CN102594191A - 使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，包括直流侧的两个串联的电容、及与该两个串联的电容相连的主电路，在主电路上连接有辅助开关电路，其特征在于：所述主电路包括依次串联连接的开关管T1、T2、T3、T4及与该开关管分别反并联的二极管D1、D2、D3、D4；所述开关管T1、T2及T3、T4之间并联连接有两个串联的开关管Tp、Tn，与该两开关管分别反并联有二极管Dp和Dn；所述辅助开关电路包括分别并联连接于开关管T2、T3上的两个谐振电容、连接于开关管T1、T2输出端的耦合电感以及并联在主电路二极管Dp和Dn输出端的辅助开关电路。该开关变流器具有结构以及控制简单、易于模块化设计、可靠性更高，更易于实用化等优点。

Description

使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器

技术领域

本发明所涉及的是一种电能变换装置，具体地说是使用耦合电感的有源中点电压钳位三电平零电压软开关变流器。

背景技术

近年来随着可持续发展战略的实施和节能减排工程的推进，以逆变器(将直流电变换为交流电的装置)和整流器(将交流电变换为直流电的装置)为主要代表的三相和单相电力电子变流器得到了人们越来越多的重视和广泛应用。在电力电子变流器的典型应用场合如不间断电源、电机的变频驱动器以及风能、太阳能等新能源发电等中对电力电子变流器的性能提出了许多的要求，如高运行效率、高功率密度、低输出谐波、低电磁干扰等。目前电力电子变流器大多都采用“硬开关”的PWM技术，电力电子功率开关器件需要在高电压大电流下开关动作，每次开通与关断过程中其承受的电压与流过的电流会出现相乘不为零的重叠部分，因而产生开关损耗，电力电子功率开关器件的开关损耗又可以细分为开关管的开通损耗、开关管的关断损耗以及二极管的反向恢复损耗。随着开关频率的提高，开关损耗会急剧增加，系统效率会急剧下降，如果开关损耗过大还会导致电力电子开关器件结温过高以至损坏器件，而过低的开关频率带来输出谐波大、动态响应慢、功率密度低等问题。因此开关损耗限制了变流器开关频率的提高和性能的改善，如果采用无源缓冲电路只是把开关损耗转移到电阻电容上，系统的效率仍然不高。硬开关过程不仅产生开关损耗，还会引起很大的电流变化率，在开关器件关断时在器件上产生很大的电压尖峰，为了保证安全，开关器件需要降额使用。此外硬开关还产生高频的电磁干扰，影响周围电子设备的正常运行。于是人们研究提出了采用“软开关”技术来解决上面的问题，所谓“软开关”是利用了谐振的原理，在电压或者电流谐振过零的时刻执行开关动作，从而大大减少开关损耗。

使用耦合电感的零电压软开关技术是一种新型的软开关技术，其基本的思想是在主开关开通过程中，通过辅助开关器件触发耦合电感与主开关管的并联电容的谐振，使得主开关管的电压谐振到零以后再开通，从而实现主开关器件的零电压开通，消除了开通损耗。在关断过程中，则通过主开关并联电容的作用，减缓主开关的电压变化速度，使得其电流先降为零电压才上升，从而减少电压电流的重叠部分实现关断损耗的减少。

多电平的变流器与两电平变流器相比有许多优点，从上个世纪80年代以来一直是研究的热点之一。目前二极管中点电压钳位三电平变流器应用比较广泛，在市场中占有较大的份额，其三相逆变器电路见图1，其主要的优点有：其开关器件只承受一半的直流电压应力，因而可以选择电压等级较低的开关器件；其输出的等效开关频率是器件实际开关频率的两倍，因而减少了滤波器的体积和重量，提高了系统的功率密度；其电压电流的变化率也为两电平的一半，因而电磁干扰问题有所缓解。

