專利名稱：用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路。
背景技術(shù)：
電力電子技術(shù)是電子學(xué)的一個新型應(yīng)用領(lǐng)域，其特征是用功率電子開關(guān)處理電力的控制與變換；常用的控制方法是斬波控制方式的脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)。但在通常電力變換器電路中，全控型功率電子器件在PWM控制下進(jìn)行開關(guān)換流，會出現(xiàn)硬開關(guān)效應(yīng)在開關(guān)過渡期間，電壓或電流會出現(xiàn)高變化率的脈沖峰，同時兩者波形有很大交疊區(qū)。因此，硬開關(guān)必然產(chǎn)生電路損耗大、電磁干擾嚴(yán)重、可靠性降低等缺陷；而且這種缺陷在較高頻率下更嚴(yán)重。解決硬開關(guān)缺陷的有效方法是附加上軟開關(guān)電路。其中無源軟開關(guān)電路較簡單，而且不需額外的輔助有源開關(guān)器件及其控制電路，也就不易帶來成本的提高與可靠性的降低等缺陷。本發(fā)明涉及用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路?，F(xiàn)代電力電子技術(shù)的高頻大功率化發(fā)展使得開關(guān)損耗、電磁干擾(EMI)與開關(guān)頻率、變換效率和市場規(guī)范之間的矛盾日益突出，與之相應(yīng)的軟開關(guān)技術(shù)得到十分密切的關(guān)注并具有很大的應(yīng)用需求，成為近年來電力電子學(xué)科長久持續(xù)的研究熱點和前沿領(lǐng)域。 一些開關(guān)功率器件本身工作原理要求嚴(yán)格限制開關(guān)時電壓和電流變化率，另一些新型器件雖然可以不采用開關(guān)輔助手段或僅需簡單措施即可正常工作，但從提高變換效率、器件利用率，增強(qiáng)電磁兼容性以及裝置可靠性著眼，軟開關(guān)技術(shù)對任何開關(guān)功率變換器都是有益的。
軟開關(guān)按照有無輔助開關(guān)器件可以分為兩大類有源軟開關(guān)和無源軟開關(guān)。有源的軟開關(guān)逆變技術(shù)可以使功率開關(guān)器件開通之前電壓先降為零，關(guān)斷之前電流先降為零，實現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，但是需要附加額外的開關(guān)元件、輔助電源、檢測手段、控制策略等,或改變傳統(tǒng)硬開關(guān)PWM的工作模式、電路拓?fù)?。?dǎo)致控制復(fù)雜，附加成本較大，可靠性相對減低。無源的軟開關(guān)逆變技術(shù)與之相對照，采用串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的方法來降低開關(guān)器件開通時的電流變化率和關(guān)斷時的電壓變化率，實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，適用于所有工作模式、控制策略，附加成本低，工作效率、可靠性較高。因此，可以認(rèn)為未來軟開關(guān)電路的發(fā)展趨勢是以無源軟開關(guān)拓?fù)潆娐窞橹鳌?br>
發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有無源軟開關(guān)電路技術(shù)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高的缺點，本發(fā)明提供一種用于逆
3變橋的無源軟開關(guān)電路，該電路附加元件數(shù)量少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，無需額外的檢測和控 制，且無能量損耗，有利于提高逆變橋工作效率。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在直流母線之間串聯(lián)了三個電解電容Oa、 C加、Cd2，開關(guān)器 件S,和S4分別反并聯(lián)二極管Di和D4，在開關(guān)器件St和S4所在橋臂的中點與Si之間接入耦
合電感Zi，在開關(guān)器件Si和S4所在橋臂的中點與S4之間接入耦合電感丄4，耦合電感^和
丄4的連接點作為橋臂的中點；耦合電感"、"、丄f緊密耦合在同一鐵芯上，耦合電感Zf的一 端與電解電容Cdo的負(fù)極相連，丄f的另一端與二極管Df的陽極相連，二極管Df的陰極與電解 電容Cdo的正極相連；諧振電容Cn的一端接在耦合電感"與開關(guān)器件Si的連接點上，Cn的 另一端與二極管A 的陰極相連，An的陽極與電解電容Cdo的正極相連，二極管Drl的陽極 接在二極管An與諧振電容Cn的連接點上，Drl的陰極與諧振電感Zrl的一端相連，Zn的另
一端接在直流母線上；諧振電容Cr2的一端接在耦合電感"與開關(guān)器件S4的連接點上，Cr2 的另一端與二極管Aj2的陽極相連，Ai2的陰極與電解電容Cdo的負(fù)極相連，二極管A2的陰
極接在二極管與諧振電容Cr2的連接點上，￡)r2的陽極與諧振電感Zr2的一端相連，"2的 另一端接在直流母線上。
工作時，諧振電感和諧振電容發(fā)生諧振，使開關(guān)器件關(guān)斷時，開關(guān)器件兩端電壓為零， 然后使電壓從零開始以較低的變化率上升，實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，減小了關(guān)斷損耗。連接在橋臂 上的兩個耦合.電感中的剩余能量可以釋放到電解電容上，保證開關(guān)器件開通時，與開關(guān)器件 串聯(lián)的耦合電感中的電流為零，在耦合電感的作用下，使流過開關(guān)器件的電流從零開始以較 低的變化率上升，實現(xiàn)零電流開通，減小了開通損耗。
與無死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠查_關(guān)逆變電路相比，在死區(qū)時間內(nèi)，輸出相電流可以通過軟開關(guān)電路 中的儲能元件電解電容所在的支路續(xù)流，減小了死區(qū)的影響，降低了低輸出頻率時的相電流 畸變率。
本發(fā)明的無源軟開關(guān)電路元件少，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，該電路僅包含電感、電容、二極 管等無源器件，不包括輔助有源器件和耗能元件電阻，所以無需額外的檢測和控制，并可提 高逆變橋臂的效率。


.
