一种软开关逆变器拓扑电路及控制方法与流程

本发明涉及逆变器和变频器技术领域，尤其涉及一种软开关逆变器拓扑电路及控制方法。

背景技术：

电动机特别是三相异步电动机消耗着世界上三分之二的电能，很多应用场合需要对电动机进行调速控制，逆变器是三相电机调速控制的基本单元。三相逆变器的基本实现方式是使用半导体功率开关将整流后的直流电变换成所需频率的交流电，目前最常用的拓扑结构需要使用6个半导体功率开关构成一个三相全桥。由于半导体功率开关工作中存在开关损耗和导通损耗，这些损耗因素成为了限制逆变器提升效率的关键因素。提升逆变器的效率是所有逆变器设计者始终追求的目标，也是提高能源利用率、保护地球生态环境的关键因素之一。

提高逆变器效率的方法可以分为两类：一类是通过开发更理想的功率器件来降低损耗，如宽禁带半导体功率器件；另一类是通过优化电路拓扑结构和控制方法来降低器件损耗，如采用软开关技术。软开关技术在高效电源领域应用已经十分广泛，该技术显著提高了电源的效率，是大功率及超大功率电源系统的首选技术之一。由于逆变器的低频输出特性，目前还没有全部实现软开关的逆变器拓扑电路。

技术实现要素：

发明目的：针对在现有逆变器拓扑电路中，未能全部通过优化电路拓扑结构和控制方法来降低器件损耗的问题，本发明提出一种软开关逆变器拓扑电路及控制方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种软开关逆变器拓扑电路，所述电路包括有直流电源vbat、主三相全桥、辅助三相全桥、软开关电感组和三相电机acmotor，所述直流电源vbat为主三相全桥和辅助三相全桥提供直流母线，所述主三相全桥和辅助三相全桥之间相互并联，同时所述三相电机acmotor电性连接主三相全桥；

所述主三相全桥包括有三个桥臂，同时所述辅助三相全桥也包括有三个桥臂，所述辅助三相全桥中的桥臂通过软开关电感组电性连接主三相全桥中的桥臂。

进一步地讲，所述主三相全桥的桥臂包括有第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，所述第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂之间相互并联；

所述第一桥臂包括有第一开关管ms1、第二开关管ms2、第一续流二极管md1、第二续流二极管md2、第一输出电容mc1和第二输出电容mc2，所述第一开关管ms1、第一续流二极管md1和第一输出电容mc1之间相互并联，所述第二开关管ms2、第二续流二极管md2和第二输出电容mc2之间相互并联，所述第一开关管ms1的输入端、第一续流二极管md1的阴极和第一输出电容mc1的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，所述第一开关管ms1的输出端、第一续流二极管md1的阳极和第一输出电容mc1的输出端均电性连接第二开关管ms2的输入端、第二续流二极管md2的阴极和第二输出电容mc2的输入端，所述第二开关管ms2的输出端、第二续流二极管md2的阳极和第二输出电容mc2的输出端均电性连接直流电源vbat的负极；

所述第二桥臂包括有第三开关管ms3、第四开关管ms4、第三续流二极管md3、第四续流二极管md4、第三输出电容mc3和第四输出电容mc4，所述第三开关管ms3、第三续流二极管md3和第三输出电容mc3之间相互并联，所述第四开关管ms4、第四续流二极管md4和第四输出电容mc4之间相互并联，所述第三开关管ms3的输入端、第三续流二极管md3的阴极和第三输出电容mc3的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，所述第三开关管ms3的输出端、第三续流二极管md3的阳极和第三输出电容mc3的输出端均电性连接第四开关管ms4的输入端、第四续流二极管md4的阴极和第四输出电容mc4的输入端，所述第四开关管ms4的输出端、第四续流二极管md4的阳极和第四输出电容mc4的输出端均电性连接直流电源vbat的负极；

所述第三桥臂包括有第五开关管ms5、第六开关管ms6、第五续流二极管md5、第六续流二极管md6、第五输出电容mc5和第六输出电容mc6，所述第五开关管ms5、第五续流二极管md5和第五输出电容mc5之间相互并联，所述第六开关管ms6、第六续流二极管md6和第六输出电容mc6之间相互并联，所述第五开关管ms5的输入端、第五续流二极管md5的阴极和第五输出电容mc5的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，所述第五开关管ms5的输出端、第五续流二极管md5的阳极和第五输出电容mc5的输出端均电性连接第六开关管ms6的输入端、第六续流二极管md6的阴极和第六输出电容mc6的输入端，所述第六开关管ms6的输出端、第六续流二极管md6的阳极和第六输出电容mc6的输出端均电性连接直流电源vbat的负极。

