零电压转换T型中点箝位三电平逆变器及开关控制时序

零电压转换t型中点箝位三电平逆变器及开关控制时序
技术领域
1.本发明涉及逆变器技术领域，具体为一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器及开关控制时序。


背景技术：

2.非隔离并网逆变器因不含变压器环节具有变换效率高，体积小，成本低等优势，目前在分布式光伏发电系统中占主导地位。软开关技术能够减小甚至消除开关损耗，同时柔化开关过程，可在不降低变换效率的情况下提高开关频率，从而大幅减小无源元件的体积和重量，推动逆变器向高效高功率密度方向发展。
3.随着光伏并网普及和接入比例的提高，一些国际标准如德国vde-ar-n4105标准，以及我国国家电网并网标准gb/t 33593-2017等都要求光伏并网逆变器具有一定的无功输出能力。
4.现有技术，申请公布号为cn109412446a的发明专利一种具有恒定共模电压的软开关逆变器电路，通过加入两组由开关管、电容、电感、二极管等组成的谐振网络以及续流箝位二极管构成的辅助支路，配合开关控制时序，可以实现第一功率开关管、第二功率开关管、第三功率开关管和第四功率开关管的零电流或零电流开关特性，实现共模电压箝位。
5.但是，目前的非隔离逆变器软开关技术仅支持单位功率因数运行。非单位功率因数下由于高频调制的目标开关管增多，部分工作区域内原有的谐振时序将不再适用。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于：解决现有的非隔离逆变器软开关技术在非单位功率因数下部分工作区域内原有的谐振时序不适用的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：
8.一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器及开关控制时序，包括：
9.直流电容支路，由第一直流电容(c
dc1
)和第二直流电容(c
dc2
)组成；
10.主功率单元，由第一功率开关(s1)和第一功率二极管(d1)的并联组合、第二功率开关(s2)和第二功率二极管(d2)的并联组合、第三功率开关(s
f1
)与第三功率开关二极管(d
f1
)的并联组合以及第四功率开关(s
f2
)和第四功率二极管(d
f2
)的并联组合构成；
11.上谐振网络单元，由第一辅助功率开关(s
1a
)和第一辅助功率二极管(d
1a
)的并联组合、第二辅助功率开关(s
1b
)和第二辅助功率二极管(d
1b
)并联组合、第一辅助谐振电容(c
1a
)和第一辅助谐振电感(l
1a
)构成，且所述第一辅助谐振电感(l
1a
)的一端与所述第二辅助功率开关(s
1b
)的漏极和所述第一辅助功率开关(s
1a
)的源极连接，所述第一辅助谐振电感(l
1a
)的另一端与所述第三功率开关(s
f1
)的漏极和所述第四功率开关(s
f2
)的漏极的连接；
12.下谐振网络单元，由第三辅助功率开关(s
2a
)和第三辅助功率二极管(d
2a
)的并联组合、第四辅助功率开关(s
2b
)和第四辅助功率二极管(d
2b
)的并联组合、第二辅助谐振电容
(c
2a
)和第二辅助谐振电感(l
2a
)构成，且所述第二辅助谐振电感(l
2a
)的一端与第三辅助功率开关(s
2a
)的漏极和第四辅助功率开关(s
2b
)的源极连接，所述第二辅助谐振电感(l
2a
)的另一端与所述第一功率开关(s1)的源极和第二功率开关(s2)的漏极连接。
13.优点：通过设置上谐振网络单元和下谐振网络单元，能够实现逆变器全功率因数运行下，4个工作区域内第一功率开关(s1)至第四功率开关(s
f2
)的开通和关断过程的软化，以缓解硬开关工作时的开关损耗和开关应力，以及实现非隔离并网逆变器在保持高变换效率的前提下，具备无功输出能力。
14.在本发明的一实施例中，所述第一辅助谐振电容(c
1a
)与所述第一功率开关(s1)并联，其所述第一辅助谐振电容(c
1a
)的一端与所述第一功率开关(s1)的漏极连接，所述第一辅助谐振电容(c
1a
)的另一端与其所述第一功率开关(s1)的源极连接。
15.在本发明的一实施例中，所述第一辅助谐振电容(c
1a
)的一端还与所述第一辅助功率开关(s
1a
)的漏极连接，所述第一辅助谐振电容(c
1a
)的另一端还与第四功率开关(s
f2
)的源极连接。
16.在本发明的一实施例中，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)与所述第二功率开关(s2)并联，其所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的一端与所述第二功率开关(s2)的漏极连接，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的另一端与所述第二功率开关(s2)的源极连接。