圖l本發(fā)明逆變電路圖2本發(fā)明逆變電路的時序波形圖3本發(fā)明逆變電路的各工作模式等效電路圖(a)模式1等效電路圖；(b)模式2等效電路
圖；(C)模式2'等效電路圖；(d)模式3等效電路圖；(e)模式4等效電路圖；(f )模式5效電路圖；(g)模式5'等效電路圖；(h)模式6等效電路圖；(i)模式7等效電路圖； 圖4本發(fā)明逆變電路的死區(qū)的等效電路圖；(a)模式1與2之間的死區(qū)等效電路(b)模式4與5之間的死區(qū)等效電路圖5本發(fā)明逆變電路的控制方式示意圖。
具體實施方式
-
一、 電路結(jié)構(gòu)
參照圖1，本發(fā)明的用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路在直流母線之間串聯(lián)了三個電解電容
Cdl、 CdD、 Cd2， 二極管D!的陰極與開關(guān)器件Si的集電極相連，二極管D!的陽極與開關(guān)器件
Si的發(fā)射極相連，二極管D4的陰極與開關(guān)器件S4的集電極相連，二極管D4的陽極與開關(guān)器 件S4的發(fā)射極相連，在開關(guān)器件Si和S4所在橋臂的中點與Si之間接入耦合電感i4，在開關(guān) 器件S,和S4所在橋臂的中點與S4之間接入耦合電感丄4，耦合電感A和丄4的連接點作為橋
臂的中點。耦合電感&、 "、 Zf緊密耦合在同一鐵芯上，Zf的一端與電解電容Cdo的負(fù)極相 連，丄f的另一端與二極管Df的陽極相連，二極管Df的陰極與電解電容Cdo的正極相連。
諧振電容crl的一端接在耦合電感A與開關(guān)器件s,的連接點上，crl的另一端與二極管 An的陰極相連，An的陽極與電解電容Cdo的正極相連，二極管Ai的陽極接在二極管An與
諧振電容Cn的連接點上，Ai的陰極與諧振電感丄rl的一端相連，丄n的另一端接在直流母線上。
諧振電容Cr2的一端接在耦合電感丄4與開關(guān)器件S4的連接點上，Cr2的另一端與二極管 Ao的陽極相連，Aa的陰極與電解電容Cdo的負(fù)極相連，二極管A2的陰極接在二極管Al2與 諧振電容G2的連接點上，A2的陽極與諧振電感^2的一端相連，丄r2的另一端接在直流母線 上。
二、 工作原理
下面分析在一個開關(guān)周期內(nèi)，本發(fā)明的無源軟開關(guān)逆變電路的工作原理，它由7個工作 模式組成，圖2為本發(fā)明逆變電路在一個開關(guān)周期內(nèi)的時序波形圖，圖3為本發(fā)明逆變電路 的各工作模式等效電路圖。
(1) 模式l(Wo):初始狀態(tài)&導(dǎo)通，&關(guān)斷，電流經(jīng)過&流向負(fù)載，輔助電路不工作。
(2) 模式2(fo^):在"時刻，&關(guān)斷，54導(dǎo)通，回路狀態(tài)如圖3(b)所示。輔助電路開
始工作，Cr2和^2開始諧振，當(dāng)Va2從Fa2(0)變化到-Fcd2時，諧振結(jié)束，二極管Al2導(dǎo)通，
電路進(jìn)入工作模式2';同時在模式2中Cdo通過Au， Cn和A所在的支路向負(fù)載放電， Cn被充電，當(dāng)Cn的電壓從-^n變化到Fcn(0)時，vLfVCd()，模式2結(jié)束。在"時亥U， &的電壓vCw+rCrf/=0，即&關(guān)斷之后，電壓將會從零開始上升，不
會先突變到某一電壓值。在模式2中，&的電壓表示如下
vsi = voi + ^yi = 4z2sin V + ^ (卜cos
其電壓變化率為
A,
~^ = 4Z2 2 cos 2f + 「d< 2 sin o2f
在&關(guān)斷時刻其電壓變化率為:
(1)
(2)
(3)
從式(3)可以看出諧振電容Cn的電容值越大，&關(guān)斷時刻的電壓變化率越小，上升就越緩
慢，即&實現(xiàn)了零電壓關(guān)斷。在模式2中流過&的電流為:
r k (o)
z2 zr2
其電流變化率為:
《 ^ . . rCr2(o)
=丄w2 cos o2f — !。w2 sin < 2f +——fflr2 cos fflr2
