專利名稱：有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力電子變流器領(lǐng)域，具體地說是一種有源中點電壓鉗位的三電平零電流 轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器。
背景技術(shù)：
近年來，以逆變器(將直流電變換為交流電的裝置)和整流器(將交流電變換為直流電 的裝置)為主要代表的三相和單相電力電子變流器得到了人們越來越多的重視和廣泛應(yīng) 用。在電力電子變流器的典型應(yīng)用場合，如不間斷電源、電機的變頻驅(qū)動器以及風(fēng)能、太 陽能等新能源發(fā)電等，對電力電子變流器的性能提出了許多要求，如高運行效率、高功 率密度、低輸出諧波、低電磁干擾等。目前電力電子變流器大多都采用"硬開關(guān)"的P籠 技術(shù)，電力電子功率開關(guān)器件需要在高電壓大電流下開關(guān)動作，每次開通與關(guān)斷過程中所 承受的電壓與流過的電流會出現(xiàn)相乘不為零的重疊部分，因而產(chǎn)生開關(guān)損耗。電力電子功 率開關(guān)器件的開關(guān)損耗又可以細(xì)分為開關(guān)管的開通損耗、開關(guān)管的關(guān)斷損耗以及二極管的 反向恢復(fù)損耗。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗會急劇增加，系統(tǒng)效率會急劇下降，如果 開關(guān)損耗過大還會導(dǎo)致電力電子開關(guān)器件結(jié)溫過高以至損壞器件，而過低的開關(guān)頻率則會 帶來輸出諧波大、動態(tài)響應(yīng)慢、功率密度低等問題，因此，開關(guān)損耗限制了變流器開關(guān)頻 率的提高和性能的改善，如果采用無源緩沖電路，只是把開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到電阻電容上，系 統(tǒng)的效率仍然不高。硬開關(guān)過程不僅產(chǎn)生開關(guān)損耗，還會引起很大的電流變化率，在開關(guān) 器件關(guān)斷時器件上會產(chǎn)生很大的電壓尖峰，為了保證安全，開關(guān)器件需要降額使用。此外 硬開關(guān)還產(chǎn)生高頻的電磁干擾，影響周圍電子設(shè)備的正常運行。于是人們研究提出了采用 "軟開關(guān)"技術(shù)來解決上面的問題，所謂"軟開關(guān)"是利用了諧振的原理，在電壓或者電 流諧振過零的時刻執(zhí)行開關(guān)動作，從而大大減少開關(guān)損耗。
零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)是一種新型的軟開關(guān)技術(shù)，其基本的思想是在主開關(guān)管動作之 前通過輔助電路觸發(fā)諧振將即將關(guān)斷的開關(guān)管和二極管的電流諧振到零然后，再關(guān)斷開關(guān) 管和二極管。零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅減少了開關(guān)管的關(guān)斷損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗，也 有助于減少開關(guān)管的開通損耗，且輔助電路中的開關(guān)率。此外零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)大大減少了開關(guān)過程的電流變化率，消除了器件關(guān)斷時的 電壓尖峰，減少了電磁干擾問題。因此，零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)特別適用于大功率的逆變 器和整流器中。
多電平的變流器與兩電平變流器相比有許多優(yōu)點，從上個世紀(jì)80年代以來一直是研究 的熱點之一。目前二極管中點電壓鉗位三電平變流器應(yīng)用比較廣泛，在市場中占有較大的
份額，其三相逆變器電路如圖l所示，其主要的優(yōu)點有開關(guān)器件只承受一半的直流電壓 應(yīng)力，因而可以選擇電壓等級較低的開關(guān)器件；其輸出的等效開關(guān)頻率是器件實際開關(guān)頻 率的兩倍，因而減少了濾波器的體積和重量，提高了系統(tǒng)的功率密度；其電壓電流的變化 率也為兩電平的一半，因而電磁干擾問題有所緩解。
如何進(jìn)一步減少中點電壓鉗位三電平變流器的損耗、提高其性能是人們研究比較多的 一個問題。己有技術(shù)[l]，見IEEE Transaction on industrial electronics雜志2005 年第52巻第三期刊登的"The Active NPC Converter and Its Loss-balancing Control" 一文(作者Thomas Brllckner等)，該技術(shù)采用有源的電力電子開關(guān)替換無源的二極管作為 中點電壓鉗位的器件，其三相逆變電路如圖2所示。采用有源中點電壓鉗位的三電平變流 器具有以下特點無論輸出相電流的方向，其輸出零電平的開關(guān)狀態(tài)由一種增加到兩種， 這兩種零電平開關(guān)狀態(tài)會在不同的開關(guān)管和二極管上產(chǎn)生開關(guān)損耗，所以通過選擇合理分 配這兩種零電平的開關(guān)狀態(tài)，可以將損耗平均地分布在內(nèi)側(cè)和外側(cè)的開關(guān)器件上，克服了 采用二極管鉗位中點電壓鉗位三電平變流器損耗分布不平均的問題，減少了外側(cè)開關(guān)管上 的熱應(yīng)力，從而可以提高了開關(guān)頻率和系統(tǒng)性能。但該技術(shù)只是把損耗均勻地分布在不同 的開關(guān)器件上，并沒有減少變流器總的開關(guān)損耗，系統(tǒng)的效率并沒有提高。
