一种基于辅助电感的单相软开关逆变器及其调制方法

本发明涉及逆变器的软开关，特别是一种基于辅助电感的单相软开关逆变器及其调制方法。

背景技术：

1、软开关可分为零电压开关(zvs)和零电流开关(zcs)。它有效地降低了变换器的开关损耗，大大提高了开关频率，使变换器具有更高的功率密度。传统单相逆变器在采用单极性调试时，每半个工频周期高频切换桥臂都只能实现一个开关的零电压导通，因此一半的高频开关工作在硬开关状态。

2、为了实现传统单相逆变器功率器件的零电压换流，需要在换流是时给其提供反向电流，在开关导通之前完成其寄生电容的放电。为了提供反向电流，一种方法是减小交流侧的滤波电感，使电感电流在一个开关周期内为正或负，通过合理控制占空比和开关频率，实现能量的双向流动，从而实现所有电源开关的zvs开断。这种方法的优点是不需要额外的设备。其缺点是电感电流纹波大，开关关断时电流增大，因此开关关断损耗和铁芯损耗难以忽略。由于变换器的软开关特性完全是通过控制主滤波器电感电流来实现的，因此该方法极大地改变了变换器原有的特性。大纹波电流和可变开关频率控制使变换器的电磁环境恶化，对emi滤波器、直流侧滤波电容和变换器控制的设计都提出了更高的要求。

3、为了解决这些问题，本发明提出了一种新型单相逆变器软开关拓扑。所提出的单相软开关逆变器拓扑在传统逆变器的基础上添加了一个软开关辅助电路，主要包括辅助电感以及辅助双向开关支路。基于提出的拓扑，并通过相应的调整方法，使变换器所有高频开关管实现了零电压开通。此外，所添加的辅助开关均实现零电流开通与关断。

技术实现思路

1、本发明的目的在于实现单相逆变器所有高频开关的零电压开通，提出一种基于辅助电感的单相软开关逆变器及其调制方法。本发明实现了单相逆变器高频切换桥臂所有开关的零电压开通，降低逆变器开关损耗，为逆变器的高频高功率密度运行提供基础。

2、为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种基于辅助电感的单相软开关逆变器，包括逆变器，其特征在于，还包括连接在逆变器上的一个由双向开关和辅助电感la组成的软开关辅助电路，所述逆变器包括电源vdc、电容cdc、逆变桥以及主滤波电感l，所述电容cdc并联在电源vdc上，所述逆变桥并联在电容cdc上，所述主滤波电感l串联在逆变桥上，所述逆变桥包括开关s1、s2、s3以及s4，所述开关s1与开关s2串联，开关s3与开关s4串联，所述主滤波电感l感的一端连接在开关s1和开关s2之间，另一端连接在开关s3和开关s4之间，所述双向开关并联在逆变器的主滤波电感l两端，所述双向开关由两个开关管s5和s6反向串联组成，所述辅助电感la与逆变器的主滤波电感l及双向开关组成的并联网络串联，所述辅助电感la与并联网络在交流回路中串联的位置不固定。

4、作为本发明的优选技术方案：所述辅助电感la小于逆变器的主滤波电感l。

5、上述结构中：本技术在传统逆变器的基础上添加了一个软开关辅助电路，辅助电路包括了由开关s5和s6组成的双向开关以及辅助电感la，逆变器主滤波电感为l，逆变桥由开关s1-s4组成，在变换器采用单极性调制时，传统单相逆变器在每半个工频周期内，高频切换的桥臂都只有一个开关具有零电压开通特性，另一个开关始终处于硬开通状态。本发明的核心是通过所添加的软开关辅助电路去实现另一个处于硬开关状态的开关实现零电压开通。核心思想是在处于硬开关状态的高频开关开通时的换流死区之前，提前将并联在主滤波电感上的双向开关开通，此时辅助电感零电流开通。一方面使主滤波电感被旁路，另一方面由于辅助电感远小于主滤波电感，电网电压会迫使辅助电感电流迅速反向。该反向电流即提供了传统逆变器中处于硬开关状态的高频开关实现零电压开通的条件。在原本处于硬开关状态的高频开关利用软开关辅助电路实现零电压开通之后，直流侧电压与电网电压的差值又会迅速迫使辅助电感电流增大，直到其与主滤波电感电流相等，所添加辅助开关的反并联二极管被反向截止，此时主滤波电感与辅助电感串联运行于交流回路组成逆变器总的滤波电感。在辅助电感电流与主滤波电感电流相等后，辅助开关可以被关断，且满足零电流关断条件。

6、一种基于辅助电感的单相软开关逆变器的调制方法，其特征在于，所述逆变器采用单极性调制，通过一个桥臂实现工频切换，另一个桥臂实现高频切换，调制方法包括如下步骤：

7、在工频正半周期内，当由开关s1和开关s2组成的桥臂工频切换、开关s3和开关s4组成的桥臂高频切换或当由开关s3和开关s4组成的桥臂工频切换、开关s1和开关s2组成的桥臂高频切换时，逆变器一个开关周期内共包含6种工作状态，具体如下：

8、时间段[0，t1]，此阶段开关s1和s3导通，逆变器主滤波电感与辅助电感串联，存储在两电感中的能量转移至交流电网侧，此时，电流方程如下：

9、

10、时间段[t1，t3]，此阶段为高频切换桥臂死区换流前的一个极短时间段，此阶段开关s1和s3导通，辅助开关s5在t2时刻导通，由于电感电流不能突变，此刻s5实现零电流开通，主滤波电感l被双向开关s5和s6短路，流经主滤波电感的电流保持不变，电网电压vg迫使流经辅助电感la的电流ila迅速减小，t2时刻ila下降至零，然后以同一斜率继续下降，直至t3时刻开关s3关断时该阶段结束，此时各电流方程如下：