在S4開通時刻的電流變化率為
K ^2(0)
,、=.
^2(0) A2
(4)
(5)
(6)
從式(6)可以看出耦合電感&和丄4或諧振電感"2的電感值越大，&開通時的電流變化 率就越低，上升就越緩慢，即&實現(xiàn)了零電流開通。
模式2中的諧振過程的時間為
r 1
J/
O — arccos~
模式2持續(xù)的時間為
1
+arctan~^~)
i
(7)
(8)
,2=、￡'+v2Mi4 ， ^=i=_' t「
叫="^=， m/=>/z^， =^^ m14=t^"
(3)模式2，在模式2中，Cr2和丄r2諧振結(jié)束時，進(jìn)入到模式2'， i^開始向Cd2放電， 丄r2中的電流線性減小，即"2中的剩余能量回饋給Cd2，保證&下次開通時，"2中的電流為 零。模式2'發(fā)生在模式2中的諧振結(jié)束時刻，是電路內(nèi)部一個獨(dú)立的能量傳遞過程，只有Zr2 放電結(jié)束時，模式2，才會結(jié)束，它的結(jié)束時刻獨(dú)立于其他工作模式。放電時間為
r = Ku(0) A ( ，2 )2 (9)
X2(o)(4) 模式3(/一2):因為化尸rcd。，所以二極管/)f導(dǎo)通，Z!和丄4中的電流大小分別突變?yōu)?br> 0和-/。， A和A中剩余能量開始通過i:f所在支路回饋給電解電容CcK)，負(fù)載電流流過&的反
并聯(lián)二極管和耦合電感丄4，保證&下次導(dǎo)通時，與&相連的耦合電感^中的電流為零。Zf
向Cdo放電，放電結(jié)束后，電路進(jìn)入到工作模式4。在模式3中vw始終等于Fc加，^和丄4 的端電壓不變，所以vCrl被箝位在FCrl(0)。
VCH = + (1 + \ 、。 = ^M(0) (10)
從式(10)和(11)看出Fc犯和Fcd2限制了開關(guān)&和諧振電容Cn的最大電壓。丄f放電 時間為
r3 = ',4/ (f+/。,2:r2) (12)
(5) 模式4(/2力)電流經(jīng)過二極管D4流向負(fù)載，電路工作在穩(wěn)態(tài)。
(6) 模式5(,3-/4):在/3時刻&導(dǎo)通，&關(guān)斷，回路狀態(tài)如圖3 (f)所示。Cn的初始電 壓為FcM(O),極性為左正右負(fù)，Q與Z^發(fā)生諧振，與模式2中的諧振時間相等，當(dāng)Cn的電 壓從7cd(0)變化到-Kon時，諧振結(jié)束，二極管Au導(dǎo)通，電路進(jìn)入到工作模式5';同時在模
式5中，電流 開始從零線性增大，電流/L4開始從々a向零線性減小，當(dāng)電流/u增加到4， 電流Z'L4減小到零時，模式5結(jié)束。 '
因為&關(guān)斷時，S4的反并聯(lián)二極管中有電流流過，所以S4關(guān)斷時既實現(xiàn)了ZVS，也實現(xiàn) 了ZCS。在模式5中流過&的電流為
'si =i"Hi =,上,丄^ "■^sina^ (13)
其電流變化率為 在&開通時刻的電流變化率為
j一-^-丄"'、、coso,/ (14)
《
W2A/14 irl
從式(15)可以看出耦合電感^和￡4或諧振電感irl的電感值越大，&開通時的電瘋變化 率就越低，上升就越緩慢，即&開通時實現(xiàn)了零電流開通。 模式5對應(yīng)的時間為
r "W2M4) (16)
5一 ^
7(7) 模式5，在模式.5中，Cn和"諧振結(jié)束時，進(jìn)入到模式5，，丄n開始向Cn放電， Zd中的電流線性減小，即丄n中的剩余能量回饋給Cn，保證&下次開通時，丄n中的電流為 零。模式5'發(fā)'生在模式5中的諧振結(jié)束時刻，也是電路內(nèi)部一個獨(dú)立的能量傳遞過程，，只有 丄d放電結(jié)束時，模式5'才會結(jié)束，它的結(jié)束時刻也獨(dú)立于其他工作模式。放電時間與模式2' 中的放電時間相等。
(8) 模式6(一。電流/u從Z。繼續(xù)增大，電流Z'L4從零增大，電流方向均向下，C。初始端 電壓為-Fcd2， Cr2被充電，當(dāng)Cr2的端電壓從-Fcd2變化到Fb2(0)， VLfFcdQ時，模式6結(jié)束。
