CN108809137A - 一种结构简单的辅助谐振极逆变电路 - Google Patents

一种结构简单的辅助谐振极逆变电路 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，涉及电力电子技术领域。该电路包括三相主逆变电路及其辅助谐振换流电路，分别为依次并联连接的A相辅助谐振换流电路、A相主逆变电路、B相辅助谐振换流电路、B相主逆变电路、C相辅助谐振换流电路和C相主逆变电路，同时与直流电源并联连接；每个辅助谐振换流电路仅包括2个辅助开关管、2个辅助二极管、2个辅助谐振电感和2个谐振电容。本发明提供的结构简单的辅助谐振极逆变电路，不需要为辅助开关管关断设置额外的谐振回路，其依靠自身寄生电容的缓冲作用实现零电压关断，降低了辅助开关管的电流应力，减小了电路中无功能量转化过程造成的损耗，减少了电路元件使用，实现了电路结构的简化。

Description

一种结构简单的辅助谐振极逆变电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种结构简单的辅助谐振极逆变电路。
背景技术
随着中小功率逆变器在电机驱动、不间断电源、新能源并网等诸多领域的广泛应用，使用者对其体积、重量、变换效率、功率密度等性能指标提出了越来越高的要求，而实现逆变器小型化、轻量化、高效率、高功率密度的最直接方法就是提高逆变器的开关频率。但是单纯的通过提高开关频率又会增大硬开关逆变器的开关损耗，并且带来严重的电磁干扰(EMI)问题。因此，软开关逆变技术应运而生。
随着软开关逆变技术的不断发展，各种软开关逆变器拓扑结构先后出现。在众多软开关逆变拓扑中，辅助谐振极逆变器没有增加主功率开关器件原有的电压和电流应力，三相独立控制，因此受到世界各国相关领域研究人员的普遍关注。
较早提出的辅助谐振极逆变器需使用两个很大的电解质电容，给逆变器带来了中性点电位变化的问题，并且需要单独的检测电路和逻辑控制电路。随后出现的改进辅助谐振变换极逆变器，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，使主电路与控制策略都变得很复杂。
《仪器仪表学报》2009年第30卷第6期公开了如图1所示的一种新型辅助谐振极逆变器的电路图。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谐振换流电路，每一相辅助谐振换流电路由4个辅助二极管、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2个谐振电容组成。该逆变器避免了传统辅助谐振极逆变器使用的两个大的电解质电容，具有三相辅助谐振换流电路独立可控，无需检测负载电流，在全负载范围内均能实现开关管的软开关，各元件的电压应力不大于直流电源电压等优点。
然而，该辅助谐振极逆变器中，辅助谐振换流电路使用元件数量较多，电路较为复杂，而且辅助谐振电容的存在，使得换流时辅助谐振换流电路中叠加额外的谐振电流，增大了辅助谐振换流电路的最大电流应力和导通损耗，进而影响整体变换效率，在中小功率应用场合上述问题将更加突出。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明提供一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，实现辅助谐振换流电路为主功率开关管提供零电压开关条件，辅助开关管依靠自身寄生电容实现零电压关断。
一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，包括三相主逆变电路和三相辅助谐振换流电路；
所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，包括A相主逆变电路、B相主逆变电路和C相主逆变电路；所述三相辅助谐振换流电路包括A相辅助谐振换流电路、B相辅助谐振换流电路和C相辅助谐振换流电路；
所述A相辅助谐振换流电路、A相主逆变电路、B相辅助谐振换流电路、B相主逆变电路、C相辅助谐振换流电路和C相主逆变电路依次并联连接，同时与直流电源并联连接；
所述各相主逆变电路均包括第一主开关管、第二主开关管、第一主二极管和第二主二极管；所述第一主开关管的发射极连接第二主开关管的集电极，第一主开关管与第一主二极管反并联连接，第二主开关管与第二主二极管反并联连接；
