CN103780118A - 一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它具有结构简单、控制方便的特点，它包括直流电源、辅助谐振电路、二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器和三相阻感性负载，辅助谐振电路中，包括四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感，三电平逆变器主开关需要切换时，通过谐振电容C_{r 1}和谐振电感L_{r 1}之间的谐振使谐振电容C_{r 1}的端电压下降到零，或是通过谐振电容C_{r 2}和谐振电感L_{r 2}之间的谐振使谐振电容C_{r 2}的端电压下降到零，来实现主开关的零电压切换。本发明实现将谐振直流环节软开关拓扑结构拓展到二极管箝位型三相三电平逆变器中的目的，减少了辅助开关器件的数量，降低了硬件成本，操控也更加简单。

Description

一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路

技术领域：

本发明涉及电力电子技术领域，确切地说，它是一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路。

背景技术：

相比于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有降低功率器件电压应力、减小电磁干扰和输出电压谐波含量等优点，这一技术越来越多的应用在高压大功率场合。近年来，高压大功率三电平逆变器已成为电力电子领域研究的热点。三电平逆变器应用在高压大功率场合时，其开关器件所承受的阻断电压和流过的电流都比较大，随着开关频率的提高，三电平硬开关逆变器的开关损耗也会显著增加，使逆变器的效率大大降低。三电平逆变器工作在硬开关状态时，较高的电压变化率和电流变化率也将会产生严重的电磁干扰。

为了解决三电平硬开关逆变器存在的诸多问题，软开关技术开始被应用到三电平逆变器中，主要是把两电平逆变器的软开关拓扑（谐振极型逆变器和谐振直流环节逆变器）拓展到三电平逆变器中。吴洪洋等人在《中国电机工程学报》2002年第22卷第10期上公开了“一种无源谐振极型三电平软开关逆变电路”，该电路中无辅助开关器件，相比于三电平硬开关逆变电路，只增加了电感、电容和二极管等无源器件，就可以有效降低开关损耗和提高效率，但是该软开关逆变器中的开关器件在关断时承受的电压高于三电平硬开关逆变器中的开关器件，增加了开关器件的电压应力。范子超等人在《电工技术学报》2006年第21卷第5期上公开了“一种辅助谐振变换极型三电平软开关逆变电路”，辅助电路的控制和逆变器的控制完全独立，主开关管软开关操作不受负载条件影响，谐振电感和主功率通路分离，容易引入到多电平电路等几大优点，成为高压大容量高频逆变器的最有希望的解决手段，但是该拓扑结构应用到三相三电平逆变器时，辅助开关器件多达12个，控制复杂，硬件成本相对较高。

发明内容

目前，谐振直流环节软开关拓扑结构因为其结构简单、控制方便，已被广泛地应用在两电平逆变器中，研究人员提出多种谐振直流环节两电平软开关逆变器，推动了谐振直流环节软开关逆变器的发展。为了将谐振直流环节软开关拓扑结构拓展到二极管箝位型三相三电平逆变器中，本发明提供了一种具有对称辅助电路的谐振直流环节三相三电平软开关逆变电路。

