CN109951091A - 一种两级式单相软开关逆变器电路及其调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种两级式单相软开关逆变器电路，包括双向DC‑DC电路，DC‑AC逆变电路以及辅助支路。本发明将主开关与辅助开关的脉冲信号进行同步，并增加了直通信号，为谐振电感充磁提供额外谐振能量，实现了工频周期内不同工况下的全范围软开关，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，具有低电压、电流应力，开关损耗小，电路效率高，EMI小等特点，该发明有利于提高电路的开关频率，提升***功率密度。

Description

一种两级式单相软开关逆变器电路及其调制方法
技术领域
本发明涉及单相逆变器技术领域，具体涉及一种两级式单相软开关逆变器电路及其调制方法。
背景技术
目前，大部分两级式单相硬开关逆变器电路如图1所示，其包括反并联二极管(D1、D2)的全控型主开关(S1、S2)构成第一桥臂，反并联二极管(D3、D4)的全控型主开关(S3、S4)构成第二桥臂，反并联二极管(D5、D6)的全控型主开关(S5、S6)构成第三桥臂，直流源(Udc)经储能电感(L1)接入第三桥臂，在第一桥臂与第二桥臂中点接入滤波电感(L2)和电网(ug)，直流电容(Cdc)、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂并联在同一条直流母线上。由于上述的全控型开关都工作在硬开关状态，其反并联二极管都存在反向恢复现象，造成全控型开关的开关损耗大、电压电流应力大，逆变器工作频率低、EMI干扰大、功率密度低等问题。
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单相软开关逆变器电路及其调制方法。
本发明内容的一个方面，提供一种两级式单相软开关逆变器电路，包括由两个带并联谐振电容(C1、C2)和反并联二极管(D1、D2)的全控型主开关(S1、S2)构成的第一桥臂，由两个带并联谐振电容(C3、C4)和反并联二极管(D3、D4)的全控型主开关(S3、S4)构成的第二桥臂，由两个带并联谐振电容(C5、C6)和反并联二极管(D5、D6)的全控型主开关(S5、S6)构成的第三桥臂，由一个并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa)、谐振电感(Lr)和箝位电容(Cc)构成的谐振支路，其中全控型辅助开关(Sa)与箝位电容(Cc)串联后再与谐振电感(Lr)并联，上述谐振支路、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂并联在同一条直流母线上，直流源(Udc)经储能电感(L1)接入第三桥臂中点，在第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点接入滤波电感(L2)和电网(ug)。
本发明内容的另一个方面，提供一种两级式单相软开关逆变器电路的调制方法，如图3所示，第三桥臂全控型主开关(S5、S6)采用脉宽调制方法进行控制，第一桥臂全控型主开关(S1、S2)与第二桥臂全控型主开关(S3、S4)采用正弦波脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述三个桥臂中存在的由反并联二极管向全控型主开关换流的开关动作时刻进行同步，同时辅助支路的全控型辅助开关(Sa)控制信号与上述开关动作时刻同步，即在电流从全控型主开关的反并联二极管的向全控型主开关换流时刻之前关断全控型辅助开关(Sa)，直流母线上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型主开关提供零电压开通条件，在电流换流结束时刻，将全控型主开关(S1～S6)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，在充能结束后，全控型辅助开关(Sa)上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型辅助开关(Sa)提供零电压开通条件。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
采用本发明将主开关与辅助开关的脉冲信号进行同步，并增加了直通信号，为谐振电感充磁提供额外谐振能量，实现了工频周期内不同工况下的全范围软开关，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，具有低电压、电流应力，开关损耗小，电路效率高，EMI小等特点，该发明有利于提高电路的开关频率，提升***功率密度。
附图说明
图1为两级式单相硬开关逆变器电路。