17.在本发明的一实施例中，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的一端还与所述第二辅助谐振电感(l
2a
)的另一端连接，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的另一端还与第三辅助功率开关(s
2a
)的源极连接。
18.在本发明的一实施例中，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的一端还与所述第四功率开关(s
f2
)的源极连接。
19.在本发明的一实施例中，所述第二辅助谐振电容(c
2a
)的另一端还与所述第四功率开关(s
f2
)的源极连接。
20.在本发明的一实施例中，所述第一辅助功率开关(s
1a
)的漏极与所述第一直流电容(c
dc1
)的正极连接。
21.在本发明的一实施例中，所述第三辅助功率开关(s
2a
)的源极与所述第二直流电容(c
dc2
)的负极连接。
22.本发明还提供一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器的开关控制时序，包括：
23.当在调制波为正且参考电流为正的区域时，所述第一功率开关(s1)按照spwm方式高频动作；所述第一辅助功率开关(s
1a
)每个开关周期其开通时刻先于所述第一功率开关(s1)的开通时刻，其关断时刻与所述第一功率开关(s1)的开通时刻一致；所述第四功率开关(s
f2
)一直导通；其他功率开关一直关断；
24.当在调制波为正且参考电流为负的区域时，所述第一功率开关(s1)按照spwm方式高频动作；所述第三功率开关(s
f1
)按照与所述第一功率开关(s1)准互补的方式高频工作，其每个开关周期的开通时刻滞后于所述第一功率开关(s1)的关断时刻，其关断时刻先于所述第一功率开关(s1)的开通时刻；所述第一辅助功率开关(s
1a
)每个开关周期其开通时刻一致；其余功率开关一直关断；
25.当在调制波为负且参考电流为负的区域时，所述第二功率开关(s2)按照spwm方式高频动作；所述第三辅助功率开关(s
2a
)每个开关周期其开通时刻先于所述第二功率开关
(s2)的开通时刻，关断时刻与所述第二功率开关(s2)的开通时刻一致；所述第三功率开关(s
f1
)一直导通；其余功率开关一直关断；
26.当在调制波为负且参考电流为正的区域时，所述第二功率开关(s2)按照spwm方式高频动作；所述第四功率开关(s
f2
)按照与所述第二功率开关(s2)准互补的方式高频动作，每个开关周期其开通时刻滞后于所述第二功率开关(s2)的关断时刻，其关断时刻先于所述第二功率开关(s2)的开通时刻；所述第三辅助功率开关(s
2a
)每个开关周期其开通时刻与所述第二功率开关(s2)的关断时刻一致，其关断时刻与所述第四功率开关(s
f2
)的开通时刻保持一致；其余功率开关一直关断。
27.与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过加入由全控开关、谐振电容和谐振电感构成的辅助谐振网络，配合上述开关控制时序，在并网逆变器在非单位功率因数运行模式下：电网电压与进网电流同向区域可以实现第一功率开关s1和第二功率开关s2的零电压开通和零电压关断、第一辅助功率开关s
1a
和第三辅助功率开关s
2a
的零电流开通，以及续流二极管，即第三功率开关二极管d
f1
和第四功率二极管d
f2
的零电压开通和零电压关断。电网电压与进网电流反向区域可以实现第三功率开关s
f1
和第四功率开关s
f2
的零电压开通和零电压关断、第二辅助功率开关s
1b
和第四辅助功率开关s
2b
的零电流开通、以及第一功率二极管d1和第二功率二极管d2的零电压开通和零电压关断。实现使非隔离并网逆变器在保持高变换效率的前提下，具备无功输出能力。
附图说明
28.图1为本发明的实施例的一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器连接示意图。
29.图2为本发明的实例的电网频率刻度驱动逻辑图。
30.图3为本发明的实例的非单位功率因数运行模式下同向区域开关频率工作波形示意图。
31.图4(a)至图4(h)为本发明的实例的同向区域开关周期内的等效工作模态图，其中，图4(a)为模态1[t0,t1]；图4(b)为模态2[t1,t2]；图4(c)为模态3[t2,t3]；图4(d)为模态4[t3,t4]；图4(e)为模态5[t4,t5]；图4(f)为模态6[t5,t6]；图4(g)为模态7[t6,t7]；图4(h)为模态8[t7,t8]。