已有技術(shù)[2]，見IEEE Transactions on Industry Applications雜志2006年第42 巻第 5 期干lj登的，，A generalized zero-current-transition concept to simplify multilevel ZCT converters" —文(作者Yong Li等)，該逆變器原理圖如圖3所示。該 技術(shù)在公知的二極管中點電壓鉗位三電平變流器的每相橋臂中加入一組零電流轉(zhuǎn)換軟開 關(guān)輔助電路，該輔助電路只在輸出電平轉(zhuǎn)換時工作，將輸出相電流從主開關(guān)管轉(zhuǎn)移到輔助 諧振支路中，使得主開關(guān)管在零電流條件下關(guān)斷，從而減少了主開關(guān)管的開關(guān)損耗。該拓 撲的優(yōu)點是主開關(guān)器件的損耗得到很大的減少，同時所有輔助開關(guān)管也是零電壓零電流開 關(guān)，且輔助開關(guān)器件的容量遠(yuǎn)小于主開關(guān)器件。但該技術(shù)的缺點是輔助電路太復(fù)雜，每組 輔助電路包含2個輔助開關(guān)器件、2個輔助二極管、2個諧振電感、2個諧振電容。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述已有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種高效率的結(jié)構(gòu)簡單的有源 中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)。
一種有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)正極、負(fù)極和 零電平，直流側(cè)正極和零電平之間連接有第"濾波電容，負(fù)極和零電平之間連接有第二濾 波電容；直流側(cè)正極和負(fù)極之間連接有并聯(lián)的兩相橋臂或三相橋臂；每相橋臂包含依次串 聯(lián)的第一、第二、第三、第四開關(guān)器件，連接在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之 間的第五開關(guān)器件，以及連接在第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之間的第六開關(guān)器 件；其特征在于，在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點之間連 接有依次串聯(lián)的第一、第二輔助開關(guān)器件，在第一、第二輔助開關(guān)器件的公共節(jié)點和第二、 第三開關(guān)器件公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的諧振電容和諧振電感；所述第一、第二、第 三、第四、第五、第六開關(guān)器件和第一、第二輔助開關(guān)器件均由電流流向直流側(cè)負(fù)極的開 關(guān)管以及與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管組成。
本發(fā)明的有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器，在每相橋臂增加了一 組的零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)輔助電路，每組輔助開關(guān)電路僅包括2個輔助開關(guān)器件、l個諧振 電感、l個諧振電容，與已有技術(shù)[2]相比每組的輔助開關(guān)電路節(jié)省了 2個輔助二極管，1 個諧振電感和1個諧振電容。此外，本發(fā)明能夠保持已有技術(shù)[2]中零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技 術(shù)的優(yōu)點，可以實現(xiàn)所有輸出電平轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)管的零電流轉(zhuǎn)換，大大減少了主開關(guān)管 上的開關(guān)損耗，且輔助開關(guān)器件容量遠(yuǎn)小于主開關(guān)器件。因此，本發(fā)明具有效率高、結(jié)構(gòu) 簡單、易于模塊化設(shè)計、可靠性更高，更易于實用化等優(yōu)點。


圖1是公知技術(shù)二極管中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路圖。
圖2是已有技術(shù)[1]的有源中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路圖。
圖3是已有技術(shù)[2]的二極管中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)三相逆變器電路圖。
圖4是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)單相逆變器電路圖。 圖5是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)單相整流器電路圖。 圖6是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)三相逆變器電路圖。圖7是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)三相整流器電路圖。
圖8是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)逆變器的單相橋臂電路圖。
圖9(a)是圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流為正時， 一個PWM開關(guān) 周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號圖。
圖9(b)是圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流為負(fù)時， 一個PTO1開關(guān) 周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號圖。
圖10(a)是圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流為正時， 一個PWM開 關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號圖。
圖10(b)是圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流為負(fù)時， 一個P麗開 關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動脈沖信號圖。.
