CN101478258A - 一种谐振极型三相软开关逆变电路 - Google Patents

一种谐振极型三相软开关逆变电路 Download PDF

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Abstract

一种谐振极型三相软开关逆变电路，属于电力电子技术领域，该逆变电路在直流母线之间串联三个电解电容，a相桥臂上，在桥臂中点与上下桥臂的开关器件之间分别接入一个耦合电感。第三个耦合电感的一端与一个二极管的阳极相连构成串联支路，该支路再与中间的电解电容并联。上下桥臂的开关器件分别并联由一个谐振电感，一个二极管和一个谐振电容构成的支路，在这两个支路的谐振电容与二极管的连接点上分别接入一个二极管，这两个接入的二极管另一端分别与中间电解电容的正负极相连。b相和c相的电路连接方式与a相相同。在本发明的电路中，当三相电路分别具有各自的谐振电感时，开关器件开通时的对应相上的谐振电感中电流为零，减小了开通损耗。

Description

一种谐振极型三相软开关逆变电路
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种谐振极型三相软开关逆变电路。
背景技术
电力电子技术是电子学的一个新型应用领域，其特征是用功率电子开关处理电力的控制与变换；常用的控制方法是斩波控制方式的脉冲宽度调制(PWM)技术。但在通常电力变换器电路中，全控型功率电子器件在PWM控制下进行开关换流，会出现硬开关效应：在开关过渡期间，电压或电流会出现高变化率的脉冲峰，同时两者波形有很大交叠区。因此，硬开关必然产生电路损耗大、电磁干扰严重、可靠性降低等缺陷；而且这种缺陷在较高频率下更严重。解决硬开关缺陷的有效方法是附加上软开关电路。由于现代电力电子装置愈来愈趋向于小型化和轻量化，必然要求开关频率越来越高。当开关频率很高时，给电路造成严重的噪声污染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰，软开关技术的出现解决了这一系列问题。软开关技术指通过辅助谐振电路使开关管开通前电压先降为零，关断前电流先降为零，实现零电压开通，零电流关断；或者通过辅助谐振电路降低开关管开通瞬间的电流的上升率和开关管关断瞬间的电压的上升率，实现零电流开通和零电压关断，从而大大降低了开关功率损耗，减少了噪声污染和电磁干扰。
软开关逆变器根据辅助谐振电路在逆变器主电路上的不同位置可分为谐振直流环节逆变器和谐振极逆变器。谐振直流环节逆变器的辅助谐振电路位于直流电源和逆变桥之间，逆变器本身具有很强的耦合性，当1个开关管需要零电压条件时，整个母线电压必须谐振到零，这样母线电压出现很多过零凹槽，既影响了谐振频率的进一步提高，又减小了直流电压的利用率。
发明内容
为了解决现有软开关逆变电路结构复杂、成本高，直流电压的利用率低的缺点，本发明的目的是提供一种谐振极型三相软开关逆变电路，它的三相辅助谐振电路分别具有各自的谐振电感，各相的谐振不存在互相的影响，真正实现三相谐振电路之间是独立可控的，保证开关器件开通时，其对应相上的谐振电感中的电流为零，实现开关器件的零电流开通，减小开通损耗。
本发明采用的技术方案是：在直流母线之间串联了三个电解电容Cd1、Cd0、Cd2，三个电解电容所在的支路并联三个桥臂a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂，与a相相连的是a相桥臂，与b相相连的是b相桥臂，与c相相连的是c相桥臂；
开关器件S1，S4分别反并联二极管D1和D4，开关器件S1，S4位于a相桥臂，开关器件S2，S5分别反并联二极管D2和D5，开关器件S2，S5位于b相桥臂，开关器件S3，S6分别反并联二极管D3和D6，开关器件S3，S6位于c相桥臂，在a相桥臂的中点与开关器件S1之间接入耦合电感L1，在a相桥臂的中点与开关器件S4之间接入耦合电感L4，耦合电感L1和L4的连接点作为a相桥臂的中点；在b相桥臂的中点与开关器件S2之间接入耦合电感L2，在a相桥臂的中点与开关器件S5之间接入耦合电感L5，耦合电感L2和L5的连接点作为b相桥臂的中点；在c相桥臂的中点与开关器件S3之间接入耦合电感L3，在c相桥臂的中点与开关器件S6之间接入耦合电感L6，耦合电感L3和L6的连接点作为c相桥臂的中点；在a相上，耦合电感Lfl与耦合电感L1、L4紧密耦合在同一铁芯上，在b相上，耦合电感Lf2与耦合电感L2、L5紧密耦合在同一铁芯上，在c相上，耦合电感Lf3与耦合电感L3、L6紧密耦合在同一铁芯上，Lf1、Lf2、Lf3的一端都与电解电容Cd0的负极相连，Lf1、Lf2、Lf3的另一端分别与二极管Df1、Df2、Df3的阳极相连，Df1、Df2、Df3的阴极都与电解电容Cd0的正极相连；
