CN110011317A - 一种基于软开关电路的动态电压恢复器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于软开关电路的动态电压恢复器，包括并联的三组单相全桥逆变桥臂分别构成A、B、C三相***。三组全桥逆变桥臂的直流母线与直流电压源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，三组全桥逆变桥臂的输出分别经过LC滤波器后通过变压器串联在三相配电网。本发明通过辅助电路的动作可以实现所有主开关管零电压开通，实现电路在工频周期里全范围软开关。该发明有效减小了硬开关过程造成的开关损耗和EMI干扰，利于提高动态电压恢复器的功率密度。

Description

一种基于软开关电路的动态电压恢复器
技术领域
本发明涉及动态电压恢复器电路技术领域，具体涉及一种基于软开关电路的动态电压恢复器拓扑及其调制方法。
背景技术
目前，部分动态电压恢复器拓扑如图1所示，其包括由反并联二极管(Da1、Da2)的全控型主开关(Sa1、Sa2)构成第一桥臂，由反并联二极管(Da3、Da4)的全控型主开关(Sa3、Sa4)构成第二桥臂，由反并联二极管(Db1、Db2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第三桥臂，由反并联二极管(Db3、Db4)的全控型主开关(Sb3、Sb4)构成第四桥臂，由反并联二极管(Dc1、Dc2)的全控型主开关(Sc1、Sc2)构成第三桥臂，由反并联二极管(Dc3、Dc4)的全控型主开关(Sc3、Sc4)构成第四桥臂，直流源(Udc)与上述所有桥臂并联在同一条直流母线上，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点经过滤波电感L1、滤波电容C1构成的LC滤波器与变压器A相绕组的低压侧相连,第三桥臂和第四桥臂的桥臂中点经过滤波电感L2、滤波电容C2构成的LC滤波器与变压器B相绕组的低压侧相连，第五桥臂和第六桥臂的桥臂中点经过滤波电感L3、滤波电容C3构成的LC滤波器与变压器C相绕组的低压侧相连。三相变压器的高压侧分别串联在三相配电网与负载之间。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，动态电压恢复器工作频率低、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，提高电路效率的基于软开关电路的动态电压恢复器拓扑及其调制方法。
本发明内容的一个方面，提供一种基于软开关电路的动态电压恢复器，包括由两个带并联谐振电容(Ca1、Ca2)和反并联二极管(Da1、Da2)的全控型主开关(Sa1、Sa2)构成第一桥臂，由两个带并联谐振电容(Ca3、Ca4)和反并联二极管(Da3、Da4)的全控型主开关(Sa3、 Sa4)构成第二桥臂，由两个带并联谐振电容(Cb1、Cb2)和反并联二极管(Db1、Db2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第三桥臂，由两个带并联谐振电容(Cb3、Cb4)和反并联二极管(Db3、Db4)的全控型主开关(Sb3、Sb4)构成第四桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc1、Cc2) 和反并联二极管(Dc1、Dc2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第五桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc3、Cc4)和反并联二极管(Dc3、Dc4) 的全控型主开关(Sc3、Sc4)构成第六桥臂，由谐振电感(Lr)并联一条由并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa) 串联箝位电容(Cc)的电路构成的辅助电路；直流源(Udc)经过辅助电路和上述的所有桥臂并联在同一条直流母线上，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点经过滤波电感L1、滤波电容C1构成的LC滤波器与变压器A相绕组的低压侧相连,第三桥臂和第四桥臂的桥臂中点经过滤波电感L2、滤波电容C2构成的LC滤波器与变压器B相绕组的低压侧相连，第五桥臂和第六桥臂的桥臂中点经过滤波电感L3、滤波电容C3构成的LC滤波器与变压器C相绕组的低压侧相连；三相变压器的高压侧分别串联在三相配电网与负载之间。
