CN107546999B - 一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法 - Google Patents
一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法，其电路包括直流电源，全桥单相逆变器两组以及有源功率解耦一组共三组由两个带反并二极管的全控型主开关构成的桥臂，逆变器与电网的滤波电感，有源功率解耦的滤波电感和储能电容，在直流电源和三组桥臂的母线之间接入包含反并联二极管的辅助开关，箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关和辅助开关两端并联电容。其调制方法将辅助开关与主开关的脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关的零电压开通，有效抑制主开关反并联二极管的反向恢复电流，开关损耗小，电路效率高，有利于提高开关频率，提升系统功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及软开关逆变器及其调制技术，尤其涉及一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法
背景技术
有源功率解耦可以抑制并网逆变器系统中直流侧存在的二倍电网频率谐波成份。其中传统的带Buck型有源功率解耦逆变器包含全桥逆变器两组桥臂以及有源功率解耦一组桥臂，其工作于硬开关状态下，存在二极管反向恢复现象，换流器件开关损耗大，限制了工作频率的提高，导致需采用较大的滤波器，降低了电路效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路及其调制方法。
本发明内容的一个方面，提供一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路。
带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路包括直流侧电源ubus、三组并联的桥臂，每组桥臂由两个包含反并二极管的全控型开关串联构成，其中：单相全桥逆变器第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1，D1和S4，D4，单相全桥逆变器第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2，D2和S3，D3，有源功率解耦桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S5，D5和S6，D6，所述单相全桥逆变器第一桥臂、第二桥臂中点分别通过输出滤波电感L1、L2与单相交流电网连接，有源功率解耦桥臂中点通过滤波电感Lapd与有源功率解耦储能电容Capd正极相连，上述三组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，负母线与直流侧电源ubus的负极相连，Capd负极连接负母线，正母线与直流侧电源ubus正极之间接入由包含并联二极管Da的辅助开关Sa与箝位电容Cc构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感Lr，各开关S1～S6、Sa的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容Cr1～Cr6、Cra。
本发明内容的另一个方面，提供一带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路的调制方法。
带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，是将单相逆变器的调制波同时送入倍频SPWM调制模块和绝对值模块的输入端，绝对值模块的输出端同时输入APD调制模块和ZVS脉冲模块，ZVS脉冲模块的端口2与倍频SPWM调制模块的端口2分别连接第一或门的两个输入端，ZVS脉冲模块的端口2与倍频SPWM调制模块的端口3分别连接第二或门的两个输入端，ZVS脉冲模块的端口2与倍频SPWM调制模块的端口4分别连接第三或门的两个输入端，ZVS脉冲模块的端口2与倍频SPWM调制模块的端口5分别连接第四或门的两个输入端；ZVS脉冲模块的端口2与APD调制模块的端口2分别连接第五或门的两个输入端，ZVS脉冲模块的端口2与APD调制模块的端口3分别连接第六或门的两个输入端，第一或门的输出端为逆变器第一桥臂上管调制信号vgs1，第二或门的输出端为逆变器第一桥臂下管调制信号vgs4，第三或门的输出端为逆变器第二桥臂上管调制信号vgs2，第四或门的输出端为逆变器第二桥臂下管调制信号vgs3，第五或门的输出端为有源功率解耦桥臂上管调制信号vgs5，第六或门的输出端为有源功率解耦桥臂下管调制信号vgs6，ZVS脉冲模块的端口3输出信号为辅助开关管调制信号vgsa。
