CN104167913B - 一种软开关单相逆变器启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软开关单相逆变器启动方法。在软开关逆变器的箝位电容上并联一个辅助启动电路，通过辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电，第一次充电后，箝位电容的电压小于额定电压值；接着在逆变器上施加用于为箝位电容进行充电的辅助启动脉冲序列，驱动逆变器，使逆变器经过一个软开关过程，对逆变器中的箝位电容进行第二次充电，将箝位电容电压充电至额定电压值，然后将逆变器控制时序切换到软开关逆变器PWM调制驱动信号。本发明使软开关单相逆变器在启动阶段即实现软开关运行，启动过程中逆变器功率器件的电压应力大大减小，可在较高直流母线电压下安全可靠启动。

Description

一种软开关单相逆变器启动方法

技术领域

本发明涉及一种逆变器启动方法，尤其涉及一种软开关单相逆变器启动方法。

背景技术

逆变器是一种广泛应用于分布式光伏发电的电能转换装置，复合有源箝位技术应用于单相逆变器，能够实现器件的零电压开关，提升逆变器的开关频率，减小开关损耗，有效提高逆变器的功率密度和电能转换的效率。软开关逆变器在按照传统方法启动时，由于箝位电容初始电压为零，导致启动阶段初期逆变器软开关条件无法满足，仍工作于硬开关状态，功率器件在运行中有很高的关断电压尖峰，可能导致软开关逆变器在启动过程中出现故障。

发明内容

为了克服传统启动方法的不足，本发明的目的是提出一种软开关单相逆变器启动方法。

本发明采用的技术方案是：

在软开关逆变器的箝位电容上并联一个辅助启动电路，通过辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电，第一次充电后，箝位电容的电压小于额定电压值；接着在逆变器上施加用于为箝位电容进行充电的辅助启动脉冲序列，驱动逆变器，使逆变器经过一个软开关过程，对逆变器中的箝位电容进行第二次充电，将箝位电容充电至额定电压值，然后将逆变器控制时序切换到软开关逆变器PWM调制驱动信号。

所述的辅助启动电路包括第一副边绕组和第一二极管，第一副边绕组绕到辅助电源的隔离变压器上，第一副边绕组和第一二极管串联连接后连接到箝位电容的两端，通过辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电。

所述的软开关单相逆变器采用复合有源箝位单相逆变器，复合有源箝位单相逆变器包括辅助开关S₅和四个主开关S₁～S₄，辅助启动脉冲序列包括依次进行的t₀～t₄时刻，各时刻脉冲控制具体为：

在t₀初始时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5采用高电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号采用低电平；在t₁时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5由高电平变为低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号保持为低电平；在t₂时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号由低电平变为高电平；在t₃时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号由高电平变为低电平；然后辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5和全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号保持低电平直到t₄时刻。

所述的t₀时刻和t₁时刻之间间隔为 $t_1-t_0\≥\frac{\sqrt{({V_{\mathrm{dc}}}^2-{V_{\mathrm{CC}0}}^2)\·L_r(C_{\mathrm{equ}}+C_5)}}{V_{\mathrm{CC}0}};$

所述的t₁时刻和t₂时刻之间间隔为

所述的t₂时刻和t₃时刻之间间隔为 $t_3-t_2=\frac{\sqrt{L_r{C}_C({V_{\mathrm{CC}1}}^2-{V_{\mathrm{CC}0}}^2)}+V_{\mathrm{CC}0}\·(t_1-t_0)}{V_{\mathrm{dc}}};$

所述的t₃时刻和t₄时刻之间间隔为

其中，C_equ为逆变器桥臂串并联等效电容，V_cc0为辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电后箝位电容的电压值，V_cc1为箝位电容电压额定值并由软开关逆变器稳定运行时箝位电容电压确定，L_r为软开关逆变器谐振电感，C_C为箝位电容的电容值，V_dc为逆变器直流母线电压，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。

所述的逆变器桥臂串并联等效电容C_equ具体为其中C₁～C₄为有源箝位软开关逆变器主开关S₁～S₄并联电容的电容值，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。

本发明的有益效果如下：

本发明通过辅助启动电路给箝位电容第一次充电，再通过辅助启动驱动脉冲控制，逆变器经过一个软开关过程，给箝位电容进行第二次充电，箝位电容电压被充电至额定值，此后在软开关逆变器PWM调制驱动信号控制下，逆变器可软开关运行，避免出现传统启动方法下启动阶段初期所出现的电压应力过高的问题，改善启动过程中功率器件的运行环境，保证逆变器的安全启动。