谐振电容Cr1的一端接在a相桥臂的耦合电感L1与开关器件S1的连接点上，Cr1的另一端与二极管Dd1的阴极相连，Dd1的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr1的阳极接在二极管Dd1与谐振电容Cr1的连接点上，Dr1的阴极与谐振电感Lr1的一端相连，Lr1的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr2的一端接在b相桥臂的耦合电感L2与开关器件S2的连接点上，Cr2的另一端与二极管Dd2的阴极相连，Dd2的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr2的阳极接在二极管Dd2与谐振电容Cr2的连接点上，Dr2的阴极与谐振电感Lr2的一端相连，Lr2的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr3的一端接在c相桥臂的耦合电感L3与开关器件S3的连接点上，Cr3的另一端与二极管Dd3的阴极相连，Dd3的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr3的阳极接在二极管Dd3与谐振电容Cr3的连接点上，Dr3的阴极与谐振电感Lr3的一端相连，Lr3的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr4的一端接在a相桥臂的耦合电感L4与开关器件S4的连接点上，Cr4的另一端与二极管Dd4的阳极相连，Dd4的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr4的阴极接在二极管Dd4与谐振电容Cr4的连接点上，Dr4的阳极与谐振电感Lr4的一端相连，Lr4的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr5的一端接在b相桥臂的耦合电感L5与开关器件S5的连接点上，Cr5的另一端与二极管Dd5的阳极相连，Dd5的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr5的阴极接在二极管Dd5与谐振电容Cr5的连接点上，Dr5的阳极与谐振电感Lr5的一端相连，Lr5的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr6的一端接在c相桥臂的耦合电感L6与开关器件S6的连接点上，Cr6的另一端与二极管Dd6的阳极相连，Dd6的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr6的阴极接在二极管Dd6与谐振电容Cr6的连接点上，Dr6的阳极与谐振电感Lr6的一端相连，Lr6的另一端接在直流母线上。
本发明的一种优选方式：结构见图1，与以上区别是，只接入两个谐振电感，二极管Dr1、二极管Dr2和二极管Dr3的阴极共同通过一个电感与直流母线的正极相连。即：二极管Dr1、二极管Dr2和二极管Dr3的阴极都与谐振电感Lr1的一端相连，Lr1的另一端接在直流母线上；二极管Dr4、二极管Dr5和二极管Dr6的阳极共同通过一个电感与直流母线的负极相连。即：二极管Dr4、二极管Dr5和二极管Dr6的阳极共同通过一个电感与直流母线的负极相连。即：二极管Dr4、二极管Dr5和二极管Dr6的阳极都与谐振电感Lr4的一端相连，Lr4的另一端接在直流母线上。
本发明的有益效果：由图4可以看出图2所示的本发明的电路采用SPWM调制能实现开关管的零电流开通和零电压关断，很好的实现了软开关功能，解决了图1所示电路中存在的问题。
在图3和图4中，开关器件在ton时刻开通，通过图3与图4中ir1、vCr1和vDr1仿真波形的比较看出，本发明的一种谐振极型三相软开关逆变电路中a相谐振可以连续进行，不会受其他相的干扰，所以a相二极管Dr1的反向电压没有尖锋，谐振电感中的电流峰值也相对较低，提高了整个电路可靠性的同时，也有利于减小损耗，提高逆变器的效率。