如何进一步减少中点电压钳位三电平变流器的损耗提高其性能是人们研究比较多的一个问题。已有技术[1]，见IEEE Transaction on industrialelectronics杂志2005年第52卷第三期刊登的”The Active NPC Converter andIts Loss-balancing Control”一文(作者Thomas Brückner等)，该技术采用有源的电力电子开关替换无源的二极管作为中点电压钳位的器件，其三相逆变电路见图2。采用有源中点电压钳位的三电平变流器具有以下特点：无论输出相电流的方向，其输出零电平的开关状态由一种增加到两种，这两种零电平开关状态会在不同的开关管和二极管上产生开关损耗，所以通过选择合理分配这两种零电平的开关状态，可以将损耗平均地分布在内侧和外侧的开关器件上，克服了采用二极管钳位中点电压钳位三电平变流器损耗分布不平均的问题，减少了外侧开关管上的热应力，从而可以提高了开关频率和系统性能。但该技术只是把损耗均匀地分布在不同的开关器件上，并没有减少变流器总的开关损耗，系统的效率并没有提高。

已有技术[2]，见IEEE Transactions on Industry Electronics杂志2002年第49卷第4期刊登的“Zero-voltage switching for theneutral-point-clamped(NPC)inverter”一文(作者Xiaoming Yuan等)，该逆变器原理图见图3。该技术在公知的二极管中点电压钳位三电平变流器的每相桥臂中加入一组零电压软开关辅助电路，该辅助电路只在输出电平转换时工作，在主开关开通前将其电压谐振到零，使得主开关管在零电压条件下开通，从而减少了主开关管的开关损耗。该拓扑的优点是主开关器件的损耗得到很大的减少，同时所有辅助开关管也是零电流开关，且辅助开关器件的容量远小于主开关器件。但该技术的缺点是辅助电路太复杂，每组辅助电路包含4个辅助开关器件、4个辅助二极管、4个谐振电容、一个三绕组的耦合电感，且控制非常复杂。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明提供了一种新型的基于使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，该有源钳位三电平零电压软开关变流器具有结构以及控制简单、易于模块化设计、可靠性更高，更易于实用化等优点。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，包括直流侧的两个串联的电容、及与该两个串联的电容相连的主电路，在主电路上连接有辅助电路，其特征在于：所述主电路包括依次串联连接的开关管T1、T2、T3、T4及与该开关管分别反并联的二极管D1、D2、D3、D4；所述开关管T1、T2及T3、T4之间并联连接有两个串联的开关管Tp、Tn，与该两开关管分别反并联有二极管Dp和Dn；

所述辅助电路包括分别并联连接于开关管T2、T3上的两个谐振电容、连接于开关管T1、T2输出端的耦合电感5以及并联在主电路二极管Dp和Dn输出端的辅助开关电路。

本发明的进一步特征在于：

所述开关管Tp的集电极与开关管T1、T2的连接点C相连，开关管Tn的发射集与开关管T3、T4的连接点D相连。

所述直流侧的两个串联的电容分别设正电平点P、零电平点O和负电平点N，开关管T1的集电极与直流侧的正电平点P相连接，开关管T4的发射极与直流侧的负电平点N相连接，开关管Tp、Tn的连接点与零电平O相连。

所述两个谐振电容分别为辅助谐振电容C2和C3，该辅助谐振电容C2和C3分别与反并联于开关管T2和T3端的二极管D2、D3并联，并与开关管T2和T3相并联。

所述辅助开关电路包括两相互串联连接的开关管Ta1、Ta2，以及与该开关管Ta1、Ta2分别反并联的二极管Da1、Da2，在开关管Ta1、Ta2之间还反并联有二极管Da3、Da4；所述辅助开关电路的一端E与开关管T1、T2的连接点C连接，另一端F与开关管T3、T4的连接点D连接。

所述耦合电感为耦合电感Tx，其包括有一个原边绕组Np，一个副边绕组Ns，两绕组的一对异名端H相短接与开关管T2和T3连接点A连接，另一对异名端分别与Ta1、Ta2的连接点B和Da3、Da4的连接点G连接。耦合电感Tx可以等效为由原边绕组Np和副边绕组Ns构成的理想变压器，其中：Lm是变压器等效励磁电感，Lr是等效谐振电感，Lr在电路工作中起到非常重要的作用。