进一步地讲，所述辅助三相全桥的桥臂包括有a桥臂、b桥臂和c桥臂，所述a桥臂、b桥臂和c桥臂之间相互并联；

所述a桥臂包括有第一开关管as1、第二开关管as2、第一续流二极管ad1和第二续流二极管ad2，所述第一开关管as1的输入端电性连接第一续流二极管ad1的阴极和直流电源vbat的正极，所述第一开关管as1的输出端电性连接第一续流二极管ad1的阳极、第二开关管as2的输入端和第二续流二极管ad2的阴极，所述第二开关管as2的输出端电性连接第二续流二极管ad2的阳极和直流电源vbat的负极；

所述b桥臂包括有第三开关管as3、第四开关管as4、第三续流二极管ad3和第四续流二极管ad4，所述第三开关管as3的输入端电性连接第三续流二极管ad3的阴极和直流电源vbat的正极，所述第三开关管as3的输出端电性连接第三续流二极管ad3的阳极、第四开关管as4的输入端和第四续流二极管ad4的阴极，所述第四开关管as4的输出端电性连接第四续流二极管ad4的阳极和直流电源vbat的负极；

所述c桥臂包括有第五开关管as5、第六开关管as6、第五续流二极管ad5和第六续流二极管ad6，所述第五开关管as5的输入端电性连接第五续流二极管ad5的阴极和直流电源vbat的正极，所述第五开关管as5的输出端电性连接第五续流二极管ad5的阳极、第六开关管as6的输入端和第六续流二极管ad6的阴极，所述第六开关管as6的输出端电性连接第六续流二极管ad6的阳极和直流电源vbat的负极。

进一步地讲，所述软开关电感组包括有第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，所述辅助三相全桥的a桥臂通过第一电感l1电性连接主三相全桥的第一桥臂和三相电机acmotor的a相输入端，所述辅助三相全桥的b桥臂通过第二电感l2电性连接主三相全桥的第二桥臂和三相电机acmotor的b相输入端，所述辅助三相全桥的c桥臂通过第三电感l3电性连接主三相全桥的第三桥臂和三相电机acmotor的c相输入端。

进一步地讲，所述第一输出电容mc1、第二输出电容mc2、第三输出电容mc3、第四输出电容mc4、第五输出电容mc5和第六输出电容mc6均可以为额外添加的电容元件，也可以为借用功率器件的输出寄生电容。

一种软开关逆变器拓扑电路的控制方法，所述控制方法具体包括如下步骤：

s1：根据所述三相电机acmotor中电机绕组中已有的电流，确定出所述三相电机acmotor中续流电流的流向；

s2：根据所述三相电机acmotor中续流电流的流向，确定出所述续流电流流出方向中主三相全桥的桥臂和续流电流流入方向中主三相全桥的桥臂；

s3：将所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂中开通的开关管进行关断，同时打开与所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂电性连接的辅助三相全桥桥臂中的开关管，所述直流电源vbat通过续流电流流出方向中主三相全桥桥臂和辅助三相全桥桥臂之间电性连接的电感，为所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂中进行关断的二极管的输出电容进行充电；

s4：对所述进行充电的电容电压进行判断，并根据所述判断结果，将所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂中除关断的开关管外的另一个开关管进行导通。

进一步地讲，在所述步骤s4中，根据所述判断结果，将所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂中除关断的开关管外的另一个开关管进行导通，具体为：

当所述进行充电的电容电压大小达到母线电压大小时，将所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂中除关断的开关管外的另一个开关管进行导通，同时将与所述续流电流流出方向中主三相全桥桥臂电性连接的辅助三相全桥桥臂中打开的开关管进行关断；

当所述进行充电的电容电压大小未达到母线电压大小时，则重复所述步骤s3，直至所述进行充电的电容电压大小达到母线电压大小，并执行所述步骤s4。

进一步地讲，所述主三相全桥的开关管在零电压开通状态和零电压关断状态进行工作，所述辅助三相全桥的开关管在零电流开通状态进行工作。

进一步地讲，在对电机进行制动的过程中，当所述电机发电电压低于母线电压时，所述辅助三相全桥和软开关电感组构建电源升压拓扑电路，进行制动能量的回收。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

(1)本发明在现有主三相全桥的基础上增加了小功率辅助三相全桥和软开关电感，从而可以实现主三相全桥的功率开关在零电压状态开通和零电压状态关断，同时增加的辅助三相全桥的功率开关可在零电流状态开通，进而显著降低了主三相全桥上功率开关的开通损耗且不显著增加新的损耗；