附图说明

图1为本发明所应用的复合有源箝位逆变器电路结构图。

图2为本发明提出的软开关单相逆变器启动方法原理图。

图3为本发明提出的辅助启动脉冲序列的示意图。

图4为本发明提出的辅助启动脉冲序列驱动下各器件的工作波形。

图5为本发明实施例的启动实验波形。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明方法包括：在逆变器的箝位电容Cc上并联一个辅助启动电路1，通过辅助启动电路1对箝位电容C_C进行第一次充电，第一次充电后，箝位电容C_C的电压小于额定电压值；接着在逆变器上施加用于为箝位电容进行充电的辅助启动脉冲序列，驱动逆变器，使逆变器经过一个软开关过程，对逆变器中的箝位电容C_C进行第二次充电，将箝位电容电压充电至额定电压值，然后将逆变器控制时序切换到软开关逆变器PWM调制驱动信号。

辅助启动电路1包括第一副边绕组101和第一二极管102，第一副边绕组101绕到辅助电源的隔离变压器T₁上，第一副边绕组101和第一二极管102串联连接后连接到箝位电容的两端，通过逆变器辅助电源对箝位电容进行第一次充电。

如图1所示，本发明所应用的复合有源箝位逆变器，包括逆变器直流侧供电电源V_dc，以及由四个具有反并联二极管的全控开关(主开关)S₁、S₂、S₃、S₄构成的全桥桥臂，在全控开关(主开关)S₁、S₂、S₃、S₄两端分别并联电容C₁、C₂、C₃、C₄，在全桥桥臂的两个中点之间串接输出滤波电感L、负载和输出继电器。在逆变器直流侧供电电源V_dc和全桥桥臂的直流母线之间接入箝位电容C_C和具有反并联二极管的辅助开关S₅的串联支路，辅助开关S₅并联电容C₅，并在串联支路两端跨接谐振电感L_r。

如图2所示，本发明所述的逆变器辅助启动电路1包含从辅助电源变压器引出的第一副边绕组101以及与第一副边绕组101同名端串联的第一二极管D_C。第一副边绕组101和第一二极管D_C组成的串联支路跨接在箝位电容C_C两端，

图中辅助启动电路电流按顺时针方向先经过第一副边绕组101再经过第一二极管D_C，第一副边绕组101的同名端连接至第一二极管102的阳极，第一二极管D_C的阴极和箝位电容C_C连接于结点3，第一副边绕组101的异名端和箝位电容C_C连接于结点2。但辅助启动电路1中，电路电流也可以先经过第一二极管D_C再经过第一副边绕组101。

逆变器启动时，首先通过辅助启动电路1对箝位电容C_C进行第一次充电，此后逆变器驱动信号选择开关6连接于辅助启动脉冲序列产生模块5的输出端603，辅助启动脉冲序列产生模块5的输出端603连接驱动电路7的输入端601，通过驱动电路7生成开关S₁～S₅对应的门极电压信号V_gs1～V_gs5，逆变器按照所设计的辅助驱动脉冲序列进行动作，对箝位电容C_C进行第二次充电，本发明所设计的辅助启动脉冲序列动作完成后，逆变器驱动信号选择开关6将连接于软开关逆变器PWM调制驱动信号产生模块4的输出端602，软开关逆变器PWM调制驱动信号产生模块4的输出端602连接驱动电路7的输入端601，通过驱动电路7生成开关S₁～S₅对应的门极电压信号V_gs1～V_gs5，逆变器按照软开关逆变器PWM调制驱动信号工作。

如图3所示，本发明所设计的辅助启动脉冲序列包括依次进行的t₀～t₄时刻，各时刻脉冲控制具体为：在初始时刻t₀，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5采用高电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄驱动信号DRIVE1～DRIVE4采用低电平；在t₁时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5由高电平变为低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号DRIVE1～DRIVE4保持为低电平；在t₂时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号DRIVE1～DRIVE4由低电平变为高电平；在t₃时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号DRIVE1～DRIVE4由高电平变为低电平；最后将辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5和全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号DRIVE1～DRIVE4保持低电平直到t₄时刻。