图2为两级式单相软开关逆变器电路。
图3为两级式单相软开关逆变器电路在工频周期中根据滤波电感电流与零比较划分的两个区域。
图4为本发明在区域I的各个开关管的脉冲时序图。
图5为本发明在区域Ⅱ的各个开关管的脉冲时序图。
图6～20分别为本发明在区域I中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。
图21为本发明在区域I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2，两级式单相软开关逆变器电路包括由两个带并联谐振电容(C1、C2)和反并联二极管(D1、D2)的全控型主开关(S1、S2)构成的第一桥臂，由两个带并联谐振电容(C3、C4)和反并联二极管(D3、D4)的全控型主开关(S3、S4)构成的第二桥臂，由两个带并联谐振电容(C5、C6)和反并联二极管(D5、D6)的全控型主开关(S5、S6)构成的第三桥臂，由一个并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa)、谐振电感(Lr)和箝位电容(Cc)构成的谐振支路，其中全控型辅助开关(Sa)与箝位电容(Cc)串联后再与谐振电感(Lr)并联；上述谐振支路、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂并联在同一条直流母线上，直流源(Udc)经储能电感(L1)接入第三桥臂中点，在第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点接入滤波电感(L2)和电网(ug)。
两级式单相软开关逆变器的调制方法，包括第三桥臂全控型主开关(S5、S6)采用固定占空比的脉宽调制方法进行控制，第一桥臂全控型主开关(S1、S2)与第二桥臂全控型主开关(S3、S4)采用正弦波脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述三个桥臂中存在的由反并联二极管向全控型主开关换流的开关动作时刻进行同步，同时辅助支路的全控型辅助开关(Sa)控制信号与上述开关动作时刻同步，即在电流从全控型主开关的反并联二极管的向全控型主开关换流时刻之前关断全控型辅助开关(Sa)，直流母线上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型主开关提供零电压开通条件，在电流换流结束时刻，将全控型主开关(S1～S6)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，在充能结束后，全控型辅助开关(Sa)上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型辅助开关(Sa)提供零电压开通条件。
参照图3，对于两级式单相软开关逆变器电路，可以根据其滤波电感电流与零比较情况，将工作区域划分成两个区域，在相同工作区域，不同开关周期调制方法相同，而在不同工作区域，不同开关周期调制方法不相同，分别给出这两种调制方法。
参照图4，对于滤波电感电流i2处在区域I的不同开关管的脉冲时序调制方法，调制信号均采用下降锯齿波作为载波信号，调制信号和载波信号的比较产生主开关管S5、S6的控制信号，调制信号和载波信号的比较产生互补的主开关管S1～S4的控制信号。
参照图5，对于滤波电感电流i2处在区域II的不同开关管的脉冲时序调制方法，调制信号采用下降锯齿波作为载波信号，而调制信号采用上升锯齿波作为载波信号，调制信号和载波信号的比较产生主开关管S5、S6的控制信号，调制信号和载波信号的比较产生互补的主开关管S1～S4的控制信号。
图6～20是该区域I内一个开关周期的15个工作等效电路，其工作的主要电压和电流波形如图21所示，电路的电压电流参考方向如图2所示。电路工作在其它区域的工作过程与此类似。
具体阶段分析如下：
阶段一(t0～t1)：
如图6所示，第一桥臂下管主开关管S2、第二桥臂上管主开关管S3、第三桥臂S6、辅助开关管Sa导通，箝位电容Cc放电，为谐振电感充能。
阶段二(t1～t2)：
如图7所示，第一桥臂下管主开关管S2，第二桥臂上管主开关管S3以及第三桥臂S6同时关断，二极管D2、D3、D6导通，辅助开关管Sa继续导通，箝位电容Cc放电，为谐振电感充能。
阶段三(t2～t3)：
如图8所示，在t2时刻辅助开关管Sa关断，谐振电感Lr使主开关管S1、S4、S5的并联电容C1、C4、C5放电，同时使辅助开关管Sa的并联电容Ca充电，在t2时刻，主开关管S1、S4、S5的并联电容C1、C4、C5电压谐振至零，该阶段结束。
阶段四(t3～t4)：
如图9所示，在t3时刻以后二极管D1、D4、D5导通，将主开关管S1、S4、S5上的电压箝位在零。将主开关管S1、S4、S5开通，实现主开关管S1、S4、S5的零电压开通，该阶段结束。