上述技术方案中，将所述的调制波输入倍频SPWM调制模块的端口1，倍频SPWM调制模块采用对称三角载波，幅值为Vt和-Vt，载波频率为fs，载波周期为Ts，变换器交流基波频率为fg，交流基波周期为Tg，载波频率是基波频率的整数倍，在一个交流基波周期内，共有N个倍频SPWM载波周期：
在第k个载波周期内，三角载波表达式为vtri(t)：
在第k个载波周期内，调制波(23)幅值为vm(k)：
-1<vm(k)<1,1≤k≤N
调制波连接第二比较器的正输入端和第一反相器的输入端，第一反相器的输出端连接第三比较器的正输入端，三角载波连接第二比较器的负输入端和第三比较器的负输入端，第二比较器的输出连接第二反相器的输入端和第一上升沿延时模块的输入端，第三比较器的输出连接第三反相器的输入端和第四上升沿延时模块的输入端，第二反相器的输出端连接第二上升沿延时模块，第三反相器的输出端连接第三上升沿延时模块；
第一上升沿延时模块的输出端为倍频SPWM调制模块的端口2，第二上升沿延时模块的输出端为倍频SPWM调制模块的端口3，第三上升沿延时模块的输出端为倍频SPWM调制模块的端口4，第四上升沿延时模块的输出端为倍频SPWM调制模块的端口5。
所述的APD(有源功率解耦)调制模块采用的第一锯齿载波的幅值为Vt和-Vt，第一锯齿载波的频率为2fs，周期为Ts/2；
在第k个三角载波周期内，第一锯齿载波表达式为vsaw1(t)：
第一锯齿载波连接第四比较器的负输入端和第五比较器的正输入端，绝对值模块的输出为|vm(k)|，连接到第四比较器的正输入端和第一加法器的一个输入端，偏置量-v1输入第一加法器的另一个输入端，第一加法器的输出端连接第五比较器的正输入端，第四比较器和第五比较器的输出端分别连接第一与门的两个输入端，第一与门的输出端连接第一下降沿延时模块，第一下降沿延时模块的输出端连接第五上升沿延时模块和第四反相器的输入端，第四反相器的输出端连接第六上升沿延时模块；
有源功率解耦桥臂的输出电流iapd经采样后输入第六比较器的正输入端，第六比较器的负输入端为0，第六比较器的输出信号为正时，第一选择开关、第二选择开关的端口1和端口3连通；第六比较器的输出信号为负时，第一选择开关、第二选择开关的端口2和端口3连通；第五上升沿延时模块的输出分别与第一选择开关的端口1和第二选择开关的端口2连接，第六上升沿延时模块的输出分别与第一选择开关的端口2和第二选择开关的端口1连接；
第一选择开关的端口3为APD调制模块的端口2，第二选择开关的端口3为APD调制模块的端口3。
所述的零电压(ZVS)脉冲模块采用的第二锯齿载波的幅值为Vt和-Vt，第二锯齿载波的频率为2fs，周期为Ts/2；
在第k个三角载波周期内，第二锯齿载波表达式为vsaw2(t)：
第二锯齿载波连接第七比较器的负输入端和第八比较器的正输入端，绝对值模块的输出为|vm(k)|，连接到第二加法器的一个输入端，偏置量-v1输入第二加法器的另一个输入端，第二加法器的输出端连接第七比较器的正输入端和第三加法器的一个输入端，偏置量-v2连接第三加法器的一个输入端，第三加法器的输出端连接第八比较器的负输入端，第七比较器和第八比较器的输出端分别连接第二与门的两个输入端，第二与门的输出端连接第七上升沿延时模块和第五反相器的输入端，第五反相器的输出端连接第八上升沿延时模块，第七上升沿延时模块的输出端为ZVS脉冲模块的端口2，第八上升沿延时模块的输出端为ZVS脉冲模块的端口3。
所述的第一上升沿延时模块、第二上升沿延时模块、第三上升沿延时模块、第四上升沿延时模块、第五上升沿延时模块、第六上升沿延时模块、第七上升沿延时模块、第八上升沿延时模块的功能为将模块输入信号的上升沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等；所述的第一下降沿延时模块的功能为将模块输入信号的下降沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等；所述的第一上升沿延时模块、第二上升沿延时模块、第三上升沿延时模块、第四上升沿延时模块、第五上升沿延时模块、第六上升沿延时模块的上升沿延时为td0，偏置量-v1及-v2决定的延时时间为td1和td2，第七上升沿延时模块的上升沿延时为td3，第八上升沿延时模块的上升沿延时为td4，第一下降沿延时模块的下降沿延时td5必须同时满足：
0≤td1≤td1+td3≤td0≤td1+td2＜td1+td2+td4＜td1+td5
本发明提出的调制方法可以通过模拟或数字硬件电路实现，也可以通过软件方式实现。在带有源功率解耦单相零电压开关逆变器桥臂开关换流阶段，通过将桥臂电压谐振至0，实现桥臂开关零电压开通，并抑制二极管反向恢复。通过加入桥臂短路脉冲，为谐振电感充磁提供续流回路，解决了谐振电感能量不够的问题，能实现交流基波周期内全范围双向软开关工作，所有开关器件实现零电压开通，开关损耗小，电路效率高，减少电磁干扰。
附图说明
图1为带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路；