圖11為本圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流方向為正時， 一個PWM 開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間轉(zhuǎn)換的零電流軟開關(guān)波形圖。
圖12(a) 圖12(h)為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓正半周輸出相電流方向為正時， 一個P麗開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間零電流轉(zhuǎn)換過程中的各個電路狀態(tài) 圖。
圖13為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的正半周輸出相電流方向為負(fù)時， 一個P麗開 關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間轉(zhuǎn)換的零電流軟開關(guān)波形圖。
圖14(a) 圖14(h)為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓正半周輸出相電流方向為負(fù)時， 一個P麗開關(guān)周期中輸出電平在零電平與正電平之間零電流轉(zhuǎn)換過程中的各個電路狀態(tài) 圖。
圖15為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流方向為正時， 一個PWM開 關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換的零電流軟開關(guān)波形圖。
圖16(a) 圖16(h)為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓負(fù)半周輸出相電流方向為正時， 一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間零電流轉(zhuǎn)換過程中的各個電路狀態(tài) 圖。
圖17為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓的負(fù)半周輸出相電流方向為負(fù)時， 一個PWM開 關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換的零電流軟開關(guān)波形圖。
圖18(a) 圖18(h)為圖8單相橋臂電路在輸出相電壓負(fù)半周輸出相電流方向為負(fù)時，一個PWM開關(guān)周期中輸出電平在零電平與負(fù)電平之間零電流轉(zhuǎn)換過程中的各個電路狀態(tài) 圖。
具體實施例方式
參照圖1，為公知技術(shù)二極管中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路，在直流側(cè)正極P 和零電平0之間連接第一濾波電容C1，負(fù)極N和零電平0之間連接第二濾波電容C2;直
流側(cè)正極P和負(fù)極N之間連接并聯(lián)三相橋臂；每相橋臂包含依次串聯(lián)的第一、第二、第三、
第四開關(guān)器件Q1、 Q2、 Q3、 Q4，連接在第一、第二開關(guān)器件Q1、 Q2公共節(jié)點和零電平0 之間的第一二極管，以及連接在第三、第四開關(guān)器件Q3、 Q4公共節(jié)點和零電平0之間的 第一二極管。每相橋臂的第二、第三開關(guān)器件Q2、 Q3公共節(jié)點作為該相輸出。
參照圖2，是已有技術(shù)[l]的有源中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路，與公知技術(shù)二 極管中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路的區(qū)別在于，每個橋臂的第一、第二二極管分別 由第五、第六開關(guān)器件Q5、 Q6代替。
參照圖3，是己有技術(shù)[2]的二極管中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)三相逆變器 電路，與公知技術(shù)二極管中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路的的區(qū)別在于，每個橋臂設(shè) 置有包含2個輔助開關(guān)器件、2個輔助二極管、2個諧振電感、2個諧振電容輔助電路。
參照圖4、圖5，是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)單相逆變器電 路和整流器電路，參照圖6、圖7，是本發(fā)明的有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開 關(guān)三相相逆變器電路和整流器電路，它們的每個橋臂的電路結(jié)構(gòu)相同。與已有技術(shù)[l]的 有源中點電壓鉗位三電平三相逆變器電路的區(qū)別在于，每個橋臂中，在第一、第二開關(guān)器 件Q1、 Q2公共節(jié)點和第三、第四開關(guān)器件Q3、 Q4公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的第一、 第二輔助開關(guān)器件Qxl、 Qx2，在第一、第二輔助開關(guān)器件Qxl、 Qx2的公共節(jié)點和第二、 第三開關(guān)器件Q2、 Q3公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)有諧振電容和諧振電感，并且第一、 第二、第三、第四、第五、第六開關(guān)器件Q1、 Q2、 Q3、 Q4 、 Q5、 Q6和第一、第二輔助開 關(guān)器件Qxl、 Qx2均由電流流向直流側(cè)負(fù)極的開關(guān)管以及與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管組成。