一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它的主电路包括一个直流电源、一个二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器和三相阻感性负载，直流电源可以是把交流电整流成直流电的整流电源或者是电池串并联产生的直流电源；二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器把直流电转换为交流电；直流电源和二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器之间的部分称为直流环节。其特征在于：在直流环节添加的辅助谐振电路中，包括四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感。在直流母线之间串联了四个电解电容C₁、C₂、C₃和C₄，辅助开关S_a1、S_a2、S_a3，S_a4、S_a5和S_a6分别反并联二极管D_a1、D_a2、D_a3，D_a4、D_a5和D_a6。二极管D_a1的阴极与直流母线的P1极相连，二极管D_a1的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件S_a1的集电极与二极管D_a1的阴极相连，开关器件S_a1的发射极与二极管D_a1的阳极相连，开关器件S_a2的发射极与直流母线的P2极相连，二极管D_a2的阳极与开关器件S_a2的发射极相连，二极管D_a2的阴极与开关器件S_a2的集电极相连，开关器件S_a2的集电极与开关器件S_a3的集电极相连，二极管D_a3的阴极与开关器件S_a3的集电极相连，二极管D_a3的阳极与开关器件S_a3的发射极相连，S_a3的发射极与谐振电感L_r1的一端相连，谐振电感L_r1的另一端与电解电容C₂的正极相连，电解电容C₂的正极与电解电容C₁的负极相连，电解电容C₁的正极与直流母线的P1极相连；二极管D_a4的阴极与直流母线的N2极相连，二极管D_a4的阳极与直流母线的N1极相连，开关器件S_a4的集电极与二极管D_a4的阴极相连，开关器件S_a4的发射极与二极管D_a4的阳极相连，开关器件S_a6的发射极与直流母线的N2极相连，二极管D_a6的阳极与开关器件S_a6的发射极相连，二极管D_a6的阴极与开关器件S_a6的集电极相连，开关器件S_a6的集电极与开关器件S_a5的集电极相连，二极管D_a5的阴极与开关器件S_a5的集电极相连，二极管D_a5的阳极与开关器件S_a5的发射极相连，开关器件S_a5的发射极与谐振电感L_r2的一端相连，谐振电感L_r2的另一端与电解电容C₄的正极相连，电解电容C₄的正极与电解电容C₃的负极相连，电解电容C₃的正极与电解电容C₂的负极相连，电解电容C₄的负极与直流母线的N1极相连；谐振电容C_r1的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容C_r1的另一端与谐振电容C_r2的一端相连，谐振电容C_r2的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容C_r1和谐振电容C_r2的连接点再与电解电容C₂和电解电容C₃的连接点相连。直流母线的P1极与直流电源的正极相连，直流母线的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的N1极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。

当三电平逆变器的主开关需要切换时，通过谐振电容C_r1和谐振电感L_r1之间的谐振使谐振电容C_r1的端电压下降到零，或是通过谐振电容C_r2和谐振电感L_r2之间的谐振使谐振电容C_r2的端电压下降到零，来实现主开关的零电压切换。

本发明的的优点是：相比于谐振极型三相三电平软开关逆变器，辅助谐振电路中的器件较少；两组镜像对称的辅助谐振电路位于三相三电平逆变器的直流环节，为主开关提供零电压开关的条件；主开关器件承受的电压和电流应力不会因为增加了辅助电路而高于硬开关逆变器；逆变器的主开关器件和辅助开关器件都可以实现软开关。

附图说明：

图1是本发明谐振直流环节三电平软开关逆变电路图。

图2是本发明谐振直流环节三电平软开关逆变电路的单相电路图；图2（a）是S₁、S₂开通、S₃、S₄关断时的单相电路图；图2（b）是S₂、S₃开通、S₁、S₄关断时的单相电路图；图2（c）是S₃、S₄开通、S₁、S₂关断时的单相电路图。

图3是本发明逆变电路的特征工作波形图。

图4是本发明逆变电路的各工作模式等效电路图；图4（a）是模式1等效电路图，图4（b）是模式2等效电路图，图4（c）是模式3等效电路图，图4（d）是模式4等效电路图，图4（e）是模式5等效电路图，图4（f）是模式6等效电路图，图4（g）是模式7等效电路图，图4（h）是模式8等效电路图。

图5是实验波形图；图5（a）是谐振电容C_r1的端电压u_Cr1和谐振电流i_Lr1的实验波形，图5（b）是辅助开关S_a1开通和关断时的电压u_Sa1和电流i_Sa1的实验波形，图5（c）是辅助开关S_a2开通和关断时的电压u_Sa2和电流i_Sa2的实验波形，图5（d）是辅助开关S_a3开通和关断时的电压u_Sa3和电流i_Sa3的实验波形，图5（e）是软开关逆变器输出线电压u_ab的实验波形，图5（f）是软开关逆变器三相的相电流的实验波形。