图2为带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路调制方法的产生方式；
图3为倍频SPWM脉冲模块内部结构；
图4为APD(有源功率解耦)调制模块内部结构；
图5为ZVS(零电压)脉冲模块内部结构；
图6为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd大于等于0时各调制信号波形；
图7为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd小于0时各调制信号波形；
图8一个三角载波周期内调制波小于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd大于等于0时各调制信号波形；
图9一个三角载波周期内调制波小于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd小于0时各调制信号波形；
图10为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd大于等于0时带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路主要电压电流波形；
图11为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd大于等于0时带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路各工作阶段电路图；
图12为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd小于0时带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路主要电压电流波形；
图13为一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd小于0时带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路各工作阶段电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细说明。
本发明的有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路包括直流电源、两组全桥单相逆变器桥臂以及一组有源功率解耦桥臂、逆变器与电网的滤波电感、有源功率解耦的滤波电感和储能电容，三组桥臂均由两个带反并二极管的全控型主开关串联构成，在直流电源和三组桥臂的母线之间接入包含反并联二极管的辅助开关，箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关和辅助开关两端并联电容。
具体电路参照图1，带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路，包括直流侧电源ubus(1)，三组由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成的桥臂，其中：单相全桥逆变器第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1，D1(2)和S4，D4(4)，单相全桥逆变器第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2，D2(3)和S3，D3(5)，有源功率解耦桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S5，D5(6)和S6，D6(7)，所述单相全桥逆变器第一桥臂、第二桥臂中点分别通过输出滤波电感L1(8)、L2(9)与单相交流电网连接，有源功率解耦桥臂中点通过滤波电感Lapd(14)与有源功率解耦储能电容Capd(15)相连，上述三组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，负母线与直流侧电源ubus(1)负极相连，正母线与直流侧电源ubus(1)正极之间接入由包含并联二极管Da的辅助开关Sa(11)与箝位电容Cc(12)构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感Lr(13)，所有开关S1～S6(2)～(6)、Sa(11)的集电极与发射极两端分别并联谐振电容Cr1～Cr6(16)～(21)、Cra(22)。