所述开关管为IGCT、IGBT、MOSFET或GTO半导体功率开关器件。

所述使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器应用于单相逆变器电路、单相整流器电路、三相逆变器电路、三相整流器电路以及五相、六相整流逆变器多相电路中。

本发明的三电平零电压软开关电路在有源中点电压钳位三电平电路的基础上，每相桥臂增加了一组的零电压软开关辅助电路。每组辅助开关电路仅包括2个辅助开关器件、2个辅助二极管，2个谐振电容，一个两绕组耦合电感。比已有技术[2]相比每相的辅助电路节省了2个辅助开关器件，2个辅助二极管，2个谐振电容和一个耦合电感绕组。此外本发明的该电路保持了已有技术[2]中零电压软开关技术的优点，可以实现所有输出电平转换过程中所有主开关管的零电压开通，大大减少了主开关管上的开关损耗，此外辅助电路中的辅助开关器件也实现了零电流开关且其容量远小于主开关器件。本发明主电路的每个三电平桥臂可以采用三个两电平的半桥开关模块来构成，而辅助开关器件也可以用一个半桥开关模块和一个二极管半桥模块实现。因此本发明公开的该有源钳位三电平零电压软开关电路具有性能优良，结构以及控制简单、易于模块化设计、可靠性更高，易于实用化等优点。

附图说明

图1是公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路。

图2是已有技术[1]的有源中点电压钳位三电平三相逆变器电路。

图3是已有技术[2]的二极管中点电压钳位三电平零电压软开关单相电路。

图4是本发明的有源中点电压钳位三电平零电压软开关变流器单相桥臂电路。

图5是本发明中耦合电感的等效电路图。

图6是本发明的有源中点电压钳位三电平零电压软开关单相逆变器电路。

图7是本发明的有源中点电压钳位三电平零电压软开关单相整流器电路。

图8是本发明的有源中点电压钳位三电平零电电压软开关三相逆变器电路。

图9是本发明的有源中点电压钳位三电平零电电压软开关三相整流器电路。

图10(a)是本发明电路在输出相电压的正半周输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号。

图10(b)是本发明电路在输出相电压的正半周输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号。

图11(a)是本发明电路在输出相电压的负半周输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号。

图11(b)是本发明电路在输出相电压的负半周输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号。

图12为本发明电路在输出相电压的正半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间转换的零电压软开关波形。

图13(a)～图13(f)为本发明电路在输出相电压正半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间零电压开关过程中的各个电路状态。

图14为本发明电路在输出相电压的正半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间转换的零电压软开关波形。

图15(a)～图15(f)为本发明电路在输出相电压正半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间零电压开关过程中的各个电路状态。

图16为本发明电路在输出相电压的负半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间转换的零电压软开关波形。

图17(a)～图17(f)为本发明电路在输出相电压负半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间零电压开关过程中的各个电路状态。

图18为本发明电路在输出相电压的负半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间转换的零电压软开关波形。

图19(a)～图19(f)为本发明电路在输出相电压负半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间零电压开通过程中的各个电路状态。

具体实施方式

如图4所示，使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，包括直流侧的两个串联的电容1、及与该两个串联的电容1相连的主电路2，在主电路2上连接有辅助电路，其中：主电路2包括依次串联连接的开关管T1、T2、T3、T4及与该开关管分别反并联的二极管D1、D2、D3、D4；开关管T1、T2及T3、T4之间并联连接有两个串联的开关管Tp、Tn，与该两开关管分别反并联有二极管Dp和Dn；开关管Tp的集电极与开关管T1、T2的连接点C相连，开关管Tn的发射集与开关管T3、T4的连接点D相连。

辅助电路包括分别并联连接于开关管T2、T3上的两个谐振电容6、连接于开关管T1、T2输出端的耦合电感5以及并联在主电路2二极管Dp和Dn输出端的辅助开关电路4。

主电路2中，直流侧由两个串联的电容1分别设正电平点P、零电平点O和负电平点N，开关管T1的集电极与直流侧的正电平点P相连接，开关管T4的发射极与直流侧的负电平点N相连接，开关管Tp、Tn的连接点与零电平O相连。