具体实施方式：

实施例1

一、电路结构

参照图1，一种新型谐振直流环节三相三电平二极管箝位型软开关逆变器主电路，它可用于三相交流电机的驱动。主电路包括：一个直流电源1，一个辅助谐振电路2（由镜像对称辅助谐振电路A和B组成），一个公知的二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器3，一个三相阻感性负载4。本发明用于二极管箝位型三相三电平逆变器的谐振直流环节软开关辅助谐振电路在直流母线之间串联了四个电解电容C₁、C₂、C₃、C₄，辅助开关S_a1、S_a2、S_a3，S_a4、S_a5、S_a6分别反并联二极管D_a1、D_a2、D_a3，D_a4、D_a5、D_a6。二极管D_a1的阴极与直流母线的P1极相连，二极管D_a1的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件S_a1的集电极与二极管D_a1的阴极相连，开关器件S_a1的发射极与二极管D_a1的阳极相连，开关器件S_a2的发射极与直流母线的P2极相连，二极管D_a2的阳极与开关器件S_a2的发射极相连，二极管D_a2的阴极与开关器件S_a2的集电极相连，开关器件S_a2的集电极与开关器件S_a3的集电极相连，二极管D_a3的阴极与开关器件S_a3的集电极相连，二极管D_a3的阳极与开关器件S_a3的发射极相连，S_a3的发射极与谐振电感L_r1的一端相连，谐振电感L_r1的另一端与电解电容C₂的正极相连，电解电容C₂的正极与电解电容C₁的负极相连，电解电容C₁的正极与直流母线的P1极相连；二极管D_a4的阴极与直流母线的N2极相连，二极管D_a4的阳极与直流母线的N1极相连，开关器件S_a4的集电极与二极管D_a4的阴极相连，开关器件S_a4的发射极与二极管D_a4的阳极相连，开关器件S_a6的发射极与直流母线的N2极相连，二极管D_a6的阳极与开关器件S_a6的发射极相连，二极管D_a6的阴极与开关器件S_a6的集电极相连，开关器件S_a6的集电极与开关器件S_a5的集电极相连，二极管D_a5的阴极与开关器件S_a5的集电极相连，二极管D_a5的阳极与开关器件S_a5的发射极相连，开关器件S_a5的发射极与谐振电感L_r2的一端相连，谐振电感L_r2的另一端与电解电容C₄的正极相连，电解电容C₄的正极与电解电容C₃的负极相连，电解电容C₃的正极与电解电容C₂的负极相连，电解电容C₄的负极与直流母线的N1极相连；谐振电容C_r1的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容C_r1的另一端与谐振电容C_r2的一端相连，谐振电容C_r2的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容C_r1和谐振电容C_r2的连接点再与电解电容C₂和电解电容C₃的连接点相连。直流母线的P1极与直流电源的正极相连，直流母线的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的N1极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。

辅助电路A（B）包括电解电容C₁（C₃）和C₂（C₄），辅助开关器件S_a1（S_a4）、S_a2（S_a5）、S_a3（S_a6），及其反并联二极管D_a1（D_a4）、D_a2（D_a5）、D_a3（D_a6），谐振电容C_r1（C_r2）和谐振电感L_r1（L_r2）。在参数值方面，C₁=C₂=C₃=C₄，C_r1=C_r2，L_r1=L_r2，R_a=R_b=R_c，L_a=L_b=L_c。当三电平逆变器的主开关需要切换时，通过辅助谐振电路A（B）中的C_r1（C_r2）和L_r1（L_r2）之间的谐振使C_r1（C_r2）的端电压下降到零，实现主开关的零电压切换。为简化分析，做如下假设：1）器件均工作在理想状态；2）谐振电感远小于负载电感，逆变桥开关状态过渡瞬间的负载电流I₀恒定；3）电解电容值足够大，其端电压恒定，并均分直流电源电压。取逆变器的单相电路进行分析，三电平逆变器有三种开关状态组合，分别是（a）S₁、S₂开通，S₃、S₄关断；（b）S₂、S₃开通，S₁、S₄关断；（c）S₃、S₄开通，S₁、S₂关断。这三种开关状态下的电路工作状态分别对应图2(a)，图2(b)和图2(c)，其中u_Cr1，i_Lr1和I₀的正方向如图2所示，在开关状态a和b之间的换流过程中，辅助电路A工作；在开关状态b和c之间的换流过程中，辅助电路B工作。

