CN103701356A - 一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器 - Google Patents

Abstract

一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路；三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别与直流电源并联连接；各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管至第八辅助二极管；本发明每个辅助开关管分别与各自的辅助谐振电容并联连接，使得辅助开关管关断后，其两端电压从零上升，实现零电压关断；在配线过程中存在寄生电感或寄生电容情况下，主、辅助开关管依然可以实现零电压关断。

Description

一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器

技术领域

 本发明属于电力电子技术领域，特别涉及一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器。

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。由于现代电力电子装置愈来愈趋向小型化和轻量化，因此开关频率需要大大提高。随着开关频率的提高，在硬开关电力变换电路中，会出现开关损耗大、电磁干扰严重、可靠性低等问题，软开关技术的出现解决了这一系列问题。随着软开关技术的发展，软开关逆变器得到了广泛的应用。在众多软开关逆变拓扑中，辅助谐振极型逆变器没有增加功率开关器件的电压和电流应力，更适用于大功率场合，因此受到国内外研究人员的普遍关注。

较早提出的有源辅助谐振变换极型逆变器具有两个很大的电解质电容，并且需要单独的检测电路和逻辑控制电路。随后出现的改进的辅助谐振变换极型逆变器，如变压器辅助逆变器、耦合电感逆变器、三角形或星形谐振吸收逆变器等，要么需要复杂的耦合电感或变压器及相应的磁通复位电路，要么三相谐振电路之间相互耦合，主电路与控制策略都很复杂。

《中国电机工程学报》2013年第33卷第12期公开了“辅助谐振极逆变器缓冲回路能耗最小化改进控制策略”，该逆变器的拓扑结构如图1所示（为叙述方便，以下称该拓扑结构为原拓扑），该辅助谐振极逆变器在三相电路的每一相均设置一套辅助换流电路，使得三相辅助电路相互独立，易于应用各种控制策略。每一相辅助电路由2个主谐振电容、2个辅助谐振电容、2个辅助谐振电感、2个辅助开关管以及4个辅助二极管组成，在换流过程中通过合理控制辅助开关，使一部分能量暂时存储在辅助电感或辅助电容中，随后回馈给直流电源或直接释放给负载，从而实现了开关器件的软开关，这样电能的利用率得到显著的提高。但该辅助谐振极逆变器仍然存在不足：在实际应用中，配线过程引入的寄生参数是不可避免的，然而该逆变器的辅助开关管没有与辅助电容直接并联，这样，辅助开关管的关断过程必然会受到影响，不能实现可靠的零电压关断。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器。

本发明的技术方案是：

一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路；

所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路、B相主逆变电路和C主相逆变电路，三相主逆变电路分别与直流电源并联连接；各相主逆变电路包括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管；第一主开关管的发射极连接第二主开关管集电极，且第一主开关管和第二主开关管分别反并联一个二极管；

所述三相双辅助谐振换流电路中，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管；

第一主谐振电容的负极连接第二主谐振电容的正极，第一主谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二主谐振电容的负极连接第二辅助开关管的发射极，第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点；

第一辅助谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第一辅助谐振电容的正极还接在直流母线正极上，第一辅助谐振电容的负极连接第三辅助二极管的阴极，第三辅助二极管的阳极连接第三辅助谐振电感的一端，第三辅助谐振电感的另一端连接第三辅助谐振电容的负极，第三辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电容的负极，第四辅助谐振电容的负极还接在第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点上，第四辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电感的一端，第四辅助谐振电感的另一端连接第四辅助二极管的阴极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第二辅助谐振电容的正极还接在直流母线负极上；

第一辅助二极管的阳极与第三辅助二极管的阴极相连，第一辅助二极管的阴极与第一辅助开关管的发射极相连；第二辅助二极管的阴极与第四辅助二极管的阳极相连，第二辅助二极管的阳极与第二辅助开关管的集电极相连；

第五辅助二极管的阳极接在第四辅助谐振电容与第四辅助谐振电感的连接点上，第五辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第六辅助二极管的阴极接在第三辅助谐振电容与第三辅助谐振电感的连接点上，第六辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；

第七辅助二极管的阳极与第四辅助二极管的阴极相连，第七辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第八辅助二极管的阴极与第三辅助二极管的阳极相连，第八辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；

三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容与第四辅助谐振电容的连接点、第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点、第一主开关管与第二主开关管的连接点依次连接，以第一主开关管与第二主开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端。