参照图2，单相逆变器的调制波(23)送入倍频SPWM调制模块(25)的端口1，调制波(23)同时输入绝对值模块(24)的输入端。绝对值模块(24)的输出端输入APD调制模块(26)，绝对值模块(24)的输出端同时输入ZVS脉冲模块(27)。ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口2分别连接第一或门(28)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口3分别连接第二或门(29)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口4分别连接第三或门(30)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口5分别连接第四或门(31)的两个输入端。ZVS脉冲模块(27)的端口2与APD调制模块(26)的端口2分别连接第五或门(32)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与APD调制模块(26)的端口3分别连接第六或门(33)的两个输入端。第一或门(28)的输出端为逆变器第一桥臂上管调制信号(34)vgs1，第二或门(29)的输出端为逆变器第一桥臂下管调制信号(35)vgs4，第三或门(30)的输出端为逆变器第二桥臂上管调制信号(36)vgs2，第四或门(31)的输出端为逆变器第二桥臂下管调制信号(37)vgs3。第五或门(32)的输出端为有源功率解耦桥臂上管调制信号(38)vgs5，第六或门(33)的输出端为有源功率解耦桥臂下管调制信号(39)vgs6。ZVS脉冲模块(27)的端口3输出信号为辅助开关管调制信号(40)vgsa；
参照图3，调制波(23)输入倍频SPWM调制模块(25)的端口1，倍频SPWM调制模块(25)采用对称三角载波(41)，幅值为Vt和-Vt，载波频率为fs，载波周期为Ts。变换器交流基波频率为fg，交流基波周期为Tg。载波频率是基波频率的整数倍，在一个交流基波周期内，共有N个倍频SPWM载波周期：
在第k个载波周期内，三角载波表达式为vtri(t)：
在第k个载波周期内，调制波(23)幅值为vm(k)：
-1<vm(k)<1,1≤k≤N
调制波(23)连接第二比较器(43)的正输入端和第一反相器(42)的输入端，第一反相器(42)的输出端连接第三比较器(44)的正输入端。三角载波(41)连接第二比较器(43)的负输入端和第三比较器(44)的负输入端。第二比较器(43)的输出连接第二反相器(45)的输入端和第一上升沿延时模块(47)的输入端。第三比较器(44)的输出连接第三反相器(46)的输入端和第三上升沿延时模块(49)的输入端。第二反相器(45)的输出端连接第二上升沿延时模块(48)，第三反相器(46)的输出端连接第四上升沿延时模块(50)。
第一上升沿延时模块(47)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口2，第二上升沿延时模块(48)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口3，第三上升沿延时模块(49)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口4，第四上升沿延时模块(50)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口5。
参照图4，APD(有源功率解耦)调制模块(26)采用的第一锯齿载波(51)的幅值为Vt和-Vt，第一锯齿载波(51)的频率为2fs，周期为Ts/2。
在第k个三角载波(41)周期内，第一锯齿载波(51)表达式为vsaw1(t)：
第一锯齿载波(51)连接第四比较器(54)的负输入端和第五比较器(55)的正输入端。绝对值模块(24)的输出为|vm(k)|，连接到第四比较器(54)的正输入端和第一加法器(53)的一个输入端，偏置量-v1(52)输入第一加法器(53)的另一个输入端。第一加法器(53)的输出端连接第五比较器(55)的正输入端。第四比较器(54)和第五比较器(55)的输出端分别连接第一与门(56)的两个输入端，第一与门(56)的输出端连接第一下降沿延时模块(57)。第一下降沿延时模块(57)的输出端连接第五上升沿延时模块(60)和第四反相器(59)的输入端，第四反相器(59)的输出端连接第六上升沿延时模块(61)。
有源功率解耦桥臂的输出电流iapd经采样后输入第六比较器(58)的正输入端，第六比较器(58)的负输入端为0。第六比较器(58)的输出信号为正时，第一选择开关(62)、第二选择开关(63)的端口1和端口3连通；第六比较器(58)的输出信号为负时，第一选择开关(62)、第二选择开关(63)的端口2和端口3连通。第五上升沿延时模块(60)的输出分别与第一选择开关(62)的端口1和第二选择开关(63)的端口2连接。第六上升沿延时模块(61)的输出分别与第一选择开关(62)的端口2和第二选择开关(63)的端口1连接。
第一选择开关(62)的端口3为APD调制模块(26)的端口2，第二选择开关(63)的端口3为APD调制模块(26)的端口3。
参照图5，零电压(ZVS)脉冲模块(27)采用的第二锯齿载波(64)的幅值为Vt和-Vt，第二锯齿载波(64)的频率为2fs，周期为Ts/2。
在第k个三角载波(41)周期内，第二锯齿载波(64)表达式为vsaw2(t)：