所述各相辅助谐振换流电路均包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一谐振电容、第二谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第一辅助二极管和第二辅助二极管；
所述第一谐振电容的负极连接第二谐振电容的正极，第一谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二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谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点，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谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点；
所述第一辅助二极管的阳极连接至第二辅助开关管的集电极与第二辅助谐振电感的连接点，第一辅助二极管的阴极连接第一辅助开关管的集电极；所述第二辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的发射极，第二辅助二极管的阴极连接至第一辅助开关管的发射极与第一辅助谐振电感的连接点；
所述第一主开关管集电极、第一主二极管阴极、第一辅助开关管的集电极和第一辅助二极管的阴极、第一谐振电容的正极与直流电源的正极连接；所述第二主开关管发射极、第二主二极管阳极、第二辅助开关管的发射极和第二辅助二极管的阳极、第二谐振电容的负极与直流电源的负极连接；
所述第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点、第一主开关管发射极与第二主开关管集电极的连接点依次连接，以第一主开关管发射极与第二主开关管集电极的连接点处的引出线为单相交流电输出端。
优选地，所述各相辅助谐振换流电路中的第一辅助开关管、第二辅助开关管和各相主逆变电路中的第一主开关管和第二主开关管，均采用全控开关器件。
优选地，所述全控开关器件为绝缘栅双极型晶体管、功率场效应晶体管或智能功率模块。
优选地，所述各相辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管和各相主逆变电路中的第一主二极管、第二主二极管均为快速恢复二极管或高频二极管。
优选地，所述各相主逆变电路和各相辅助谐振换流电路均包括十个工作模式，分别为：
模式a：第一主开关管开通，负载电流经第一主开关管流向负载，电路处于直流电源供电状态；
模式b：第一主开关管关断，同时第二辅助开关管开通，负载电流换流至第一谐振电容、第二谐振电容，同时第一谐振电容、第二谐振电容与第二辅助谐振电感开始谐振，第二谐振电容放电，第一谐振电容与第二辅助谐振电感充电；在第一谐振电容、第二谐振电容的缓冲作用下，第一主开关管实现零电压关断，在第二辅助谐振电感的缓冲作用下，第二辅助开关管实现零电流开通；
模式c：当第二辅助谐振电感中的电流达到最大值时，第一谐振电容两端的电压上升至直流电源电压，第二谐振电容两端的电压下降至零，第二主二极管导通，负载电流立即换流至第二主二极管，第二辅助谐振电感中的电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管和第二主二极管构成的回路中环流；在第二主二极管导通期间开通第二主开关管，则第二主开关管实现零电压零电流开通；
模式d：第二辅助开关管关断，第一辅助二极管立即导通，第二辅助谐振电感中的能量通过第二主二极管和第一辅助二极管回馈给直流电源，第二辅助谐振电感中的电流线性减小；
模式e：当第二辅助谐振电感中的电流线性下降到零，第一辅助二极管自然关断，负载电流通过第二主二极管续流；在第二主二极管导通期间关断第二主开关管，则第二主开关管实现零电压零电流关断；
模式f：第一辅助开关管开通，由于第二主二极管导通，第一辅助谐振电感直接承受直流电源电压，第一辅助谐振电感中的电流从零开始线性上升，第二主二极管中的电流线性减小，负载电流由第二主二极管向第一辅助谐振电感换流；由于第一辅助谐振电感的缓冲作用，第一辅助开关管实现零电流开通；
模式g：当第一辅助谐振电感中的电流线性上升到负载电流时，负载电流完全换流至第一辅助谐振电感，第二主二极管中的电流线性下降至零自然关断，第一谐振电容、第二谐振电容与第一辅助谐振电感开始谐振，第一辅助谐振电容放电，第二辅助谐振电容和第一辅助谐振电感充电；