所述三相主逆变电路的第一主开关管的集电极连接第一辅助开关管的集电极，第二主开关管的集电极连接第二辅助开关管的集电极。

所述第一主开关管、第二主开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管，均采用全控开关器件，所述全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。

所述三相主逆变电路中的与主开关管反并联的二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。

双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作模式包括：

（1）第一主开关管导通，电路处于电源供电状态；

（2）第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件；

（3）第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕；

（4）当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（5）第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件；

（6）当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源；

（7）当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态；

（8）第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件；

（9）与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕；

（10）第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕；

（11）当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（12）第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件；

（13）当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源；

（14）当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。

有益效果：

本发明的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路中的开关器件是全控器件，包括功率晶体管（GTR）、绝缘栅双极型晶体管（IGBT）或功率场效应晶体管（MOSFET），这样开关电路完全由控制电路直接控制；

本发明的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一个辅助开关管分别与各自的辅助谐振电容并联连接，使得辅助开关管关断后，其两端电压从零开始缓慢上升，实现零电压关断，减小开关损耗；

在实际应用中，配线过程引入的寄生参数是不可避免的，在线路中存在寄生电感或寄生电容的情况下，主、辅助开关管依然可以实现零电压关断，逆变器的可靠性大大提高。

附图说明

图1是现有技术的辅助谐振极型三相软开关逆变器电路图；

图2是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器电路图；

图3是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器单相等效电路图；

图4是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的时序波形图；

图5是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器在一个开关周期内的工作流程图；

图6是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的换流工作模式图；

图7是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主谐振电容的电压、辅助谐振电感的电流的仿真波形图；

图8是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助谐振电容的仿真波形图；

图9是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主开关管S ₁的电压和电流的仿真波形图；

图10是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S _a1的电压和电流的仿真波形图；

图11是本发明具体实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S _a2的电压和电流的仿真波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路。

三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路2、B相主逆变电路4和C主相逆变电路6，三相主逆变电路分别与直流电源E并联连接；各相主逆变电路包括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管。

三相双辅助谐振换流电路分别为A相双辅助谐振换流电路1、B相双辅助谐振换流电路3和C相双辅助谐振换流电路5，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管。

双辅助谐振极型三相软开关逆变器电路如图2所示，单相主逆变电路及其双辅助谐振换流电路如图3所示，第一主开关管S ₁、第二主开关管S ₂分别反并联二极管D ₁和二极管D ₂，第一主开关管S ₁、第二主开关管S ₂位于a相桥臂；第一主开关管S ₃、第二主开关管S ₄分别反并联二极管D ₃和二极管D ₄，第一主开关管S ₃、第二主开关管S ₄位于b相桥臂；第一主开关管S ₅，第二主开关管S ₆分别反并联二极管D ₅和二极管D ₆，第一主开关管S ₅、第二主开关管S ₆位于c相桥臂。

在a相上，第一主谐振电容C ₁与第一主开关管S ₁并联；第二主谐振电容C ₂与第二主开关管S ₂并联。第一主谐振电容C ₁的负极连接第二主谐振电容的P极，第一主谐振电容C ₁的正极连接第一辅助开关管S _a1的集电极，第二主谐振电容C ₂的负极连接第二辅助开关管S _a2的发射极，第一辅助开关管S _a1的发射极连接第一辅助谐振电感L _a1的一端，第一辅助谐振电感L _a1的另一端连接至第一主谐振电容C ₁与第二主谐振电容C ₂的连接点，第二辅助开关管S _a2的集电极连接第二辅助谐振电感L _a2的一端，第二辅助谐振电感L _a2的另一端连接至第一主谐振电容C ₁与第二主谐振电容C ₂的连接点。

第一辅助谐振电容C _a1的正极连接第一辅助开关管S _a1的集电极，第一辅助谐振电容C _a1的正极还接在直流母线P极上，第一辅助谐振电容C _a1的负极连接第三辅助二极管D _a3的阴极，第三辅助二极管D _a3的阳极连接第三辅助谐振电感L _a3的一端，第三辅助谐振电感L _a3的另一端连接第三辅助谐振电容C _a3的负极，第三辅助谐振电容C _a3的正极连接第四辅助谐振电容C _a4的负极，第四辅助谐振电容C _a4的负极还接在第一主谐振电容C ₁与第二主谐振电容C ₂的连接点上，第四辅助谐振电容C _a4的正极连接第四辅助谐振电感L _a4的一端，第四辅助谐振电感L _a4的另一端连接第四辅助二极管D _a4的阴极，第四辅助二极管D _a4的阳极连接第二辅助谐振电容C _a2的正极，第二辅助谐振电容C _a2的正极还接在直流母线N极上。