第二锯齿载波(64)连接第七比较器(69)的负输入端和第八比较器(70)的正输入端。绝对值模块(24)的输出为|vm(k)|，连接到第二加法器(65)的一个输入端，偏置量-v1(66)输入第二加法器(65)的另一个输入端。第二加法器(65)的输出端连接第七比较器(69)的正输入端和第三加法器(68)的一个输入端。偏置量-v2(67)连接第三加法器(68)的一个输入端。第三加法器(68)的输出端连接第八比较器(70)的负输入端。第七比较器(69)和第八比较器(70)的输出端分别连接第二与门(71)的两个输入端，第二与门(71)的输出端连接第七上升沿延时模块(72)和第五反相器(73)的输入端，第五反相器(73)的输出端连接第八上升沿延时模块(74)，第七上升沿延时模块(72)的输出端为ZVS脉冲模块(27)的端口2，第八上升沿延时模块(74)的输出端为ZVS脉冲模块(27)的端口3。
上述的第一上升沿延时模块(47)、第二上升沿延时模块(48)、第三上升沿延时模块(49)、第四上升沿延时模块(50)、第五上升沿延时模块(60)、第六上升沿延时模块(61)、第七上升沿延时模块(72)、第八上升沿延时模块(74)的功能为将模块输入信号的上升沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等。所述的第一下降沿延时模块(57)的功能为将模块输入信号的下降沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等。所述的第一上升沿延时模块(47)、第二上升沿延时模块(48)、第三上升沿延时模块(49)、第四上升沿延时模块(50)、第五上升沿延时模块(60)、第六上升沿延时模块(61)的上升沿延时为td0，偏置量-v1(52)(66)及-v2(67)决定的延时时间为td1和td2，第七上升沿延时模块(72)的上升沿延时为td3，第八上升沿延时模块(74)的上升沿延时为td4，第一下降沿延时模块(57)的下降沿延时td5必须同时满足：
0≤td1≤td1+td3≤td0≤td1+td2＜td1+td2+td4＜td1+td5
参照图6,vs1、vs2、vs3、vs4分别为倍频SPWM调制模块端口2、端口3、端口4、端口5的输出信号波形。vs5、vs6为APD调制模块端口3、端口4的输出信号波形。vsc、vgsa为ZVS脉冲模块端口3、端口4的输出信号波形。vgs1～vgs6分别为主开关管S1～S6的调制信号。图示为调制波大于等于零，且APD电流iapd大于等于0的情形。
参照图7,vs1、vs2、vs3、vs4分别为倍频SPWM调制模块端口2、端口3、端口4、端口5的输出信号波形。vs5、vs6为APD调制模块端口3、端口4的输出信号波形。vsc、vgsa为ZVS脉冲模块端口3、端口4的输出信号波形。vgs1～vgs6分别为主开关管S1～S6的调制信号。图示为调制波大于等于零，且APD电流iapd小于0的情形。
参照图8,vs1、vs2、vs3、vs4分别为倍频SPWM调制模块端口2、端口3、端口4、端口5的输出信号波形。vs5、vs6为APD调制模块端口3、端口4的输出信号波形。vsc、vgsa为ZVS脉冲模块端口3、端口4的输出信号波形。vgs1～vgs6分别为主开关管S1～S6的调制信号。图示为调制波小于零，且APD电流iapd大于等于0的情形。
参照图9,vs1、vs2、vs3、vs4分别为倍频SPWM调制模块端口2、端口3、端口4、端口5的输出信号波形。vs5、vs6为APD调制模块端口3、端口4的输出信号波形。vsc、vgsa为ZVS脉冲模块端口3、端口4的输出信号波形。vgs1～vgs6分别为主开关管S1～S6的调制信号。图示为调制波小于零，且APD电流iapd小于0的情形。
参照图10和图11，对采用本发明提出的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路，一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd大于等于0时各电压电流波形以及各工作阶段电路进行说明。
阶段一(t0～t1)：
如图11(1)，主开关S4、S3、S6和辅助开关Sa导通，主开关S1、S2、S5关断，由谐振电感Lr、箝位电容Cc、辅助开关Sa组成的回路中，谐振电感Lr两端电压为-Vcc，谐振电感电流线性下降；
阶段二(t1～t2)：
如图11(2)，在t1时刻，主开关S4、S6关断，S4、S6中电流由其反并联二极管续流。
阶段三(t2～t3)：
如图11(3)，在t2时刻，辅助开关Sa关断，谐振电感Lr给主开关S1、S2、S5的并联电容Cr1、Cr2、Cr5放电，给辅助开关Sa的并联电容Cra充电，Sa零电压关断。
阶段四(t3～t4)：
如图11(4)，到t3时刻，主开关S1、S2、S5的并联电容Cr1、Cr2、Cr5电压谐振至零，S1、S2、S5的反并联二极管开始导通，谐振电感Lr两端电压箝位在Vbus，谐振电感Lr电流线性上升；
阶段五(t4～t5)：