二、工作原理

以开关状态b到开关状态a的换流过程为例，来分析电路的工作原理。在开关状态b到开关状态a的换流过程中，辅助电路A工作，辅助电路B不工作，电路的特征工作波形如图3所示。根据图3，该电路在一个开关周期内分为八个工作模式。各工作模式的等效电路如图4所示。

工作模式：

模式1(t-t₀)：初始状态，S₂、S₃开通，S₁、S₄关断，正向负载电流I₀通过D₁₃和S₂续流，逆变器工作于稳态。

模式2(t₀-t₁)：在t₀时刻，关断S_a2，同时开通S_a3，因为在关断S_a2之前，流过S_a2的电流已经等于零，所以S_a2实现了零电流关断；在L_r1的作用下，降低了流过S_a3电流的上升率，所以S_a3实现了零电流开通。开通S_a3以后，L_r1承受的电压值为E/4，L_r1被充电，i_Lr1线性增大，在t₁时刻，当i_Lr1线性增大到I_b1时，模式2结束。S_a3开通瞬间的电流上升率为

${\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sa}3}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_0}=\frac{E}{4L_{r1}}$

(1)

本模式的持续的时间为

$T_2=t_1-t_0=\frac{4L_{r1}{I}_{b1}}{E}$

(2)

模式3(t₁-t₂)：在t₁时刻，关断S_a1，在电容C_r1的作用下，降低了S_a1关断瞬间端电压的上升率，所以S_a1实现了零电压关断。S_a1关断以后，L_r1和C_r1开始谐振，L_r1被充电，C_r1放电。i_Lr1逐渐增大，u_Cr1逐渐减小。当u_Cr1减小到E/4时，i_Lr1增加到最大值，然后L_r1开始放电，i_Lr1开始减小，u_Cr1继续减小，在t₂时刻，当i_Lr1减小到I_b1，u_Cr1减小到零时，模式3结束。本模式中，i_Lr1和u_Cr1的表达式分别为

$i_{\mathrm{Lr}1}\left(t\right)=\frac{E}{4Z_{r1}}\sin \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_1)\right]+I_{b1}\cos \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_1)\right]---\left(3\right)$

$u_{\mathrm{Cr}1}\left(t\right)=\frac{E}{4}\cos \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_1)\right]-Z_{r1}{I}_{b1}\sin \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_1)\right]+\frac{E}{4}---\left(4\right)$

S_a1关断瞬间的电压变化率为

${\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{Sa}1}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_1}=\frac{I_{b1}}{C_{r1}}$

(5)

本模式的持续时间为

$T_3=t_2-t_1=\frac{2\arctan \frac{E}{4Z_{r1}{I}_{b1}}}{{\mathrm{\ω}}_{r1}}$

(6)

其中 ${\mathrm{\ω}}_{r1}=\frac{1}{\sqrt{L_{r1}{C}_{r1}}},Z_{r1}=\sqrt{\frac{L_{r1}}{C_{r1}}}.$

模式4(t₂-t₃)：从t₂时刻开始，L_r1承受的电压值为E/4，L_r1放电，i_Lr1开始从I_b1线性减小，在t₃时刻，当i_Lr1减小到零时，模式4结束。本模式的