[0032]
图5(a)为本发明的实例的同向区域谐振网络的工作波形图。
[0033]
图5(b)为本发明的实例的一同向区域第一功率开关s1工作波形图。
[0034]
图5(c)为本发明的实例的一同向区域第一辅助功率开关s
1a
的工作波形图。
[0035]
图6为本发明的实例的非单位功率因数运行模式下反向区域开关频率工作波形。
[0036]
图7(a)至图7(h)为本发明的实例的反向区域开关周期内的等效工作模态图，其中，图7(a)为模态1[t0,t1]；图7(b)为模态2[t1,t2]；图7(c)为模态3[t2,t3]；图7(d)为模态4[t3,t4]；图7(e)为模态5[t4,t5]；图7(f)为模态6[t5,t6]；图7(g)为模态7[t6,t7]；图7(h)为模态8[t7,t8]。
[0037]
图8(a)为本发明的实例的反向区域谐振网络的工作波形图。
[0038]
图8(b)为本发明的实例的一反向区域第三功率开关s
f1
的工作波形图。
[0039]
图8(c)为本发明的实施例的一反向区域第二辅助功率开关s
1b
的工作波形图。
[0040]
图9(a)为本发明的实施例的逆变器非单位功率因数运行电流超前电压的电网电
压和进网电流波形。
[0041]
图9(b)为本发明的实施例的其单位功率因数运行的电网电压和进网电流波形。
[0042]
图9(c)为本发明的实施例的其非单位功率因数运行电流滞后电压的电网电压和进网电流波形。
[0043]
图10为本发明的实施例的另一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器连接示意图。
[0044]
附图含义：u
dc
——直流侧输入电压；s
ix
、s
fix
(i＝1,2)——主功率开关对应的驱动信号；s
1ax
、s
2ax
、s
1bx
、s
2bx
——辅助功率开关对应的驱动信号；ug——电网电压；ig——进网电流；——功率因数角；u
12x
——第一节点和第二节点两端的驱动信号；i
s1
——第一功率开关的漏极电流；u
s1
——第一功率开关的漏极电压；i0——负载电流；i
l1a
——第一辅助谐振电感的电流；i
la
——谐振电感峰值电流；u
c1a
——第一辅助谐振电容的电压；i
s1a
——第一辅助功率开关的电流；u
s1a
——第一辅助功率开关的电压；i
d1b
——第二辅助功率二极管的电流；u
d1b
——第二辅助功率二极管的电压；i
sf2
——第四功率开关的电流；i
s1b
——第二辅助功率开关的电流；u
s1b
——第二辅助功率开关的电流；i
sf1
——第三功率开关的电流；u
sf1
——第三功率开关的电流；u
gs1
——第一功率开关的另一种驱动信号；u
gs1a
——第一辅助功率开关的另一种驱动信号；u
gsf1
——第三功率开关的另一种驱动信号；u
gs1b
——第二辅助功率开关的另一种驱动信号。
具体实施方式
[0045]
为便于本领域技术人员理解本发明技术方案，现结合说明书附图对本发明技术方案做进一步的说明。
[0046]
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0047]
请参阅图1所示，本发明提供一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器，包括直流电容支路100、主功率开关单元200、上谐振网络单元300和下谐振网络单元400。其中，直流电容支路100由第一直流电容c
dc1
和第二直流电容c
dc2
组成。主功率开关单元200由第一功率开关s1和第一功率二极管d1的并联组合、第二功率开关s2和第二功率二极管d2的并联组合、第三功率开关s
f1
与第三功率开关二极管d
f1
的并联组合以及第四功率开关s
f2
和第四功率二极管d
f2
的并联组合构成。上谐振网络单元300由第一辅助功率开关s
1a
和第一辅助功率二极管d
1a
的并联组合、第二辅助功率开关s
1b
和第二辅助功率二极管d
1b
并联组合、第一辅助谐振电容c
1a
和第一辅助谐振电感l
1a
构成，且所述第一辅助谐振电感l
1a
的一端与所述第二辅助功率开关s
1b
的漏极和第一辅助功率开关s
1a
的源极连接，第一辅助谐振电感l
1a
的另一端与第三功率开关s
f1
的漏极和第四功率开关s
f2
的漏极的连接。下谐振网络单元400由第三辅助功率开关s
2a
和第三辅助功率二极管d
2a
的并联组合、第四辅助功率开关s
2b
和第四辅助功率二极管d
2b
的并联组合、第二辅助谐振电容c
2a
和第二辅助谐振电感l
2a
构成，且第二辅助谐振电感l
2a
的一端与第三辅助功率开关s
2a