如图11(5)，在t4时刻，主开关S1、S2、S4、S5、S6零电压开通，谐振电感Lr电流继续线性上升。
阶段六(t5～t6)：
如图11(6)，在t5刻，主开关S2、S4、S6关断，谐振电感Lr给主开关S2、S4、S6的并联电容Cr2、Cr4、Cr6充电，给辅助开关Sa并联电容Cra电，S2、S4、S6零电压关断。
阶段七(t6～t7)：
如图11(7)，到t6时刻，辅助开关Sa并联电容Cra压谐振至零，Sa反并联二极管开始导通，谐振电感Lr两端电压箝位在-Vcc通过由箝位电容Cc、Sa并联二极管组成的回路放磁，谐振电感Lr电流线性下降；能量从直流电源向交流电网传输。
阶段八(t7～t8)：
如图11(8)，在t7时刻，辅助开关Sa零电压开通，谐振电感Lr两端电压箝位在-Vcc，通过由箝位电容Cc、Sa组成的回路放磁，谐振电感Lr电流继续线性下降。
阶段九(t8～t9)：
如图11(9)，在t8时刻，主开关S3关断，输出电流给主开关S2的并联电容Cr2放电，给主开关S3的并联电容Cr3充电，S3零电压关断；
阶段十(t9～t10)：
如图11(10)，到t9时刻，主开关S2的并联电容Cr2放电至零，主开关S2反并联二极管开始导通，主开关S2管压被箝位至零，主开关S3管压被箝位至Vbus+Vcc，负载电流由主开关S2反并联二极管续流；
阶段十一(t10～t11)：
如图11(11)，在t10时刻，主开关S2零电压开通。
阶段十二(t11～t12)：
如图11(12)，在t11时刻，主开关S5关断，输出电流给主开关S6的并联电容Cr6放电，给主开关S5的并联电容Cr5充电，S5零电压关断；
阶段十三(t12～t13)：
如图11(13)，到t12时刻，主开关S6的并联电容Cr6放电至零，主开关S6反并联二极管开始导通，主开关S6管压被箝位至零，主开关S5管压被箝位至Vbus+Vcc，负载电流由主开关S6反并联二极管续流；
阶段十四(t13～t14)：
如图11(14)，在t13时刻，主开关S6零电压开通。
参照图12和图13，对采用本发明提出的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路，一个三角载波周期内调制波大于等于零，且APD(有源功率解耦)电流iapd小于0各电压电流波形以及各工作阶段电路进行说明。
阶段一(t0～t1)：
如图13(1)，主开关S4、S3、S5和辅助开关Sa导通，主开关S1、S2、S6关断，由谐振电感Lr、箝位电容Cc、辅助开关Sa组成的回路中，谐振电感Lr两端电压为-Vcc，谐振电感电流线性下降；
阶段二(t1～t2)：
如图13(2)，在t1时刻，主开关S4、5关断，S4、S5中电流由其反并联二极管续流。
阶段三(t2～t3)：
如图13(3)，在t2时刻，辅助开关Sa关断，谐振电感Lr给主开关S1、S2、S6的并联电容Cr1、Cr2、Cr6放电，给辅助开关Sa的并联电容Cra充电，Sa零电压关断。
阶段四(t3～t4)：
如图13(4)，到t3时刻，主开关S1、S2、S6的并联电容Cr1、Cr2、Cr6电压谐振至零，S1、S2、S6的反并联二极管开始导通，谐振电感Lr两端电压箝位在Vbus，谐振电感Lr电流线性上升；
阶段五(t4～t5)：
如图13(5)，在t4时刻，主开关S1、S2、S4、S5、S6零电压开通，谐振电感Lr电流继续线性上升。
阶段六(t5～t6)：
如图13(6)，在t5刻，主开关S2、S4、S5关断，谐振电感Lr给主开关S2、S4、S5的并联电容Cr2、Cr4、Cr5充电，给辅助开关Sa并联电容Cra电，S2、S4、S5零电压关断。
阶段七(t6～t7)：
如图13(7)，到t6时刻，辅助开关Sa并联电容Cra压谐振至零，Sa反并联二极管开始导通，谐振电感Lr两端电压箝位在-Vcc通过由箝位电容Cc、Sa并联二极管组成的回路放磁，谐振电感Lr电流线性下降；能量从直流电源向交流电网传输。
阶段八(t7～t8)：
如图13(8)，在t7时刻，辅助开关Sa零电压开通，谐振电感Lr两端电压箝位在-Vcc，通过由箝位电容Cc、Sa组成的回路放磁，谐振电感Lr电流继续线性下降。
阶段九(t8～t9)：
如图13(9)，在t8时刻，主开关S3关断，输出电流给主开关S2的并联电容Cr2放电，给主开关S3的并联电容Cr3充电，S3零电压关断；
阶段十(t9～t10)：
如图13(10)，到t9时刻，主开关S2的并联电容Cr2放电至零，主开关S2反并联二极管开始导通，主开关S2管压被箝位至零，主开关S3管压被箝位至Vbus+Vcc，负载电流由主开关S2反并联二极管续流；
阶段十一(t10～t11)：
如图13(11)，在t10时刻，主开关S2零电压开通。
阶段十二(t11～t12)：
如图13(12)，在t11时刻，主开关S6关断，输出电流给主开关S5的并联电容Cr5放电，给主开关S6的并联电容Cr6充电，S6零电压关断；
阶段十三(t12～t13)：
如图13(13)，到t12时刻，主开关S6的并联电容Cr6放电至零，主开关S6反并联二极管开始导通，主开关S6管压被箝位至零，主开关S6管压被箝位至Vbus+Vcc，负载电流由主开关S5反并联二极管续流；