模式h：当第一辅助谐振电感中的电流达到最大值时，第一谐振电容两端的电压下降至零，第二谐振电容两端的电压上升至直流电源电压，第一主二极管导通，第一辅助谐振电感中的谐振电流在第一辅助谐振电感、第一主二极管和第一辅助开关管构成的回路中环流；在第一主二极管导通期间开通第一主开关管，则第一主开关管为零电压零电流开通；
模式i：第一辅助开关管关断，第二辅助二极管立即导通，第一辅助谐振电感通过第二辅助二极管向直流电源和负载释放能量，第一辅助谐振电感中的电流线性减小；
模式j：当第一辅助谐振电感中的电流线性减小到负载电流时，第一主二极管中的电流线性减小到零自然关断，第一辅助谐振电感中的电流继续减小，第一主开关管中的电流从零开始线性上升，负载电流从第一辅助谐振电感向第一主开关管换流；当第一辅助谐振电感中的电流线性减小到零时，第二辅助二极管自然关断，负载电流完全换流至第一主开关管，回路工作模式回到模式a。
优选地，所述各相辅助谐振换流电路在工作状态第一辅助开关管的集电极与发射极之间存在第一辅助开关管寄生电容，第二辅助开关管的集电极与发射极之间存在第二辅助开关管寄生电容，在这两个寄生电容的影响下，各相主逆变电路和辅助谐振换流电路还会产生两个附加的工作模式，分别为：
模式c′：模式c′发生在模式c和模式d之间，在第二辅助开关管关断瞬间，第二辅助谐振电感与第二辅助开关管寄生电容开始谐振，第二辅助开关管寄生电容充电；由于第二辅助开关管寄生电容的缓冲作用，第二辅助开关管实现零电压关断；当第二辅助开关管寄生电容两端的电压上升到直流电源电压时，第一辅助二极管导通，电路进入模式d；
模式h′：模式h′发生在模式h和模式i之间，在第一辅助开关管关断瞬间，第一辅助谐振电感与第一辅助开关管寄生电容开始谐振，第一辅助开关管寄生电容充电；由于第一辅助开关管寄生电容的缓冲作用，第一辅助开关管实现零电压关断；当第一辅助开关管寄生电容两端的电压上升到直流电源电压时，第二辅助二极管导通，电路进入模式j。
优选地，所述结构简单的辅助谐振极逆变电路各相的调制策略为：
在第一主开关管的关断时刻开通第二辅助开关管，第二主开关管的开通时刻比第一主开关管的关断时刻或第二辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第二辅助开关管的关断时刻比第二主开关管的开通时刻延迟δt2时间；
在第二主开关管的关断时刻开通第一辅助开关管，第一主开关管的开通时刻比第二主开关管的关断时刻或第一辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第一辅助开关管的关断时刻比第一主开关管的开通时刻延迟δt2时间；
各主开关管按照正弦脉宽调制、相位差为180°互补开通方式工作；
所述延迟时间δt1、δt2满足以下条件：
δt2为一固定时间段；
其中，E为直流电源电压值；C为第一谐振电容或第二谐振电容的电容值；L为第一辅助谐振电感或第二辅助谐振电感的电感值；tdead为硬开关逆变器上下桥臂开关管的开关死区时间；iamax为A相的输出负载电流峰值。
由上述技术方案可知，本发明的有益效果在于：本发明提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，每个辅助谐振换流电路仅由2个辅助开关管、2个辅助二极管、2个辅助谐振电感和2个谐振电容组成，减少了辅助谐振换流电路的元件数量，完成了辅助谐振换流电路的简化，降低了逆变器的成本。能够实现主功率开关管的零电压零电流开通和零电压关断、辅助开关管的零电流开通和零电压关断，且所有二极管均实现自然关断，减小了开关损耗，降低了电磁干扰；同时，该电路不需要为辅助开关管关断设置额外的谐振回路，辅助开关管关断依靠其自身寄生电容实现，降低了辅助开关管的电流应力，减小了电路中无功能量转化过程造成的损耗。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种新型辅助谐振极逆变器的电路图；
图2为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路的电路图；
图3为本发明实施例提供的A相主逆变电路及其辅助谐振换流电路的电路图；
图4为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的特征工作波形图；
图5为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路的十个换流工作模式图；其中，(a)为换流工作模式a示意图，(b)为换流工作模式b示意图，(c)为换流工作模式c示意图，(d)为换流工作模式d示意图，(e)为换流工作模式e示意图，(f)为换流工作模式f示意图，(g)为换流工作模式g示意图，(h)为换流工作模式h示意图，(i)为换流工作模式i示意图，(j)为换流工作模式j示意图；
