出滤波电感60一端，输出滤波电感30另一端连接一负载电阻Zload。其中，直流母线电容10采用大容量电解电容，作用是维持直流母线电压恒定。如图1所示，直流母线电容10包括第一电解电容C1和第二电解电容C2，第一电解电容C1的负极和第二电解电容C2的正极连接后与中性点开关管支路30一端连接，第一电解电容C1的正极和第二电解电容C2的负极分别连接桥臂开关管支路的两端。在此具体实施例中，桥臂开关管支路包括两个桥臂开关管20，谐振电感包括两个电感Lr1、Lr2；一桥臂开关管20的发射极与一电感Lr1的一端连接组成第一支路，第一支路中的桥臂开关管20的集电极与C1的正极连接，第一支路中的电感Lr1另一端与中性点开关管支路30连接；另一桥臂开关管20的发射极与另一电感Lr2的一端连接组成第二支路，第二支路中的桥臂开关管20的集电极与中性点开关管支路30连接,第二支路中的电感Lr2另一端与C2的负极连接。在一种优选的实施方式中，桥臂开关管20可以为带反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管或者金属氧化物半导体场效应管或者带反向并联二极管的集成门极换流晶闸管。例如图1所示，开关管20采用带反向并联二极管(D1、D2)的绝缘栅双极型晶体管(T1、T2)。在此具体实施例中，谐振电感40设计时采用相对于输出滤波电感60远小的电感值，其与谐振电容50构成谐振换流网络。通常，滤波电感为毫亨级别，数量级为10的-3次方，谐振电感为微亨级别，数量级为10的-6次方。谐振电容50采用性能稳定、高频效应好的薄膜电容或者高压瓷片电容构成。在此具体实施例中，中性点开关管支路30可以采用具有双向导电双向阻断能力的半导体开关结构实现，可由两个反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，也可以由两个逆阻型绝缘栅双极型晶体管反向并联构成，再可以由金属氧化物半导体场效应管反相串联构成。基于上述所述的技术方案，获取该变频器的电流电压波形图以及栅极信号的时序图如图2所示。参见图2，图2(a)为谐振电容50的电压波形图和中性点开关管支路30的栅极信号时序图，图2(b)为谐振电感40的电流波形图和桥臂开关管支路中T1的栅极信号时序图，图2(c)为负载电流波形图，从图2(a)和图2(b)可以看出，桥臂开关管支路中的桥臂开关管和中性点开关管支路30工作在互补导通状态。T1的导通(T1on表示T1处于导通状态)标志着一个谐振周期的开始，而且由于T1和谐振电感40是串联的，因此实现了零电流开通。当谐振过程发生到谐振电感40电流反向时，桥臂电流将T1的反向并联二极管D1，此刻T1即可实现零电流关断。对于中性点开关管支路30，由于其与谐振电容50并联，因此可以实现零电压关断。当谐振过程发生到谐振电容50电压回零时，开通中性点开关管支路30可实现零电压开通。基于本实用新型的变频器，桥臂开关管支路可以实现零电流开通，中性点开关管支路30可以实现零电压开通，使得该变频器的全部开关管均实现了软开关工作模式。如图3所示，为一个完整基波周期的单相形式变频器电路的电流电压波形图，其中，图3(a)为谐振电感Lr1的电流波形图，图3(b)为谐振电感Lr2的电流波形图，图3(c)为谐振电容Cr的电压波形图，其即为输出电压的波形图，图3(d)为负载电流的波形图。从图3可以发现，单相变频器的输出电压具有正、零、负三个电平。输出电压经过输出滤波电感60滤除高频谐波后得到接近正弦波的负载电流。实施例2本实施例与实施例1不同的是，桥臂开关管支路中的桥臂开关管可以是多个串联的形式，第一支路和第二支路中的桥臂开关管还分别串联相同数量的n个桥臂开关管后再分别与对应的电感组合形成第一支路和第二支路，其中n为正整数。由于需要保持耐压相同，因此各个支路中的桥臂开关管需要采用相同的串联结构，即第一支路和第二支路中桥臂开关管的串联结构需要保持一致。实施例3如图4所示，为本实用新型一种变频器三相形式的电路原理图。参见图4，本实用新型三相形式的变频器的每相结构与实施例1单相形式的变频器类似，只是负载中性N点不与直流母线中性点O连接。具体地：直流母线电容10、桥臂开关管支路、中性点开关管支路30、谐振电感40、谐振电容50和输出滤波电感60；直流母线电容10包括第一电解电容C1和第二电解电容C2，第一电解电容C1的负极和第二电解电容C2的正极连接后与中性点开关管支路30一端连接，第一电解电容C1的正极和第二电解电容C2的负极分别连接桥臂开关管支路的两端；桥臂开关管支路包括六个桥臂开关管20，优选地六个桥臂开关管采用带反向并联二极管(D1-D6)的绝缘栅双极型晶体管T1-T6，谐振电感40包括六个电感Lr1-Lr6,输出滤波电感60包括三个La-Lc，负载电阻包括三个；中性点开关管支路包括三个T10-T30，谐振电容包括三个Cr1-Cr3，三个中性点开关管支路T10-T30与三个谐振电容Cr1-Cr3一对一并联；T1-T3的发射极分别与Lr1-Lr3的一端一对一连接组成第三支路，T1-T3的集电极均与第一电解电容C1的正极连接，Lr1-Lr3的另一端分别与T10-T30的一端一对一连接，T4-T6的发射极分别与Lr4-Lr6的一端一对一连接组成第四支路，T4-T6的集电极分别与T10-T30的一端一对一连接，Lr4-Lr6另一端与第二电解电容C2的负极连接；T10-T30的一端还分别与三个输出滤波电感的一端一对一连接，三个输出滤波电感的另一端与三个负载电阻一对一连接；T10-T30的另一端与直流母线中性点O连接。