的漏极和第四辅助功率开关s
2b
的源极连接，第二辅助谐振电感l
2a
的另一端与所述第一功率开关s1的源极和第二功率开关s2的漏极连接。
[0048]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第一直流电容c
dc1
的正极与第一辅助功率开关s
1a
的漏极连接，其负极与第二直流电容c
dc2
的正极连接。其第二直流电容c
dc2
的负极与第三辅助功率开关s
2a
的源极连接。
[0049]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第一功率二极管d1的阴极与第一功率开关s1的漏极连接，其阳极与第一功率开关s1的源极连接。第二功率二极管d2的阴极与第二功率开关s2的漏极连接，其第二功率二极管d2的阳极与第二功率开关s2的源极连接。第三功率开关二极管d
f1
的阴极与第三功率开关s
f1
的漏极连接，第三功率开关二极管d
f1
的阳极与第三功率开关s
f1
的源极连接。第四功率二极管d
f2
的阴极与第四功率开关s
f2
的漏极连接，第四功率二极管d
f2
的阳极与第四功率开关s
f2
的源极连接。
[0050]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，其第一功率开关s1的源极、第二功率开关s2的漏极和第四功率开关s
f2
的源极连接，并形成第一节点1。第三功率开关s
f1
的源极、第一直流电容c
dc1
的负极和第二直流电容c
dc2
的正极连接，并形成第二节点2，且第二节点2接地。第三功率开关s
f1
的漏极与第四功率开关s
f2
的漏极连接。
[0051]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第一辅助功率二极管d
1a
的阴极与第一辅助功率开关s
1a
的漏极连接，第一辅助功率二极管d
1a
的阳极与第一辅助功率开关s
1a
的源极连接。第二辅助功率二极管d
1b
的阴极与第二辅助功率开关s
1b
的漏极连接，第二辅助功率二极管d
1b
的阳极与第二辅助功率开关s
1b
的源极连接。第一辅助谐振电感l
1a
的一端与第二辅助功率开关s
1b
的漏极和第一辅助功率开关s
1a
的源极连接，其另一端与第三功率开关s
f1
的漏极和第四功率开关s
f2
的漏极的连接，并形成第三节点3。第一辅助谐振电容c
1a
与第一功率开关s1并联，其第一辅助谐振电容c
1a
的一端与第一功率开关s1的漏极连接，第一辅助谐振电容c
1a
的另一端与第一功率开关s1的源极连接，且第一辅助谐振电容c
1a
的一端还与第一辅助功率开关s
1a
的漏极连接，第一辅助谐振电容c
1a
的另一端与第四功率开关s
f2
的源极和第二功率开关s2的漏极连接。
[0052]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第一辅助功率开关s
1a
的源极与第二辅助功率开关s
1b
的漏极连接，其第二辅助功率开关s
1b
的源极与第三功率开关s
f1
的源极连接。
[0053]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第三辅助功率二极管d
2a
的阴极与第三辅助功率开关s
2a
的漏极连接，其阳极与第三辅助功率开关s
2a
的漏极连接。第四辅助功率二极管d
2b
的阴极与第四辅助功率开关s
2b
的漏极连接，第四辅助功率二极管d
2b
的阳极与第四辅助功率开关s
2b
的源极连接。第二辅助谐振电感l
2a
的一端与第三辅助功率开关s
2a
的漏极和第四辅助功率开关s
2b
的源极连接，其另一端与所述第一功率开关s1的源极、第二功率开关s2的漏极和第四功率开关s
f2
的源极连接。第二辅助谐振电容c
2a
与第二功率开关s2并联，其一端与所述第二功率开关s2的漏极连接，另一端与所述第二功率开关(s2)的源极连接。第二辅助谐振电容c
2a
的一端还与所述第二辅助谐振电感l
2a
的另一端和第四功率开关s
f2
的连接，所述第二辅助谐振电容c
2a
的另一端还与第三辅助功率开关s
2a
的源极和第四功率开关s
f2
的源极连接。其中，第四辅助功率开关s
2b
的漏极还与第三节点3连接。
[0054]
请参阅图1所示，在本发明的一实施例中，第一功率开关s1至第四功率开关s
f2
和第一辅助功率开关s
1a
至第四辅助功率开关s
2b
为全控型器件，具体的为mosfet。
[0055]
请参阅图1和2所示，本发明还提供一种零电压转换t型中点箝位三电平逆变器的开关控制时序，包括：
[0056]
以调制波过零点和参考电流过零点为分界点进行区域划分，每个工频周期被分为不同区域，其在不同区域内的开关控制时序不同。
