CN103401415B - 单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构 - Google Patents

单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构 Download PDF

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Abstract

本发明揭示了一种单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构。其技术特点是在传统单相硬开关电力变换器的基础上引入了辅助谐振单元，将其接入硬开关单相H桥中，组成软开关半导体电力变换器，利用该改进后电力变换器对输入侧直流电压源的输入信号进行DC-DC或DC-AC变换，继而再滤波后输出至负载。该辅助谐振单元可通过外加或集成的开关功率器件及内部二极管实现对电力变换器的改良。应用本发明技术方案，较之于使用传统单相硬开关电力变换器，通过引入辅助谐振单元，大幅提高了电力变换的效率，且能有效抑制电磁干扰。

Description

单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构
技术领域
本发明涉及一种单相电力变换器的软开关拓扑结构，尤其涉及一种高效率、低电磁干扰的DC-DC变换器或DC-AC变换器的软开关拓扑结构，应用于光伏发电、风力发电、燃料电池发电、通信电源，其中发电包括并网、离网、或混合式。
背景技术
近年来，随着半导体功率器件和单片机技术的快速发展，DC-DC、DC-AC等半导体电力变换器的应用越来越广泛，特别是光伏发电、风力发电、燃料电池发电、通信电源等。由于上述电力变换器多采用可再生能源（如光伏电池组件），成本都较高，且属于民用产品，故对其电力变换效率要求较高，对其电磁干扰限制也较严。传统的单相硬开关电力变换器如图1所示，图中端子C本应与端子N连在一起，此处为了后面叙述方便，特地分开表示。图示可见，该单相硬开关电力变换器的硬开关单相H桥中，其开关功率器件T1的集电极、二极管D1的阴极、二极管D2的阴极及功率开关器件T2的集电极与输入侧直流电压源Ed的正极连接于端子P。并且定义端子A为功率开关器件T1发射极与功率开关器件T3集电极之间的接点；端子B为功率开关器件T2发射极与功率开关器件T4集电极之间的接点。通过端子A、B输出电力变换的信号至滤波器，继而滤除其中的高频谐波分量后再输出至负载。
但该传统单相硬开关电力变换器在实际应用中，变换效率相对较差，电磁干扰强度也较大，难以胜任国际、国内产品市场准入的相关认证要求。
发明内容
鉴于上述传统的硬开关电力变换器所存在的缺陷，本发明的目的是提出一种单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，以期提高变换效率和抑制电磁干扰。
本发明实现上述目的的技术解决方案是：单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，涉及输入侧直流电压源 Ed、硬开关单相H桥、滤波器及负载，所述输入侧直流电压源Ed的输入信号经由软开关半导体电力变换器DC-DC或DC-AC变换输至滤波器，并经由滤波器滤除高频谐波分量输至负载，其特征在于：所述软开关拓扑结构为在硬开关单相H桥的端子A、B、C、N之间所设的辅助谐振单元，其中端子A为功率开关器件T1发射极与功率开关器件T3集电极之间的接点，端子B为功率开关器件T2发射极与功率开关器件T4集电极之间的接点，端子C为功率开关器件T3发射极与功率开关器件T4发射极之间的接点，端子N为断开自端子C并与输入侧直流电压源Ed负极相连的接点。
进一步地，所述辅助谐振单元为由功率开关器件T5～T7、二极管D5～D7、二极管D8～D11、电感Lr1～Lr2、电容Cr1～Cr3组成，其中功率开关器件T5的发射极与二极管D5的阳极、功率开关器件T7的发射极、二极管的阳极D7、电容Cr3的一端、功率开关器件T6的发射极及二极管D6的阳极相连接于端子N；功率开关器件T5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D10的阳极、电感Lr1的一端相连接；功率开关器件T6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D11的阳极、电感Lr2的一端相连接；功率开关器件T7的集电极与二极管D7的阴极、电容Cr3的另一端、电感Lr1的另一端、电感Lr2的另一端、电容Cr1的一端、电容Cr2的一端相连接于端子C；二极管D10的阴极与二极管D8的阳极、电容Cr1的另一端相连接；二极管D11的阴极与二极管D9的阳极、电容Cr2的另一端相连接；二极管D8的阴极连接端子A；二极管D9的阴极连接端子B。
更进一步地，所述功率开关器件为绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR或可关断晶闸管GTO。
更进一步地，所述二极管为外接二极管或功率开关器件的体内二极管。
根据权利要求1所述的单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，其特征在于：所述输入侧直流电压源 Ed为经整流的直流电压源、蓄电池、燃料电池、光伏电池或风电生成的直流电压源。
进一步地，所述负载为阻性负载、感性负载、容性负载、直流电压源E或交流电压源e。
本发明技术方案的应用实施，较之于使用传统单相硬开关电力变换器，通过引入辅助谐振单元，有效提高了电力变换的效率，且能显著抑制电磁干扰。
附图说明
图1是传统单相半导体电力变换器的硬开关主电路拓扑结构示意图。
图2是本发明单相半导体电力变换器的软开关主电路拓扑结构示意图。
图3是图2中辅助谐振单元一优选实施例的结构示意图。
图4是图2结合图3后的软开关拓扑原理示意图。
图5是图4所示软开关拓扑的控制时序图。
图6是图4所示软开关拓扑中T1、T4、T5、T7工作时的控制时序图。
图7是图6中A部分的放大示意图。
图8是图4所示软开关拓扑中T1、T4、T5、T7工作时的仿真波形。
图9是模态0（t0之前）的电流环路示意图。
图10是模态1（t0～t1）的电流环路示意图。
图11是模态2（t1～t2）的电流环路示意图。
图12是模态3（t2～t3）的电流环路示意图。
图13是模态4（t3～t4）中充电时的电流环路示意图。
图14是模态4（t3～t4）中充电满后的电流环路示意图。
图15是模态5（t4～t5）的电流环路示意图。
图16是模态6（t5～t0）的电流环路示意图。
具体实施方式