11、

12、时间段[t3，t4]，此阶段为高频开关s3关断至s4开通之间的换流死区，助电感la的电流ila小于零，在s4开通前使其反并联二极管导通，开关s4在t4时刻零电压开通，此时，电路方程如下：

13、

14、时间段[t4，t6]，此阶段开关s1和s4导通，辅助开关s5继续保持导通，此阶段直流侧电压vdc与电网电压vg之间的压差迫使流经辅助电感la的电流ila迅速增大，直到t6时刻，辅助电感la的电流ila与主滤波电感l的电流il相同，此阶段结束，此时，各电流方程如下：

15、

16、时间段[t6，t7]，此阶段开关s1和s4导通，t6时刻辅助电感电流与主滤波电感电流相同，开关s6的反并联二极管ds6反向截止，辅助电感la与主滤波电感l串联运行于交流回路，此阶段内，辅助开关s5可以在任意时刻实现零电流关断，此时，电流方程如下：

17、

18、时间段[t7，t8]，此阶段为高频开关s4关断至s3开通之间的换流死区，由于电感电流大于零，开关s3满足零电压开通条件，并在t8时刻实现zvs开通，此时，电路方程如下：

19、

20、当电网运行于工频负半周期时，根据逆变器运行模态的对称性，分析类似；由于逆变器能量通过双向开关可进行双向控制，根据逆变器运行模式的对称性，逆变器运行于整流模式时分析类似。

21、上述结构中：基于辅助电感的单相软开关逆变器主要包含了正弦载波，调制波和开关时序，反映的是变换器的调制方法。以电网正半周期为例，负半周期分析类似。一个开关周期内共包含6种工作状态，各个工作状态分析如下：

22、模态1：时间段[0，t1]。此阶段开关s1和s3导通，逆变器主滤波电感与辅助电感串联，存储在俩电感中的能量转移至交流电网侧。电流方程如下：

23、

24、模态2：时间段[t1，t3]。此阶段为高频切换桥臂死区换流前的一个极短时间段。此阶段开关s1和s3导通，辅助开关s5在t2时刻导通。由于电感电流不能突变，此刻s5实现零电流开通。主滤波电感l被双向开关s5和s6短路，流经主滤波电感的电流保持不变。电网电压vg迫使流经辅助电感la的电流ila迅速减小，t2时刻ila下降至零，然后以同一斜率继续下降，直至t3时刻开关s3关断时该阶段结束。各电流方程如下：

25、

26、模态3：时间段[t3，t4]。此阶段为高频开关s3关断至s4开通之间的换流死区。助电感la的电流ila小于零，保障了高频开关输出电容能量的转移，在s4开通前使其反并联二极管导通，开关s4在t4时刻零电压开通。电路方程如下：

27、

28、模态4：时间段[t4，t6]。此阶段开关s1和s4导通，辅助开关s5继续保持导通。此阶段直流侧电压vdc与电网电压vg之间的压差迫使流经辅助电感la的电流ila迅速增大。直到t6时刻，辅助电感la的电流ila与主滤波电感l的电流il相同，此阶段结束。各电流方程如下：

29、

30、模态5：时间段[t6，t7]。此阶段开关s1和s4导通。t6时刻辅助电感电流与主滤波电感电流相同，开关s6的反并联二极管ds6反向截止。辅助电感la与主滤波电感l串联运行于交流回路。此阶段内，辅助开关s5可以在任意时刻实现零电流关断。电流方程如下：

31、

32、模态6：时间段[t7，t8]。此阶段为高频开关s4关断至s3开通之间的换流死区。由于电感电流大于零，开关s3满足零电压开通条件，并在t8时刻实现zvs开通。电路方程如下：

33、

34、为了进一步分析本拓扑的特性，对其稳态工作点进行了建模，为了简化分析，忽略谐振换流阶段的影响，定义各阶段占空比如下

35、

36、根据上文所定义的占空比大小，通过电感伏秒平衡可推得本拓扑电压变比如下，可见与常规拓扑的电压变比并无不同，即：

37、

38、由于辅助电感比主滤波电感要小得多，因此忽略辅助电感对主滤波电感的影响，拓扑工作特性并不会发生明显变化。基于这种简化，主滤波电感大小根据电流纹波要求进行近似计算。另外，根据上文的模态分析，要实现具有零电流特性的辅助开关关断，时间点t6必须要小于t7，该约束关系可以直接用于对辅助电感的设计计算。

39、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

40、1、本发明所添加的软开关辅助电路只包含一个双向开关和一个辅助电感，结构简单，易于实现。且辅助电感感值远小于主滤波电感，成本低廉。

41、2、本发明通过在传统逆变器上添加一个软开关辅助电路，实现了逆变器所有高频开关的零电压开通，降低了开关损耗，有利于逆变器实现高频高功率密度运行。

42、3、本发明所添加的辅助双向开关在开通和关断过程中均具有良好的零电流特性，有效地降低了附加的开关损耗。

43、4、本发明所添加的辅助电感只有在高频开关换流时用于反向电流的构造，其他模态下都与主滤波电感串联构成逆变器的总滤波电感，这提高了电感器件的利用率，有利于逆变器输出性能的提高。