一种谐振直流环节的软开关逆变器的制作方法

本实用新型涉及的是一种谐振直流环节的软开关逆变器。

背景技术：

谐振开关–软性开关在20 世纪80 年代初被首次提出，便受到了广泛关注及研究。根据辅助谐振电路的位置，软开关逆变器主要分为两类：谐振极逆变器和谐振直流环节逆变器。其中采用谐振直流环节软开关技术的逆变电路受到了国际电气传动界的广泛关注，与其它的软开关逆变电路相比，有许多明显的优势，例如其结构简单，辅助元件少。但是，谐振直流环节逆变器电路结构仍存在不足。例如谐振电感串接在直流母线上的有源箝位谐振直流环节逆变器容易使电感上产生过高的功率损耗；谐振电感并联在直流母线支路上的并联谐振直流环节逆变器虽然减少了电感损耗，但其串接在直流母线上的辅助开关器件在开通状态下产生过高的功率损耗，从而使辅助电路的总损耗过高，这是其在高功率场合应用推广不多的原因之一。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，将谐振直流环节逆变器向高功率场合应用推广，本实用新型的软开关逆变器的谐振直流环节中辅助电路与直流母线相并联。与其它逆变器谐振直流环节部分的电路结构比较，本实用新型设计的逆变器结构最大的优势是谐振电感和辅助开关器件都没串联在直流母线上，可以减小辅助谐振电路的损耗。

本实用新型提出的谐振直流环节的软开关逆变器，其由电流型PWM可控整流器，辅助谐振电路和电压型PWM 逆变器组成，其中所述辅助谐振电路和电压型PWM逆变器并联在所述电流型PWM可控整流器的输出端，所述电压型PWM逆变器的直流电源由电流型PWM 可控整流器提供，电压型PWM 逆变器的开关器件的零电压切换条件由辅助谐振电路提供。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1是根据本实用新型的谐振直流环节的软开关逆变器的电路图。

具体实施方式

为了更好的理解本实用新型的技术方案，下面结合附图详细描述本实用新型提供的实施例。

该谐振直流环节的软开关逆变器由电流型脉冲宽度调制(pulse width modulation，PWM)可控整流器，辅助谐振电路和电压型PWM 逆变器电路组成，逆变器的直流电源由电流型PWM 可控整流器提供，如图1 所示。辅助谐振电路除了有谐振电容C_r1 和谐振电感L_r以外，还含有电解电容C_F1和C_F2，辅助开关S_a1和S_a2以及分别反并联在辅助开关两端的二极管D_a1和D_a2。其中谐振电容C_r1和辅助开关S_a1并联后与电解电容C_F1串联组成第一支路，谐振电感L_r与第二辅助开关S_a2串联组成第二支路，第一支路和第二支路并联后与第二电解电容C_F2串联。

PWM 逆变器的每个桥臂上的开关器件都有缓冲电容C_s与其并联，PWM 逆变器开关器件的零电压切换条件由辅助谐振电路提供。直流母线电压周期性下降到零时，三相逆变桥的开关器件进行通断，使开关损耗减小。

设定I_b2为正向的谐振电感电流阈值，设置该阈值的目的是为了保证谐振过程中直流母线电压能在规定时间内下降到零；I_b3为反向的谐振电感电流阈值，设置该阈值的目的是为了保证谐振过程中直流母线电压能在规定时间内上升到直流电源电压；I_p1和I_p2 分别为谐振电流的正反向最大值。其中各模式的直流母线上的电流i₁ = I_d；在模式1-4，模式8 和9 中，i₂ = I₀，i₃ = I_b1 = I_d-I₀；在模式5-7中，i₃ = i_Lr。该电路中含有3 个换能元件C_r1、C_r2和L_r，整个系统用状态变量u_Cr1、u_Cr2、i_Lr表征，分别选用电容电压状态变量u_Cr1 和u_Cr2 各自与电感电流状态变量i_Lr组成两个相平面，来分析整个电路。假设模式1 为电路的初始状态，逆变器的整个工作过程分析如下。

1）模式1(t—t0)：初始状态，直流母线电流i₁被分为两路，包括流经负载的电流i2，以及通过反并联二极管D_a1流经电容C_F1的电流i₃，该模式中Sa1 工作在开通状态下，逆变器处于稳态。此时，u_Cr1 = 0，u_Cr2 = E，i_Lr= 0。本模式的运动轨迹为一点。

