專利名稱：基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電力電子換流逆變技術(shù)領(lǐng)域的逆變器，具體地說，是一種基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器。
背景技術(shù)：
目前，絕大多數(shù)的輔助諧振換流逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，都可以為逆變器換流創(chuàng)造零電壓、零電流的條件，從而達(dá)到軟開關(guān)的目的。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，在Xiaoming Yuan and Ivo Barbi發(fā)表的文獻(xiàn)“基于變壓器輔助換流的零電壓逆變器的分析、設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)”(電力電子學(xué)報，(美國)電氣和電子工程師協(xié)會，15(1)，2000，pp.72-82)中提到，在輔助諧振換流逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中都存在著以下兩點(diǎn)致命的缺陷(1)當(dāng)負(fù)荷電流正負(fù)半周期輸出電流嚴(yán)重不對稱或逆變器輸出嚴(yán)重過負(fù)荷，而引起的高頻諧振電感元件發(fā)生飽和或偏磁現(xiàn)象時，輔助開關(guān)導(dǎo)通電流將數(shù)倍增大，如果此時輕易開或關(guān)輔助功率管，輔助功率管將面臨過電壓、過電流的危險，并最終導(dǎo)致?lián)p壞，逆變系統(tǒng)的可靠性將大大降低；(2)目前所有類型的輔助諧振換流逆變器，都存在著輔助換流時間長短與負(fù)荷電流大小成正比的現(xiàn)象，在負(fù)荷電流較大的時候逆變器的輔助換流時間也較大，這將導(dǎo)致逆變器的開關(guān)頻率顯著降低，同時如果不能及時調(diào)整逆變器的輔助換流時間，將不能保證逆變器主功率管在零電壓、零電流的條件下進(jìn)行換流，這將導(dǎo)致逆變器的開關(guān)損耗急劇增大，甚至導(dǎo)致功率開關(guān)管損壞。因而輔助諧振換流逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中往往要采用一些特殊的控制手段去控制輔助開關(guān)管的關(guān)斷時間，即當(dāng)諧振電流衰減到零的時刻關(guān)斷輔助開關(guān)管，其主要目的就是為了防止輔助開關(guān)管發(fā)生過電壓擊穿的危險，但是該解決方案大大增加了控制電路的復(fù)雜性，同時也嚴(yán)重影響到逆變器的開關(guān)頻率、輸出占空比等指標(biāo)。上述兩種缺陷都將導(dǎo)致ARCP型逆變器在一些較為惡劣工作條件下不能穩(wěn)定運(yùn)行，甚至導(dǎo)致ARCP型逆變器發(fā)生故障而退出運(yùn)行。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器，使其充分利用高頻電感、電容的特性，并結(jié)合合理的控制邏輯，在實(shí)現(xiàn)零電壓、零電流換流的同時，極大地提高逆變器的電能轉(zhuǎn)換效率、開關(guān)頻率和逆變器系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括主逆變部分、輔助諧振換流部分、輸出低通濾波器，其連接方式為主逆變部分和輔助諧振換流部分并聯(lián)連接，并且在各自的中點(diǎn)處有一個公共連接點(diǎn)；輸出濾波器則連接在主逆變部分的輸出端，并與負(fù)荷串聯(lián)。
主逆變部分是由兩個集成門雙極型晶體管S1、S2串聯(lián)成的單相逆變半橋和直流側(cè)電壓支撐電容Cdc構(gòu)成；輔助諧振換流部分是由四個集成門雙極型晶體管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，四個諧振電容C1、C2、Ca1、Ca2，一個諧振電感Lx，一個高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐，一個單相快速整流全橋Dr1、Dr2、Dr3、Dr4和兩個續(xù)流快速二極管D1、D2構(gòu)成；輸出低通濾波器是由兩個輸出濾波電容Cf1、Cf2和一個輸出濾波電感Lf構(gòu)成。