本發(fā)明中，變流器包括逆變器與整流器，并且逆變器與整流器具有相同的電路結(jié)構(gòu)， 以下以逆變器為對象分析本發(fā)明電路的工作原理，其分析同樣適用于整流器。因每相橋臂 的軟開關(guān)輔助電路是獨立工作的，現(xiàn)以一相橋臂為例說明輸出電平轉(zhuǎn)換過程中電路工作的 各個狀態(tài)。
7參照圖8，為本發(fā)明的有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)逆變器的單相橋 臂電路，其中Tl， T2， T3, T4， Tp， Tn是主電路橋臂的開關(guān)管，Dl， D2， D3， D4， Dp， Dn為相應(yīng)開關(guān)管的反并聯(lián)二極管；Tx， Ty為輔助電路的輔助開關(guān)管，Dx和Dy為相應(yīng)的反 并聯(lián)二極管；Lr和Cr為輔助電路的諧振電感和諧振電容，Lr和Cr組成諧振電路，連接 在主開關(guān)管T2、 T3的公共節(jié)點(中點)與輔助開關(guān)管Tx、 Ty的公共節(jié)點(中點)之間。
根據(jù)中點電壓鉗位三電平逆變器的PWM調(diào)制原理，當(dāng)輸出相電壓為正半周期時，逆變 橋的輸出電平在正電平與零電平之間轉(zhuǎn)換；當(dāng)輸出相電壓負(fù)半周期時，逆變橋的輸出電平 在負(fù)電平與零電平之間轉(zhuǎn)換。兩類轉(zhuǎn)換需要開通關(guān)斷的開關(guān)器件是不同的
(1) 、輸出電平在正電平與零電平之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換 軟開關(guān)逆變橋輸出正電平時，主開關(guān)管T1、 T2、 Tn開通，主開關(guān)管T3、 T4、 Tp關(guān)斷；當(dāng) 輸出零電平時，主開關(guān)管T1、 T3和Tn開通，主開關(guān)管T2、 T4、 Tp關(guān)斷。輸出電平在零 電平與正電平之間轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)輸出相電流為正時(流出逆變橋臂)開關(guān)損耗出現(xiàn)在T2、 D3，當(dāng)輸出相電流為負(fù)(流入逆變橋臂)時開關(guān)損耗出現(xiàn)在T3、 D2。
(2) 、輸出電平在負(fù)電平與零電平之間轉(zhuǎn)換。當(dāng)有源中點電壓鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換 軟開關(guān)逆變橋輸出負(fù)電平時，主開關(guān)管T3、 T4、 Tp開通，主開關(guān)管T1、 T2、 Tn關(guān)斷；當(dāng) 輸出零電平時，主開關(guān)管T2、 T4和Tp開通，主開關(guān)管T1、 T3、 Tn關(guān)斷。輸出電平在零 電平與負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換過程中，當(dāng)輸出相電流為正時(流出逆變橋臂)開關(guān)損耗出現(xiàn)在T2、 D3，當(dāng)輸出相電流為負(fù)(流入逆變橋臂)時開關(guān)損耗出現(xiàn)在T3、 D2，因而，輸出負(fù)電平與零 電平轉(zhuǎn)換過程中開關(guān)損耗只出現(xiàn)在T2、 T3兩個開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管D2、 D3上。
可見對于有源中點電壓鉗位三電平逆變器按以上所述選擇開通或關(guān)斷的開關(guān)器件，就 可以使得不論是輸出電平在零電平和正電平之間轉(zhuǎn)換還是零電平和負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換，開關(guān) 損耗都只出現(xiàn)在主開關(guān)管T2、 T3及其反并聯(lián)二極管D2、 D3上。