第一辅助二极管D _a1的阳极与第三辅助二极管D _a3的阴极相连，第一辅助二极管D _a1的阴极与第一辅助开关管S _a1的发射极相连；第二辅助二极管D _a2的阴极与第四辅助二极管D _a4的阳极相连，第二辅助二极管D _a2的阳极与第二辅助开关管S _a2的集电极相连。

第五辅助二极管D _a5的阳极接在第四辅助谐振电容C _a4与第四辅助谐振电感L _a4的连接点上，第五辅助二极管D _a5的阴极接在直流母线P极上；第六辅助二极管D _a6的阴极接在第三辅助谐振电容C _a3与第三辅助谐振电感L _a3的连接点上，第六辅助二极管D _a6的阳极接在直流母线N极上。

第七辅助二极管D _a7的阳极与第四辅助二极管D _a4的阴极相连，第七辅助二极管D _a7的阴极接在直流母线P极上；第八辅助二极管D _a8的阴极与第三辅助二极管D _a3的阳极相连，第八辅助二极管D _a8的阳极接在直流母线N极上。

三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容C _a3与第四辅助谐振电容C _a4的连接点、第一辅助谐振电感L _a1与第二辅助谐振电感L _a2的连接点、第一主谐振电容C ₁与第二主谐振电容C ₂的连接点、第一主开关管S ₁与第二主开关管S ₂的连接点依次连接，以第一主开关管S ₁与第二主开关管S ₂的连接点处的引出线为单相交流电输出端。

三相主逆变电路的第一主开关管S ₁的集电极连接第一辅助开关管S _a1的集电极，第二主开关管S ₂的集电极连接第二辅助开关管S _a2的集电极。

第一主开关管S ₁、第二主开关管S ₂、第一辅助开关管S _a1、第二辅助开关管S _a2，均采用全控开关器件，全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。

三相主逆变电路中的二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。

在b相上，主谐振电容C ₃与主开关管S ₃并联；主谐振电容C ₄与主开关管S ₄并联。辅助开关管S _a3与辅助谐振电感L _a5串联，辅助开关管S _a3的集电极接在直流母线P极上，辅助开关管S _a3的发射极与辅助谐振电感L _a5的一端相连，辅助谐振电感L _a5的另一端接在主谐振电容C ₃、主谐振电容C ₄的连接点上；辅助开关管S _a4与辅助谐振电感L _a6串联，辅助开关管S _a4的发射极接在直流母线N极上，辅助开关管S _a4的集电极与辅助谐振电感L _a6的一端相连，辅助谐振电感L _a6的另一端接在主谐振电容C ₃、主谐振电容C ₄的连接点上。辅助谐振电容C _a5、二极管D _a11、辅助谐振电感L _a7、辅助谐振电容C _a7依次串联，辅助谐振电容C _a5的一端接在直流母线P极上，辅助谐振电容C _a5的另一端与二极管D _a11的阴极相连，二极管D _a11的阳极与辅助谐振电感L _a7一端相连，辅助谐振电感L _a7的另一端与辅助谐振电容C _a7的一端相连，辅助谐振电容C _a7的另一端接在主谐振电容C ₃、主谐振电容C ₄的连接点上；辅助谐振电容C _a6、二极管D _a12、辅助谐振电感L _a8、辅助谐振电容C _a8依次串联，辅助谐振电容C _a6的一端接在直流母线N极上，辅助谐振电容C _a6的另一端与二极管D _a12的阳极相连，二极管D _a12的阴极与辅助谐振电感L _a8一端相连，辅助谐振电感L _a8的另一端与辅助谐振电容C _a8的一端相连，辅助谐振电容C _a8的另一端接在主谐振电容C ₃、主谐振电容C ₄的连接点上。二极管D _a9的阳极与二极管D _a11的阴极相连，二极管D _a9的阴极与辅助开关管S _a3的发射极相连；二极管D _a10的阴极与二极管D _a12的阳极相连，二极管D _a10的阳极与辅助开关管S _a4的集电极相连。二极管D _a15的阳极接在辅助谐振电容C _a8与辅助谐振电感L _a8的连接点上，二极管D _a13的阴极接在直流母线P极上；二极管D _a14的阴极接在辅助谐振电容C _a7与辅助谐振电感L _a7的连接点上，二极管D _a14的阳极接在直流母线N极上。二极管D _a15的阳极与二极管D _a12的阴极相连，二极管D _a15的阴极接在直流母线P极上；二极管D _a16的阴极与二极管D _a11的阳极相连，二极管D _a16的阳极接在直流母线N极上。