(2)本发明通过软开关电感在死区时间内为断开的主开关管输出电容充电，同时对续流二极管进行软恢复，当电容充电至接近母线电压时打开互补的开关管，从而实现零电压开通，软开关电感在死区结束后将能量送回母线实现能量回收，该方法可以显著降低功率器件损耗，从而提高其使用寿命；

(3)本发明中的功率器件可以使用常规硅材料制作的半导体功率器件，包括mosfet和igbt，不需要使用价格昂贵的碳化硅或氮化镓器件，从而可以显著提高产品的性价比。

附图说明

图1是本发明的电路拓扑图；

图中标号对应部件名称：

1、主三相全桥；2、辅助三相全桥；3、软开关电感组。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种软开关逆变器拓扑电路，该电路包括有直流电源vbat、主三相全桥1、辅助三相全桥2、软开关电感组3和三相电机acmotor。其中直流电源vbat为主三相全桥1和辅助三相全桥2提供直流母线，主三相全桥1和辅助三相全桥2之间相互并联。

具体地讲，主三相全桥1包括有第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂之间相互并联。第一桥臂包括有第一开关管ms1、第二开关管ms2、第一续流二极管md1、第二续流二极管md2、第一输出电容mc1和第二输出电容mc2，第一开关管ms1、第一续流二极管md1和第一输出电容mc1之间相互并联，第二开关管ms2、第二续流二极管md2和第二输出电容mc2之间相互并联，第一开关管ms1的输入端、第一续流二极管md1的阴极和第一输出电容mc1的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，第一开关管ms1的输出端、第一续流二极管md1的阳极和第一输出电容mc1的输出端均电性连接第二开关管ms2的输入端、第二续流二极管md2的阴极和第二输出电容mc2的输入端，第二开关管ms2的输出端、第二续流二极管md2的阳极和第二输出电容mc2的输出端均电性连接直流电源vbat的负极。

第二桥臂包括有第三开关管ms3、第四开关管ms4、第三续流二极管md3、第四续流二极管md4、第三输出电容mc3和第四输出电容mc4，第三开关管ms3、第三续流二极管md3和第三输出电容mc3之间相互并联，第四开关管ms4、第四续流二极管md4和第四输出电容mc4之间相互并联，第三开关管ms3的输入端、第三续流二极管md3的阴极和第三输出电容mc3的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，第三开关管ms3的输出端、第三续流二极管md3的阳极和第三输出电容mc3的输出端均电性连接第四开关管ms4的输入端、第四续流二极管md4的阴极和第四输出电容mc4的输入端，第四开关管ms4的输出端、第四续流二极管md4的阳极和第四输出电容mc4的输出端均电性连接直流电源vbat的负极。

第三桥臂包括有第五开关管ms5、第六开关管ms6、第五续流二极管md5、第六续流二极管md6、第五输出电容mc5和第六输出电容mc6，第五开关管ms5、第五续流二极管md5和第五输出电容mc5之间相互并联，第六开关管ms6、第六续流二极管md6和第六输出电容mc6之间相互并联，第五开关管ms5的输入端、第五续流二极管md5的阴极和第五输出电容mc5的输入端均电性连接直流电源vbat的正极，第五开关管ms5的输出端、第五续流二极管md5的阳极和第五输出电容mc5的输出端均电性连接第六开关管ms6的输入端、第六续流二极管md6的阴极和第六输出电容mc6的输入端，第六开关管ms6的输出端、第六续流二极管md6的阳极和第六输出电容mc6的输出端均电性连接直流电源vbat的负极。

值得注意的是，第一输出电容mc1、第二输出电容mc2、第三输出电容mc3、第四输出电容mc4、第五输出电容mc5和第六输出电容mc6均可以是额外添加的电容元件，也可以是借用功率器件的输出寄生电容。

辅助三相全桥2的桥臂包括有a桥臂、b桥臂和c桥臂，且a桥臂、b桥臂和c桥臂之间相互并联。具体地讲，a桥臂包括有第一开关管as1、第二开关管as2、第一续流二极管ad1和第二续流二极管ad2，第一开关管as1的输入端电性连接第一续流二极管ad1的阴极和直流电源vbat的正极，第一开关管as1的输出端电性连接第一续流二极管ad1的阳极、第二开关管as2的输入端和第二续流二极管ad2的阴极，第二开关管as2的输出端电性连接第二续流二极管ad2的阳极和直流电源vbat的负极。

b桥臂包括有第三开关管as3、第四开关管as4、第三续流二极管ad3和第四续流二极管ad4，第三开关管as3的输入端电性连接第三续流二极管ad3的阴极和直流电源vbat的正极，第三开关管as3的输出端电性连接第三续流二极管ad3的阳极、第四开关管as4的输入端和第四续流二极管ad4的阴极，第四开关管as4的输出端电性连接第四续流二极管ad4的阳极和直流电源vbat的负极。

c桥臂包括有第五开关管as5、第六开关管as6、第五续流二极管ad5和第六续流二极管ad6，第五开关管as5的输入端电性连接第五续流二极管ad5的阴极和直流电源vbat的正极，第五开关管as5的输出端电性连接第五续流二极管ad5的阳极、第六开关管as6的输入端和第六续流二极管ad6的阴极，第六开关管as6的输出端电性连接第六续流二极管ad6的阳极和直流电源vbat的负极。