本发明内容的另一个方面，提供一种基于软开关电路的动态电压恢复器电路的调制方法，所述第一桥臂全控型主开关(Sa1、Sa2)、第二桥臂全控型主开关(Sa3、Sa4)、第三桥臂全控型主开关(Sb1、Sb2)、第四桥臂全控型主开关(Sb3、Sb4)、第五桥臂全控型主开关(Sc1、Sc2)、第六桥臂全控型主开关(Sc3、Sc4)采用零电压正弦脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述六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，在所有桥臂完成换流的时刻，根据直流源(Udc)的功率流动情况决定是否加入桥臂直通过程；当功率流向为流入直流源(Udc)时，不需要加入桥臂直通过程，上述所有二极管向全控型主开关换流过程结束之后，谐振电容Ca上的电压将谐振为零，全控型辅助开关Sa进行零电压开通；当功率流出直流源(Udc)时需要加入桥臂直通过程，此时将上述的全控型主开关 (Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，完成充能后全控型辅助开关(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：
本发明通过辅助电路的辅助开关管关断可以实现所有主开关管零电压开通，并且通过桥臂短路脉冲为辅助电路的谐振电感充能，实现了在三相***在工频周期里全范围软开关。该发明有效减小了硬开关过程造成的开关损耗、较大的电压、电流应力和EMI干扰，利于提高动态电压恢复器的功率密度。
附图说明
图1为传统动态电压恢复器拓扑。
图2为基于软开关电路的动态电压恢复器拓扑。
图3为基于软开关电路的动态电压恢复器在三相接地故障下工频周期中根据滤波电感电流iLa、iLb、iLc与零比较划分的六个区域。
图4～21分别为本发明在区域2中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。
图22为本发明在区域2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，基于软开关电路的动态电压恢复器拓扑包括由两个带并联谐振电容(Ca1、Ca2)和反并联二极管(Da1、Da2)的全控型主开关(Sa1、Sa2)构成第一桥臂，由两个带并联谐振电容(Ca3、Ca4) 和反并联二极管(Da3、Da4)的全控型主开关(Sa3、Sa4)构成第二桥臂，由两个带并联谐振电容(Cb1、Cb2)和反并联二极管(Db1、Db2) 的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第三桥臂，由两个带并联谐振电容 (Cb3、Cb4)和反并联二极管(Db3、Db4)的全控型主开关(Sb3、Sb4)构成第四桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc1、Cc2)和反并联二极管 (Dc1、Dc2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第五桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc3、Cc4)和反并联二极管(Dc3、Dc4)的全控型主开关(Sc3、Sc4)构成第六桥臂，由谐振电感(Lr)并联一条由并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa)串联箝位电容(Cc)的电路构成的辅助电路；直流源(Udc)经过辅助电路和上述的所有桥臂并联在同一条直流母线上，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点经过滤波电感L1、滤波电容C1构成的LC滤波器与变压器A 相绕组的低压侧相连,第三桥臂和第四桥臂的桥臂中点经过滤波电感L2、滤波电容C2构成的LC滤波器与变压器B相绕组的低压侧相连，第五桥臂和第六桥臂的桥臂中点经过滤波电感L3、滤波电容C3构成的LC滤波器与变压器C相绕组的低压侧相连；三相变压器的高压侧分别串联在三相配电网与负载之间。
基于软开关电路的动态电压恢复器的调制方法，所述第一桥臂全控型主开关(Sa1、Sa2)、第二桥臂全控型主开关(Sa3、Sa4)、第三桥臂全控型主开关(Sb1、Sb2)、第四桥臂全控型主开关(Sb3、Sb4)、第五桥臂全控型主开关(Sc1、Sc2)、第六桥臂全控型主开关(Sc3、Sc4) 采用零电压正弦脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述六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，在所有桥臂完成换流的时刻，根据直流源(Udc)的功率流动情况决定是否加入桥臂直通过程；当功率流向为流入直流源(Udc)时，不需要加入桥臂直通过程，上述所有二极管向全控型主开关换流过程结束之后，谐振电容Ca上的电压将谐振为零，全控型辅助开关Sa进行零电压开通；当功率流出直流源(Udc)时需要加入桥臂直通过程，此时将上述的全控型主开关(Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，完成充能后全控型辅助开关(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，对于基于软开关电路的动态电压恢复器，可以根据其滤波电感L1、L2、L3的电流iLa、iLb、iLc与零大小比较情况，将工作区域划分成六个区域。