在c相上，主谐振电容C ₅与主开关管S ₅并联；主谐振电容C ₆与主开关管S ₆并联。辅助开关管S _a5与辅助谐振电感L _a9串联，辅助开关管S _a5的集电极接在直流母线P极上，辅助开关管S _a5的发射极与辅助谐振电感L _a9的一端相连，辅助谐振电感L _a9的另一端接在主谐振电容C ₅、主谐振电容C ₆的连接点上；辅助开关管S _a6与辅助谐振电感L _a10串联，辅助开关管S _a6的发射极接在直流母线N极上，辅助开关管S _a6的集电极与辅助谐振电感L _a10的一端相连，辅助谐振电感L _a10的另一端接在主谐振电容C ₅、主谐振电容C ₆的连接点上。辅助谐振电容C _a9、二极管D _a19、辅助谐振电感L _a11、辅助谐振电容C _a11依次串联，辅助谐振电容C _a9的一端接在直流母线P极上，辅助谐振电容C _a9的另一端与二极管D _a19的阴极相连，二极管D _a19的阳极与辅助谐振电感L _a11一端相连，辅助谐振电感L _a11的另一端与辅助谐振电容C _a11的一端相连，辅助谐振电容C _a11的另一端接在主谐振电容C ₅、主谐振电容C ₆的连接点上；辅助谐振电容C _a10、二极管D _a20、辅助谐振电感L _a12、辅助谐振电容C _a12依次串联，辅助谐振电容C _a10的一端接在直流母线N极上，辅助谐振电容C _a10的另一端与二极管D _a20的阳极相连，二极管D _a20的阴极与辅助谐振电感L _a12一端相连，辅助谐振电感L _a12的另一端与辅助谐振电容C _a12的一端相连，辅助谐振电容C _a12的另一端接在主谐振电容C ₅、主谐振电容C ₆的连接点上。二极管D _a17的阳极与二极管D _a19的阴极相连，二极管D _a17的阴极与辅助开关管S _a5的发射极相连；二极管D _a18的阴极与二极管D _a20的阳极相连，二极管D _a18的阳极与辅助开关管S _a6的集电极相连。二极管D _a21的阳极接在辅助谐振电容C _a12与辅助谐振电感L _a12的连接点上，二极管D _a21的阴极接在直流母线P极上；二极管D _a22的阴极接在辅助谐振电容C _a11与辅助谐振电感L _a11的连接点上，二极管D _a22的阳极接在直流母线N极上。二极管D _a23的阳极与二极管D _a20的阴极相连，二极管D _a23的阴极接在直流母线P极上；二极管D _a24的阴极与二极管D _a19的阳极相连，二极管D _a24的阳极接在直流母线N极上。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器适用于各种功率等级的逆变场合，在工业生产、交通运输、电力系统、通信系统、计算机系统、新能源系统等领域均可发挥有效作用。下面以在变频调速系统中的应用为例，分析本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作过程。

首先，电网中的三相交流电输送到整流器中，经过整流器变换后得到相对平稳的直流电。然后，该直流电输入到本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器中进行电能变换，具体电能变换过程如下：

本例中的逆变器的a、b、c三相之间相位互差120°，每一相主逆变电路的桥臂的第一主开关管和第二主开关管相位互差180°电角度。双辅助谐振极型三相软开关逆变器的调制策略如图4所示，主开关管的触发信号为相位差180°电角度的带死区的SPWM信号，在主开关管进入死区的同时，相应的辅助开关管被触发开通，在主开关管的死区时间结束后，辅助开关管被关断。在主开关管开通时，该软开关逆变器的工作过程与传统的硬开关三相桥式逆变器工作过程相同。在主开关管进入死区时，辅助开关管开通，此时双辅助谐振换流电路工作。双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一相电路在一个开关周期内的工作流程如图5所示，每一个开关周期中主逆变电路与双辅助谐振换流电路分别交替工作一次。