[0057]
当在调制波为正且参考电流为正的区域时，第一功率开关s1按照spwm方式高频动作，第一辅助功率开关s
1a
每个开关周期其开通时刻先于第一功率开关s1的开通时刻，其关断时刻与第一功率开关s1的开通时刻一致，第四功率开关s
f2
一直导通，其他功率开关一直关断。
[0058]
当在调制波为正且参考电流为负的区域时，第一功率开关s1按照spwm方式高频动作，第三功率开关s
f1
按照与第一功率开关s1准互补的方式高频工作，其每个开关周期的开通时刻滞后于第一功率开关s1的关断时刻，其关断时刻先于第一功率开关s1的开通时刻，第一辅助功率开关s
1a
每个开关周期其开通时刻一致，其余功率开关一直关断。
[0059]
当在调制波为负且参考电流为负的区域时，第二功率开关s2按照spwm方式高频动作，第三辅助功率开关s
2a
每个开关周期其开通时刻先于第二功率开关s2的开通时刻，关断时刻与第二功率开关s2的开通时刻一致，第三功率开关s
f1
一直导通，其余功率开关一直关断。
[0060]
当在调制波为负且参考电流为正的区域时，第二功率开关s2按照spwm方式高频动作，第四功率开关s
f2
按照与第二功率开关s2准互补的方式高频动作，每个开关周期其开通时刻滞后于第二功率开关s2的关断时刻，其关断时刻先于第二功率开关s2的开通时刻，第三辅助功率开关s
2a
每个开关周期其开通时刻与第二功率开关s2的关断时刻一致，其关断时刻与第四功率开关s
f2
的开通时刻保持一致，其余功率开关一直关断。
[0061]
请参阅图2所示，在本发明的一实施例中，每个工频周期被分成的区域包括调制波为正且参考电流为正的区域ⅰ、调制波为正且参考电流为负的区域ⅱ、调制波为负且参考电流为负的区域ⅲ和调制波为负且参考电流为正的区域ⅳ。
[0062]
请参阅图2至图4(h)、图7(a)至图7(h)所示，在本发明的一实施例中，在如图2的所示的信号驱动下，其调制波为正且参考电流为正的区域ⅰ内并网逆变器开关周期的等效工作模态如图4(a)至图4(h)所示。调制波为正且参考电流为负的区域ⅱ内并网逆变器开关周期的等效工作模态图如图7(a)至图7(h)所示。
[0063]
应用实例的一个具体情形如下：直流电压u
dc
＝800v、电网电压ug＝220vrms、电网频率fg＝50hz、额定功率pn＝1kw、第一直流电容c
dc1
＝第二直流电容c
dc2
＝470μf；滤波电感l0＝1mh；滤波电容c0＝4.7μf；开关频率f＝100khz、谐振参数lr＝10μh、cr＝5nf。
[0064]
请参阅图10所示，在本发明的一实施例中，在外接电网时，包括滤波电感l0、直流电压u
dc
和滤波电容c0。其中，滤波电感l0的一端与第一节点1连接，进网滤波电感l0的另一端与c0的一端连接，c0的另一端接地。直流电压u
dc
为第一直流电容c
dc1
和第二直流电容c
dc2
两端的电压。
[0065]
根据上述具体的参数，在上述的零电压转换t型中点箝位三电平逆变器中，实时其上述的开关控制时序，请参阅图5(a)为逆变器工作在同向区域时谐振网络的工作波形图。图5(b)为同向区域第一功率开关(s1)的工作波形图，图5(c)为同向区域第一辅助功率开关s
1a
的工作波形图。
[0066]
请参阅图8(a)至图8(c)所示，在本发明的一实施例中，图8(a)为逆变器工作在反向区域时谐振网络的工作波形图，图8(b)为反向区域续流开关管，即第三功率开关s
f1
工作
波形图，图8(c)为反向区域辅助开关管，即第二辅助功率开关s
1b
的工作波形图。
[0067]
图5(a)至图5(c)中的仿真波形均与图3中的理论工作波形一致，说明本发明实现了同向区域桥臂开关管，即第一功率开关s1和第二功率开关s2的零电压开通和零电压关断、以及第一辅助功率开关s
1a
和第三辅助功率开关s
2a
的零电流开通。
[0068]
图8(a)至图8(c)的中的仿真波形均与图6中的理论工作波形一致，说明本发明实现了反向区域续流开关管，即第三功率开关s
f1
和第四功率开关s
f2
的零电压开通和零电压关断、以及第二辅助功率开关s
1b
和第四辅助功率开关s
2b
的零电流开通。
[0069]
图9(a)至图9(c)是本发明实施例一中并网逆变器在不同功率因数下的稳态工作波形，说明本发明使逆变器具有全功率因数运行能力。
[0070]
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0071]
以上所述实施例仅表示发明的实施方式，本发明的保护范围不仅局限于上述实施例，对于本领域的技术人员来说，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，这些都属于本发明保护范围。