為了減少T2、 T3、 D2、 D3的開關(guān)損耗，本發(fā)明軟開關(guān)輔助電路通過對輔助開關(guān)管Tx 和Ty的控制來協(xié)助主開關(guān)管及其反并聯(lián)二極管實現(xiàn)零電流轉(zhuǎn)換。在本發(fā)明提出的控制方 法中，當(dāng)輸出相電流為正時是輔助開關(guān)管Ty協(xié)助主開關(guān)管T2開通和主二極管D3關(guān)斷， 而輔助開關(guān)管Tx協(xié)助主開關(guān)管T2關(guān)斷和主二極管D3開通；而當(dāng)輸出相電流為負(fù)時，由 輔助開關(guān)管Tx協(xié)助主開關(guān)T3開通和主二極管D2關(guān)斷，而輔助開關(guān)管Ty協(xié)助主開關(guān)T3 關(guān)斷和主二極管D2開通。當(dāng)輸出相電壓正半周時輸出相電流為正時， 一個PWM開關(guān)周期 中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號參見圖9(a);當(dāng)輸出相電壓正半周時輸出相電流為負(fù)時，一 個P麗開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號參見圖9(b)。當(dāng)輸出相電壓負(fù)半周時輸出相電流為正時， 一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號參見圖10(a);當(dāng)輸出相電 壓負(fù)半周時輸出相電流為負(fù)時， 一個PWM開關(guān)周期中各個開關(guān)管的驅(qū)動邏輯信號參見圖 lO(b)。
以下分別對輸出相電壓正半周而輸出電流為正和為負(fù)，以及輸出相電壓負(fù)半周而輸出 相電流為正和為負(fù)四種情況進(jìn)行分析。由于一個PWM開關(guān)周期與逆變器的輸出相電壓周期 相比很小，而接感性負(fù)載和接電網(wǎng)時逆變器的輸出是一個電流源的特性，所以為了分析方 便，就可以認(rèn)為在一個PWM開關(guān)周期中輸出相電流是恒定不變的一個值。
(l)輸出相電壓正半周且輸出相電流為正時
當(dāng)輸出相電流大于零即流出逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管分別是 T2和D3。圖11所示為一個PWM開關(guān)周期中，輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T2開通關(guān)斷過程 零電流轉(zhuǎn)換的各驅(qū)動信號以及諧振支路電壓電流波形。根據(jù)時間順序可以將一個PWM開關(guān) 周期的整個過程分為八個不同的電路狀態(tài)，參見圖12。
1) t0 t2時間段電路狀態(tài)參見圖12(a) 。 tO時刻之前，輸出零電平，輸出相電流完全 經(jīng)Tn、 D3流通。t0時刻開通輔助開關(guān)管Ty，形成了一個包含Ty、 D3、 Lr、 Cr的諧振回 路，根據(jù)圖中所示電流參考方向，諧振電流Zr開始正向增加，經(jīng)過半個諧振周期，諧振 電流在tl時刻過零，然后反向增加并通過輔助開關(guān)管Ty的反并聯(lián)二極管Dy流通。
2) t2 t3時間段電路狀態(tài)參見圖12(b)。諧振電流ir在t2時刻達(dá)到輸出相電流大小， D3隨即自然關(guān)斷沒有反向恢復(fù)損耗，由于T2還未開通而D2承受反向電壓不能開通，因而 t2 t3時間段，諧振支路電流即為輸出相電流。
3) t3 t4時間段電路狀態(tài)參見圖12(c)。主開關(guān)管T2在t3時刻開通，形成一個新的 諧振回路，包含T1、 T2、 Lr、 Cr、 Dy、 Tn以及上半直流電容。T2開通過程其電流是以諧 振電流的速率上升，損耗得到了一定減少。隨著Tl、 T2支路電流的增加，諧振支路電流 ir開始下降，到達(dá)t4時刻諧振電流ir降為零，Dy自然關(guān)斷。由于Ty已經(jīng)在t3時刻關(guān) 斷所以諧振電流不能反向流通，諧振過程結(jié)束。
4) t4 t5時間段電路狀態(tài)參見圖12(d)。諧振過程結(jié)束后，全部的輸出相電流通過T1、 T2流通，從零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
5) t5 t7時間段電路狀態(tài)參見圖12(e)。正電平到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程從t5時刻 開通輔助開關(guān)管Tx開始。Tx的開通形成了一個包含T2、 Tx、 Lr、 Cr的諧振回路，諧振電 流ir開始負(fù)向增加，經(jīng)過1/4個諧振周期后，諧振電流達(dá)到負(fù)的峰值且該值大于輸出相電流。諧振電流大于輸出相電流的部分通過T2的反并聯(lián)二極管D2流通，在t6時刻關(guān)斷 T2就實現(xiàn)了零電流且零電壓關(guān)斷。在t6時刻之后，諧振電流開始下降，并在t7時刻降為 輸出相電流大小。
6) t7 t8時間段電路狀態(tài)參見圖12(f)。在t7時刻諧振電流降為輸出相電流大小，由 于此時T2已經(jīng)關(guān)斷，而二極管D3還承受反向電壓不能開通，所以輸出相電流只能通過諧 振支路流通，同時給諧振電容Cr線性充電。
7) t8 tl0時間段電路狀態(tài)參見圖12(g)。在t8時刻諧振電容上的電壓Kr充到負(fù)的二 分之一輸入直流電壓，此時D3開始承受正向電壓開通，形成一個新的諧振回路，包括T1、 Tx、 Cr、 Lr、 D3、 Tn以及上半直流電壓。諧振支路電流ir開始減少，Tn、 D3支路的電流 開始增加，達(dá)到t9時刻時諧振電流ir降為零，輸出相電流全部通過Tn、 D3流通。t9時 刻之后，諧振電流反向通過輔助開關(guān)管Tx的反并聯(lián)二極管Dx流通，此時可以零電壓零電 流關(guān)斷Tx，再經(jīng)過半個諧振周期達(dá)到t10時，諧振電流/r再次過零，Dx自然關(guān)斷，又因 Tx已于t9時刻關(guān)斷，諧振電流不能再反向流通，諧振結(jié)束。