辅助电路中，两个谐振电容6分别为辅助谐振电容C2和C3，该辅助谐振电容C2和C3分别与反并联于开关管T2和T3端的二极管D2、D3并联，并与开关管T2和T3相并联。

辅助电路中，辅助开关电路4包括两相互串联连接的开关管Ta1、Ta2，以及与该开关管Ta1、Ta2分别反并联的二极管Da1、Da2，在开关管Ta1、Ta2之间还反并联有二极管Da3、Da4；所述辅助开关电路4的一端E与开关管T1、T2的连接点C连接，另一端F与开关管T3、T4的连接点D连接。

辅助电路中，耦合电感5为耦合电感Tx，其包括有一个原边绕组Np，和一个Ns副边绕组，其谐振电感大小为Lr，该谐振电感可为变压器漏感也可以是变压器漏感和外加串联电感之和，两绕组的一对异名端H相短接与开关管T2和T3连接点A连接，另一对异名端分别与Ta1、Ta2的连接点B和Da3、Da4的连接点G连接。

所述耦合电感为Tx，其等效电路图见图5，该等效电路包含一个原边绕组为Np，副边绕组为Ns的理想变压器，变压器励磁电感Lm和谐振电感Lr。励磁电感Lm中的励磁电流很小，对电路的工作过程影响不大，因此在分析工作原理时可以忽略励磁电感；而谐振电感Lr在电路工作中起到非常重要的作用，该电感可以为变压器的漏感也可为变压器漏感与外加串联电感之和。

如图6和图7所示，为本发明的单相全桥逆变器与整流器电路，使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关电路可以应用于单相逆全桥变器电路及单相整流器电路中；图8、图9为本发明的三相逆变器和三相整流器电路。使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关电路除了在单相和三相电路中应用外，也可以扩展到五相六相等更多相整流、逆变电路中。

如图6，7，8，9所示为本电路在单相、三相整流及逆变器中的应用，图中用字母Q标识开关管及其反并联二极管。图6、图7、图8、图9中，Q_A1-Q_A6、Q_B1-Q_B6、Q_C1-Q_C6等效于图4中T1-T4、Tp、Tn，D_AX1-D_AX2、D_BX1-D_BX2、D_CX1-D_CX2等效于图4中D_DA3-D_DA4，Q_AX1-Q_AX2、Q_BX1-Q_BX2、Q_CX1-Q_CX2等效于图4中D_A3-D_A4，T_AX、T_BX、T_CX等效于图4中T_X。

无论是单相还是三相应用中每个桥臂的辅助电路都是独立工作，可以通过对一个桥臂的分析来说明本发明电路的特点及其工作原理，图4所示为本发明单个桥臂的电路原理图。

如图4所示，与已有技术[2]不同，本发明电路的特征在于：第一、本发明的主电路不同，本发明的主电路2包含了依次串联连接的开关管T1、T2、T3、T4及其反并联的二极管D1、D2、D3、D4，此外还包括起中点电压钳位作用的两个串联开关管Tp、Tn及其反并联二极管Dp和Dn，Tp的集电极与T1、T2的连接点C相连，Tn的发射集与T3、T4的连接点D相连。直流侧由两个串联的电容1提供正电平点P、零电平点O和负电平点N，T1的集电极与直流侧的正电平点P相连接，T4的发射极与直流侧的负电平点N相连接，Tp、Tn的连接点与零电平O相连。第二、本发明采用的辅助电路不同，每个桥臂的辅助电路由一个辅助开关电路4、一个耦合电感5和两个谐振电容6组成，而每个辅助开关电路包括两个串联连接的辅助开关管Ta1和Ta2及其反并联二极管Da1和Da2，以及串联连接的辅助二极管Da3和Da4，Da3与Da4串联后的两端又与Ta1和Ta2的两端相连。耦合电感Tx有两个绕组，Np为原边绕组，Ns为副边绕组，两绕组的一对异名端相短接，另一对异名端分别与Ta1、Ta2的连接点B和Da3、Da4的连接点G连接。第三、辅助电路与主电路的连接不相同。辅助开关电路的一端E与开关管T1、T2的连接点C连接，另一端F与开关管T3、T4的连接点D连接，辅助谐振电容C2和C3分别与开关管T2和T3并联，耦合电感相短接的异名端H与开关管T2、T3的连接点A连接。A点为桥臂输出节点，连接负载或者电网，由于负载多为感性负载，并网应用中变流器多被控制成电流源，所以图4中用一个正弦的电流源3来代替负载和电网。