以下结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步阐述，以使本发明的技术方案更易于理解、掌握。
本发明旨在提出一种单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，以期提高变换效率和抑制电磁干扰。如图2至图4所示，是本发明单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构示意图及其辅助谐振单元的细节展示。从图示可见：该单相半导体电力变换器涉及输入侧直流电压源Ed、硬开关单相H桥、滤波器及负载，该输入侧直流电压源Ed的输入信号经由软开关半导体电力变换器DC-DC或DC-AC变换后输至滤波器，并经由滤波器滤除高频谐波分量后输至负载。作为区别于图1所示传统变换器的突破性特征，该电力变换器引入了软开关拓扑结构，且该软开关拓扑结构为在硬开关单相H桥的端子A、B、C、N之间所设的辅助谐振单元，其中端子A为功率开关器件T1发射极与功率开关器件T3集电极之间的接点，端子B为功率开关器件T2发射极与功率开关器件T4集电极之间的接点，端子C为功率开关器件T3发射极与功率开关器件T4发射极之间的接点，端子N为断开自端子C并与输入侧直流电压源Ed负极相连的接点。
再者，该辅助谐振单元为由功率开关器件T5～T7、二极管D5～D7、二极管D8～D11、电感Lr1～Lr2、电容Cr1～Cr3（其中电容Cr3可以是外接电容，也可以是功率开关器件T7和二极管D7的结间电容）组成，其中功率开关器件T5的发射极与二极管D5的阳极、功率开关器件T7的发射极、二极管的阳极D7、电容Cr3的一端、功率开关器件T6的发射极及二极管D6的阳极相连接于端子N；功率开关器件T5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D10的阳极、电感Lr1的一端相连接；功率开关器件T6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D11的阳极、电感Lr2的一端相连接；功率开关器件T7的集电极与二极管D7的阴极、电容Cr3的另一端、电感Lr1的另一端、电感Lr2的另一端、电容Cr1的一端、电容Cr2的一端相连接于端子C；二极管D10的阴极与二极管D8的阳极、电容Cr1的另一端相连接；二极管D11的阴极与二极管D9的阳极、电容Cr2的另一端相连接；二极管D8的阴极连接端子A；二极管D9的阴极连接端子B。
作为可选的多种优化方案，该功率开关器件T1～T7为绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR或可关断晶闸管GTO。该二极管D1～D7为外接二极管或功率开关器件的体内二极管。该输入侧直流电压源Ed为经整流的直流电压源、蓄电池、燃料电池、光伏电池或风电生成的直流电压源。该负载为阻性负载、感性负载、容性负载、直流电压源E或交流电压源e。
基于图4所示的优选实施例，以下详述其原理性的控制方式。如图5至图8所示，以并网发电为例，此时图4中的负载为电网的交流电压源e。在电网的正半周期，图中仅有T1、T4、T5、T7在工作（此时T2、T3、T6都关断，以后不另提）。图5是图4所示软开关拓扑的控制时序图。图6所示是T1、T5、T7、T4工作时的控制方式。图7是图6中A部分控制信号的局部放大（对比图8）。图8是T1、T4、T5、T7工作时的仿真波形（取Ed=400V），其中，Vg-T1、Vg-T5、Vg-T7分别为T1、T5、T7的驱动信号；V-T1、V-T5、V-T7分别为T1、T5、T7的C、E间电压；i-T1、i-T5、i-T7分别为T1、T5、T7的电流；V-Cr1为电容上的电压。
下面以一个开关周期（t0～t5）为例分析主电路的动作原理，共有7个模态：模态0～模态6；为简述之便，以下仅以功率开关器件或二极管的器件编号指代相关器件。
模态0（t0之前）：T1、T5、T7都关断，只有T4保持开通，电感Lr1和Lr2沿着T4、D3续流，将其存储的能量释放到电网，该电流iFl的途径如图9所示。忽略T4和D3的导通压降，则A、B两点属于同电位，且为Ed/2=200V，所以V-T1、V-T7都为200V。
模态1（t0～t1）：t0时刻，T1、T5同时开通，显然iLr1从零开始逐步增大，因此T1、T5为零电流开通，如图10所示。忽略T1、T4、D3的导通压降，则P、A、C、B四点同电位，都为Ed=400V，所以T7的压降V-T7=400V。
模态2（t1～t2）：到了t1时刻，iLr1=iFl，D3自然关断，Cr3、Lr1间发生谐振，如图11所示。Cr3上的电荷逐步转移到Lr1中，iLr1继续增大，Cr3的端电压（亦即T7的端电压V-T7）逐步下降到零，此时iLr1= iLf +iCr3。当Cr3两端电压为零时，二极管D7正向导通，iLr1= iLf +iD7。
模态3（t2～t3）：t2时刻，触发T7，显然T7为零电压开通，同模态2，D7继续导通，如图12所示。
模态4（t3～t4）：t3时刻，关断T5，则iLr1经D10向Cr1充电（此前Cr1的端电压为零），由于T7已开通，故C、N为同电位，则T5的关断为零电压关断，如图13所示。T5的关断迫使iLf在零电压状态下全部转入到T7中，因此在T5关断初期，T7中有个尖峰电流，即iLf。随着iLr1向Cr1充电，逐步上升，当VCr1上升到Ed（400V）时，D8正向导通，iLr1中剩余的能量沿着D8向电网迅速放电，由于iLf基本不变，iLr1的放电使得、迅速减小，乃至到零，如图14所示。
模态5（t3～t4）：随着iLr1放电的减小，iT1、iT7又逐步增大，到t4时刻，iT1= iT7=iLf，并随着触发脉冲Vg-T1宽度的不同增大到相应的幅值，如图15所示。
模态6（t4～t5）：t5时刻，同时关断T1、T7，则iLf沿着Cr1、D8续流，如图16所示。由于Cr1的端电压Ed为（400V），所以T1和T2都以零电压关断。当Cr1的端电压降到零后，D3导通，iLf沿着D3续流，状态又回到了模态0，如图9所示。此时A、C、B的电位同为Ed/2=200V，所以T1、T7的C、E间电压都为200V。
在电网电压的负半周期，对应于图4中T2、T3、T6、T7工作，其原理与电网电压的正半周期完全一样，本领域技术人员当以理解其控制方式及运转过程，故不再赘述。
对于电网电压下一个开关周期的正半周期，仍按上述7个模态运作，以此循环。较之于使用传统单相硬开关电力变换器，通过引入辅助谐振单元，并且该辅助谐振单元可通过外加或集成的开关功率器件及内部二极管实现对电力变换器的改良，有效提高了电力变换的效率，且能显著抑制电磁干扰。