8)tl0時刻以后電路狀態(tài)參見圖12(h)。全部的輸出相電流通過Tn、 D3流通，輔助諧 振電路不工作，從正電平轉(zhuǎn)換到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。 (2)輸出相電壓正半周且輸出相電流為負(fù)時
輸出相電流小于零，即輸出相電流流入逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二 極管是T3和D2。圖13所示為一個P碰開關(guān)周期中輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T3開通關(guān)斷 過程零電流轉(zhuǎn)換的各驅(qū)動信號以及諧振支路電壓電流波形。根據(jù)時間順序也可以將一個 PWM開關(guān)周期的整個過程分為八個不同的電路狀態(tài)，參見圖14。
1) t0 t2時間段電路狀態(tài)參見圖14(a) 。 t0時刻之前電路的初始狀態(tài)為逆變橋臂輸出 正電平，輸出相電流全部通過二極管D1和D2流通。在t0時刻，將輔助開關(guān)管Tx開通， 形成包括Tx、 Cr、 Lr、 D2的諧振回路，根據(jù)圖中所示電流參考方向，諧振電流/r開始負(fù) 向增大。經(jīng)過半個諧振周期到達(dá)tl時刻，諧振電流降為零，然后反向通過Tx的反并聯(lián)二 極管Dx流通，諧振電流開始正向增大，到達(dá)t2時刻諧振電流值達(dá)到此刻的輸出相電流大 小。
2) t2 t3時間段電路狀態(tài)參見圖14(b)。當(dāng)t2時刻諧振電流ir達(dá)到輸出相電流大小， 輸出相電流全部通過諧振之路流通，二極管D2自然關(guān)斷沒有關(guān)斷損耗，t2 t3這段時間 輸出相電流對諧振電容Cr進(jìn)行線性充電。當(dāng)t3時刻諧振電容電壓Vr的大小達(dá)到直流電
10壓的一半，開關(guān)管T3承受的電壓為零，此時開通T3就可以實現(xiàn)T3的零電壓開通。而此 刻關(guān)斷輔助開關(guān)管Tx也是在零電流零電壓條件下。
3) t3 t4時間段電路狀態(tài)參見圖14(c) 。T3開通以后形成了一個包含D1、 D2、 Cr、 Lr、 T3、 Dn以及上半直流電容的諧振回路，由于諧振電流方向與諧振回路中上半直流電容電壓 的方向相反，所以諧振電流減少并在t4時刻減少為零，由于Tx已經(jīng)關(guān)斷，諧振電流不能 反向流通，諧振過程結(jié)束。
4) t4 t5時間段電路狀態(tài)參見圖14(d) 。 t4時刻諧振停止，輸出相電流完全通過T3、 Dn流通，輸出電平從正電平到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
5) t5 t7時間段電路狀態(tài)參見圖14(e)。零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程從t5時刻 開通Ty開始。Ty開通后形成了一個包含Ty、 Cr、 Lr、 T3的諧振回路，諧振電流開始正向 增大，在t6時刻達(dá)到峰值并超過輸出相電流，因而諧陣電流超過輸出相電流的部分通過 二極管D3流通，此刻關(guān)斷T3就實現(xiàn)了零電流和零電壓關(guān)斷。t6時刻以后諧振電流開始下 降并在t7時刻降為輸出相電流大小。
6) t7 t8時間段電路狀態(tài)參見圖14(f)。由于T3已經(jīng)在t6時刻關(guān)斷，而D2承受反壓 不能開通，輸出相電流只能通過諧振支路流通，諧振電流在這段時間對諧振電容Cr線性 充電，直到t8時刻諧振電容電壓Vr大小達(dá)到直流電壓的一半Vdc/2。
7) t8 tl0時間段電路狀態(tài)參見圖14(g)。當(dāng)t8時刻諧振電容電壓Vr達(dá)到Vdc/2， 二 極管D2開始承受正向電壓導(dǎo)通，形成了一個新的諧振回路包含Tn、 Ty、 Cr、 Lr、 D2、 Dl 以及上半直流電容，諧振支路中電流ir開始減少，而Dl、 D2的電流開始增加，達(dá)到t9 時刻諧振支路電流ir減少為零然后開始反向通過Ty的二極管Dy流通，此刻關(guān)斷Ty實現(xiàn) 零電壓零電流關(guān)斷，再經(jīng)過半個諧振周期諧振電流再次過零Dy自然關(guān)斷沒有關(guān)斷損耗， 而Ty已經(jīng)關(guān)斷電流不能反向流通，諧振停止。
8) tl0時間以后電路狀態(tài)參見圖14(h)。 tlO時刻諧振停止以后，輸出相電流完全通過 Dl、 D2流通，從零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
(3)輸出相電壓負(fù)半周且輸出相電流為正時
當(dāng)輸出相電流大于零即流出逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二極管分別是 T2和D3。圖15所示為一個P麗開關(guān)周期中，輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T2開通關(guān)斷過程 零電流轉(zhuǎn)換的各驅(qū)動信號以及諧振支路電壓電流波形。根據(jù)時間順序可以將一個PWM開關(guān) 周期的整個過程分為八個不同的電路狀態(tài)，參見圖16。1) t0 t2時間段電路狀態(tài)參見圖16(a) 。 tO時刻之前，輸出負(fù)電平，輸出相電流完全 經(jīng)D3、 D4流通。t0時刻開通輔助開關(guān)管Ty，形成了一個包含Ty、 D3、 Lr、 Cr的諧振回 路，根據(jù)圖中所示電流參考方向，諧振電流ir開始正向增加，經(jīng)過半個諧振周期，諧振 電流在tl時刻過零，然后反向增加并通過輔助開關(guān)管Ty的反并聯(lián)二極管Dy流通。