上述三個組成部分中各個元件的連接方式是直流側(cè)電壓支撐電容Cdc與S1、S2串聯(lián)單元相并聯(lián)；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等四個輔助換流開關(guān)順序串聯(lián)，并且該串聯(lián)單元與直流側(cè)電壓支撐電容Cdc相并聯(lián)；電容C1與S1相并聯(lián)，電容C2與S2相并聯(lián)，電容Ca1與Sa1相并聯(lián)，電容Ca2與Sa4相并聯(lián)；諧振電感Lx與高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐的一次側(cè)N1串聯(lián)，并且該串聯(lián)單元連接在S1、S2串聯(lián)單元的中點(diǎn)和Sa2、Sa3串聯(lián)單元的中點(diǎn)之間；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4組成的單相整流全橋的陽極與Sa1、Sa2串聯(lián)單元的中點(diǎn)連接，陰極與Sa3、Sa4串聯(lián)單元的中點(diǎn)連接，該單相整流全橋的輸入端分別與高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐的二次側(cè)N2連接；D1與Sa1、Sa2串聯(lián)單元相并聯(lián)，D2與Sa3、Sa4串聯(lián)單元相并聯(lián)；Cf1、Cf2構(gòu)成串聯(lián)單元，并且該串聯(lián)單元與直流側(cè)電壓支撐電容Cdc相并聯(lián)；輸出濾波電感Lf連接在Cf1、Cf2串聯(lián)單元的中點(diǎn)和S1、S2串聯(lián)單元的中點(diǎn)之間；Cf1、Cf2串聯(lián)單元的中點(diǎn)就是本發(fā)明的輸出端。
本發(fā)明在輔助諧振換流回路的幫助下，實(shí)現(xiàn)主功率開關(guān)在零電壓條件下導(dǎo)通和關(guān)斷，在輔助諧振換流時刻各功率開關(guān)的操作循序是假定此時由主開關(guān)S1的內(nèi)部反并聯(lián)二極管承擔(dān)負(fù)荷電流。當(dāng)換流過程開始時，首先在同一時刻導(dǎo)通輔助開關(guān)Sa3、Sa4，則諧振電感Lx上的電流開始上升，諧振電容C1開始充電，而諧振電容C2開始放電；當(dāng)主開關(guān)S2的并聯(lián)諧振電容C2放電完畢后，導(dǎo)通主開關(guān)S2；當(dāng)諧振電感Lx上的電流衰減到零的時候，在零電壓的條件下關(guān)斷Sa4；在Sa4關(guān)斷后的1～2個微秒內(nèi)，在零電流的條件下關(guān)斷Sa3；此后負(fù)荷電流將由主開關(guān)S2全部承擔(dān)。此時整個換流過程完畢。主開關(guān)S1，輔助開關(guān)Sa1、Sa2的開關(guān)循序與上述循序相同，可參考上述步驟推得。
本發(fā)明配合正確的PWM信號控制邏輯，就可確保本逆變器在實(shí)現(xiàn)換流過程發(fā)生在零電壓或零電流條件下的同時，亦解決了上述兩個影響輔助諧振換流逆變器性能的關(guān)鍵問題。
本發(fā)明采用了鐵氧體磁芯的高頻電感Lx，該電感在正常狀態(tài)下和飽和狀態(tài)下其電感值變化較小，即使發(fā)生飽和現(xiàn)象時，該電感值的變化對逆變器換流過程的影響亦較小。同時，在輔助諧振電感元件發(fā)生飽和現(xiàn)象時，輔助諧振開關(guān)導(dǎo)通電流必然增大，由于采用了輔助諧振功率開關(guān)的保護(hù)電容Ca1和Ca2，此時即使關(guān)斷輔助諧振功率開關(guān)，該過程亦發(fā)生在零電壓的條件下，所以在任何情況下輔助諧振功率開關(guān)都不會發(fā)生過電壓現(xiàn)象。
本發(fā)明采用固定輔助換流時間解決方案。當(dāng)負(fù)荷電流幅值較大時(超過額定電流)，輔助諧振換流逆變系統(tǒng)必然要求延長輔助換流時間，但是本發(fā)明采用固定輔助換流時間措施，使得即使輔助諧振電流依然較大的時候，依然可以按照設(shè)計(jì)的國定時間關(guān)斷輔助諧振功率開關(guān)。主要設(shè)計(jì)思想是，本發(fā)明中采用輔助諧振功率開關(guān)保護(hù)電容Ca1和Ca2，使得當(dāng)輔助諧振電流依然較大的時候，關(guān)斷輔助諧振功率開關(guān)，由于保護(hù)電容Ca1或Ca2的并聯(lián)作用，輔助諧振電流向保護(hù)電容進(jìn)行充電，所以輔助諧振功率開關(guān)的電壓將緩慢上升，即輔助功率開關(guān)在關(guān)斷時刻，其電壓一直保持低水平，可以認(rèn)為該關(guān)斷過程發(fā)生在零電壓條件下。由于本發(fā)明采用了固定換流時間方案的時候，本發(fā)明可以在較大負(fù)荷電流情況下保持設(shè)計(jì)的開關(guān)頻率和較高的輸出占空比。
本發(fā)明的有益效果是當(dāng)處于負(fù)荷電流正負(fù)半周期輸出電流嚴(yán)重不對稱或逆變器輸出暫態(tài)過電流工作條件下時，本發(fā)明認(rèn)可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)在零電壓條件下導(dǎo)通、關(guān)斷；輔助開關(guān)在零電壓或零電流的條件下開通、關(guān)斷；這將大大提高本發(fā)明的電能轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和魯棒性。此外固定換流時間方案的采用，可以使得本發(fā)明一直運(yùn)行于較高的開關(guān)頻率和較高的輸出占空比，這對于逆變器輸出電壓和電流的諧波治理具有重要意義，同時也將大大降低輸出電壓的損失。因此本發(fā)明不僅適用于三相大功率交流異步電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，更適用于具有暫態(tài)過電流或輸出半波不對稱現(xiàn)象的逆變裝置，例如屬于用戶電能質(zhì)量治理設(shè)備的有緣濾波器，靜止式動態(tài)無功補(bǔ)償器和動態(tài)電壓恢復(fù)器等。