Claims (5)

1.单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，涉及输入侧直流电压源Ed、硬开关单相H桥、滤波器及负载，所述输入侧直流电压源Ed的输入信号经由软开关半导体电力变换器DC-DC或DC-AC变换输至滤波器，并经由滤波器滤除高频谐波分量输至负载，其特征在于：所述软开关拓扑结构为在硬开关单相H桥的端子A、B、C、N之间所设的辅助谐振单元，其中端子A为功率开关器件T1发射极与功率开关器件T3集电极之间的接点，端子B为功率开关器件T2发射极与功率开关器件T4集电极之间的接点，端子C为功率开关器件T3发射极与功率开关器件T4发射极之间的接点，端子N为断开自端子C并与输入侧直流电压源Ed负极相连的接点；所述辅助谐振单元为由功率开关器件T5～T7、二极管D5～D7、二极管D8～D11、电感Lr1～Lr2、电容Cr1～Cr3组成，其中功率开关器件T5的发射极与二极管D5的阳极、功率开关器件T7的发射极、二极管D7的阳极、电容Cr3的一端、IGBT器件T6的发射极及二极管D6的阳极相连接于端子N；功率开关器件T5的集电极与二极管D5的阴极、二极管D10的阳极、电感Lr1的一端相连接；功率开关器件T6的集电极与二极管D6的阴极、二极管D11的阳极、电感Lr2的一端相连接；功率开关器件T7的集电极与二极管D7的阴极、电容Cr3的另一端、电感Lr1的另一端、电感Lr2的另一端、电容Cr1的一端、电容Cr2的一端相连接于端子C；二极管D10的阴极与二极管D8的阳极、电容Cr1的另一端相连接；二极管D11的阴极与二极管D9的阳极、电容Cr2的另一端相连接；二极管D8的阴极连接端子A；二极管D9的阴极连接端子B。
2.根据权利要求1所述的单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，其特征在于：所述功率开关器件为绝缘栅双极晶体管IGBT、金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET、晶闸管SCR或可关断晶闸管GTO。
3.根据权利要求1所述的单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，其特征在于：所述二极管D5～D7为外接二极管或功率开关器件的体内二极管。
4.根据权利要求1所述的单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，其特征在于：所述输入侧直流电压源Ed为经整流的直流电压源、蓄电池、燃料电池、光伏电池或风电生成的直流电压源。
5.根据权利要求1所述的单相半导体电力变换器的软开关拓扑结构，其特征在于：所述负载为阻性负载、感性负载、容性负载、直流电压源E或交流电压源e。
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