附图说明
图1三相公用一组谐振电感的谐振极型三相软开关逆变电路图；
图2本发明的谐振极型三相软开关逆变电路图；
图3三相公用一组谐振电感的谐振极型三相软开关逆变电路的a相的ir1、vCr1、vDr1、vS1和iS1的仿真波形图；
图4本发明的谐振极型三相软开关逆变电路的a相的ir1、vCr1、vDr1、vS1和iS1的仿真波形图；
图5三相公用一组谐振电感的谐振极型三相软开关逆变电路的谐振电感中的电流ir1和对应各相开关器件的电流iS1，iS2，iS3的仿真波形图；
图6本发明的谐振极型三相软开关逆变电路的各相谐振电感中的电流ir1，ir2，ir3和对应开关器件的电流iS1，iS2，iS3的仿真波形图；
具体实施方式：
结合附图对本发明做进一步描述：
本发明的谐振极型三相软开关逆变电路在直流母线之间串联了三个电解电容Cd1、Cd0、Cd2，二极管D1的阴极与开关器件S1的集电极相连，二极管D1的阳极与开关器件S1的发射极相连，二极管D4的阴极与开关器件S4的集电极相连，二极管D4的阳极与开关器件S4的发射极相连，开关器件S1，S4位于a相桥臂，二极管D2的阴极与开关器件S2的集电极相连，二极管D2的阳极与开关器件S2的发射极相连，二极管D5的阴极与开关器件S5的集电极相连，二极管D5的阳极与开关器件S5的发射极相连，开关器件S2，S5位于b相桥臂，二极管D3的阴极与开关器件S3的集电极相连，二极管D3的阳极与开关器件S3的发射极相连，二极管D6的阴极与开关器件S6的集电极相连，二极管D6的阳极与开关器件S6的发射极相连，开关器件S3，S6位于c相桥臂，在a相桥臂的中点与开关器件S1之间接入耦合电感L1，在a相桥臂的中点与开关器件S4之间接入耦合电感L4，耦合电感L1和L4的连接点作为a相桥臂的中点。在b相桥臂的中点与开关器件S2之间接入耦合电感L2，在a相桥臂的中点与开关器件S5之间接入耦合电感L5，耦合电感L2和L5的连接点作为b相桥臂的中点。在c相桥臂的中点与开关器件S3之间接入耦合电感L3，在c相桥臂的中点与开关器件S6之间接入耦合电感L6，耦合电感L3和L6的连接点作为c相桥臂的中点。在a相上，耦合电感Lf1与耦合电感L1、L4紧密耦合在同一铁芯上，在b相上，耦合电感Lf2与耦合电感L2、L5紧密耦合在同一铁芯上，在c相上，耦合电感Lf3与耦合电感L3、L6紧密耦合在同一铁芯上，Lf1、Lf2、Lf3的一端与电解电容Cd0的负极相连，Lf1、Lf2、Lf3的另一端分别与二极管Df1、Df2、Df3的阳极相连，Df1、Df2、Df3的阴极都与电解电容Cd0的正极相连。
谐振电容Cr1的一端接在a相桥臂的耦合电感L1与开关器件S1的连接点上，Cr1的另一端与二极管Dd1的阴极相连，Dd1的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr1的阳极接在二极管Dd1与谐振电容Cr1的连接点上，Dr1的阴极与谐振电感Lr1的一端相连，Lr1的另一端接在直流母线上。
谐振电容Cr2的一端接在b相桥臂的耦合电感L2与开关器件S2的连接点上，Cr2的另一端与二极管Dd2的阴极相连，Dd2的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr2的阳极接在二极管Dd2与谐振电容Cr2的连接点上，Dr2的阴极与谐振电感Lr2的一端相连，Lr2的另一端接在直流母线上。
谐振电容Cr3的一端接在c相桥臂的耦合电感L3与开关器件S3的连接点上，Cr3的另一端与二极管Dd3的阴极相连，Dd3的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr3的阳极接在二极管Dd3与谐振电容Cr3的连接点上，Dr3的阴极与谐振电感Lr3的一端相连，Lr3的另一端接在直流母线上。
谐振电容Cr4的一端接在a相桥臂的耦合电感L4与开关器件S4的连接点上，Cr4的另一端与二极管Dd4的阳极相连，Dd4的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr4的阴极接在二极管Dd4与谐振电容Cr4的连接点上，Dr4的阳极与谐振电感Lr4的一端相连，Lr4的另一端接在直流母线上。