持续时间T₄=T₂。

模式5(t₃-t₄)：辅助电路不工作，正向负载电流I₀通过D₁₃和S₂续流，逆变器工作于稳态。因为在模式4和模式5期间内，u_Cr1等于零，所以S₁在此期间内可以实现零电压开通。本模式持续时间T₅可以根据需要任意设定。

模式6(t₄-t₅)：在t₄时刻，开通S_a2，同时关断S_a3，在L_r1的作用下，降低了流过S_a2电流的上升率，S_a2实现了零电流开通；因为在关断S_a3之前，流过S_a3的电流已经等于零，所以S_a3实现了零电流关断。开通S_a2以后，L_r1承受的电压值为E/4，L_r1被充电，i_Lr1反向线性增大，在t₅时刻，当i_Lr1反向线性增大到I_b2时，模式6结束。S_a2开通瞬间的电流上升率为

${\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sa}2}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_4}=\frac{E}{4L_{r1}}$

(7)

本模式的持续时间为

$T_6=t_5-t_4=\frac{4L_{r1}{I}_{b2}}{E}$

(8)

模式7(t₅-t₆)：在t₅时刻，关断S₃，在电容C_r1的作用下，降低了S₃关断瞬间端电压的上升率，所以S₃实现了零电压关断。S₃关断以后，L_r1和C_r1开始谐振，L_r1和C_r1被充电，i_Lr1和u_Cr1逐渐增大，当u_Cr1增大到E/4时，i_Lr1反向增加到最大值，然后L_r1开始放电，C_r1继续被充电，i_Lr1开始减小，u_Cr1继续增大。在t₆时刻，当i_Lr1反向减小到I_b2，u_Cr1增大到E/2时，模式7结束。本模式中，i_Lr1和u_Cr1的表达式分别为

$i_{\mathrm{Lr}1}\left(t\right)=\left(I_0{-I}_{b2}\right)\cos \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_5)\right]-\frac{E}{4Z_{r1}}\sin \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_5)\right]-I_0---\left(9\right)$

$u_{\mathrm{Cr}1}\left(t\right)=Z_{r1}(I_{b2}-I_0)\sin \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_5)\right]-\frac{E}{4}\cos \left[{\mathrm{\ω}}_{r1}(t-t_5)\right]+\frac{E}{4}---\left(10\right)$

S₃关断瞬间的电压变化率为

${\frac{{\mathrm{du}}_{S3}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_5}=\frac{I_{b2}-I_0}{C_{r1}}$

(11)

本模式的持续时间为

$T_7=t_6-t_5=\frac{2\arctan \frac{E}{4Z_{r1}(I_{b2}-I_0)}}{{\mathrm{\ω}}_{r1}}$

(12)

模式8(t₆-t₇)：在t₆时刻，D_a1开始导通，此时开通S_a1，则S_a1实现了零电压开通。D_a1导通以后，L_r1承受电压值为E/4，i_Lr1开始反向线性减小。当i_Lr1线性减小到负载电流值I₀时，D_a1截止，S_a1开始导通，i_Lr1继续反向线性减小。在t₇时刻，当i_Lr1反向线性减小到零时，模式8结束，本模式的持续时间T₈=T₆。至此，开关状态b到开关状态a的换流过程结束。其他开关状态之间的换流过程与上述过程类似，这里不再详述。

三、软开关的实现条件

根据以上分析可以得到如下的软开关实现条件：

①为保证S_a2和S_a3实现零电流开通，其开通瞬间的电流变化率应不大于允许值A，即

${\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sa}2}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_4}={\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{Sa}3}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_0}=\frac{E}{4L_{r1}}\≤A$

(13)

②为保证S_a1和S₃实现零电压关断，其关断瞬间的电压变化率应不大于允许值B，即

${\frac{{\mathrm{du}}_{\mathrm{Sa}1}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_1}=\frac{I_{b1}}{C_{r1}}\≤B$

(14)