对于滤波电感电流iLa、iLb、iLc处在区域2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2内，iLa、iLb大于零，iLc小于零，存在六个二极管向主开关管换流的过程，分别为Da2向Sa1换流、Da3向Sa4换流、Db2向 Sb1换流、Db3向Sb4换流、Dc1向Sc2换流、Dc4向Sc3换流。
图4～21是该区域2内一个开关周期的18个工作等效电路，其工作的主要电压和电流波形如图22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4所示，六组桥臂的主开关管Sa2、Sa3、Sb2、Sb3、Sc1、Sc4和辅助开关管Sa导通，箝位电容Cc放电，为谐振电感充能。
阶段二(t1～t2)：
如图5所示，六组桥臂的主开关管Sa2、Sa3、Sb2、Sb3、Sc1、Sc4同时关断，六组桥臂的反并联二极管Da2、Da3、Db2、Db3、Dc1、Dc4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6所示，在t2时刻辅助开关管Sa关断，谐振电感Lr使六组桥臂的主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3的并联电容Ca1、Ca4、Cb1、Cb4、Cc2、Cc3放电，同时使辅助开关管Sa的并联电容Ca充电，在t2时刻，六组桥臂的主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3的并联电容 Ca1、Ca4、Cb1、Cb4、Cc2、Cc3的电压谐振至零，该阶段结束。
阶段四(t3～t4)：
如图7所示，在t3时刻以后，六组桥臂的反并联二极管Da1、Da4、 Db1、Db4、Dc2、Dc3导通，将主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3的电压箝位在零。将主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3开通，实现主主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3的零电压开通，该阶段结束。
阶段五(t4～t5)：
如图8所示，在主开关管Sa1、Sa4、Sb1、Sb4、Sc2、Sc3开通后，桥臂电流开始换流，滤波电感L1的电流iLa由二极管Da2、Da3向主开关管Sa1、Sa4换流，滤波电感L2的电流iLb由二极管Db2、Db3向主开关管Sb1、Sb4换流，滤波电感L3的电流iLc由二极管Dc1、Dc4向主开关管Sc2、Sc3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9所示，在t5时刻，开通六组桥臂的所有开关管Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、 Sc1～Sc4。电路桥臂短路，直流电压源Udc为谐振电感Lr补充谐振能量。
阶段七(t6～t7)：
如图10所示，在t6时刻，将六组桥臂的主开关管Sa2、Sa3、Sb2、 Sb3、Sc1、Sc4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Sa2、Sa3、Sb2、Sb3、Sc1、Sc4的并联电容主开关管Ca2、 Ca3、Cb2、Cb3、Cc1、Cc4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11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12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13所示，在t9时刻，第一桥臂、第二桥臂的主开关管Sa1、 Sa4关断，其并联电容Ca1、Ca4充电，第一桥臂、第二桥臂的Sa2、Sa3的并联电容Ca2、Ca3放电，在t10时刻，并联电容Ca1、Ca4上的电压上升到UCc+Udc，而并联电容Ca2、Ca3上的电压下降到零，该阶段结束。
阶段十一(t10～t11)：
如图14所示，在t10时刻，第一桥臂、第二桥臂的反并联二极管 Da2、Da3导通，滤波电感L1的电流iLa完成由主开关管Sa1、Sa4向二极管Da2、Da3换流。
