一种谐振直流环节软开关逆变电路及其调制方法

本发明属于电力电子，尤其涉及一种谐振直流环节软开关逆变电路及其调制方法。

背景技术：

1、近年来，电力电子技术快速发展，逆变器也被广泛地应用在新能源光伏并网、新能源汽车的电机驱动等领域。然而随着开关频率的增加，逆变器的损耗逐渐增大，同时电磁干扰问题突出。为了解决这一问题，专家学者进入了软开关技术，该技术可以有效降低开关管的开关损耗，提高逆变器的效率。目前，软开关逆变器的拓扑种类较多，谐振直流环节逆变器凭借拓扑结构简单，调制方便被广泛研究。

2、在现有的谐振直流环节逆变器中，有的谐振直流环节逆变器的辅助电路需要较多的有源开关管，这增加了系统的控制复杂度、成本以及损耗；有的谐振直流环节逆变器的辅助电路需要耦合电感或者变压器，这增加了辅助电路的设计难度；更有一部分谐振直流环节逆变器的辅助电路需要大容量的分裂电容作为辅助电源，这无疑增加了辅助电路的体积。

3、参考文献1：wang q,guo g,wang y,et al."an efficient three-phaseresonant dc-link inverter with low energy consumption,"in ieee transactionson power electronics,vol.36,no.1,pp.702-715,jan.2021,doi:10.1109/tpel.2020.3000572。

4、参考文献2：李思,杨明,马宇等。结构简单的并联谐振直流环节型逆变器及其调制策略研究[j].中国电机工程学报,2023,43(18):7202-7215.doi:10.13334/j.0258-8013.pcsee.221212。

技术实现思路

1、本发明就是针对上述问题，提供一种结构简单、应用价值高、性能好的谐振直流环节软开关逆变电路及其调制方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案，本发明谐振直流环节软开关逆变电路，包括两电平逆变电路和软开关辅助电路，其特征在于软开关辅助电路包括辅助开关管sl、辅助开关管sa1、辅助二极管dl、辅助二极管da1、辅助谐振电感la1、辅助谐振电感la2、辅助谐振电容cl和辅助谐振电容ca1；

3、两电平逆变电路包括电源e、开关管s1、开关管s2、开关管s3、开关管s4、开关管s5、开关管s6、二极管d1、二极管d2、二极管d3、二极管d4、二极管d5和二极管d6；

4、sa1的集电极分别与电源e正极、dl阴极、sl集电极、cl一端相连，cl另一端分别与sl发射极、dl阳极、ca1一端、la2一端、s1集电极、d1阴极、s3集电极、d3阴极、s5集电极、d5阴极相连，电源e负极分别与s2发射极、d2阳极、s4发射极、d4阳极、s6发射极、d6阳极连接，s2集电极分别与d2阴极、s1发射极、d1阳极相连，s4集电极分别与d4阴极、s3发射极、d3阳极相连，s6集电极分别与d6阴极、s5发射极、d5阳极相连；

5、sa1的发射极分别与la1一端、da1阳极相连，la1另一端与ca1另一端相连，da1阴极与la2另一端相连。

6、作为一种优选方案，本发明所述dl、da1、d1～d6为快速恢复二极管。

7、作为另一种优选方案，本发明所述sl、sa1、s1～s6为绝缘栅双极型晶体管。

8、一个开关周期内主开关管s1～s6需要动作六次，辅助电路也需要创造六个零电压凹槽来完成主开关管的软切换。每个零电压凹槽下，辅助电路的动作模式均相同，单个零电压凹槽的建立方法如下：稳态下sl导通，sa1提前开通，此时sl与sa1均为开通状态。然后sl与sa1同时关断，此时，辅助电路的la1、la2与ca1谐振，cl在负载电流的影响下开始充电，cl充电至e时，母线电压udc-link为0。主开关管在零电压凹槽(udc-link持续为0)期间完全开关切换。当电感la1电流ila1为0时，sa1再次开通。当sl的电压usl(usl即电容cl两端的电压ucl)下降到0时，sl开通。

9、本发明谐振直流环节软开关逆变电路调制方法，包括以下模式：

10、模式0：t0时刻之前，逆变器处于稳定工作状态。

11、模式1[t0-t1]：t0时刻，开通辅助开关管sa1。谐振电感la1开始与谐振电容ca1进行谐振。电容ca1电压开始谐振下降，电感la1电流开始谐振上升。由于电感la1与辅助开关管sa1串联，因此sa1可以实现准零电流(zcs)开通。直到电感la1电流上升至负载电流io，模式1结束。

12、模式2[t1-t2]：t1时刻，二极管dl导通。电感la1与电容ca1继续进行谐振。二极管dl导通。电感la1电流先谐振上升，之后谐振下降。电容ca1电压持续谐振下降。直到电感la1电流下降到io时，该模式结束。

13、模式3[t2-t3]：t2时刻，二极管dl关断。电感la1与电容ca1继续进行谐振。电感la1电流谐振下降，电容ca1电压反向谐振上升。直到电感la1电流下降到0时，该模式结束。

14、模式4[t3-t4]：t3时刻，流过sa1的电流为0。在该模式中，电容ca1与电感la1、la2进行谐振。电容ca1电压谐振上升，电感la1电流谐振下降，电感la2电流谐振上升。

