CN101262179A - 准方波软开关双向变流电路及其应用 - Google Patents

准方波软开关双向变流电路及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了准方波软开关双向变流电路及其应用，准方波软开关双向变流电路包括电压型逆变桥和辅助换流电路，电压型逆变桥由四个开关管和并联于各开关管的续流二极管组成，辅助换流电路由两个换流电感与储能电感按照星形连接组成，电路中的两个换流电感的端点分别与电压型逆变桥的两个桥臂的中点相连，储能电感的端点为电流端，电压型逆变桥桥臂两端为电压端。该电路通过两个桥臂轮流工作，实现开关的零电压开通和续流二极管的零电流关断。与传统硬开关电路相比可以降低开关的开通损耗和二极管的关断损耗，可用于双向直流/直流变流器，单相或多相直流/交流变流器，更加适合较大功率变流器的变流效率提升。

Description

准方波软开关双向变流电路及其应用
技术领域
本发明涉及准方波软开关双向变流电路及其应用，尤其是在双向直流/直流变流器，单相逆变器及多相逆变器应用的准方波软开关双向变流电路。
背景技术
目前，用于双向直流/直流变流器，单相逆变器及多相逆变器的双向变流电路，如图1(a)所示，是典型的硬开关半桥电路，其中S1、S2为功率半导体开关(例如MOSFEI、IGBT、IGCT等)，D1、D2为续流二极管，L0为储能电感。储能电感的一端接半桥的中点K；另一点为整个电路的电感侧输出端A。该电路能够实现双向DC/DC变流器，如图1(b)所示，也能够实现双向DC/AC变流器，如图1(c)所示。图中V1为高压侧电源，V2为低压侧电源；
通常，当S1、D2参与工作，S2、D1不工作时，S1、D2就与L0构成了电能从高压侧送往低压侧的降压电路；当S3、D1参与工作，S1、D3不工作时，S3、D1就与L0构成了电能从低压侧送往高压侧的升压电路。
用两个图1(a)的半桥电路可以组成如图1(d)所示全桥单相DC/AC变流器，如图1(e)所示三相或多相DC/AC变流器，如图1(f)所示三相或多相带零线DC/AC变流器。
图1(a)，(b)，(c)，(d)，(e)，(f)的电路都工作于硬开关条件，损耗大，尤其是续流二极管的反向恢复损耗往往占据器件损耗的大部分。已有的对图1基本电路的软开关改进电路主要包括直流侧谐振型和负载侧谐振型。
改进的直流侧谐振型软开关电路如图2所示，其直流侧母线上增加了谐振元件Lf、Cf，实现了零电压和零电流开关动作，但其缺点是开关的电压、电流应力均增加一倍以上，不适用于较大功率应用场合。在此基础上延伸出一系列改进型的直流侧谐振型软开关逆变电路，直流侧的谐振元件仍有损耗大的问题，依然不适用于较大功率应用场合。
改进的负载侧谐振型软开关电路如图3所示，也同样有开关电流应力增加的缺点，仍不适用于较大功率应用场合。
发明内容
本发明的目的是提供一种损耗小、适用于较大功率的准方波软开关双向变流电路及其应用。
本发明的准方波软开关双向变流电路，包括电压型逆变桥和辅助换流电路，电压型逆变桥由四个开关管和并联于各开关管的续流二极管组成，辅助换流电路由两个换流电感与储能电感按照星形连接组成，储能电感的电感值是两个换流电感的电感值之和的至少5倍，星形电路中的两个换流电感的端点分别与电压型逆变桥的两个桥臂的中点相连，储能电感的端点为电流端，电压型逆变桥桥臂两端为电压端。
上述辅助换流电路中的其中一个换流电感的电感值可以为零。
本发明的准方波软开关双向变流电路有以下几种应用方式：
方式1
将准方波软开关双向变流电路的电压端作为高压侧，并且在高压侧两端并联滤波电容，电流端与电压端负端作为低压侧，并且在低压侧两端并联滤波电容，构成双向DC/DC变流器。
方式2
将准方波软开关双向变流电路的电压端作为高压侧，并且在高压侧两端并联由两个电容串联组成的分压电路，电流端与分压电容中点作为低压侧，并且在低压侧两端并联滤波电容，构成双向DC/AC变流器。
方式3
将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端并联作为高压侧，并在高压侧两端并联滤波电容，各电流端为交流相线，构成双向DC/AC单相全桥变流器或多相变流器。
方式4
将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端并联作为高压侧，并在高压侧两端并联由两个电容串联组成的分压电路，各电流端为交流相线，分压电容中点为零线，构成带零线双向DC/AC多相变流器。
本发明的有益效果在于：
准方波软开关双向变流电路比目前常用的半桥电路增加一组桥臂，器件的数量有所增加，但器件承受的电压和电流应力并没有增加。通过准方波的换流电路实现开关的零电压开通和续流二极管的零电流关断，降低变流器的开关损耗，尤其解决了续流二极管反向恢复这一主要损耗来源，可以显著提高变流器的效率。本发明的准方波软开关双向变流电路与传统谐振软开关电路相比，由于电压、电流应力不增加，更加适合较大功率变流器的变流效率提升。
附图说明
图1是硬开关半桥电路及其应用，其中(a)为硬开关半桥电路，(b)为双向DC/DC变流器，(c)为双向DC/AC变流器，(d)为全桥单相DC/AC变流器，(e)为三相或多相DC/AC变流器，(f)为三相或多相带零线DC/AC变流器；
图2是一种直流侧谐振型软开关电路；
图3是一种负载侧谐振型软开关电路；
图4是本发明的准方波软开关双向变流电路；
图5是本发明实施的一种准方波软开关双向DC/DC变换器；
图6是本发明实施的一种准方波软开关双向DC/AC变换器；
图7是本发明实施的一种准方波软开关单相全桥双向DC/AC变换器；
图8是本发明实施的一种准方波软开关三相带零线双向DC/AC变换器；
图9是准方波软开关逆变线路能量从高压侧流向低压侧的工作波形；
图10是准方波软开关逆变线路能量从低压侧流向高压侧的工作波形。
具体实施方式