模式6對應(yīng)的時間為
l丄[;r-ar薩UA"4+2似")] (17) AL &(M1/+M4/)
其中
KW2M14)
(9)模式7(f5-W:因為VL產(chǎn)Fow，所以二極管Df導(dǎo)通，"和丄4中的電流大小分別突變?yōu)?。
和0， &和丄4中剩余能量開始通過丄f所在支路回饋給電解電容Qo，負(fù)載電流流過&和耦合
電感丄i，保證&下次導(dǎo)通時，與&相連的耦合電感丄4中的電流為零。丄f向Cdo放電，放電結(jié) 束后，電路返回工作模式l。在模式7中化f始終等于Kcd()， ^和丄4的端電壓不變，所以VCM
被箝位在F&2(0)。丄f放電時間為
r — + )t +丄4 +2M,4)2 (18)
7 ^ f^(M1/+M4/)2
C，
回路的死區(qū)等效電路如圖4所示，&關(guān)斷之后的死區(qū)狀態(tài)如圖4問所示，Cdo放電，'逆變 器輸出電流通過An， Cn和Zi所在支路續(xù)流，所以在死區(qū)時間里，輸出電流基本上不受影響； S4關(guān)斷之后的電路的死區(qū)狀態(tài)如圖4(b)所示，Vo=-Frf/2， v^=^，回路狀態(tài)與模式4相同。 三、實現(xiàn)零電壓關(guān)斷的條件
&導(dǎo)通之后，只有當(dāng)Vc^變化到-Fcd2，才能保證S4為零電壓關(guān)斷，&導(dǎo)通之后，只有 當(dāng)Vo;變化到-Fon，才能保證&為零電壓關(guān)斷。因此要保證開關(guān)器件觸發(fā)脈沖的最小寬度
7^"不小于諧振電容的這段電壓變化時間，否則就不能實現(xiàn)零電壓關(guān)斷?？紤]到死區(qū)時間 A，設(shè)乙 =^+八，m為SPWM的調(diào)制度，/c是開關(guān)頻率。當(dāng)采用圖5(a)的調(diào)制方法時， 調(diào)制度滿足式(19)，可以實現(xiàn)零電壓關(guān)斷。
2/c(r/+A) (19)
8四、 實現(xiàn)零電流開通的條件
采用圖5(a)的調(diào)制方法時，要實現(xiàn)零電流開通，需滿足兩個條件①在&和&導(dǎo)通
時刻，諧振電感丄n和丄r2中的電流為零。②在&和&導(dǎo)通時刻，耦合電感丄f向CdO放電
結(jié)束，即z產(chǎn)0。根據(jù)條件①可得
r2'+r2'《i//c (20)
根據(jù)條件②對得 '
wsi-2/c(r2+r3+A) (21)
附si-2/c(r5+r6+r7+A) (22)
同時滿足式(20)，(21)和(22)能實現(xiàn)零電流開通。
五、 控制方式
該逆變器采用SPWM控制方式，PWM信號是采用圖5所示的三角波比較法產(chǎn)生的。當(dāng)采 用圖5(a)所示的調(diào)制方法時，為實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，調(diào)制度m要滿足式(19),(21) 和(22)。設(shè)
附乙=min[l — 2/c(77+A),l — 2/c(r2+r3+A)J — 2/c(r5+r6+r7+A)] (23) m丄為臨界調(diào)制度，當(dāng)m5附z，采用圖5(a)所示的調(diào)制方法能實現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷， 圖5(a)所示的調(diào)制方法是正弦調(diào)制波瞬時值大于三角波瞬時值時，上側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通，卞側(cè)開 關(guān)&關(guān)斷，正弦調(diào)制波瞬時值小于三角波瞬時值時，上側(cè)開關(guān)&關(guān)斷，下側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通； 當(dāng)m〉m丄時，為減小開關(guān)損耗，采用圖5(b)所示的調(diào)制方法正弦調(diào)制波瞬時值比+附丄大的時