为保证第二次充电过程的软开关运行以及箝位电容电压达到额定电压值，各个时刻的间隔优选采用以下方式：

上述t₀时刻和t₁时刻之间间隔为 $t_1-t_0\≥\frac{\sqrt{({V_{\mathrm{dc}}}^2-{V_{\mathrm{CC}0}}^2)\·L_r(C_{\mathrm{equ}}+C_5)}}{V_{\mathrm{CC}0}}$

上述t₁时刻和t₂时刻之间间隔为

上述t₂时刻和t₃时刻之间间隔为 $t_3-t_2=\frac{\sqrt{L_r{C}_C({V_{\mathrm{CC}1}}^2-{V_{\mathrm{CC}0}}^2)}+V_{\mathrm{CC}0}\·(t_1-t_0)}{V_{\mathrm{dc}}}$

上述t₃时刻和t₄时刻之间间隔为

其中，C_equ为逆变桥臂串并联等效电容，V_cc0为辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电后箝位电容的电压值，V_cc1为箝位电容电压额定值并由软开关逆变器稳定运行时箝位电容电压确定，L_r为软开关逆变器谐振电感，C_C为箝位电容的电容值，V_dc为逆变器直流母线电压，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。

逆变器桥臂串并联等效电容C_equ具体为其中C₁～C₄为有源箝位软开关逆变器主开关S₁～S₄并联电容的电容值，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。

本发明的工作原理过程如下：

参照图4，对复合有源箝位单相逆变器在本发明所设计的辅助启动脉冲序列控制下各电压电流波形进行说明，各个开关的驱动信号DRIVE1～DRIVE5通过驱动电路之后生成开关门极电压信号V_gs1～V_gs5，控制对应功率器件的导通和关断。

在本发明所设计的驱动脉冲序列工作阶段，逆变器输出侧和负载之间连接的继电器开关仍处于断开状态，分析时不考虑负载所在支路。

在本发明所涉及的驱动脉冲序列工作之前，箝位电容已由辅助启动电容充电至初始电压值V_cc0。

阶段一(t₀～t₁)：t₀时刻，辅助开关S₅的门极电压信号V_gs5变为高电平，辅助管S₅导通，箝位电容C_C电压V_Cc加到谐振电感L_r两端，谐振电感反向充磁，谐振电感电流线i_Lr性下降。辅助管S₅电流i_ds5等于谐振电感电流i_Lr，主开关S₁～S₄的电流i_ds1～i_ds4为0。此阶段一致持续到t₁时刻，S₅门极电压信号V_gs5由高电平变为低电平。

阶段二(t₁～t₂)：t₁时刻，辅助开关S₅的门极电压信号V_gs5变为低电平，辅助管S₅关断，谐振电感L_r给辅助管S₅并联的电容C₅充电，给主开关S₁～S₄并联的电容C₁～C₄放电。辅助管S₅电流i_ds5变为0。

到t’₁时刻，主开关S₁～S₄的电压V_ds1～V_ds4降到零，主开关的反并联二极管开始导通。谐振电感两端的电压箝位在V_dc，并通过由V_dc，S₁反并联二极管，S₄反并联二极管和由V_dc，S₂反并联二极管，S₃反并联二极管组成的回路充磁，谐振电感电流i_Lr线性上升。主开关S₁～S₄的电流i_ds1～i_ds4变为谐振电感电流i_Lr的一半，且方向由下向上。

阶段三(t₂～t₃)：t₂时刻，主开关S₁～S₄的门极电压信号V_gs1～V_gs4变为高电平，主开关S₁～S₄零电压开通，谐振电感通过由V_dc,S₁,S₄和V_dc,S₂,S₃组成的回路充磁，谐振电感电流i_Lr上升到零后继续线性上升。谐振电感电流i_Lr上升到零后，主开关S₁～S₄的电流i_ds1～i_ds4方向变为由上向下，大小仍为谐振电感电流i_Lr的一半。

阶段四(t₃～t₄)：t₃时刻，主开关S₁～S₄的门极电压信号V_gs1～V_gs4变为低电平，主开关关断，谐振电感给主开关S₁～S₄并联的电容充电，给辅助管S₅并联的电容放电，谐振电感电流谐振上升。主开关S₁～S₄的电流i_ds1～i_ds4变为0。

到t’₃时刻，辅助管并联电容电压V_ds5谐振到零，辅助管S₅反并联二极管导通，谐振电感电流i_Lr给箝位电容充电，箝位电容电压V_Cc谐振上升，谐振电感电流i_Lr谐振下降。