参见图4，本发明的准方波软开关双向变流电路，包括电压型逆变桥和辅助换流电路110，电压型逆变桥由四个开关管S1、S2、S3、S4和并联于各开关管的续流二极管D1、D2、D3、D4组成，辅助换流电路110由两个换流电感L1、L2与储能电感L0按照星形连接组成，储能电感L0的电感值是两个换流电感L1、L2的电感值之和的至少5倍，星形电路中的两个换流电感L1、L2的端点分别与电压型逆变桥的两个桥臂的中点相连，储能电感L0的端点为电流端A，电压型逆变桥桥臂两端为电压端V1。
上述辅助换流电路110中的其中一个换流电感的电感值可以为零。
准方波软开关双向变流电路中的两个电压型桥臂交替工作，工作脉宽可以相同，也可以不相同。作为脉宽不同时的极限，其中一组半桥(S1、S2或S3、S4)工作脉宽远小于另一组半桥(S3、S4或S1、S2)，例如比例是1/5以下，工作脉宽窄的一路可以看作是仅仅用于软开关换流用。
两路半桥的脉宽相等可以充分利用器件的导通能力，分担平均工作电流。对于不相等的情况则可以使用不同的器件。例如用于换流的器件可以使用通态电压降较大但开关速度高的器件。
在同一半桥的上下两个开关管换流时，桥臂中点电位发生跳变，此时另一半桥的中点电位随之跳变，引起桥臂开关管的结电容与换流电感谐振，会破坏软开关条件。因此，电压型逆变桥在换流过程中，当其中一个半桥的一个开关管关断时，另一半桥中的互补开关管瞬时导通对结电容放电，导通持续时间控制在大于开关管关断时间、少于换流时间范围内。
本发明的准方波软开关双向变流电路有以下几种应用方式，参见图5～图8，其中图6，图7，图8中的名为“准方波软开关双向变流电路”的方框表示本发明的如图4所示的“准方波软开关双向变流电路”。
方式1，如图5所示，准方波软开关双向变流电路的电压端V1作为高压侧，并且在高压侧两端并联滤波电容C1，电流端与电压负端作为低压侧V2，并且在低压侧两端并联滤波电容C2，构成双向DC/DC变流器。
其工作原理如下：
假设电路已经工作到稳定状态，储能电感L0的电流Io保持不变，有两种工作情况：
情况1：当能量从高压侧流向低压侧时，四个开关管按照S1，S2，S3，S4的顺序依次导通，电路工作情况如图9，图中GS1、GS2、GS3、GS4分别表示开关管S1、S2、S3、S4的门极驱动信号，IS1、IS3分别表示流过开关管S1、S3的电流，ID2、ID4分别表示流过续流二极管D2、D4的电流，US1表示开关管S1两端的电压。一个周期的工作原理描述如下：
第一阶段，从t1-t2，S1导通。电流从高压侧V1，经开关管S1、换流电感L1、储能电感L0到低压侧V2。
第二阶段，t2时刻，S1关断、S2开通、S4瞬时导通。通过S1的电流换流到续流二极管D2续流。
第三阶段，从t2-t3，S2开通。电流经续流二极管D2、换流电感L1、储能电感L0、低压侧V2续流。
第四阶段，从t3-t4，S2关断，S3开通。通过续流二极管D2的电流经换流电感L1和L2逐渐换流到开关管S3。D2零电流关断，S3零电压开通。
第五阶段，从t4-t5，S3开通。电流从高压侧V1，经开关管S3、换流电感L2、储能电感L0到低压侧V2。
第六阶段，t5时刻，S3关断、S4开通、S2瞬时开通。通过S3的电流换流到续流二极管D4续流。
第七阶段，从t5-t6，S4开通。电流经续流二极管D4、换流电感L2、储能电感L0、低压侧V2续流。
第八阶段，从t6-t7，S4关断，S1开通。通过D4的电流通过换流电感L2和L1逐渐换流到开关管S1。D4零电流关断，S1零电压开通。
情况2：当能量从低压侧流向高压侧时，开关管按S2，S1，S4，S3的次序开通，电路工作情况如图10，图中GS1、GS2、GS3、GS4分别表示开关管S1、S2、S3、S4的门极驱动信号，IS2、IS4分别表示流过开关管S2、S4的电流，ID1、ID3分别表示流过续流二极管D1、D3的电流，US1表示开关管S1两端的电压。
一个周期的工作原理描述如下：
第一阶段，从t1-t2，S2导通。电流经低压侧V2、储能电感L0，换流电感L1，开关管S2流通。
第二阶段，t2时刻，S2关断、S1开通，S3瞬时开通。通过S2的电流换流到续流二极管D1续流。
第三阶段，从t2-t3，S1开通。电流从低压侧V2，经储能电感L0，换流电感L1，续流二极管D1，到高压侧V1。
第四阶段，从t3-t4，S1关断，S4开通。通过续流二极管D1的电流通过换流电感L1和储能L2逐渐换流到开关管S4。D1零电流关断，S4零电压开通。
第五阶段，从t4-t5，S4开通。电流从经压侧V2、储能电感L0，换流电感L2，开关管S4流通。
第六阶段，t5时刻，S4关断、S3开通、S1瞬时开通。通过S4的电流换流到续流二极管D3续流。
第七阶段，从t5-t6，S3开通。电流从低压侧V2，经储能电感L0，换流电感L2，续流二极管D3，到高压侧V1。
第八阶段，从t6-t7，S3关断，S2开通。通过续流二极管D3的电流通过换流电感L2和L1逐渐换流到开关管S2。D3零电流关断，S2零电压开通。
方式2，如图6所示，准方波软开关双向变流电路的电压端V1作为高压侧，并在高压侧两端并联由两个电容C11，C12串联组成的分压电路，电流端与分压电容中点作为低压侧，并且在低压侧两端并联滤波电容C2，构成双向DC/AC变流器。变流器的工作原理与方式1双向DC/DC变流器类似。
方式3，如图7所示，将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端V1并联作为高压侧，并在高压侧两端并联滤波电容C1，各电流端A为交流相线，构成双向DC/AC单相全桥变流器或多相变流器。变流器的工作原理与方式1双向DC/DC变流器类似。
方式4，如图8所示，将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端V1并联作为高压侧，并在高压侧两端并联由两个电容C11，C12串联组成的分压电路，各电流端A为交流相线，分压电容中点N为零线，构成带零线双向DC/AC多相变流器。变流器的工作原理与方式1双向DC/DC变流器类似。

