CN109831111A

CN109831111A - 一种两级式三相软开关变流器

Info

Publication number: CN109831111A
Application number: CN201910214706.0A
Authority: CN
Inventors: 徐德鸿; 施科研; 赵安; 邓金溢
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明公开一种两级式三相软开关变流器，包括前级直流‑直流变换器，后级三相直流‑交流变换器，在前后级的正公共母线和中间直流侧电容之间接入包含反并联二极管的辅助开关管、箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关管和辅助开关管两端并联谐振电容。本发明将辅助开关管与前后两级变流器中的主开关管的驱动脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关管的零电压开通，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，开关损耗小，电路效率高，有利于提高开关频率，提升***功率密度。

Description

一种两级式三相软开关变流器

技术领域

本发明涉及直流-交流变换技术领域，尤其涉及一种两级式三相软开关变流器电路。

背景技术

传统的两级式三相变流器电路，包括四组半桥桥臂；第一个半桥桥臂与输入侧电感组成直流-直流变换器，第二个半桥桥臂、第三个半桥桥臂、第四个半桥桥臂和三个交流侧电感组成三相的直流-交流变换器与三相电网连接；四个桥臂的上、下端分别并联组成正、负母线直接与直流母线电容相连，第一个半桥桥臂将输入直流源的电压变换成直流母线电压，该直流母线电压作为后级三相直流-交流变换器的输入电压；传统的两级式三相变流器电路工作在硬开关状态，存在二极管反向恢复现象，换流器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，导致需采用较大的滤波器，降低了电路效率。

发明内容

本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的两级式三相软开关变流器电路拓扑及其调制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种两级式三相软开关变流器电路拓扑，其特征在于：所述两级式三相软开关变流器电路包括交流侧滤波电感L_a、L_b、L_c；直流输入侧电感L₁；四组半桥桥臂；直流侧电容C_dc；以及一组包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第四桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，四组桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；上述正公共母线与直流侧电容C_dc之间接入上述辅助谐振支路；第一桥臂的中点连接电感L₁的一端，L₁的另一端与输入直流源的正端相连，直流源的负端与负公共母线相连；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的中点分别连接L_a、L_b、L_c，L_a、L_b、L_c的另一端分别与三相电网相连；各开关管S₁～S₆、S₈～S₉和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C₁～C₆、C₈～C₉和C₇。

本发明内容的另一个方面，提供一种两级式三相软开关变流器的调制方法，其特征在于：所述第一桥臂的上、下主开关管采用固定占空比的脉宽调制，所述第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的主开关管采用正弦波脉宽调制或者空间矢量调制方法，所有主开关管和辅助开关管具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述四个桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管S₇，正、负公共母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的两级式三相软开关变流器电路，能实现前级直流-直流变换器和后级直流-交流变换器所有主开关管以及辅助开关管在工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现软开关，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

附图说明

图1为两级式三相软开关变流器电路拓扑图。

图2为一个工频周期内根据输出电流波形划分的六个工作区间示意图。

图3为本发明在区间1中的脉冲控制时序图。

图4～17分别为本发明在区间1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图18为本发明在区间1中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，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。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，所述两级式三相软开关变流器电路包括交流侧滤波电感L_a、L_b、L_c；直流输入侧电感L₁；四组半桥桥臂；直流侧电容C_dc；以及一组包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第四桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，四组桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；上述正公共母线与直流侧电容C_dc之间接入上述辅助谐振支路；第一桥臂的中点连接电感L₁的一端，L₁的另一端与输入直流源的正端相连，直流源的负端与负公共母线相连；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的中点分别连接L_a、L_b、L_c，L_a、L_b、L_c的另一端分别与三相电网相连；各开关管S₁～S₆、S₈～S₉和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C₁～C₆、C₈～C₉和C₇。

对于两级式三相软开关变流器电路，可以根据三相输出电流i_a、i_b、i_c的相位情况，将工作区域划分成六个区域，如图2所示，同时输入电流i₁的极性，也存在大于零和小于零两种情况。下面以三相电流i_a、i_b、i_c处在区域1，并且输入电流i₁大于零为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析。

由于在区域1内，i₁、i_a大于零，i_b、i_c小于零，在一个开关周期内，存在四个二极管向主开关管换流的过程，分别为D₈向S₉换流、D₄向S₁换流、D₃向S₆换流、D₅向S₂换流，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图3所示，变流器共有14个工作状态。图4～17是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图18所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t₀～t₁)：

如图4所示，第一桥臂上管二极管D₈，第二桥臂下管二极管D₄，第三桥臂上管二极管D₃，第四桥臂上管二极管D₅均导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S₇组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为U_Cc，谐振电感电流线性上升；

阶段二(t₁～t₂)：

如图5所示，在t₁时刻辅助开关S₇关断，谐振电感L_r使主开关管S₉、S₁、S₆、S₂的并联电容C₉、C₁、C₆、C₂放电，同时使辅助开关S₇的并联电容C₇充电，谐振电感L_r的电流i_Lr谐振下降，在t₂时刻，主开关S₉、S₁、S₆、S₂的并联电容C₉、C₁、C₆、C₂电压谐振至零，该阶段结束；