由于逆变器与整流器工作时变流器主电路都是相同的，以下以逆变器为对象分析本发明电路的工作原理，其分析同样适用于整流器。因每相桥臂的辅助电路是独立工作的，可以以一相桥臂为例说明输出电平转换过程中电路工作的各个状态。

如图4所示为本发明的有源中点电压钳位三电平零电压软开关逆变器一个桥臂的电路图，其中T1，T2，T3，T4，Tp，Tn是主电路桥臂的开关管，D1，D2，D3，D4，Dp，Dn为相应开关管的反并联二极管；Ta1，Ta2为辅助电路的辅助开关管，Da1和Da2为相应辅助开关管的反并联二极管；Da3和Da4为辅助电路的辅助二极管；Tx为耦合电感，其原边匝数为Np，副边匝数为Ns，谐振电感为Lr；C2和C3为并联在主开关管T2和T3旁的谐振电容，在T2或T3关断过程中起到减缓T2和T3的电压变化率减少开关管的关断损耗的作用，而在T2或T3的开通过程中这两个电容与谐振电感Lr谐振，实现开关管的零电压开通。

根据中点电压钳位三电平逆变器的PWM调制原理，当输出相电压为正半周期时，逆变桥的输出电平在正电平与零电平之间转换；当输出相电压负半周期时，逆变桥的输出电平在负电平与零电平之间转换。两类转换需要开通关断的开关器件是不同的：

1、输出电平在正电平与零电平转换。当有源中点电压钳位三电平零电压软开关逆变桥输出正电平时，主开关管T1、T2、Tn开通，主开关管T3、T4、Tp关断；当输出零电平时，主开关管T1、T3和Tn开通，主开关管T2、T4、Tp关断。输出电平在零电平与正电平之间转换过程中，当输出相电流为正时(流出逆变桥臂)开关损耗出现在T2、D3，当输出相电流为负(流入逆变桥臂)时开关损耗出现在T3、D2。

2、输出电平在负电平与零电平转换。当有源中点电压钳位三电平零电压软开关逆变桥输出负电平时，主开关管T3、T4、Tp开通，主开关管T1、T2、Tn关断；当输出零电平时，主开关管T2、T4和Tp开通，主开关管T1、T3、Tn关断。输出电平在零电平与负电平之间转换过程中，当输出相电流为正时(流出逆变桥臂)开关损耗出现在T2、D3，当输出相电流为负(流入逆变桥臂)时开关损耗出现在T3、D2，因而输出负电平与零电平转换过程中开关损耗只出现在T2、T3两个开关管及其反并联二极管D2、D3上。

可见对于有源中点电压钳位三电平逆变器按以上所述选择开通关断的开关器件，就可以使得不论是输出电平在零电平和正电平之间转换还是零电平和负电平之间转换，开关损耗都只出现在主开关管T2、T3及其反并联二极管D2、D3上。

为了减少T2、T3、D2、D3的开关损耗，本发明软开关电路通过对辅助开关管Ta1和Ta2的控制来协助主开关管实现零电压开通。当输出相电压正半周输且出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号见图10(a)；当输出相电压正半周且输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号见图10(b)。当输出相电压负半周且输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号见图11(a)；当输出相电压负半周且输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号见图11(b)。可见本发明电路的控制方法中当输出相电流为正时是辅助开关管Ta1协助主开关管T2开通和主二极管D3关断；而当输出相电流为负时，由辅助开关管Ta2协助主开关T3开通和主二极管D2关断。

以下分别对输出相电压正半周而输出电流为正和为负以及输出相电压负半周而输出相电流为正和为负四种情况进行分析。由于一个PWM开关周期与逆变器的输出相电压周期相比很小，而接感性负载和接电网时逆变器的输出是一个电流源的特性，所以为了分析方便可以认为在一个PWM开关周期中输出相电流是恒定不变的一个值。