圖1為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)原理圖。
圖中S1、S2是主功率開關(guān)管—集成門雙極型晶體管或MOSFET(1200V，200A)；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4是輔助諧振功率開關(guān)管—集成門雙極型晶體管或MOSFE(1200V，100A)；D1、D2是快速恢復(fù)二極管——1200V，20A；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4是快速恢復(fù)整流橋——單管1200V，60A；Ca1、Ca2是諧振高頻電容；C1、C2是諧振高頻電容；Lx是氧化鐵磁芯的高頻電感；T是氧化鐵磁芯的高頻電感——變比k＝N1∶N2(k)；Cdc是直流儲能電解電容——500V，8800uF；Lf是輸出濾波氧化鐵磁芯電感；Cf1、Cf2是輸出濾波電容。
圖2為本發(fā)明的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的操作時序原理圖。
圖中PWM是該基于變壓器輔助換流的逆變器的PWM控制輸出波形；S1、S2是主功率開關(guān)管的控制波形；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4是輔助功率開關(guān)管的控制波形；T0是輔助功率管Sa1、Sa2的導(dǎo)通時刻—S1導(dǎo)通，S2關(guān)斷換流過程的開始；T1是主功率管S2的關(guān)斷時刻；T2是主功率管S1的導(dǎo)通時刻；T3是輔助功率管Sa1的關(guān)斷時刻；T4是輔助功率管Sa2的關(guān)斷時刻；圖3為本發(fā)明在極端暫態(tài)過電流運(yùn)行條件下運(yùn)行效果示例。
圖中IT1是輔助諧振回路中的諧振電流；Va是單相逆變半橋的輸出電壓；VCa2是輔助電容Ca2所承受的電壓；其它參數(shù)可參照圖2描述。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合本發(fā)明的內(nèi)容提供以下實(shí)施例
如圖1、2所示，當(dāng)負(fù)荷電流由上半橋臂功率開關(guān)S1(關(guān)斷狀態(tài))的反并聯(lián)二極管承擔(dān)，此時系統(tǒng)要求導(dǎo)通下半橋臂功率管S2進(jìn)行換流(由關(guān)斷到導(dǎo)通的操作)，逆變器控制器首先發(fā)出導(dǎo)通輔助諧振功率開關(guān)Sa3、Sa4信號，當(dāng)它們導(dǎo)通后諧振回路中的諧振電流iT1線性上升，并逐漸升至ILoad，此時輔助諧振電容C2(主功率開關(guān)S2的并聯(lián)電容)開始通過輔助諧振電路進(jìn)行放電，并且其電壓逐漸衰減到零。當(dāng)其電壓達(dá)到零時，逆變系統(tǒng)已經(jīng)為主功率開關(guān)的導(dǎo)通創(chuàng)造了零電壓導(dǎo)通的條件，此時逆變器控制器發(fā)出主功率開關(guān)S2的導(dǎo)通信號。當(dāng)主功率開關(guān)S2導(dǎo)通后，逆變器控制器發(fā)出關(guān)斷輔助諧振功率開關(guān)Sa4的控制信號，由于功率開關(guān)的關(guān)斷時間極其短暫，并且由于輔助電容Ca2的并聯(lián)保護(hù)作用，所以其關(guān)斷過程時發(fā)生在零電壓條件下。當(dāng)輔助諧振功率開關(guān)Sa4關(guān)斷后，輔助諧振回路中的諧振電流iT1通過輔助功率開關(guān)Sa3，對輔助功率開關(guān)Sa4的保護(hù)電容Ca2進(jìn)行充電，由于鉗位二極管，同時該輔助諧振電流iT1逐漸衰減到零。當(dāng)輔助諧振電流衰減到零的時候，逆變器控制器發(fā)出關(guān)斷輔助諧振功率開關(guān)Sa3的控制信號，此時逆變器的一個換流過程完成了。
圖3為本發(fā)明在極端暫態(tài)過電流的運(yùn)行條件下的實(shí)測工作波形，可以發(fā)現(xiàn)本發(fā)明即時在極端過負(fù)荷的運(yùn)行條件下，仍能實(shí)現(xiàn)主開關(guān)零電壓導(dǎo)通、關(guān)斷和輔助開關(guān)零電壓或零電流導(dǎo)通、關(guān)斷等設(shè)計(jì)目標(biāo)，這對于逆變系統(tǒng)穩(wěn)定性和電能轉(zhuǎn)換效率的提高具有決定性的意義。同時固定輔助換流時間控制策略的有效應(yīng)用，對于逆變系統(tǒng)的開關(guān)頻率和輸出電壓占空比，也具有決定性的作用，在本發(fā)明的輔助換流時間約為7us，開關(guān)頻率可大于20kHz，占空比可達(dá)90％以上。由于四個輔助換流開關(guān)結(jié)構(gòu)和輔助開關(guān)保護(hù)結(jié)構(gòu)的采用，本發(fā)明的輔助開關(guān)在任何負(fù)荷條件下，都能保持較低的電壓、電流應(yīng)力。