15、模式5[t4-t5]：t4时刻，同时关断辅助开关管sl、sa1。由于流过sa1的电流为0，因此sa1可以实现zcs关断。由于电容cl与sl并联，因此sl可以实现准零电压(zvs)关断。在该模式中，谐振电容ca1与谐振电感la1、谐振电感la2进行谐振，负载电流io对电容cl进行充电。电感la1电流反向谐振上升，电感la2电流谐振上升，电容ca1电压谐振上升，电容cl电压线性上升。直到电容cl电压上升到电源e电压时，该模式结束。

16、模式6[t5-t6]：t5时刻，负载电流io通过等效反并联二极管dinv(d1～d6等效为等效二极管dinv)续流。谐振电容ca1与谐振电感la1、谐振电感la2继续进行谐振。直到电感la1、la2电流为0时，该模式结束。

17、模式7[t6-t7]：t6时刻，辅助谐振电路停止工作。在该模式期间，母线电压(母线电压即图2中的udc-link)保持0不变。因此在该模式中可以进行主开关管的动作。此时主开关可以实现zvs关断和zvs开通。

18、模式8[t7-t8]：t7时刻，开通辅助开关管sa1，进入模式8。在该模式中，电感la1与电容ca1进行谐振，电源e持续为电感la2提供能量。电感la1电流谐振上升，电容ca1电压谐振下降，电感la2电流线性上升。直到流过辅助开关管sa1的电流等于io时，该模式结束。

19、模式9[t8-t9]：在t8时刻之后，流过辅助开关管sa1的电流大于io。在该模式中，电容cl与电容ca1、电感la1、电感la2发生谐振。电感la1、la2电流谐振上升，电容cl、ca1电压谐振下降。直到电容cl电压下降到0时，该模式结束。

20、模式10[t9-t10]：t9时刻，二极管dl导通。此时开通辅助开关管sl，sl可以实现zvs开通。在该模式中，谐振电容ca1与谐振电感la1进行谐振。电感la1电流先谐振上升，之后谐振下降。电容ca1电压持续谐振下降。电感la2电流保持不变。直到流过辅助开关管sa1的电流再次等于io时，该模式结束。

21、模式11[t10-t11]：t10时刻之后，电容ca1与电感la1继续进行谐振，电感la2的电流保持不变。辅助开关管sa1的电流从io开始下降。二极管dl可以实现zcs关断，直到流过辅助开关管sa1的电流为0时，该模式结束。

22、模式12[t11-t12]：流过辅助开关管sa1的电流为0。此时关断辅助开关管sa1，sa1可以实现zcs关断。在该模式中，电容ca1与电感la1、la2进行谐振，直到电感la1、la2电流为0时，该模式结束。之后逆变器进入稳态工作。

23、本发明有益效果。

24、与现有谐振直流环节软开关逆变电路相比，本发明的谐振直流环节软开关逆变电路的优势如下：(1)辅助电路拓扑结构简单，只有2个有源开关管。(2)辅助电路既不需要耦合电感，也不需要变压器。(3)辅助电路没有大容量的分裂电容作为辅助电源，因此应用价值更高。(4)辅助开关管可以实现零电流关断，解决了辅助开关管的拖尾电流问题。

25、文献1所提谐振直流环节软开关逆变电路，如图6所示。与文献1相比，就电路拓扑结构而言，虽然文献1的辅助电路也只有2个开关管，但是本发明辅助电路避免了耦合电感的存在。通过查阅国内外论文和专利，我们发现有的文献含有耦合电感，其辅助电路包含2个开关管。为了避免辅助电路使用耦合电感，有的电路引入了大容量的分裂电容，有的电路引入了更多的开关管。但是这都增加了辅助电路的体积以及成本。多年来，专家学者想出了很多方法，但都会增加逆变器的体积与成本，本发明逆变器的辅助电路从谐振的角度出发，既不使用耦合电感，也不适用大容量分裂电源，同时不增加开关管，因此本发明逆变器结构更加简单，更有实用价值。多年来，专家学者一直致力于发现一种不使用耦合电感，也不使用大容量分裂电源，同时不增加开关管的辅助电路，但并未成功。因此，本发明逆变器继承现有逆变器的优势，且对于本领域技术人员来说,不容易被想到。相比于文献1，本辅助电路的设计更加简单。

26、就辅助开关管而言，本发明谐振直流环节软开关逆变电路的辅助开关管为准零电流开通，真零电流关断。真零电流关断时，本发明逆变器相对于文献1和文献2有优势，文献1与文献2的辅助电路只有2个开关管，但是辅助开关管为准零电压关断，因此存在拖尾电流问题，本发明逆变器解决了这一问题。若与现有的零电流关断逆变器相比，本逆变器仍然有优势，现有真零电流关断的逆变器的辅助电路会增加母线开关管sl的电流应力以及硬件成本，本发明逆变器的母线开关管sl的电流始终是负载电流。多年来传统逆变器的问题并未解决，本发明电路优于现有逆变器，解决了多年来传统谐振直流环节逆变器的问题，该问题多年来并未解决，因此，本发明的技术方案不易被想到。

27、文献1的辅助开关管为准零电流开通，准零电压关断。因此，本发明逆变器改善了辅助开关管的开关环境，降低了辅助开关管的损耗，同时解决了辅助开关管关断时刻的拖尾电流问题。

28、文献2所提谐振直流环节软开关逆变器电路，如图7所示。该电路的辅助开关管同样为准零电流开通，准零电压关断；辅助开关管拖尾电流问题并没有解决。

29、现有文献中，部分文献的辅助电路也只有2个开关管，但是其辅助电路的辅助开关管要么为硬关断，要么没有解决辅助开关管的拖尾电流问题，要么包含耦合电感或者变压器。本发明可以完美的解决这些问题，同时电路的辅助开关管只有2个。