1、输出相电压正半周

(1)输出相电流为正时

当输出相电流大于零即流出逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管分别是T2和D3。图12所示为一个PWM开关周期中，辅助开关管协助主开关管T2零电压开通过程各开关管驱动信号以及主开关管电压电流等波形。根据时间顺序可以将一个PWM开关周期的整个过程分为六个不同的电路状态，见图13。

1)t0～t1时间段电路状态见图13(a)。桥臂输出零电平，在t0时刻关断主开关管T3，由于T2和T3之间有一段死区时间(上下开关管都处关断状态)此时T2还未开通，相电流继续通过Tn、D3续流，T3上不产生关断损耗。

2)t1～t2时间段电路状态见图13(b)。在t1时刻辅助开关管Ta1开通，由于开关管T1是开通状态，耦合电感的原边绕组开始承受上半直流电压，电压极性为右正左负，其原边电流通过Ta1和T1开始由零线性增加，其增速率正比于上半直流电压，反比于原边的谐振电感值，同时耦合电感的副边电流通过Da4和D3流通，其大小为原边电流除以原副边匝比。原副边电流共同流入桥臂的中点。

3)t2～t3时间段电路状态见图13(c)。在t2时刻原副边电流之和等于桥臂流出的电流，二极管D3电流减少为零实现自然关断，没有反向恢复损耗。t2时刻之后原副边电流之和开始大于桥臂流出电流，谐振电感开始与谐振电容C3和C2谐振。随着C3被充电，T3的电压开始上升，随着C2被放电，T2的电压开始下降。

4)t3～t4时间段电路状态见图13(d)。在t3时刻C3的电压被充电到一半直流电压，而C2的电压被放电到使得T2的反并连二极管D2开始导通。此时开通T2实现了零电压开通。D2导通后谐振过程结束，耦合电感的原边通过D2、Ta3短接，副边承受一半的直流侧电压，电压极性为左正右负，因此副边电流开始线性减少，同时原边电流成比例减少。

5)t4～t5时间段电路状态见图13(e)。在t4时刻原边和副边电流之和减少到等于桥臂流出电流，二极管D2电流降为零自然关断，此后开关管T2开始导通电流，随着T2电流增加耦合电感的电流继续减少。

6)t5以后时间段电路状态见图13(f)。在t5时刻耦合电感电流降为零，全部的桥臂流出电流通过T2流通。t5时刻后辅助开关管Ta1零电流关断，辅助电路停止工作，等待下个开关周期。

(2)输出相电流为负时

输出相电流小于零，即输出相电流流入逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管是T3和D2。图14所示为一个PWM开关周期中辅助开关管协助主开关管T3开通关断过程实现零电压开通的各驱动信号以及谐振支路电压电流波形。根据时间顺序也可以将一个PWM开关周期的整个过程也分为六个不同的电路状态，见图15。

1)t0～t1时间段电路状态见图15(a)。桥臂输出正电平，在t0时刻关断主开关管T2，由于T2和T3之间有一段死区时间(上下开关管都处关断状态)此时T3还未开通，相电流继续通过D1、D2续流，T2上不产生关断损耗。

2)t1～t2时间段电路状态见图15(b)。在t1时刻辅助开关管Ta2开通，耦合电感的原边绕组开始承受上半直流电压，电压极性为左正右负，其原边电流通过Ta2和Dn开始由零线性增加，其增速率正比于上半直流电压，反比于原边的谐振电感值，同时耦合电感的副边电流通过Da3和D2流通，其大小为原边电流除以原副边匝比。原副边电流共同流出桥臂的中点。

3)t2～t3时间段电路状态见图15(c)。在t2时刻原副边电流之和等于桥臂流入的电流，二极管D2电流减少为零实现自然关断，没有反向恢复损耗。t2时刻之后原副边电流之和开始大于桥臂流出电流，谐振电感开始与谐振电容C2和C3谐振。随着C2被充电，T2的电压开始上升，随着C3被放电，T3的电压开始下降。