谐振电容Cr5的一端接在b相桥臂的耦合电感L5与开关器件S5的连接点上，Cr5的另一端与二极管Dd5的阳极相连，Dd5的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr5的阴极接在二极管Dd5与谐振电容Cr5的连接点上，Dr5的阳极与谐振电感Lr5的一端相连，Lr5的另一端接在直流母线上。
谐振电容Cr6的一端接在c相桥臂的耦合电感L6与开关器件S6的连接点上，Cr6的另一端与二极管Dd6的阳极相连，Dd6的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr6的阴极接在二极管Dd6与谐振电容Cr6的连接点上，Dr6的阳极与谐振电感Lr6的一端相连，Lr6的另一端接在直流母线上。
如果为了减少整个电路的谐振电感个数，使三相公用一组谐振电感，电路如图1所示，三相的辅助谐振电路使用同一组谐振电感Lr1和Lr4，取a相电路中ir1、vCr1、vDr1、vS1和iS1的仿真波形进行观察，仿真波形如图3所示。可以看出电路中谐振电感的电流峰值比较大，而且与谐振电感相连的a相二极管Dr1的反向电压出现尖锋，同时a相的谐振电容Cr1的电压在二极管Dr1的反向电压出现尖峰时刻停止变化，其中二极管Dr1的反相电压尖峰将造成整个三相逆变电路的可靠性降低，所有这些不良波形，对整个三相逆变电路来说都是极其不利的：①不能实现开关管的零电流开通，不仅会增加电路的开关损耗，降低整个逆变器的效率，而且在高频情况下，将会大大降低电路的可靠性；②二极管Dr1的反相电压尖峰也会引起整个电路不能正常工作。
针对图3不良波形反映的问题，对图1所示三相逆变电路进行分析得到：所有不良波形产生的原因都是因为电路中三相公用了一组谐振电感Lr1和Lr4。当图1所示逆变电路采用SPWM调制，上半桥臂或下半桥臂的开关器件开通的间隔时间过短时，因为三相公用一组谐振电感，会出现以下问题：①S1开通时刻谐振电感Lr1中的电流可能不等于零，所以开通时刻谐振电感中的电流瞬间换流到刚开通的开关器件上，造成流过开关器件的电流有突变；②Lr1的电压极性会在上半桥臂的开关器件开通瞬间发生突变，所以S1的电压存在尖锋；③以a相为例，a相谐振结束后，谐振电感中的电流会在其他两相谐振开始时，继续增大，而不是减小，所以导致了此时谐振电感的电流峰值比较大，同时因为谐振电感的电压极性会在其他两相开关导通时突然反向，所以与谐振电感相连的二极管Dr1的反向电压会出现尖锋，而此时二极管Dr1的反向电压尖锋会导致a相谐振过程出现暂停，a相谐振电容Cr1的电压停止变化，当a相二极管Dr1反向电压尖锋消失时，谐振电容Cr1的电压继续变化，谐振继续。
总的来说，a、b、c三相公用一组谐振电感，虽然减少了整个电路的器件个数，但是却使得该电路存在一定的缺陷。而图2所示本发明的谐振极型三相软开关逆变电路，使三相各有一组谐振电感，做到每相完全独立，这样各相谐振可以连续进行，不会相互干扰，问题也就迎刃而解了。
由图4可以看出图2所示的本发明的电路采用SPWM调制能实现开关管的零电流开通和零电压关断，很好的实现了软开关功能，解决了图1所示电路中存在的问题。
在图3和图4中，开关器件在ton时刻开通，通过图3与图4中ir1、vCr1和vDr1仿真波形的比较看出，本发明的一种谐振极型三相软开关逆变电路中a相谐振可以连续进行，不会受其他相的干扰，所以a相二极管Dr1的反向电压没有尖锋，谐振电感中的电流峰值也相对较低，提高了整个电路可靠性的同时，也有利于减小损耗，提高逆变器的效率。
由图5可以看出三相公用一组谐振电感的谐振极型三相软开关逆变电路中，当c相开关器件S3零电流开通后，a相和b相开关器件S1和S2开通时，电流发生突变，这是因为开通时三相公用的谐振电感Lr1中的电流不为零。
由图6可以看出本发明的一种谐振极型三相软开关逆变电路中，当c相开关器件S3零电流开通后，a相和b相开关器件S1和S2开通时也能实现零电流开通。这是因为电路中每一相都有各自的谐振电感，三相在谐振过程中不会相互影响，可以保证在高的开关频率下，各相的开关器件开通时，对应相上的谐振电感中电流为零，可以有效地减小因为开通瞬间电流突变造成的开通损耗。

Claims (2)