阶段五(t4～t5)：
如图10所示，在主开关管S1、S4、S5开通后，电路进入换流阶段，储能电感L1的电流由二极管D6向开关管S5换流，滤波电感L2的电流由二极管D2、D3向开关管S1、S4换流。在t5时刻，上述换流过程均完成，该阶段结束。
阶段六(t5～t6)：
如图11所示，在t5时刻，开通第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的所有开关管S1、S2、S3、S4、S5、S6。电路进入直通阶段，构成直流侧电容Cdc放电通道，为谐振电感Lr储存谐振能量。
阶段七(t6～t7)：
如图12所示，在t6时刻，主开关管S2、S3、S6关断，谐振电感Lr使辅助开关管Sa的并联电容Ca放电，同时使主开关管S2、S3、S6的并联电容C2、C3、C6充电，在t7时刻，辅助开关管Sa的并联电容Ca上的电压谐振至零，该阶段结束。
阶段八(t7～t8)：
如图13所示，在t7时刻以后，辅助开关管Sa的反并联二极管Da会导通，将辅助开关管Sa上的电压箝位在零。将辅助开关管Sa开通，实现辅助开关管Sa的零电压开通，该阶段结束。
阶段九(t8～t9)：
如图14所示，辅助开关管Sa导通，箝位电容Cc将谐振电感Lr电压箝位，谐振电感电流iLr以UCc/Lr速率线性上升。
阶段十(t9～t10)：
如图15所示，在t9时刻，第三桥臂的主开关管S5关断，并联电容C5充电，二极管D6的并联电容C6放电，在t10时刻，并联电容C6上的电压上升到UCc+Udc，而并联电容C5上的电压下降到零，该阶段结束。
阶段十一(t10～t11)：
如图16所示，在t10时刻，二极管D6导通，储能电感L1的电流完成由开关管S5向二极管D6换流。
阶段十二(t11～t12)：
如图17所示，在t11时刻，主开关管S6开通，二极管D6的电流转移到主开关管S6上。
阶段十三(t12～t13)：
如图18所示，在t11时刻，主开关管S1、S4关断，并联电容C1、C4充电，主开关管S2、S3的并联电容C2、C3放电，在t12时刻，并联电容C1、C4上的电压上升到UCc+Udc，而C2、C3上的电压下降到零，该阶段结束。
阶段十四(t13～t14)：
如图19所示，在t12时刻，二极管D2、D3导通，第一、二桥臂完成换流。
阶段十五(t14～t0’)：
如图20所示，在t13时刻，主开关管S2、S3开通，二极管D2、D3的电流转移到主开关管S2、S3上，此阶段与阶段一相同。

Claims (2)

1.一种两级式单相软开关逆变器电路，其特征在于：所述两级式单相软开关逆变器电路包括由两个带并联谐振电容(C1、C2)和反并联二极管(D1、D2)的全控型主开关(S1、S2)构成的第一桥臂，由两个带并联谐振电容(C3、C4)和反并联二极管(D3、D4)的全控型主开关(S3、S4)构成的第二桥臂，由两个带并联谐振电容(C5、C6)和反并联二极管(D5、D6)的全控型主开关(S5、S6)构成的第三桥臂，由一个并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa)、谐振电感(Lr)和箝位电容(Cc)构成的谐振支路，其中全控型辅助开关(Sa)与箝位电容(Cc)串联后再与谐振电感(Lr)并联；上述谐振支路、第一桥臂、第二桥臂以及第三桥臂并联在同一条直流母线上，直流源(Udc)经储能电感(L1)接入第三桥臂中点，在第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点接入滤波电感(L2)和电网(ug)。
2.一种两级式单相软开关逆变器的调制方法，其特征在于：所述第三桥臂全控型主开关(S5、S6)采用脉宽调制方法进行控制，第一桥臂全控型主开关(S1、S2)与第二桥臂全控型主开关(S3、S4)采用正弦波脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述三个桥臂中存在的由反并联二极管向全控型主开关换流的开关动作时刻进行同步，同时辅助支路的全控型辅助开关(Sa)控制信号与上述开关动作时刻同步，即在电流从全控型主开关的反并联二极管的向全控型主开关换流时刻之前关断全控型辅助开关(Sa)，直流母线上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型主开关提供零电压开通条件，在电流换流结束时刻，将全控型主开关(S1～S6)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，在充能结束后，全控型辅助开关(Sa)上的电压随即谐振到零，为即将开通的全控型辅助开关(Sa)提供零电压开通条件。
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