双辅助谐振极型三相软开关逆变器的工作模式包括：

（1）第一主开关管导通，电路处于电源供电状态；

（2）第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件；

（3）第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕；

（4）当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（5）第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件；

（6）当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源；

（7）当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态；

（8）第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件；

（9）与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕；

（10）第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕；

（11）当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（12）第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件；

（13）当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源；

（14）当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。

双辅助谐振极型三相软开关逆变器的每一相电路在一个开关周期内的14个工作模式，如图6所示。为简化分析，假设：①所有器件均为理想器件；②负载电感远大于谐振电感，逆变器开关状态过渡瞬间的负载电流可以认为是恒流源i _a 。各模式具体的工作情况如下：

模式a [ ~t ₀]：假定电路的初始工作状态为，S ₁导通，S ₂、S _a1、S _a2关断，电流经过S ₁流向负载。此时，v _C1=v _Ca4=0，v _C2=v _Ca1=v _Ca2=v _Ca3=E，i _S1=i _a 。

模式b [t ₀~t ₁]：t ₀时刻，S ₁关断，负载电流i _a 立即换流至C ₁、C ₂、C _a3。此时，C ₁、C ₂、C _a3、L _a2和C _a2、C _a4、L _a4开始谐振，在C ₁、C ₂、C _a3的作用下，C ₁的电压从零开始上升，S ₁为ZVS关断。在L _a2的作用下，L _a2中的电流从零开始上升，S _a2为ZCS开通。当C ₂、C _a3的电压下降至零时，谐振完毕，模式b结束。

模式c [t ₁~t ₂]：t ₁时刻，L _a2中的电流达到最大值i _La2max ，C ₁的电压被充电至E，C ₂、C _a3的电压下降至零，D _a6关断，D ₂开通，负载电流立即换流至D ₂。当C _a2、C _a4、L _a4中的电流下降至零时，谐振完毕，模式c结束。

模式d [t ₂~t ₃]：t ₂时刻，C _a2电压下降至零，C _a4电压上升至E，D _a4关断，谐振电流i _La2max 在(L _a2-S _a2-D ₂)回路中环流。如果在环流期间开通S ₂，可实现S ₂的ZVS开通。当S _a2关断时，模式d结束。

模式e [t ₃~t ₄]：t ₃时刻，S _a2关断。L _a2和C _a2开始谐振，L _a2放电，C _a2充电，C _a2电压从零开始上升，S _a2为ZVS关断。当C _a2的充电电压上升至E时，模式e结束。

模式f [t ₄~t ₅]：t ₄时刻，C _a2的电压上升至E，D _a6、D _a7开通。L _a2中残余的能量通过D _a2、D _a6、D _a7回馈给输入直流电源E，其电流线性减小。当L _a2的电流下降至零时，模式f结束。

模式g [t ₅~t ₆]：t ₅时刻，L _a2中的电流下降至零，流过D ₂的电流保持恒定负载电流i _a 不变，与传统硬开关回路二极管续流工作模式相同。

模式h [t ₆~t ₇]：t ₆时刻，S _a1开通。由于D ₂导通，输入直流电压E完全施加在L _a1上，L _a1中的电流从零开始线性上升，D ₂中的电流从i _a 开始线性下降，负载电流i _a 由D ₂向L _a1换流，S _a1为ZCS开通。当L _a1中的电流上升至负载电流i _a 时，D ₂中的电流线性下降至零，D ₂自然关断，模式h结束。

模式i [t ₇~t ₈]：t ₇时刻，D ₂中的电流下降至零而关断，负载电流i _a 完全换流至L _a1，L _a1、C ₁、C ₂、C _a4与C _a1、C _a3、L _a3开始谐振，当C ₁、C _a4的电压下降至零时，谐振完毕，模式i结束。

模式j [t ₈~t ₉]：t ₈时刻，L _a1中的电流达到最大值i _La1max ，C ₁、C _a4的电压下降至零，C ₂的电压上升至E，D _a5关断，D ₁开通，负载电流立即换流至D ₁，当C _a1、C _a3、L _a3中的电流下降至零时，谐振完毕，模式j结束。