图6为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相在第一辅助开关管寄生电容和第二辅助开关管寄生电容影响下的附加工作模式图；其中，(a)为附加工作模式c′示意图，(b)为附加工作模式h′示意图；
图7为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的主要元件的仿真波形图；
图8为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的第一主开关管S1开关过程的电压和电流仿真波形图；其中，(a)为开通过程仿真波形，(b)为关断过程仿真波形；
图9为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的第一辅助开关管Sa1和第二辅助开关管Sa2开通过程的电压和电流仿真波形图；其中，(a)为第一辅助开关管Sa1开通过程仿真波形，(b)为第二辅助开关管Sa2开通过程仿真波形；
图10为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的第一辅助开关管Sa1和第二辅助开关管Sa2在第一辅助开关管寄生电容和第二辅助开关管寄生电容影响下关断过程的电压和电流仿真波形图；其中，(a)为第一辅助开关管Sa1关断过程仿真波形，(b)为第二辅助开关管Sa2关断过程仿真波形；
图11为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的第一主二极管D1和第二主二极管D2开关过程的电压和电流仿真波形图；其中，(a)为第一主二极管D1仿真波形，(b)为第二主二极管D2仿真波形；
图12为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路A相的第一辅助二极管Da1和第二辅助二极管Da2开关过程的电压和电流仿真波形图；其中，(a)为第一辅助二极管Da1仿真波形，(b)为第二辅助二极管Da2仿真波形；
图13为本发明实施例提供的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路与现有的新型辅助谐振极逆变器A相的第一辅助谐振电感La1和第二辅助谐振电感La2中的电流与负载电流ia的仿真波形图；其中，(a)为本发明具体实施方式的结构简单的辅助谐振极逆变电路的仿真波形，(b)为现有的新型辅助谐振极逆变器的仿真波形。
图中，1、A相辅助谐振换流电路；2、A相主逆变电路；3、B相辅助谐振换流电路；4、B相主逆变电路；5、C相辅助谐振换流电路；6、C相主逆变电路。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，如图2所示，包括三相主逆变电路和三相辅助谐振换流电路。
三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，包括A相主逆变电路2、B相主逆变电路4和C相主逆变电路6；三相辅助谐振换流电路包括A相辅助谐振换流电路1、B相辅助谐振换流电路3和C相辅助谐振换流电路5。
A相辅助谐振换流电路1、A相主逆变电路2、B相辅助谐振换流电路3、B相主逆变电路4、C相辅助谐振换流电路5和C相主逆变电路6依次并联连接，同时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、第一主二极管和第二主二极管；第一主开关管的发射极连接第二主开关管的集电极，第一主开关管与第一主二极管反并联连接，第二主开关管与第二主二极管反并联连接；
各相辅助谐振换流电路包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一谐振电容、第二谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第一辅助二极管和第二辅助二极管。
A相主逆变电路及其辅助谐振换流电路如图3所示。