阶段十四(t13～t14)：
如图13(14)，在t13时刻，主开关S5零电压开通。
Claims (5)
1.一种带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，其特征在于，所述带有源功率解耦单相零电压开关逆变器电路包括直流侧电源ubus(1)、三组并联的桥臂，每组桥臂由两个包含反并二极管的全控型开关串联构成，其中：单相全桥逆变器第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S1，D1(2)和S4，D4(4)，单相全桥逆变器第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S2，D2(3)和S3，D3(5)，有源功率解耦桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为S5，D5(6)和S6，D6(7)，所述单相全桥逆变器第一桥臂、第二桥臂中点分别通过输出滤波电感L1(8)、L2(9)与单相交流电网连接，有源功率解耦桥臂中点通过滤波电感Lapd(14)与有源功率解耦储能电容Capd(15)正极相连，上述三组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，负母线与直流侧电源ubus(1)的负极相连，Capd(15)负极连接负母线，正母线与直流侧电源ubus(1)正极之间接入由包含并联二极管Da的辅助开关Sa(11)与箝位电容Cc(12)构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感Lr(13)，各开关S1～S6(2～6)、Sa(11)的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容Cr1～Cr6(16～21)、Cra(22)；
所述的调制方法为：将单相逆变器的调制波(23)同时送入倍频SPWM调制模块(25)和绝对值模块(24)的输入端，绝对值模块(24)的输出端同时输入APD调制模块(26)和ZVS脉冲模块(27)，其中，APD调制模块表示有源功率解耦调制模块，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口2分别连接第一或门(28)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口3分别连接第二或门(29)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口4分别连接第三或门(30)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与倍频SPWM调制模块(25)的端口5分别连接第四或门(31)的两个输入端；ZVS脉冲模块(27)的端口2与APD调制模块(26)的端口2分别连接第五或门(32)的两个输入端，ZVS脉冲模块(27)的端口2与APD调制模块(26)的端口3分别连接第六或门(33)的两个输入端，第一或门(28)的输出端为逆变器第一桥臂上管调制信号(34)vgs1，第二或门(29)的输出端为逆变器第一桥臂下管调制信号(35)vgs4，第三或门(30)的输出端为逆变器第二桥臂上管调制信号(36)vgs2，第四或门(31)的输出端为逆变器第二桥臂下管调制信号(37)vgs3，第五或门(32)的输出端为有源功率解耦桥臂上管调制信号(38)vgs5，第六或门(33)的输出端为有源功率解耦桥臂下管调制信号(39)vgs6，ZVS脉冲模块(27)的端口3输出信号为辅助开关管调制信号(40)vgsa。
2.根据权利要求1所述的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，其特征在于，所述的调制波(23)输入倍频SPWM调制模块(25)的端口1，倍频SPWM调制模块(25)采用对称三角载波(41)，幅值为Vt和-Vt，载波频率为fs，载波周期为Ts，变换器交流基波频率为fg，交流基波周期为Tg，载波频率是基波频率的整数倍，在一个交流基波周期内，共有N个倍频SPWM载波周期：
在第k个载波周期内，三角载波表达式为vtri(t)：
在第k个载波周期内，调制波(23)幅值为vm(k)：
-1＜vm(k)＜1,1≤k≤N
调制波(23)连接第二比较器(43)的正输入端和第一反相器(42)的输入端，第一反相器(42)的输出端连接第三比较器(44)的正输入端，三角载波(41)连接第二比较器(43)的负输入端和第三比较器(44)的负输入端，第二比较器(43)的输出连接第二反相器(45)的输入端和第一上升沿延时模块(47)的输入端，第三比较器(44)的输出连接第三反相器(46)的输入端和第三上升沿延时模块(49)的输入端，第二反相器(45)的输出端连接第二上升沿延时模块(48)，第三反相器(46)的输出端连接第四上升沿延时模块(50)；