模式k [t ₉~t ₁₀]：t ₉时刻，C _a1电压下降至零，C _a3电压上升至E，D _a3关断，谐振电流i _La1max 在(L _a1-S _a1-D ₁)回路中环流。如果在环流期间开通S ₁，可实现S ₁的ZVS开通。当S _a1关断时，模式k结束。

模式l [t ₁₀~t ₁₁]：t ₁₀时刻，S _a1关断。L _a1和C _a1开始谐振，L _a1放电，C _a1充电，C _a1电压从零开始上升，S _a1为ZVS关断。当C _a1的充电电压上升至E时，模式l结束。

模式m [t ₁₁~t ₁₂]：t ₁₁时刻，C _a1的电压上升至E，D _a3、D _a8开通，L _a1中残余的能量通过D _a1、D _a3、D _a8回馈给输入直流电源E，其电流线性减小。当L _a1的电流下降至i _a 时，D ₁关断，模式m结束。

模式n [t ₁₂~t ₁₃]：t ₁₂时刻，L _a1中的电流线性减小至i _a ，D ₁关断，在输入直流电压E的作用下，L _a1中的电流继续线性减小，S ₁中的电流线性上升，负载电流i _a 从L _a1向S ₁换流。当L _a1中的电流下降至零时，负载电流i _a 完全换流至S ₁，模式n结束，回路的工作状态又回到模式a，完成一次开关操作。

最后，用逆变得到的三相交流电为交流电动机供电，根据电动机的转矩、转速变化调整交流电的幅值与频率，使变频调速系统能够稳定运行。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主谐振电容的电压、辅助谐振电感的电流的仿真波形如图7所示，辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助谐振电容的仿真波形如图8所示，可以看出，由于辅助谐振电感和辅助谐振电容的存在，开关器件开通后其电流上升率受到了限制，开关器件关断后其电压上升率受到了限制，从而实现了主、辅开关器件的软开关。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的主开关管S ₁的电压和电流的仿真波形如图9所示，其中的Ⅰ区域可以看出主开关管S ₁关断后，S ₁两端的电压从0开始逐渐上升。所以主开关管S ₁实现了ZVS（零电压）关断。从图9中的Ⅱ区域可以看出主开关管S ₁开通后，流过S ₁的电流从0开始逐渐上升，而S ₁两端的电压始终为0。所以主开关管S ₁实现了ZCZVS（零电压零电流）开通。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S _a1的电压和电流的仿真波形如图10所示，其中的Ⅰ区域可以看出辅助开关管S _a1开通后，流过S _a1的电流从0开始逐渐上升，所以辅助开关管S _a1实现了ZCS（零电流）开通。从图10中的Ⅱ区域可以看出辅助开关管S _a1关断后，S _a1两端的电压从0开始逐渐上升。所以辅助开关管S _a1实现了ZVS关断。

本实施方式的双辅助谐振极型三相软开关逆变器a相的辅助开关管S _a2的电压和电流的仿真波形如图11所示，其中的Ⅰ区域可以看出辅助开关管S _a2开通后，流过S _a2的电流从0开始逐渐上升，所以辅助开关管S _a2实现了ZCS开通。从图11中的Ⅱ区域可以看出辅助开关管S _a2关断后，S _a2两端的电压从0开始逐渐上升。所以辅助开关管S _a2实现了ZVS关断。

Claims (6)

1.一种双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：包括三相主逆变电路和三相双辅助谐振换流电路；

所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，分别为A相主逆变电路、B相主逆变电路和C主相逆变电路，三相主逆变电路分别与直流电源并联连接；各相主逆变电路包括第一主开关管、第二主开关管和两个二极管；第一主开关管的发射极连接第二主开关管集电极，且第一主开关管和第二主开关管分别反并联一个二极管；

所述三相双辅助谐振换流电路中，各相双辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一主谐振电容、第二主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、第三辅助谐振电容、第四辅助谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第三辅助谐振电感、第四辅助谐振电感、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管和第八辅助二极管；

第一主谐振电容的负极连接第二主谐振电容的正极，第一主谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二主谐振电容的负极连接第二辅助开关管的发射极，第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接至第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点；