4)t3～t4时间段电路状态见图15(d)。在t3时刻C2的电压被充电到一半直流电压，而C3的电压被放电到使得T3的反并连二极管D3开始导通。此时开通T3实现了零电压开通。D3导通后谐振过程结束，耦合电感的原边通过D3、Ta2短接，副边承受一半的直流侧电压，电压极性为右正左负，因此副边电流开始线性减少，同时原边电流成比例减少。

5)t4～t5时间段电路状态见图15(e)。在t4时刻原边和副边电流之和减少到等于桥臂流入电流，二极管D3电流降为零自然关断，此后开关管T3开始导通电流，随着T3电流增加耦合电感的电流继续减少。

6)t5以后时间段电路状态见图15(f)。在t5时刻耦合电感电流降为零，全部的桥臂流出电流通过T3流通。t5时刻后辅助开关管Ta2零电流关断，辅助电路停止工作，等待下个开关周期。

2、输出相电压负半周

(1)输出相电流为正时

当输出相电流大于零即流出逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管分别是T2和D3。图16所示为一个PWM开关周期中，辅助开关管协助主开关管T2实现零电压开通过程各开关管的驱动信号及电压电流波形。与输出电压正半周相对称，根据时间顺序可以将一个PWM开关周期的整个过程分为六个不同的电路状态，见图17。

1)t0～t1时间段电路状态见图17(a)。这段时间桥臂输出负电平，在t0时刻关断主开关管T3，由于T2和T3之间有一段死区时间(上下开关管都处关断状态)此时T2还未开通，相电流继续通过D3、D4续流，T3是零电压条件关断不产生关断损耗。

2)t1～t2时间段电路状态见图17(b)。在t1时刻辅助开关管Ta1开通，耦合电感的原边绕组开始承受下半直流电压，电压极性为左负右正，其原边电流通过Ta1和Tp由零开始线性增加，其增速率正比于下半直流电压，反比于原边的谐振电感值，同时耦合电感的副边电流通过Da4和D3流通，其大小为原边电流除以原副边匝比。原副边电流共同流入桥臂的中点。

3)t2～t3时间段电路状态见图17(c)。在t2时刻原副边电流之和等于桥臂流出的电流，二极管D3电流减少为零实现自然关断，没有反向恢复损耗。t2时刻之后原副边电流之和开始大于桥臂流出电流，谐振电感开始与谐振电容C3和C2谐振。随着C3被充电，T3的电压开始上升，随着C2被放电，T3的电压开始下降。

4)t3～t4时间段电路状态见图17(d)。在t3时刻C3的电压被充电到一半直流电压，而C2的电压被放电到使得T2的反并连二极管D2开始导通。此时开通T2实现了零电压开通。D2导通后谐振过程结束，耦合电感的原边通过D2、Ta1短接，副边承受一半的直流侧电压，电压极性为左正右负，因此副边电流开始线性减少，同时原边电流成比例减少。

5)t4～t5时间段电路状态见图17(e)。在t4时刻原边和副边电流之和减少到等于桥臂流出电流，二极管D2电流降为零自然关断，此后开关管T2开始导通电流，随着T2电流增加耦合电感的电流继续减少。

6)t5以后时间段电路状态见图17(f)。在t5时刻耦合电感电流降为零，全部的桥臂流出电流通过T2流通。t5时刻后辅助开关管Ta1零电流关断，辅助电路停止工作，等待下个开关周期。

(2)输出相电流为负时

输出相电流小于零，即输出相电流流入逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管是T3和D2。图18所示为一个PWM开关周期中辅助开关管协助主开关管T3实现零电压开通过程各开关管驱动信号及电压电流波形。同样根据时间顺序也可以将一个PWM开关周期的整个过程分为六个不同的电路状态，见图19。

1)t0～t1时间段电路状态见图19(a)。这段时间桥臂输出零电平，在t0时刻关断主开关管T2，由于T2和T3之间有一段死区时间(上下开关管都处关断状态)此时T3还未开通，相电流继续通过Tp、D2续流，T2是零电压条件关断不产生关断损耗。