在另一种优选的实施方式中，桥臂开关管还可以为金属氧化物半导体场效应管或者带反向并联二极管的集成门极换流晶闸管。在此具体实施例中，每个谐振电感设置时采用相对于输出滤波电感60远小的电感值，每个谐振电感与中性点开关管支路上并联的谐振电容构成谐振换流网络。谐振电容50可以采用性能稳定、高频效应好的薄膜电容或者高压瓷片电容构成。在此具体实施例中，中性点开关管支路30包括了三个，其中每个中性点开关管支路均可以采用具有双向导电双向阻断能力的半导体开关结构实现，可由两个反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管反向串联构成，也可以由两个逆阻型绝缘栅双极型晶体管反向并联构成，再可以由金属氧化物半导体场效应管反相串联构成，亦或者上述结构再串联构成。基于上述所述的技术方案，获取图4所示的变频器的一些电流电压波形图，具体如图5所示，为一个完整基波周期三相形式变频器电路(图4所示电路)中A相的电流电压波形图。由于图4中负载中性N点不与直流母线中性点O直接连接，包括三次谐波在内的全部共模电压将自动在负载端消除。输出电压经过输出滤波电感60滤波后得到接近于正弦波且不含三次谐波的负载电流。图6是一个完整基波周期三相形式变频器电路(图4所示电路)中各相的输出电压电流波形图，从图6可以发现该变频器实现了三相对称输出。实施例4与实施例3不同的是，桥臂开关管支路中的桥臂开关管可以是多个串联的形式，第三支路和第四支路中的各个桥臂开关管还分别串联相同数量的桥臂开关管后在分别与对应的电感连接组成第三支路和第四支路。由于需要保持耐压相同，因此各个支路中的桥臂开关管需要采用相同的串联结构，即第三支路和第四支路中桥臂开关管的串联结构需要保持一致。例如图7所示，桥臂开关管支路中每个桥臂开关管由两个或者多个反向并联二极管的绝缘栅双极型晶体管串联而成，串联后的结构再各自与一谐振电感串联。在上述各个实施例中，为了对输出电源进行合理调制，保证滤波后的电压电流具有正弦形式，本实用新型还可以采用正弦脉冲密度调制或者三次谐波注入脉冲密度调制。三次谐波注入脉冲密度调制的优势在于相对正弦脉冲密度调制可以提高15.5％的直流母线电压利用率。以图1所示的变频器电路为例，用正弦波脉冲密度调制时的表达式如公式(1)所示：Ton·0.5VdcTon+Toff=|Vrefsin(ωt+θ)|⇒Toff=Ton(0.5Vdc|Vrefsin(ωt+θ)|-1)---(1)]]>Ton=2πLrCr---(2)]]>其中，Vdc表示直流母线的电压，Ton表示桥臂开关管20的导通时间，其值由公式(2)给出，Vref为输出电压的参考幅值，ω和θ分别代表输出电压的角频率和相位,Toff表示桥臂开关管20的关断时间，由于中性点开关管支路30与桥臂开关管互补导通，Toff也表示中性点开关管支路30的导通时间。为了防止调制进入饱和区域，输出电压的参考幅值Vref必须小于0.5Vdc。以图1所示的变频器电路为例，用三次谐波注入脉冲密度调整时时的表达式如公式(3)所示：Ton·0.5VdcTon+Toff=|Vrefsin(ωt+θ)+Vref6sin(3ωt+3θ)|⇒Toff=Ton(0.5Vdc|Vrefsin(ωt+θ)+Vref6sin(3ωt+3θ)|-1)---(3)]]>与公式(1)相比，区别在于调制电压中增加了三次谐波分量，其幅值为基波的1/6倍。由于加入了三次谐波分量，输出电压的参考幅值Vref最大可达到0.5775Vdc。相比正弦脉冲密度调制提高了15.5％的最大电压输出。本实用新型的变频器基于其拓扑结构和工作方式，使得桥臂开关管和中性点开关管均工作在软开关模式下(桥臂开关管在谐振电感电流过零时进行开关，中性点开关管在谐振电容电压过零时进行开关)，因而，相对非电流电压过零开关的传统变频器显著减小了开关损耗。由于降低了开关损耗，因而可以在保持总体效率不降低的前提下提高变频器开关频率，在更高的开关频率下，占传统变频器主要体积的无源元件(直流母线电容10和输出滤波电感60)的体积和重量均可以减小，从而缩小变频器的体积和重量。由于变频器输出电压不存在高的电压变化率，因而相对存在高电压变化率的传统变频器，电磁干扰可以得到有效抑制。此外由于采用了软开关工作模式，使得开关管容易串联，更容易应用于高压大功率领域。相同或相似的标号对应相同或相似的部件；附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型权利要求的保护范围之内。当前第1页1 2 3