2）模式2(t0—t1)：电路在本模式通过对L_r充电，使流过D_a1 的电流减小到零，D_a1完成自然关断。在t₀时刻，开通辅助开关S_a2，使其处于开通状态。由于流过S_a2的电流变化率在L_r的作用下被降低，保证了S_a2在开通过程中完成零电流开通。S_a2 导通后，由于L_r两端电压为E/2，L_r被充电，流经L_r的电流i_Lr开始线性增大，流过D_a1的电流线性减小，变化率和流经L_r的电流变化率相同。当i_Lr线性增大到I_b1 时，D_a1 被自然关断，模式2 结束。

3）模式3(t1—t2)：电路在本模式中通过对L_r充电，使i_Lr增大到正向阈值I_b2，以保证在接下来的谐振过程中，直流母线电压能在规定时间内下降到零。在t1—t2 时间段内L_r依然被充电，流经L_r的电流持续线性增大，与此同时开始有电流流过S_a1，S_a1上的电流线性增大。i_Lr线性增大到I_b2时，模式3 结束。

4）模式4(t2—t3)：电路在本模式中进入谐振过程，通过C_r1、C_r2和L_r的谐振，使直流母线电压下降到零。在t2 时刻，关断S_a1，在开关状态切换瞬间，在C_r1作用下，S_a1 两端的电压不能突变。S_a1的电压上升率被降低，从而完成了零电压关断。C_r1、C_r2和L_r在t2 时刻以后处于谐振状态，C_r2放电的同时给L_r和C_r1 充电，u_Cr2 在放电过程中逐渐从E 减小，i_Lr则由于L_r被充电继续增大，u_Cr1也在充电过程中逐渐从零开始增大。当u_Cr2减小至E/2 时，流过L_r的电流恰好增加到最大值。此后L_r放电，i_Lr逐渐减小。u_Cr2在t3 时刻减小到零，二极管Dinv 在此时开始导通，模式4 结束。

5）模式5(t3—t4)：电路在本模式中使L_r向电容C_F2放电，i_Lr线性减小，最终逆变桥上的续流二极管自然关断。L_r两端的电压值在t3 时刻时为−E/2，此时流过L_r的电流i_Lr开始线性减小，当减小到和电流i₁大小相等时，模式5 结束，此时流过L_r的电流大小为I_d。由于Dinv 处于开通状态，直流环节电压值为零，因此Sinv 可以完成零电压开通。

6）模式6(t4—t5)：电路在本模式中使L_r继续向电容C_F2 放电，i_Lr继续线性减小，最终i_Lr减小到零，L_r放电结束。在该模式中流经L_r的电流持续线性减小，且由于此时Sinv 开始有电流流过，所以逆变桥短路，该电流在t4—t5 时间段内呈线性增大趋势。由于电感值L_d 比较大，可以有效的抑制短路电流在短时间内的变化，所以直流供电电源在逆变桥短路的这一小段时间内不会被损坏。在t5时刻，i_Lr线性减小到零时，模式6 结束。

7）模式7(t5—t6)：电路在本模式中使电容C_F2向L_r放电，L_r被充电，最终i_Lr增大到反向阈值I_b3，以保证在接下来的谐振过程中，直流母线电压能在规定时间内上升到直流电源电压E。谐振电感在t5时刻所承受的电压值仍然是−E/2，二极管D_a2 开通，流经L_r的电流开始负方向线性增加，当i_Lr负向增加至I_b3时，该模式结束。

8）模式8(t6—t7)：电路在本模式中进入谐振过程，通过C_r1、C_r2 、L_r的谐振，使直流母线电压上升到E。由于直流环节的电压为零，所以t6 时刻Sinv在零电压条件下完成了关断。C_r1、C_r2 和L_r在t6 时刻以后处于谐振状态，C_r1 放电的同时给L_r和C_r2充电。u_Cr1 在放电过程中逐渐从E 减小，i_Lr则由于L_r被充电继续反方向增大，u_Cr2 也在充电过程中逐渐从零开始增大。u_Cr1 减小至E/2 时，流过L_r的电流恰好增加到负方向最大值，此后L_r放电，i_Lr变小。u_Cr1 在t7 时刻减小到零，模式8 结束。

9）模式9(t7—t8)：电路在本模式中使L_r向电容C_F1放电，i_Lr反向线性减小，最终i_Lr反向减小到零，L_r放电结束，辅助电路结束工作。S_a1在t7 时刻导通，由于这时u_Cr1已经减小至零，电流开始从D_a1流过，因此S_a1 在零电压条件下完成导通。从t7 时刻开始，i_Lr开始线性减小，当i_Lr线性减小到零时，模式9结束，然后电路返回模式1，开始下一个开关周期的工作。至此，一个开关周期内的电路的曲线运动方程建立完成。

本实用新型提出的该新型谐振直流环节软开关逆变器，相比于其它逆变器结构，其优点在于谐振电路中的元件都位于直流母线并联支路上，使辅助环节的损耗明显降低。