${\frac{{\mathrm{du}}_{S3}}{\mathrm{dt}}|}_{t=t_5}=\frac{I_{b2}-I_0}{C_{r1}}\≤B$

(15)

③为保证主开关S₁实现零电压开通，其开通时刻相比于硬开关逆变器要滞后时间t_d，使u_Cr1下降到零以后，开通S₁，所以要满足T₂+T₃≤t_d，即

$\frac{4L_{r1}{I}_{b1}}{E}+\frac{2\arctan \frac{E}{4Z_{r1}{I}_{b1}}}{{\mathrm{\ω}}_{r1}}\≤t_d$

(16)

④为保证S_a1实现零电压开通，从S₃关断到S_a1开通的间隔时间t_a应不小于T₇，使u_Cr1增大到E/2以后，开通S_a1，所以要满足下式：

$\frac{2\arctan \frac{E}{4Z_{r1}(I_{b2}-I_0)}}{{\mathrm{\ω}}_{r1}}\≤t_a$

(17)

为在全负荷范围内都可以实现软开关，当负载电流I₀取最大值和最小值时，参数值L_r1、C_r1、I_b1和I_b2的选取应满足式(13)至式(17)。

四、辅助谐振电路的逻辑控制

以开关状态b到开关状态a的换流过程为例，如图3所示，当三电平逆变器主开关要改变开关状态时，相比于硬开关逆变器，主开关的切换要滞后一定的时间T₂+T₃，使u_Cr1下降到零以后，完成主开关的切换。在主开关原动作时刻t₀，关断S_a2，同时开通S_a3，经过时间T₂，当检测到i_Lr1上升到I_b1时，关断S_a1。然后再经过时间T₃，当检测到u_Cr1下降到零时，开通主开关S₁。S₁开通以后，经过时间T₄+T₅，开通S_a2，同时关断S_a3，然后再经过时间T₅，当检测到i_Lr1反向上升到I_b2时，关断主开关S₃。然后再经过时间T₇，当检测到u_Cr1增大到E/2时，开通S_a1。根据式(2),(6),(8)和(12)，可以计算出以上的控制时间，为方便控制，当参数值L_r1、C_r1、I_b1和I_b2确定以后，取I₀为最大值，来计算T₇，这样以上各控制时间都是固定值，不随负载电流变化，所以辅助谐振电路可以采用固定时间控制。

五、实验结果

根据图1制作了功率3kW实验样机，三相阻感性负载接在逆变器输出端。实验电路参数值如下：输入直流电压E=200V，最大输出电流I_0peak=14A，谐振电流设定值I_b1=I_b2=20A，输出功率P₀=3kW，直流侧电容C₁=C₂=C₃=C₄=5600μF，谐振电感L_r1=L_r2=20μH，谐振电容C_r1=C_r2=200nF，负载电感L_a=L_b=L_c=1mH，负载电阻R_a=R_b=R_c=10Ω，输出频率f₀=50Hz，开关频率f_c=10kHz。将参数值代入式(13),(14),(15),(16)和(17)中，可以验证参数满足要求。

谐振电容C_r1的端电压u_Cr1和谐振电流i_Lr1的实验波形如图5(a)所示，u_Cr1的波形出现了零电压凹槽，所以三电平逆变器的主开关可以在零电压条件下完成切换。S_a1开通和关断时的电压u_Sa1和电流i_Sa1的实验波形如图5(b)所示，S_a1开通时，端电压u_Sa1先降到零，然后电流i_Sa1开始上升，S_a1实现了零电压开通；S_a1关断时，u_Sa1以较低的变化率增大，S_a1实现了零电压关断。S_a2开通和关断时的电压u_Sa2和电流i_Sa2的实验波形如图5(c)所示，S_a2开通时，i_Sa2以较低的变化率反向增大，S_a2实现了零电流开通；S_a2关断时，i_Sa2已经先下降到零，S_a2实现了零电流关断。S_a3开通和关断时的电压u_Sa3和电流i_Sa3的实验波形如图5(d)所示，S_a3开通时，i_Sa3以较低的变化率增大，S_a3实现了零电流开通；S_a3关断时，i_Sa3已经先减小到零，S_a3实现了零电流关断。在输出频率为50Hz时，三电平逆变器输出的线电压u_ab的实验波形和三相输出的相电流i_a，i_b和i_c的实验波形分别如图5(e)和图5(f)所示，可以看出逆变器输出的线电压和相电流的波形无明显畸变，辅助谐振电路对逆变器的输出无明显影响，逆变器的输出可以被很好地控制。为验证本发明三电平软开关逆变器在效率上的优势，在相同实验条件下对三电平软开关逆变器和和三电平硬开关逆变器进行了效率测试，在输出功率3kW时，软开关逆变器的实测效率达到96.2%，相比于硬开关逆变器，效率提高2.6%。