2)t1～t2时间段电路状态见图19(b)。在t1时刻辅助开关管Ta2开通，耦合电感的原边绕组开始承受下半直流电压，电压极性为左正右负，其原边电流通过Ta2和T4由零开始线性增加，其增速率正比于下半直流电压，反比于原边的谐振电感值，同时耦合电感的副边电流通过Da3和D2流通，其大小为原边电流除以原副边匝比。原副边电流共同流出桥臂的中点。

3)t2～t3时间段电路状态见图19(c)。在t2时刻原副边电流之和等于桥臂流入的电流，二极管D2电流减少为零实现自然关断，没有反向恢复损耗。t2时刻之后原副边电流之和开始大于桥臂流入电流，此大于部分的电流开始分别对谐振电容C2和C3进行充放电。随着C2被充电，T2的电压开始上升，随着C3被放电，T3的电压开始下降。

4)t3～t4时间段电路状态见图19(d)。在t3时刻C2的电压被充电到一半直流电压，而C3的电压被放电到使得T3的反并连二极管D3开始导通。此时开通T3实现了零电压开通。D3导通后谐振过程结束，耦合电感的原边通过D3、Ta2短接，副边承受一半的直流侧电压，电压极性为右正左负，因此副边电流开始线性减少，同时原边电流成比例减少。

5)t4～t5时间段电路状态见图19(e)。在t4时刻原边和副边电流之和减少到等于桥臂流入电流，二极管D3电流降为零自然关断，此后开关管T3开始导通电流，随着T3电流增加耦合电感的电流继续减少。

6)t5以后时间段电路状态见图19(f)。在t5时刻耦合电感电流降为零，全部的桥臂流出电流通过T3流通。t5时刻后辅助开关管Ta2零电流关断，辅助电路停止工作，等待下个开关周期。

Claims (8)

1.一种使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，包括直流侧的两个串联的电容、及与该两个串联的电容相连的主电路，在主电路上连接有辅助开关电路，其特征在于：所述主电路包括依次串联连接的开关管T1、T2、T3、T4及与该开关管分别反并联的二极管D1、D2、D3、D4；所述开关管T1、T2及T3、T4之间并联连接有两个串联的开关管Tp、Tn，与该两开关管分别反并联有二极管Dp和Dn；

所述辅助开关电路包括分别并联连接于开关管T2、T3上的两个谐振电容、连接于开关管T1、T2输出端的耦合电感以及并联在主电路二极管Dp和Dn输出端的辅助开关电路。

2.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述开关管Tp的集电极与开关管T1、T2的连接点C相连，开关管Tn的发射集与开关管T3、T4的连接点D相连。

3.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述直流侧的两个串联的电容分别设正电平点P、零电平点O和负电平点N，开关管T1的集电极与直流侧的正电平点P相连接，开关管T4的发射极与直流侧的负电平点N相连接，开关管Tp、Tn的连接点与零电平O相连。

4.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述两个谐振电容分别为辅助谐振电容C2和C3，该辅助谐振电容C2和C3分别与反并联于开关管T2和T3端的二极管D2、D3并联，并与开关管T2和T3相并联。

5.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述辅助开关电路包括两相互串联连接的开关管Ta1、Ta2，以及与该开关管Ta1、Ta2分别反并联的二极管Da1、Da2，在开关管Ta1、Ta2之间还反并联有二极管Da3、Da4；所述辅助开关电路的一端E与开关管T1、T2的连接点C连接，另一端F与开关管T3、T4的连接点D连接。

6.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述耦合电感为耦合电感Tx，其包括有一个原边绕组Np，一个副边绕组Ns，两绕组的一对异名端H相短接与开关管T2和T3连接点A连接，另一对异名端分别与Ta1、Ta2的连接点B和Da3、Da4的连接点G连接。

7.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述开关管为IGCT、IGBT、MOSFET或GTO半导体功率开关器件。

8.根据权利要求1所述的使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器，其特征在于：所述使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器应用于单相逆变器电路、单相整流器电路、三相逆变器电路、三相整流器电路以及五相和六相整流逆变器多相电路中。

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