第一上升沿延时模块(47)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口2，第二上升沿延时模块(48)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口3，第三上升沿延时模块(49)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口4，第四上升沿延时模块(50)的输出端为倍频SPWM调制模块(25)的端口5。
3.根据权利要求1所述的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，其特征在于，所述的APD调制模块(26)采用的第一锯齿载波(51)的幅值为Vt和-Vt，第一锯齿载波(51)的频率为2fs，周期为Ts/2；
在第k个三角载波(41)周期内，第一锯齿载波(51)表达式为vsaw1(t)：
第一锯齿载波(51)连接第四比较器(54)的负输入端和第五比较器(55)的正输入端，绝对值模块(24)的输出为|vm(k)|，连接到第四比较器(54)的正输入端和第一加法器(53)的一个输入端，偏置量-v1(52)输入第一加法器(53)的另一个输入端，第一加法器(53)的输出端连接第五比较器(55)的正输入端，第四比较器(54)和第五比较器(55)的输出端分别连接第一与门(56)的两个输入端，第一与门(56)的输出端连接第一下降沿延时模块(57)，第一下降沿延时模块(57)的输出端连接第五上升沿延时模块(60)和第四反相器(59)的输入端，第四反相器(59)的输出端连接第六上升沿延时模块(61)；
有源功率解耦桥臂的输出电流iapd经采样后输入第六比较器(58)的正输入端，第六比较器(58)的负输入端为0，第六比较器(58)的输出信号为正时，第一选择开关(62)、第二选择开关(63)的端口1和端口3连通；第六比较器(58)的输出信号为负时，第一选择开关(62)、第二选择开关(63)的端口2和端口3连通；第五上升沿延时模块(60)的输出分别与第一选择开关(62)的端口1和第二选择开关(63)的端口2连接，第六上升沿延时模块(61)的输出分别与第一选择开关(62)的端口2和第二选择开关(63)的端口1连接；
第一选择开关(62)的端口3为APD调制模块(26)的端口2，第二选择开关(63)的端口3为APD调制模块(26)的端口3。
4.根据权利要求1所述的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，其特征在于所述的零电压(ZVS)脉冲模块(27)采用的第二锯齿载波(64)的幅值为Vt和-Vt，第二锯齿载波(64)的频率为2fs，周期为Ts/2；
在第k个三角载波(41)周期内，第二锯齿载波(64)表达式为vsaw2(t)：
第二锯齿载波(64)连接第七比较器(69)的负输入端和第八比较器(70)的正输入端，绝对值模块(24)的输出为|vm(k)|，连接到第二加法器(65)的一个输入端，偏置量-v1(66)输入第二加法器(65)的另一个输入端，第二加法器(65)的输出端连接第七比较器(69)的正输入端和第三加法器(68)的一个输入端，偏置量-v2(67)连接第三加法器(68)的一个输入端，第三加法器(68)的输出端连接第八比较器(70)的负输入端，第七比较器(69)和第八比较器(70)的输出端分别连接第二与门(71)的两个输入端，第二与门(71)的输出端连接第七上升沿延时模块(72)和第五反相器(73)的输入端，第五反相器(73)的输出端连接第八上升沿延时模块(74)，第七上升沿延时模块(72)的输出端为ZVS脉冲模块(27)的端口2，第八上升沿延时模块(74)的输出端为ZVS脉冲模块(27)的端口3。
5.根据权利要求2～4任一项所述的带有源功率解耦单相零电压开关逆变器的调制方法，其特征在于，第一上升沿延时模块(47)、第二上升沿延时模块(48)、第三上升沿延时模块(49)、第四上升沿延时模块(50)、第五上升沿延时模块(60)、第六上升沿延时模块(61)、第七上升沿延时模块(72)、第八上升沿延时模块(74)的功能为将模块输入信号的上升沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等；第一下降沿延时模块(57)的功能为将模块输入信号的下降沿延时，其余时刻输出信号与输入信号相等；所述的第一上升沿延时模块(47)、第二上升沿延时模块(48)、第三上升沿延时模块(49)、第四上升沿延时模块(50)、第五上升沿延时模块(60)、第六上升沿延时模块(61)的上升沿延时为td0，偏置量-v1及-v2决定的延时时间为td1和td2，第七上升沿延时模块(72)的上升沿延时为td3，第八上升沿延时模块(74)的上升沿延时为td4，第一下降沿延时模块(57)的下降沿延时td5必须同时满足：
0≤td1≤td1+td3≤td0≤td1+td2<td1+td2+td4<td1+td5。
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