到t’₄时刻，谐振电感电流谐振到零，箝位电容电压充电至额定值V_cc1，开关S₁～S₅均关断。在这个阶段辅助管S₅电流i_ds5大小为谐振电感电流i_Lr值，方向从右向左。

此后，电路要经过一个阻尼谐振过程，进入开关S₁～S₅均关断的稳定状态。稳定时，辅助管S₅的管压降V_ds5为V_cc1,主开关S₁～S₄的管压降V_ds1～V_ds4为直流母线电压V_dc的一半。

开关S₁～S₅保持关断状态直到t₄时刻，至此本发明所设计的驱动脉冲序列完成动作，箝位电容电压充电至额定电压值。此后在软开关逆变器PWM驱动时序控制下，逆变器可实现零电压启动。

本发明的具体实施例：

在复合有源箝位单相逆变器的箝位电容Cc上并联辅助启动电路1后对箝位电容C_C进行第一次充电，第一次充电后，箝位电容C_C的电压为15V，小于额定电压值25V。

如图5所示，通过辅助启动脉冲序列进行第二次充电，箝位电容C_C的电压V_Cc达到额定电压值25V。在逆变器母线电压V_dc为450V的条件下，t₄时刻之前，辅助启动脉冲序列工作过程的最大实际管压为468V，而其理论最小值为V_dc+V_CC0＝465V，t₄时刻之后，软开关逆变器PWM调制驱动信号作用下，逆变器启动阶段初期最大实际管压为481V，而理论最小值为V_dc+V_CC1＝475V。图中CH1谐振电感电流25A/div，CH2箝位电容电压20V/div，CH3辅助管管压200V/div，时间5μs/div。实验表明，使用本方法后，逆变器在启动初期，即可实现软开关运行。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种软开关单相逆变器启动方法，其特征在于：在软开关逆变器的箝位电容上并联一个辅助启动电路，通过辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电，第一次充电后，箝位电容的电压小于额定电压值；接着在逆变器上施加用于为箝位电容进行充电的辅助启动脉冲序列，驱动逆变器，使逆变器经过一个软开关过程，对逆变器中的箝位电容进行第二次充电，将箝位电容充电至额定电压值，然后将逆变器控制时序切换到软开关逆变器PWM调制驱动信号；

所述的软开关单相逆变器采用复合有源箝位单相逆变器，复合有源箝位单相逆变器包括辅助开关S₅和四个主开关S₁～S₄，辅助启动脉冲序列包括依次进行的t₀～t₄时刻，各时刻脉冲控制具体为：

在t₀初始时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5采用高电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号采用低电平；在t₁时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5由高电平变为低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号保持为低电平；在t₂时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号由低电平变为高电平；在t₃时刻，辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5保持低电平，全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号由高电平变为低电平；然后辅助开关S₅的驱动信号DRIVE5和全桥桥臂的四个主开关S₁～S₄的驱动信号保持低电平直到t₄时刻；

所述的t₀时刻和t₁时刻之间间隔为

所述的t₁时刻和t₂时刻之间间隔为

所述的t₂时刻和t₃时刻之间间隔为

所述的t₃时刻和t₄时刻之间间隔为

其中，C_equ为逆变器桥臂串并联等效电容，V_cc0为辅助启动电路对箝位电容进行第一次充电后箝位电容的电压值，V_cc1为箝位电容电压额定值并由软开关逆变器稳定运行时箝位电容电压确定，L_r为软开关逆变器谐振电感，C_C为箝位电容的电容值，V_dc为逆变器直流母线电压，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。

2.根据权利要求1所述的一种软开关单相逆变器启动方法，其特征在于：

所述的辅助启动电路(1)包括第一副边绕组(101)和第一二极管(102)，第一副边绕组(101)绕到辅助电源的隔离变压器上，第一副边绕组(101)和第一二极管(102)串联连接后连接到箝位电容的两端，通过辅助启动电路(1)对箝位电容进行第一次充电。

3.根据权利要求1所述的一种软开关单相逆变器启动方法，其特征在于：

所述的逆变器桥臂串并联等效电容C_equ具体为其中C₁～C₄为有源箝位软开关逆变器主开关S₁～S₄并联电容的电容值，C₅为辅助开关S₅并联电容的电容值。