第一辅助谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第一辅助谐振电容的正极还接在直流母线正极上，第一辅助谐振电容的负极连接第三辅助二极管的阴极，第三辅助二极管的阳极连接第三辅助谐振电感的一端，第三辅助谐振电感的另一端连接第三辅助谐振电容的负极，第三辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电容的负极，第四辅助谐振电容的负极还接在第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点上，第四辅助谐振电容的正极连接第四辅助谐振电感的一端，第四辅助谐振电感的另一端连接第四辅助二极管的阴极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第二辅助谐振电容的正极还接在直流母线负极上；

第一辅助二极管的阳极与第三辅助二极管的阴极相连，第一辅助二极管的阴极与第一辅助开关管的发射极相连；第二辅助二极管的阴极与第四辅助二极管的阳极相连，第二辅助二极管的阳极与第二辅助开关管的集电极相连；

第五辅助二极管的阳极接在第四辅助谐振电容与第四辅助谐振电感的连接点上，第五辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第六辅助二极管的阴极接在第三辅助谐振电容与第三辅助谐振电感的连接点上，第六辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；

第七辅助二极管的阳极与第四辅助二极管的阴极相连，第七辅助二极管的阴极接在直流母线正极上；第八辅助二极管的阴极与第三辅助二极管的阳极相连，第八辅助二极管的阳极接在直流母线负极上；

三相主逆变电路分别与各相双辅助谐振换流电路并联连接，并且第三辅助谐振电容与第四辅助谐振电容的连接点、第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一主谐振电容与第二主谐振电容的连接点、第一主开关管与第二主开关管的连接点依次连接，以第一主开关管与第二主开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端。

2.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：所述三相主逆变电路的第一主开关管的集电极连接第一辅助开关管的集电极，第二主开关管的集电极连接第二辅助开关管的集电极。

3.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：所述第一主开关管、第二主开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管均采用全控开关器件。

4.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：所述三相主逆变电路中的两个二极管及三相双辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管、第五辅助二极管、第六辅助二极管、第七辅助二极管、第八辅助二极管采用快恢复二极管或高频二极管。

5.根据权利要求1所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：该逆变器的工作模式包括：

（1）第一主开关管导通，电路处于电源供电状态；

（2）第一主开关管关断后，第一主谐振电容、第二主谐振电容、第三辅助谐振电容共同作用，限制第一主开关管两端的电压变化率，为第一主开关管创造零电压关断条件；第二辅助开关管开通后，第二辅助谐振电感中的电流从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电流开通条件；

（3）第一主谐振电容的电压被充电至直流电源电压时，第二辅助谐振电容、第四辅助谐振电感、第四辅助谐振电容谐振继续，当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振完毕；

（4）当第四辅助谐振电感中电流下降至零时，谐振电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管、与第二主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（5）第二辅助开关管关断后，第二辅助谐振电感中的能量向第二辅助谐振电容转移，第二辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第二辅助开关管创造零电压关断条件；

（6）当第二辅助谐振电容的电压达到输入直流电源电压时，第二辅助谐振电感中的残余能量回馈给输入直流电源；

（7）当第二辅助谐振电感中能量回馈结束后，电路转换为与传统硬开关模式相同的二极管续流状态；

（8）第一辅助开关管开通后，第一辅助谐振电感上的电流从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电流开通条件；

（9）与第二主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主电容、第二主电容、第四辅助谐振电容开始谐振，当第一主电容的电压下降至零时，谐振完毕；

（10）第一主谐振电容的电压下降至零时，第一辅助谐振电容、第三辅助谐振电感、第三辅助谐振电容继续谐振，当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振完毕；

（11）当第三辅助谐振电感的电流下降至零时，谐振电流在第一辅助谐振电感、第一辅助开关管、与第一主开关管反并联的二极管构成的回路中环流；

（12）第一辅助开关管关断后，第一辅助谐振电感中的能量向第一辅助谐振电容转移，第一辅助谐振电容的电压从零开始上升，为第一辅助开关管创造零电压关断条件；

（13）当第一辅助谐振电容的电压上升到输入直流电源电压时，第一辅助谐振电感上的残余能量回馈给输入直流电源；

（14）当第一主开关管反并联的二极管自然关断后，第一主开关管导通，第一辅助谐振电感中能量直接释放给负载，当第一辅助谐振电感中电流降为零时，能量释放结束，电路再次转换为电源供电状态。

6.根据权利要求3所述的双辅助谐振极型三相软开关逆变器，其特征在于：所述全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管或功率场效应晶体管。

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