Claims (1)

1.一种谐振直流环节三电平软开关逆变电路，它的主电路包括一个直流电源（1）、一个二极管箝位型三相三电平脉宽调制逆变器（3）和三相阻感性负载（4），其特征在于：在直流环节添加的辅助谐振电路（2）中，有四个具有分压作用的电解电容、六个辅助开关、六个二极管、两个谐振电容和两个谐振电感；在直流母线之间串联了四个电解电容C ₁、C ₂、C ₃和C ₄，辅助开关S _a1、S _a2、S _a3，S _a4、S _a5和S _a6分别反并联二极管D _a1、D _a2、D _a3，D _a4、D _a5和D _a6；二极管D _a1的阴极与直流母线的P1极相连，二极管D _a1的阳极与直流母线的P2极相连，开关器件S _a1的集电极与二极管D _a1的阴极相连，开关器件S _a1的发射极与二极管D _a1的阳极相连，开关器件S _a2的发射极与直流母线的P2极相连，二极管D _a2的阳极与开关器件S _a2的发射极相连，二极管D _a2的阴极与开关器件S _a2的集电极相连，开关器件S _a2的集电极与开关器件S _a3的集电极相连，二极管D _a3的阴极与开关器件S _a3的集电极相连，二极管D _a3的阳极与开关器件S _a3的发射极相连，S _a3的发射极与谐振电感L _r1的一端相连，谐振电感L _r1的另一端与电解电容C ₂的正极相连，电解电容C ₂的正极与电解电容C ₁的负极相连，电解电容C ₁的正极与直流母线的P1极相连；二极管D _a4的阴极与直流母线的N2极相连，二极管D _a4的阳极与直流母线的N1极相连，开关器件S _a4的集电极与二极管D _a4的阴极相连，开关器件S _a4的发射极与二极管D _a4的阳极相连，开关器件S _a6的发射极与直流母线的N2极相连，二极管D _a6的阳极与开关器件S _a6的发射极相连，二极管D _a6的阴极与开关器件S _a6的集电极相连，开关器件S _a6的集电极与开关器件S _a5的集电极相连，二极管D _a5的阴极与开关器件S _a5的集电极相连，二极管D _a5的阳极与开关器件S _a5的发射极相连，开关器件S _a5的发射极与谐振电感L _r2的一端相连，谐振电感L _r2的另一端与电解电容C ₄的正极相连，电解电容C ₄的正极与电解电容C ₃的负极相连，电解电容C ₃的正极与电解电容C ₂的负极相连，电解电容C ₄的负极与直流母线的N1极相连；谐振电容C _r1的一端与直流母线的P2极相连，谐振电容C _r1的另一端与谐振电容C _r2的一端相连，谐振电容C _r2的另一端与直流母线的N2极相连，谐振电容C _r1和谐振电容C _r2的连接点再与电解电容C ₂和电解电容C ₃的连接点相连，直流母线的P1极与直流电源的正极相连，直流母线的P2极与逆变桥的正端相连，直流母线的N1极与直流电源的负极相连，直流母线的N2极与逆变桥的负端相连。

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