Claims (6)

1.准方波软开关双向变流电路，其特征是包括电压型逆变桥和辅助换流电路(110)，电压型逆变桥由四个开关管(S1、S2、S3、S4)和并联于各开关管的续流二极管(D1、D2、D3、D4)组成，辅助换流电路(110)由两个换流电感(L1、L2)与储能电感(L0)按照星形连接组成，储能电感(L0)的电感值是两个换流电感(L1、L2)的电感值之和的至少5倍，星形电路中的两个换流电感(L1、L2)的端点分别与电压型逆变桥的两个桥臂的中点相连，储能电感(L0)的端点为电流端(A)，电压型逆变桥桥臂两端为电压端(V1)。
2.根据权利要求1所述的准方波软开关双向变流电路，其特征在于辅助换流电路(110)中的其中一个换流电感的电感值为零。
3.根据权利要求1所述的准方波软开关双向变流电路的应用，其特征是将准方波软开关双向变流电路的电压端(V1)作为高压侧，并且在高压侧两端并联滤波电容(C1)，电流端与电压端负端作为低压侧(V2)，并且在低压侧两端并联滤波电容(C2)，构成双向DC/DC变流器。
4.根据权利要求1所述的准方波软开关双向变流电路的应用，其特征是将准方波软开关双向变流电路的电压端(V1)作为高压侧，并且在高压侧两端并联由两个电容(C11，C12)串联组成的分压电路，电流端与分压电容中点作为低压侧(V2)，并且在低压侧两端并联滤波电容(C2)，构成双向DC/AC变流器。
5.根据权利要求1所述的准方波软开关双向变流电路的应用，其特征是将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端(V1)并联作为高压侧，并在高压侧两端并联滤波电容(C1)，各电流端(A)为交流相线，构成双向DC/AC单相全桥变流器或多相变流器。
6.根据权利要求1所述的准方波软开关双向变流电路的应用，其特征是将两套或两套以上所说的准方波软开关双向变流电路的电压端(V1)并联作为高压侧，并在高压侧两端并联由两个电容(C11，C12)串联组成的分压电路，各电流端(A)为交流相线，分压电容中点(N)为零线，构成带零线双向DC/AC多相变流器。
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Open date: 20080910