一种两级式三相软开关变流器的制作方法

本发明涉及直流-交流变换技术领域，尤其涉及一种两级式三相软开关变流器电路。

背景技术：

传统的两级式三相变流器电路，包括四组半桥桥臂；第一个半桥桥臂与输入侧电感组成直流-直流变换器，第二个半桥桥臂、第三个半桥桥臂、第四个半桥桥臂和三个交流侧电感组成三相的直流-交流变换器与三相电网连接；四个桥臂的上、下端分别并联组成正、负母线直接与直流母线电容相连，第一个半桥桥臂将输入直流源的电压变换成直流母线电压，该直流母线电压作为后级三相直流-交流变换器的输入电压；传统的两级式三相变流器电路工作在硬开关状态，存在二极管反向恢复现象，换流器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，导致需采用较大的滤波器，降低了电路效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的两级式三相软开关变流器电路拓扑及其调制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种两级式三相软开关变流器电路拓扑，其特征在于：所述两级式三相软开关变流器电路包括交流侧滤波电感la、lb、lc；直流输入侧电感l1；四组半桥桥臂；直流侧电容cdc；以及一组包含一个并联二极管d7的辅助开关管s7、谐振电感lr、箝位电容cc构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管s7与箝位电容cc串联后再和谐振电感lr并联；上述每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s8、s9和d8、d9，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s1、s4和d1、d4，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s3、s6和d3、d6，第四桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s5、s2和d5、d2，四组桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；上述正公共母线与直流侧电容cdc之间接入上述辅助谐振支路；第一桥臂的中点连接电感l1的一端，l1的另一端与输入直流源的正端相连，直流源的负端与负公共母线相连；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的中点分别连接la、lb、lc，la、lb、lc的另一端分别与三相电网相连；各开关管s1～s6、s8～s9和s7的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容c1～c6、c8～c9和c7。

本发明内容的另一个方面，提供一种两级式三相软开关变流器的调制方法，其特征在于：所述第一桥臂的上、下主开关管采用固定占空比的脉宽调制，所述第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的主开关管采用正弦波脉宽调制或者空间矢量调制方法，所有主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述四个桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管s7，正、负公共母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容c7上的电压将谐振为零，辅助开关管s7进行零电压开通。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的两级式三相软开关变流器电路，能实现前级直流-直流变换器和后级直流-交流变换器所有主开关管以及辅助开关管在工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现软开关，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

附图说明

图1为两级式三相软开关变流器电路拓扑图。

图2为一个工频周期内根据输出电流波形划分的六个工作区间示意图。

图3为本发明在区间1中的脉冲控制时序图。

图4～17分别为本发明在区间1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图18为本发明在区间1中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，所述两级式三相软开关变流器电路包括交流侧滤波电感la、lb、lc；直流输入侧电感l1；四组半桥桥臂；直流侧电容cdc；以及一组包含一个并联二极管d7的辅助开关管s7、谐振电感lr、箝位电容cc构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管s7与箝位电容cc串联后再和谐振电感lr并联；上述每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s8、s9和d8、d9，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s1、s4和d1、d4，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s3、s6和d3、d6，第四桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为s5、s2和d5、d2，四组桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；上述正公共母线与直流侧电容cdc之间接入上述辅助谐振支路；第一桥臂的中点连接电感l1的一端，l1的另一端与输入直流源的正端相连，直流源的负端与负公共母线相连；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的中点分别连接la、lb、lc，la、lb、lc的另一端分别与三相电网相连；各开关管s1～s6、s8～s9和s7的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容c1～c6、c8～c9和c7。

对于两级式三相软开关变流器电路，可以根据三相输出电流ia、ib、ic的相位情况，将工作区域划分成六个区域，如图2所示，同时输入电流i1的极性，也存在大于零和小于零两种情况。下面以三相电流ia、ib、ic处在区域1，并且输入电流i1大于零为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析。