候，是上側(cè)開關(guān)&一直導(dǎo)通，正弦調(diào)制波瞬時值比-Wi小的時候通常是下側(cè)開關(guān)S4—直導(dǎo)通。
該逆變器上側(cè)開關(guān)&關(guān)斷以后下側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通，或下側(cè)開關(guān)&關(guān)斷后上側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通時， 都設(shè)置死區(qū)A來防止短路。死區(qū)A是指從上側(cè)開關(guān)&關(guān)斷，到下側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通的間隔時間， 或是從下側(cè)開關(guān)&關(guān)斷，到上側(cè)開關(guān)&導(dǎo)通的間隔時間。
權(quán)利要求
1、用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路，其特征在于在直流母線之間串聯(lián)了三個電解電容Cd1、Cd0、Cd2，二極管D1的陰極與開關(guān)器件S1的集電極相連，二極管D1的陽極與開關(guān)器件S1的發(fā)射極相連，二極管D4的陰極與開關(guān)器件S4的集電極相連，二極管D4的陽極與開關(guān)器件S4的發(fā)射極相連；在開關(guān)器件S1和S4所在橋臂的中點與S1之間接入耦合電感L1，在開關(guān)器件S1和S4所在橋臂的中點與S4之間接入耦合電感L4，耦合電感L1和L4的連接點作為橋臂的中點；耦合電感L1、L4、Lf緊密耦合在同一鐵芯上，耦合電感Lf的一端與電解電容Cd0的負(fù)極相連，Lf的另一端與二極管Df的陽極相連，二極管Df的陰極與電解電容Cd0的正極相連；諧振電容Gr1的一端接在耦合電感L1與開關(guān)器件S1的連接點上，Gr1的另一端與二極管Dd1的陰極相連，Dd1的陽極與電解電容Cd0的正極相連，二極管Dr1的陽極接在二極管Dd1與諧振電容Cr1的連接點上，Dr1的陰極與諧振電感Lr1的一端相連，Lr1的另一端接在直流母線上；諧振電容Cr2的一端接在耦合電感L4與開關(guān)器件S4的連接點上，Cr2的另一端與二極管Dd2的陽極相連，Dd2的陰極與電解電容Cd0的負(fù)極相連，二極管Dr2的陰極接在二極管Dd2與諧振電容Gr2的連接點上，Dr2的陽極與諧振電感Lr2的一端相連，Lr2的另一端接在直流母線上。
全文摘要
一種用于逆變橋的無源軟開關(guān)電路，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域，該電路在直流母線之間串聯(lián)三個電解電容，在橋臂中點與上下橋臂的開關(guān)器件之間分別接入一個耦合電感。第三個耦合電感的一端與一個二極管的陽極相連構(gòu)成串聯(lián)支路，該支路再與中間的電解電容并聯(lián)。上下橋臂的開關(guān)器件分別并聯(lián)由一個諧振電感，一個二極管和一個諧振電容構(gòu)成的支路，在這兩個支路的諧振電容與二極管的連接點上再分別接入一個二極管，這兩個接入的二極管的另一端分別與中間電解電容的正負(fù)極相連。本發(fā)明實現(xiàn)開關(guān)器件的零電流開通和零電壓關(guān)斷，減小開關(guān)損耗；與無死區(qū)補(bǔ)償?shù)挠查_關(guān)逆變電路相比，在死區(qū)時間內(nèi)，輸出相電流可以通過電解電容所在的支路續(xù)流，減小了死區(qū)的影響。
文檔編號H02M1/44GK101478230SQ20091001023
公開日2009年7月8日 申請日期2009年1月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月21日
發(fā)明者侯利民, 劉秀翀, 張化光, 強(qiáng) 王, 褚恩輝 申請人:東北大學(xué)