1、一种谐振极型三相软开关逆变电路，其特征是在直流母线之间串联了三个电解电容Cd1、Cd0、Cd2，三个电解电容所在的支路并联三个桥臂a相桥臂、b相桥臂和c相桥臂，与a相相连的是a相桥臂，与b相相连的是b相桥臂，与c相相连的是c相桥臂；
开关器件S1，S4分别反并联二极管D1和D4，开关器件S1，S4位于a相桥臂，开关器件S2，S5分别反并联二极管D2和D5，开关器件S2，S5位于b相桥臂，开关器件S3，S6分别反并联二极管D3和D6，开关器件S3，S6位于c相桥臂，在a相桥臂的中点与开关器件S1之间接入耦合电感L1，在a相桥臂的中点与开关器件S4之间接入耦合电感L4，耦合电感L1和L4的连接点作为a相桥臂的中点；在b相桥臂的中点与开关器件S2之间接入耦合电感L2，在a相桥臂的中点与开关器件S5之间接入耦合电感L5，耦合电感L2和L5的连接点作为b相桥臂的中点；在c相桥臂的中点与开关器件S3之间接入耦合电感L3，在c相桥臂的中点与开关器件S6之间接入耦合电感L6，耦合电感L3和L6的连接点作为c相桥臂的中点；在a相上，耦合电感Lf1与耦合电感L1、L4紧密耦合在同一铁芯上，在b相上，耦合电感Lf2与耦合电感L2、L5紧密耦合在同一铁芯上，在c相上，耦合电感Lf3与耦合电感L3、L6紧密耦合在同一铁芯上，Lf1、Lf2、Lf3的一端都与电解电容Cd0的负极相连，Lf1、Lf2、Lf3的另一端分别与二极管Df1、Df2、Df3的阳极相连，Df1、Df2、Df3的阴极都与电解电容Cd0的正极相连；
谐振电容Cr1的一端接在a相桥臂的耦合电感L1与开关器件S1的连接点上，Gr1的另一端与二极管Dd1的阴极相连，Dd1的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr1的阳极接在二极管Dd1与谐振电容Gr1的连接点上，Dr1的阴极与谐振电感Lr1的一端相连，Lr1的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr2的一端接在b相桥臂的耦合电感L2与开关器件S2的连接点上，Cr2的另一端与二极管Dd2的阴极相连，Dd2的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr2的阳极接在二极管Dd2与谐振电容Cr2的连接点上，Dr2的阴极与谐振电感Lr2的一端相连，Lr2的另一端接在直流母线上；
谐振电容Gr3的一端接在c相桥臂的耦合电感L3与开关器件S3的连接点上，Cr3的另一端与二极管Dd3的阴极相连，Dd3的阳极与电解电容Cd0的正极相连，二极管Dr3的阳极接在二极管Dd3与谐振电容Cr3的连接点上，Dr3的阴极与谐振电感Lr3的一端相连，Lr3的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr4的一端接在a相桥臂的耦合电感L4与开关器件S4的连接点上，Cr4的另一端与二极管Dd4的阳极相连，Dd4的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr4的阴极接在二极管Dd4与谐振电容Cr4的连接点上，Dr4的阳极与谐振电感Lr4的一端相连，Lr4的另一端接在直流母线上；
谐振电容Gr5的一端接在b相桥臂的耦合电感L5与开关器件S5的连接点上，Cr5的另一端与二极管Dd5的阳极相连，Dd5的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr5的阴极接在二极管Dd5与谐振电容Gr5的连接点上，Dr5的阳极与谐振电感Lr5的一端相连，Lr5的另一端接在直流母线上；
谐振电容Cr6的一端接在c相桥臂的耦合电感L6与开关器件S6的连接点上，Gr6的另一端与二极管Dd6的阳极相连，Dd6的阴极与电解电容Cd0的负极相连，二极管Dr6的阴极接在二极管Dd6与谐振电容Cr6的连接点上，Dr6的阳极与谐振电感Lr6的一端相连，Lr6的另一端接在直流母线上。
2、一种如权利要求1所述的谐振极型三相软开关逆变电路，其特征在于二极管Dr1、二极管Dr2和二极管Dr3的阴极都与谐振电感Lr1的一端相连，Lr1的另一端接在直流母线上，二极管Dr4、二极管Dr5和二极管Dr6的阳极都与谐振电感Lr4的一端相连，Lr4的另一端接在直流母线上。
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