2) t2 t3時間段電路狀態(tài)參見圖16(b)。諧振電流ir在t2時刻達(dá)到輸出相電流大小， D3隨即自然關(guān)斷沒有反向恢復(fù)損耗，由于T2還未開通而D2承受反向電壓不能開通，因而 t2 t3時間段，輸出相電流只能通過諧振支路流通。
3) t3 t4時間段電路狀態(tài)參見圖16(c)。主開關(guān)管T2在t3時刻開通，形成一個新的 諧振回路，包含Dp、 T2、 Lr、 Cr、 Dy、 T4以及下半直流電容。T2開通過程其電流是以諧 振電流的速率上升，損耗得到了一定減少。隨著Dp、 T2支路電流的增加，諧振支路電流 Zr開始下降，到達(dá)t4時刻諧振電流ir降為零，Dy自然關(guān)斷。由于Ty已經(jīng)在t3時刻關(guān) 斷所以諧振電流不能反向流通，諧振過程結(jié)束。
4) t4 t5時間段電路狀態(tài)參見圖16(d)。諧振過程結(jié)束后，全部的輸出相電流通過Dp、 T2流通，從零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
5) t5 t7時間段電路狀態(tài)參見圖16(e)。正電平到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程從t5時刻 開通輔助開關(guān)管Tx開始。Tx的開通形成了一個包含T2、 Tx、 Lr、 Cr的諧振回路，諧振電 流Zr開始負(fù)向增加，經(jīng)過l/4個諧振周期后，諧振電流達(dá)到負(fù)的峰值且該值大于輸出相 電流。諧振電流大于輸出相電流的部分通過T2的反并聯(lián)二極管D2流通，在t6時刻關(guān)斷 T2就實現(xiàn)了零電流且零電壓關(guān)斷。在t6時刻之后，諧振電流開始下降，并在t7時刻降為 輸出相電流大小。
6) t7 t8時間段電路狀態(tài)參見圖16(f)。在t7時刻諧振電流降為輸出相電流大小，由 于此時T2己經(jīng)關(guān)斷，而二極管D3還承受反向電壓不能開通，所以輸出相電流只能通過諧 振支路流通，同時給諧振電容Cr線性充電。
7) t8 tl0時間段電路狀態(tài)參見圖16(g)。在t8時刻諧振電容上的電壓Kr被充大小到 二分之一輸入直流電壓Vdc/2，此時D3開始承受正向電壓開通，形成一個新的諧振回路， 包括Tp、 Tx、 Cr、 Lr、 D3、 D4以及下半直流電壓。諧振支路電流7r開始減少，D3、 D4支 路的電流開始增加，達(dá)到t9時刻時諧振電流ir降為零，輸出相電流全部通過D3、 D4流 通。t9時刻之后，諧振電流反向通過輔助開關(guān)管Tx的反并聯(lián)二極管Dx流通，此時可以零 電壓零電流關(guān)斷Tx，再經(jīng)過半個諧振周期達(dá)到t10時，諧振電流ir再次過零，Dx自然關(guān)再反向流通，諧振結(jié)束。
8)tl0時刻以后電路狀態(tài)參見圖16(h)。全部的輸出相電流通過D3、 D4流通，輔助諧 振電路不工作，從正電平轉(zhuǎn)換到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。 (4)輸出相電壓負(fù)半周且輸出相電流為負(fù)時
輸出相電流小于零，即輸出相電流流入逆變橋臂時，轉(zhuǎn)換過程需要換流的開關(guān)管和二 極管是T3和D2。圖17所示為一個PWM開關(guān)周期中輔助開關(guān)管協(xié)助主開關(guān)管T3開通關(guān)斷 過程零電流轉(zhuǎn)換的各驅(qū)動信號以及諧振支路電壓電流波形。根據(jù)時間順序也可以將一個 PM^開關(guān)周期的整個過程分為八個不同的電路狀態(tài)，參見圖18。
1) t0 t2時間段電路狀態(tài)參見圖18(a) 。 t0時刻之前電路的初始狀態(tài)為逆變橋臂輸出 正電平，輸出相電流全部通過二極管D2和Tp流通。在t0時刻，將輔助開關(guān)管Tx開通， 形成包括Tx、 Cr、 Lr、 D2的諧振回路，根據(jù)圖中所示電流參考方向，諧振電流7r開始負(fù) 向增大。經(jīng)過半個諧振周期到達(dá)tl時刻，諧振電流降為零，然后反向通過Tx的反并聯(lián)二 極管Dx流通，諧振電流開始正向增大，到達(dá)t2時刻諧振電流值達(dá)到此刻的輸出相電流大 小。
2) t2 t3時間段電路狀態(tài)參見圖18(b)。當(dāng)t2時刻諧振電流ir達(dá)到輸出相電流大小， 輸出相電流全部通過諧振之路流通，二極管D2自然關(guān)斷沒有關(guān)斷損耗，t2 t3這段時間 輸出相電流對諧振電容Cr進(jìn)行線性充電。當(dāng)t3時刻諧振電容電壓Vr的大小達(dá)到直流電 壓的一半Vdc/2，開關(guān)管T3承受的電壓為零，此時開通T3就可以實現(xiàn)T3的零電壓開通。 而此刻關(guān)斷輔助開關(guān)管Tx也是在零電流零電壓條件下。