由于在区域1内，i1、ia大于零，ib、ic小于零，在一个开关周期内，存在四个二极管向主开关管换流的过程，分别为d8向s9换流、d4向s1换流、d3向s6换流、d5向s2换流，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图3所示，变流器共有14个工作状态。图4～17是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图18所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t0～t1)：

如图4所示，第一桥臂上管二极管d8，第二桥臂下管二极管d4，第三桥臂上管二极管d3，第四桥臂上管二极管d5均导通，由谐振电感lr、箝位电容cc、辅助开关s7组成的辅助电路中，箝位电容cc两端电压为ucc，谐振电感电流线性上升；

阶段二(t1～t2)：

如图5所示，在t1时刻辅助开关s7关断，谐振电感lr使主开关管s9、s1、s6、s2的并联电容c9、c1、c6、c2放电，同时使辅助开关s7的并联电容c7充电，谐振电感lr的电流ilr谐振下降，在t2时刻，主开关s9、s1、s6、s2的并联电容c9、c1、c6、c2电压谐振至零，该阶段结束；

阶段三(t2～t3)：

如图6所示，在t2时刻以后d9、d1、d6、d2会导通，将c9、c1、c6、c2上的电压箝位为零，可在t2时刻开通s9、s1、s6、s2，可实现s9、s1、s6、s2的零电压开通，在t3时刻，d9、d1、d6、d2电流下降到零，该阶段结束。

阶段四(t3～t4)：

如图7所示，在d9、d1、d6、d2关断后，电路进入换流阶段，电流i1由二极管d8向开关管s9换流，电流ia由二极管d4向开关管s1换流，电流ib由二极管d3向开关管s6换流，电流ic由二极管d5向开关管s2换流。在该阶段谐振电感lr两端的电压被钳位在vdc，谐振电感电流ilr线性下降，在t4时刻，以上四个桥臂换流均结束，该阶段结束。其中vdc为直流母线电容上的电压。

阶段五(t4～t5)：

如图8所示，在t4时刻以后ilr继续下降，c7开始放电，c8、c4、c3、c5开始充电，电路进入第二次谐振，在t5时刻c7上的电压谐振到零，该阶段结束。

阶段六(t5～t6)：

如图9所示，t5时刻以后，d7会导通，将c7上的电压箝位为零，为辅助管s7的零电压开通提供条件，可在t5时刻给s7发送开通信号，使其实现零电压开通，当s9在t6时刻关断时，该阶段结束。

阶段七(t6～t7)：

如图10所示，s9在t6时刻关断后，第一桥臂的上下主开关管开始换流，c9开始充电，c8开始放电，在t7时刻，c9上的电压上升到ucc+vdc，c8上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段八(t7～t8)：

如图11所示，在第一桥臂完成换流，d8续流导通后，s8开通，在此阶段s8、s1、s6、s2保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t8时刻s6关断，该阶段结束。

阶段九(t8～t9)：

如图12所示，s6在t8时刻关断后，第三桥臂开始换流，c6开始充电，c3开始放电，在t9时刻，c6上的电压上升到ucc+vdc，c3上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十(t9～t10)：

如图13所示，在第三桥臂完成换流，d3续流导通后，s3开通，在此阶段s8、s1、s3、s2保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t10时刻s2关断，该阶段结束。

阶段十一(t10～t11)：

如图14所示，s2在t10时刻关断后，第四桥臂开始换流，c2开始充电，c5开始放电，在t11时刻，c2上的电压上升到ucc+vdc，c5上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十二(t11～t12)：

如图15所示，在第四桥臂完成换流，d5续流导通后，s5开通，在此阶段s8、s1、s3、s5保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t12时刻s1关断，该阶段结束。

阶段十三(t12～t13)：

如图16所示，s1在t12时刻关断后，第二桥臂开始换流，c1开始充电，c4开始放电，在t13时刻，c1上的电压上升到ucc+vdc，c4上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十四(t13～t14)：

在第二桥臂完成换流，d4续流导通后，s4开通，在此阶段s8、s4、s3、s5保持开通状态，谐振电感电流线性下降，该阶段与阶段一相同。