權(quán)利要求
1.一種基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器，其特征在于，包括主逆變部分、輔助諧振換流部分、輸出低通濾波器，其連接方式為主逆變部分和輔助諧振換流部分并聯(lián)連接，并且在各自的中點(diǎn)處有一個公共連接點(diǎn)；輸出濾波器則連接在主逆變部分的輸出端，并與負(fù)荷串聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器，其特征是，所述的主逆變部分是由兩個集成門雙極型晶體管S1、S2串聯(lián)成的單相逆變半橋和直流側(cè)電壓支撐電容Cdc構(gòu)成；輔助諧振換流部分是由四個集成門雙極型晶體管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，四個諧振電容C1、C2、Ca1、Ca2，一個諧振電感Lx，一個高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐，一個單相快速整流全橋Dr1、Dr2、Dr3、Dr4和兩個續(xù)流快速二極管D1、D2構(gòu)成；輸出低通濾波器是由兩個輸出濾波電容Cf1、Cf2和一個輸出濾波電感Lf構(gòu)成，直流側(cè)電壓支撐電容Cdc與S1、S2串聯(lián)單元相并聯(lián)；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等四個輔助換流開關(guān)順序串聯(lián)，并且該串聯(lián)單元與直流側(cè)電壓支撐電容Cdc相并聯(lián)；電容C1與S1相并聯(lián)，電容C2與S2相并聯(lián)，電容Ca1與Sa1相并聯(lián)，電容Ca2與Sa4相并聯(lián)；諧振電感Lx與高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐的一次側(cè)N1串聯(lián)，并且該串聯(lián)單元連接在S1、S2串聯(lián)單元的中點(diǎn)和Sa2、Sa3串聯(lián)單元的中點(diǎn)之間；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4組成的單相整流全橋的陽極與Sa1、Sa2串聯(lián)單元的中點(diǎn)連接，陰極與Sa3、Sa4串聯(lián)單元的中點(diǎn)連接，該單相整流全橋的輸入端分別與高頻電流反饋?zhàn)儔浩鱐的二次側(cè)N2連接；D1與Sa1、Sa2串聯(lián)單元相并聯(lián)，D2與Sa3、Sa4串聯(lián)單元相并聯(lián)；Cf1、Cf2構(gòu)成串聯(lián)單元，并且該串聯(lián)單元與直流側(cè)電壓支撐電容Cdc相并聯(lián)；輸出濾波電感Lf連接在Cf1、Cf2串聯(lián)單元的中點(diǎn)和S1、S2串聯(lián)單元的中點(diǎn)之間；Cf1、Cf2串聯(lián)單元的中點(diǎn)為輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器，其特征是，所述的諧振電感Lx，采用鐵氧體磁芯的高頻電感Lx。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流開關(guān)型逆變器，其特征是，所述的諧振電容，其中，輔助諧振功率開關(guān)保護(hù)電容Ca1和Ca2并聯(lián)，輔助諧振電流向保護(hù)電容進(jìn)行充電，所以輔助諧振功率開關(guān)的電壓將緩慢上升，即輔助功率開關(guān)在關(guān)斷時刻，其電壓一直保持低水平。
全文摘要
一種基于變壓器輔助換流的零電壓、零電流輔助諧振換流逆變器，包括主逆變部分、輔助諧振換流部分、輸出低通濾波器，主逆變部分和輔助諧振換流部分并聯(lián)連接，并且在各自的中點(diǎn)處有一個公共連接點(diǎn)；輸出濾波器則連接在主逆變部分的輸出端，并與負(fù)荷串聯(lián)。本發(fā)明認(rèn)可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)在零電壓條件下導(dǎo)通、關(guān)斷；輔助開關(guān)在零電壓或零電流的條件下開通、關(guān)斷；這將大大提高本發(fā)明的電能轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定性和魯棒性。
文檔編號H02M7/48GK1688096SQ20051002594
公開日2005年10月26日 申請日期2005年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月19日
發(fā)明者曼蘇樂, 姚鋼, 陳陳 申請人:上海交通大學(xué)