3) t3 t4時間段電路狀態(tài)參見圖18(c) 。 T3開通以后形成了一個包含Tp、 D2、 Cr、 Lr、 T3、 T4以及下半直流電容的諧振回路，由于諧振電流方向與諧振回路中上半直流電容電壓 的方向相反，所以諧振電流減少并在t4時刻減少為零，由于Tx已經(jīng)關(guān)斷，諧振電流不能 反向流通，諧振過程結(jié)束。
4) t4 t5時間段電路狀態(tài)參見圖18(d) 。 t4時刻諧振停止，輸出相電流完全通過T3、 T4流通，輸出電平從正電平到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
5) t5 t7時間段電路狀態(tài)參見圖18(e)。零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程從t5時刻 開通Ty開始。Ty開通后形成了一個包含Ty、 Cr、 Lr、 T3的諧振回路，諧振電流開始正向 增大，在t6時刻達(dá)到峰值并超過輸出相電流，因而諧陣電流超過輸出相電流的部分通過 二極管D3流通，此刻關(guān)斷T3就實現(xiàn)了零電流和零電壓關(guān)斷。t6時刻以后諧振電流開始下降并在t7時刻降為輸出相電流大小。
6) t7 t8時間段電路狀態(tài)參見圖18(f)。由于T3己經(jīng)在t6時刻關(guān)斷，而D2承受反壓 不能開通，輸出相電流只能通過諧振支路流通，諧振電流在這段時間對諧振電容Cr線性 充電，直到t8時刻諧振電容電壓Vr大小達(dá)到直流電壓的一半Vdc/2。
7) t8 tl0時間段電路狀態(tài)參見圖18(g)。當(dāng)t8時刻諧振電容電壓Vr達(dá)到Vdc/2, 二 極管D2開始承受正向電壓導(dǎo)通，形成了一個新的諧振回路包含T4、 Ty、 Cr、 Lr、 D2、 Tp 以及上半直流電容，諧振支路中電流/r開始減少，而Tp、 D2的電流開始增加，達(dá)到t9 時刻諧振支路電流Zr減少為零然后開始反向通過Ty的二極管Dy流通，此刻關(guān)斷Ty實現(xiàn) 零電壓零電流關(guān)斷，再經(jīng)過半個諧振周期諧振電流再次過零Dy自然關(guān)斷沒有關(guān)斷損耗， 而Ty已經(jīng)關(guān)斷電流不能反向流通，諧振停止。
8) tl0時間以后電路狀態(tài)參見圖18(h)。 tlO時刻諧振停止以后，輸出相電流完全通過 Tp、 D2流通，從零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。
1權(quán)利要求
1、一種有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器，包括直流側(cè)正極、負(fù)極和零電平，直流側(cè)正極和零電平之間連接有第一濾波電容，負(fù)極和零電平之間連接有第二濾波電容；直流側(cè)正極和負(fù)極之間連接有并聯(lián)的兩相橋臂或三相橋臂；每相橋臂包含依次串聯(lián)的第一、第二、第三、第四開關(guān)器件，連接在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之間的第五開關(guān)器件，以及連接在第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之間的第六開關(guān)器件；其特征在于，在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的第一、第二輔助開關(guān)器件，在第一、第二輔助開關(guān)器件的公共節(jié)點和第二、第三開關(guān)器件公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的諧振電容和諧振電感；所述第一、第二、第三、第四、第五、第六開關(guān)器件和第一、第二輔助開關(guān)器件均由電流流向直流側(cè)負(fù)極的開關(guān)管以及與開關(guān)管反并聯(lián)的二極管組成。
全文摘要
本發(fā)明涉及電力電子變流器領(lǐng)域，公開了一種有源中點電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器。它包括直流側(cè)正極、負(fù)極和零電平，直流側(cè)正極和零電平之間連接有第一濾波電容，負(fù)極和零電平之間連接有第二濾波電容；每相橋臂包含依次串聯(lián)的第一、第二、第三、第四開關(guān)器件，連接在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之間的第五開關(guān)器件，以及連接在第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點和零電平之間的第六開關(guān)器件；在第一、第二開關(guān)器件公共節(jié)點和第三、第四開關(guān)器件公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的第一、第二輔助開關(guān)器件，在第一、第二輔助開關(guān)器件的公共節(jié)點和第二、第三開關(guān)器件公共節(jié)點之間連接有依次串聯(lián)的諧振電容和諧振電感。
文檔編號H02M7/537GK101640497SQ20091002382
公開日2010年2月3日 申請日期2009年9月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月8日
發(fā)明者劉進(jìn)軍, 錦 李 申請人:西安交通大學(xué)