阶段十二(t11～t12)：
如图15所示，在t11时刻，将第一桥臂、第二桥臂的主开关管Sa2、 Sa3开通，其反并联二极管Da2、Da3的电流转移到主开关管Sa2、Sa3。
阶段十三(t12～t13)：
如图16所示，在t12时刻，第三桥臂、第四桥臂的主开关管Sb1、 Sb4关断，其并联电容Cb1、Cb4充电，第二桥臂、第三桥臂的Sb2、Sb3的并联电容Cb2、Cb3放电，在t13时刻，并联电容Cb1、Cb4上的电压上升到UCc+Udc，而并联电容Cb2、Cb3上的电压下降到零，该阶段结束。
阶段十四(t13～t14)：
如图17所示，在t13时刻，第三桥臂、第四桥臂的反并联二极管 Db2、Db3导通，滤波电感L2的电流iLb完成由主开关管Sb1、Sb4向二极管Db2、Db3换流。
阶段十五(t14～t15)：
如图18所示，在t14时刻，将第三桥臂、第四桥臂的主开关管Sb2、 Sb3开通，其反并联二极管Db2、Db3的电流转移到主开关管Sb2、Sb3。
阶段十六(t15～t16)：
如图19所示，在t15时刻，第五桥臂、第六桥臂的主开关管Sc2、 Sc3关断，其并联电容Cc2、Cc3充电，第五桥臂、第六桥臂的Sc1、Sc4的并联电容Cc1、Cc4放电，在t16时刻，并联电容Cc2、Cc3上的电压上升到UCc+Udc，而并联电容Cc1、Cc4上的电压下降到零，该阶段结束。
阶段十七(t16～t17)：
如图20所示，在t16时刻，第五桥臂、第六桥臂的反并联二极管 Dc1、Dc4导通，滤波电感L3的电流iLc完成由主开关管Sc2、Sc3向二极管Dc1、Dc4换流。
阶段十八(t17～t0’)：
如图21所示，在t17时刻，将第五桥臂、第六桥臂的主开关管Sc1、 Sc4开通，其反并联二极管Dc1、Dc4的电流转移到主开关管Sc1、Sc4。

Claims (2)

1.一种基于软开关电路的动态电压恢复器，其特征在于：所述基于软开关电路的动态电压恢复器电路包括由两个带并联谐振电容(Ca1、Ca2)和反并联二极管(Da1、Da2)的全控型主开关(Sa1、Sa2)构成第一桥臂，由两个带并联谐振电容(Ca3、Ca4)和反并联二极管(Da3、Da4)的全控型主开关(Sa3、Sa4)构成第二桥臂，由两个带并联谐振电容(Cb1、Cb2)和反并联二极管(Db1、Db2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第三桥臂，由两个带并联谐振电容(Cb3、Cb4)和反并联二极管(Db3、Db4)的全控型主开关(Sb3、Sb4)构成第四桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc1、Cc2)和反并联二极管(Dc1、Dc2)的全控型主开关(Sb1、Sb2)构成第五桥臂，由两个带并联谐振电容(Cc3、Cc4)和反并联二极管(Dc3、Dc4)的全控型主开关(Sc3、Sc4)构成第六桥臂，由谐振电感(Lr)并联一条由并联谐振电容(Ca)和反并联二极管(Da)的全控型辅助开关(Sa)串联箝位电容(Cc)的电路构成的辅助电路；直流源(Udc)经过辅助电路和上述的所有桥臂并联在同一条直流母线上，第一桥臂和第二桥臂的桥臂中点经过滤波电感L1、滤波电容C1构成的LC滤波器与变压器A相绕组的低压侧相连,第三桥臂和第四桥臂的桥臂中点经过滤波电感L2、滤波电容C2构成的LC滤波器与变压器B相绕组的低压侧相连，第五桥臂和第六桥臂的桥臂中点经过滤波电感L3、滤波电容C3构成的LC滤波器与变压器C相绕组的低压侧相连；三相变压器的高压侧分别串联在三相配电网与负载之间。
2.一种基于软开关电路的动态电压恢复器的调制方法，其特征在于：所述第一桥臂全控型主开关(Sa1、Sa2)、第二桥臂全控型主开关(Sa3、Sa4)、第三桥臂全控型主开关(Sb1、Sb2)、第四桥臂全控型主开关(Sb3、Sb4)、第五桥臂全控型主开关(Sc1、Sc2)、第六桥臂全控型主开关(Sc3、Sc4)采用零电压正弦脉宽调制方法进行控制；在每个开关周期中，对上述六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，在所有桥臂完成换流的时刻，根据直流源(Udc)的功率流动情况决定是否加入桥臂直通过程；当功率流向为流入直流源(Udc)时，不需要加入桥臂直通过程，上述所有二极管向全控型主开关换流过程结束之后，谐振电容Ca上的电压将谐振为零，全控型辅助开关Sa进行零电压开通；当功率流出直流源(Udc)时需要加入桥臂直通过程，此时将上述的全控型主开关(Sa1～Sa4、Sb1～Sb4、Sc1～Sc4)全部导通，实现对谐振电感(Lr)的充能，完成充能后全控型辅助开关(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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