阶段三(t₂～t₃)：

如图6所示，在t₂时刻以后D₉、D₁、D₆、D₂会导通，将C₉、C₁、C₆、C₂上的电压箝位为零，可在t₂时刻开通S₉、S₁、S₆、S₂，可实现S₉、S₁、S₆、S₂的零电压开通，在t₃时刻，D₉、D₁、D₆、D₂电流下降到零，该阶段结束。

阶段四(t₃～t₄)：

如图7所示，在D₉、D₁、D₆、D₂关断后，电路进入换流阶段，电流i₁由二极管D₈向开关管S₉换流，电流i_a由二极管D₄向开关管S₁换流，电流i_b由二极管D₃向开关管S₆换流，电流i_c由二极管D₅向开关管S₂换流。在该阶段谐振电感Lr两端的电压被钳位在V_dc，谐振电感电流i_Lr线性下降，在t₄时刻，以上四个桥臂换流均结束，该阶段结束。其中V_dc为直流母线电容上的电压。

阶段五(t₄～t₅)：

如图8所示，在t₄时刻以后i_Lr继续下降，C₇开始放电，C₈、C₄、C₃、C₅开始充电，电路进入第二次谐振，在t₅时刻C₇上的电压谐振到零，该阶段结束。

阶段六(t₅～t₆)：

如图9所示，t₅时刻以后，D₇会导通，将C₇上的电压箝位为零，为辅助管S₇的零电压开通提供条件，可在t₅时刻给S₇发送开通信号，使其实现零电压开通，当S₉在t₆时刻关断时，该阶段结束。

阶段七(t₆～t₇)：

如图10所示，S₉在t₆时刻关断后，第一桥臂的上下主开关管开始换流，C₉开始充电，C₈开始放电，在t₇时刻，C₉上的电压上升到U_Cc+V_dc，C₈上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段八(t₇～t₈)：

如图11所示，在第一桥臂完成换流，D₈续流导通后，S₈开通，在此阶段S₈、S₁、S₆、S₂保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t₈时刻S₆关断，该阶段结束。

阶段九(t₈～t₉)：

如图12所示，S₆在t₈时刻关断后，第三桥臂开始换流，C₆开始充电，C₃开始放电，在t₉时刻，C₆上的电压上升到U_Cc+V_dc，C₃上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十(t₉～t₁₀)：

如图13所示，在第三桥臂完成换流，D₃续流导通后，S₃开通，在此阶段S₈、S₁、S₃、S₂保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t₁₀时刻S₂关断，该阶段结束。

阶段十一(t₁₀～t₁₁)：

如图14所示，S₂在t₁₀时刻关断后，第四桥臂开始换流，C₂开始充电，C₅开始放电，在t₁₁时刻，C₂上的电压上升到U_Cc+V_dc，C₅上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十二(t₁₁～t₁₂)：

如图15所示，在第四桥臂完成换流，D₅续流导通后，S₅开通，在此阶段S₈、S₁、S₃、S₅保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t₁₂时刻S₁关断，该阶段结束。

阶段十三(t₁₂～t₁₃)：

如图16所示，S₁在t₁₂时刻关断后，第二桥臂开始换流，C₁开始充电，C₄开始放电，在t₁₃时刻，C₁上的电压上升到U_Cc+V_dc，C₄上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十四(t₁₃～t₁₄)：

在第二桥臂完成换流，D₄续流导通后，S₄开通，在此阶段S₈、S₄、S₃、S₅保持开通状态，谐振电感电流线性下降，该阶段与阶段一相同。

Claims

1.一种两级式三相软开关变流器，其特征在于：所述两级式三相软开关变流器电路包括交流侧滤波电感L_a、L_b、L_c；直流输入侧电感L₁；四组半桥桥臂；直流侧电容C_dc；以及一组包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c构成的辅助谐振支路，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述每组半桥桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成，第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₈、S₉和D₈、D₉，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₁、S₄和D₁、D₄，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₃、S₆和D₃、D₆，第四桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S₅、S₂和D₅、D₂，四组桥臂的上、下两端并联形成正、负公共母线；上述正公共母线与直流侧电容C_dc之间接入上述辅助谐振支路；第一桥臂的中点连接电感L₁的一端，L₁的另一端与输入直流源的正端相连，直流源的负端与负公共母线相连；第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的中点分别连接L_a、L_b、L_c，L_a、L_b、L_c的另一端分别与三相电网相连；各开关管S₁～S₆、S₈～S₉和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C₁～C₆、C₈～C₉和C₇。

2.一种两级式三相软开关变流器的调制方法，其特征在于：所述第一桥臂的上、下主开关管S₈、S₉采用脉宽调制方法进行控制，所述第二桥臂、第三桥臂、第四桥臂的六个主开关管S₁～S₆采用零电压正弦波脉宽调制或者注入三次谐波的正弦波脉宽调制方法进行控制，所有主开关管和辅助开关管S₇具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述四个桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前关断辅助开关管S₇，正、负公共母线之间的电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。