软开关电感组3包括有第一电感l1、第二电感l2和第三电感l3，其中第一电感l1的输入端电性连接辅助三相全桥2的a桥臂、输出端电性连接主三相全桥1的第一桥臂和三相电机acmotor的a相输入端，第二电感l2的输入端电性连接辅助三相全桥2的b桥臂、输出端电性连接主三相全桥1的第二桥臂和三相电机acmotor的b相输入端，第三电感l3的输入端电性连接辅助三相全桥2的c桥臂、输出端电性连接主三相全桥1的第三桥臂和三相电机acmotor的c相输入端。

本实施例还提供了一种软开关逆变器拓扑电路的控制方法，该控制方法具体包括如下步骤：

步骤s1：根据三相电机acmotor中电机绕组中已有的电流，确定出三相电机acmotor中续流电流的流向。在本实施例中，三相电机acmotor中电机绕组中已有电流，且当前第一桥臂中的第二开关管ms2、第二桥臂中的第四开关管ms4开通，三相电机acmotor中续流电流的流向为从a相流向b相。

步骤s2：根据步骤s1中三相电机acmotor中续流电流的流向，可以确定出续流电流流出方向中主三相全桥的桥臂、续流电流流入方向中主三相全桥的桥臂。

具体地讲，续流电流流出方向中主三相全桥的桥臂分别为：第一桥臂。续流电流流入方向中主三相全桥的桥臂分别为：第二桥臂。

步骤s3：为了增加三相电机acmotor中的续流电流，将第一桥臂中的第二开关管ms2进行关断，并打开第一桥臂中的第一开关管ms1。但是值得注意的是，断开第二开关管ms2后，不可以马上打开第一开关管ms1，这是由于此时第二输出电容mc2的电压接近0v，且第一桥臂中的第二续流二极管md2正向偏置，打开第一开关管ms1对第二输出电容mc2充电会产生很大的电流脉冲流过第一开关管ms1，此外第二续流二极管md2的反向恢复电流也会流过第一开关管ms1，从而会使得第一开关管ms1产生十分巨大的开通损耗。

即将第一桥臂中的第二开关管ms2进行关断后，打开a桥臂中的第一开关管as1，同时直流电源vbat通过第一电感l1为负载和第二输出电容mc2提供电流，此时第二输出电容mc2的电压会逐渐升高，第二续流二极管md2也开始反向恢复，并且由于第一电感l1的限制，为第二输出电容mc2和第二续流二极管md2充电的电流不会很大。

步骤s4：对第二输出电容mc2的电压进行判断，并根据判断结果，将第一桥臂中的第一开关管ms1进行导通，具体为：

当第二输出电容mc2的电压大小达到母线电压大小时，打开第一桥臂中的第一开关管ms1，同时将a桥臂中的第一开关管as1进行关断。

当第二输出电容mc2的电压大小未达到母线电压大小时，则重复步骤s3，直至第二输出电容mc2的电压大小达到母线电压大小，并执行步骤s4。

上述过程描述了主三相全桥1中第一桥臂的开关从第二开关管ms2切换为第一开关管ms1时的电压和电流的关系。若在第二开关管ms2关断后，直接打开第一开关管ms1，则第二输出电容mc2的充电电流和第二续流二极管md2的反向恢复电流都会流过第一开关管ms1，该过程将产生巨大的电流脉冲，从而导致第一开关管ms1产生十分巨大的开通损耗。但是通过软开关电感组3中的第一电感l1即可解决这个问题，其可将能量暂存在电感中再释放到母线上，这一过程降低了开关的损耗，提高了效率。同样地，若从第一开关管ms1切换为第二开关管ms2时，也需要a桥臂中的第二开关管as2参与执行同样的过程。

在本实施例中，主三相全桥1的开关管在零电压开通状态和零电压关断状态进行工作，辅助三相全桥2的开关管在零电流开通状态进行工作。

值得注意的是，当需要对电机进行制动时，可以通过辅助三相全桥2和软开关电感组3构建一个电源升压拓扑电路，从而可以实现电机发电电压低于母线电压情况时，进行制动能量的回收。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。