在A相上，第一主开关管S1、第二主开关管S2位于A相桥臂，第一主开关管S1的发射极连接第二主开关管S2的集电极，第一主开关管S1与第一主二极管D1反并联连接，第二主开关管S2与第二主二极管D2反并联连接；第一谐振电容C1的负极连接第二谐振电容C2的正极，第一谐振电容C1的正极连接第一辅助开关管Sa1的集电极，第二谐振电容C2的负极连接第二辅助开关管Sa2的发射极，第一辅助开关管Sa1的发射极连接第一辅助谐振电感La1的一端，第一辅助谐振电感La1的另一端连接至第一谐振电容C1与第二谐振电容C2的连接点，第二辅助开关管Sa2的集电极连接第二辅助谐振电感La2的一端，第二辅助谐振电感La2的另一端连接至第一谐振电容C1与第二谐振电容C2的连接点。
第一辅助二极管Da1的阳极连接至第二辅助开关管Sa2与第二辅助谐振电感La2的连接点，第一辅助二极管Da1的阴极连接至第一辅助开关管Sa1的集电极；第二辅助二极管Da2的阳极连接至第二辅助开关管Sa2的发射极，第二辅助二极管Da2的阴极连接至第一辅助开关管Sa1与第一辅助谐振电感La1的连接点。
第一主开关管S1集电极、第一主二极管D1阴极、第一辅助开关管Sa1的集电极、第一辅助二极管Da1的阴极、第一谐振电容C1的正极与直流电源的正极P连接；第二主开关管S2发射极、第二主二极管D2阳极、第二辅助开关管Sa2的发射极、第二辅助二极管Da2的阳极、第二谐振电容C2的负极与直流电源的负极N连接；
第一辅助谐振电感La1与第二辅助谐振电感La2的连接点、第一谐振电容C1与第二谐振电容C2的连接点、第一主开关管S1与第二主开关管S2的连接点依次连接，以第一主开关管S1与第二主开关管S2的连接点处的引出线为A相交流电输出端。
在B相上，第一主开关管S3、第二主开关管S4位于B相桥臂，第一主开关管S3的发射极连接第二主开关管S4的集电极，第一主开关管S3与第一主二极管D3反并联连接，第二主开关管S4与第二主二极管D4反并联连接；第一谐振电容C3的负极连接第二谐振电容C4的正极，第一谐振电容C3的正极连接第一辅助开关管Sa3的集电极，第二谐振电容C4的负极连接第二辅助开关管Sa4的发射极，第一辅助开关管Sa3的发射极连接第一辅助谐振电感La3的一端，第一辅助谐振电感La3的另一端连接至第一谐振电容C3与第二谐振电容C4的连接点，第二辅助开关管Sa4的集电极连接第二辅助谐振电感La4的一端，第二辅助谐振电感La4的另一端连接至第一谐振电容C3与第二谐振电容C4的连接点。
第一辅助二极管Da3的阳极连接至第二辅助开关管Sa4与第二辅助谐振电感La4的连接点，第一辅助二极管Da3的阴极连接至第一辅助开关管Sa3的集电极；第二辅助二极管Da4的阳极连接至第二辅助开关管Sa4的发射极，第二辅助二极管Da4的阴极连接至第一辅助开关管Sa3与第一辅助谐振电感La3的连接点。
第一主开关管S3集电极、第一主二极管D3阴极、第一辅助开关管Sa3的集电极第一辅助二极管Da3的阴极、第一谐振电容C3的正极与直流电源的正极P连接；第二主开关管S4发射极、第二主二极管D4阳极、第二辅助开关管Sa4的发射极、第二辅助二极管Da4的阳极、第二谐振电容C4的负极与直流电源的负极N连接；
第一辅助谐振电感La3与第二辅助谐振电感La4的连接点、第一谐振电容C3与第二谐振电容C4的连接点、第一主开关管S3与第二主开关管S4的连接点依次连接，以第一主开关管S3与第二主开关管S4的连接点处的引出线为B相交流电输出端。
在C相上，第一主开关管S5、第二主开关管S6位于C相桥臂，第一主开关管S5的发射极连接第二主开关管S6的集电极，第一主开关管S5与第一主二极管D5反并联连接，第二主开关管S6与第二主二极管D6反并联连接；第一谐振电容C5的负极连接第二谐振电容C6的正极，第一谐振电容C5的正极连接第一辅助开关管Sa5的集电极，第二谐振电容C6的负极连接第二辅助开关管Sa6的发射极，第一辅助开关管Sa5的发射极连接第一辅助谐振电感La5的一端，第一辅助谐振电感La5的另一端连接至第一谐振电容C5与第二谐振电容C6的连接点，第二辅助开关管Sa6的集电极连接第二辅助谐振电感La6的一端，第二辅助谐振电感La6的另一端连接至第一谐振电容C5与第二谐振电容C6的连接点。
第一辅助二极管Da5的阳极连接至第二辅助开关管Sa6与第二辅助谐振电感La6的连接点，第一辅助二极管Da5的阴极连接至第一辅助开关管Sa5的集电极；第二辅助二极管Da6的阳极连接至第二辅助开关管Sa6的发射极，第二辅助二极管Da6的阴极连接至第一辅助开关管Sa5与第一辅助谐振电感La5的连接点。
第一主开关管S5集电极、第一主二极管D5阴极、第一辅助开关管Sa5的集电极、第一辅助二极管Da5的阴极、第一谐振电容C5的正极与直流电源的正极P连接；第二主开关管S6发射极、第二主二极管D6阳极、第二辅助开关管Sa6的发射极、第二辅助二极管Da6的阳极、第二谐振电容C6的负极与直流电源的负极N连接；
第一辅助谐振电感La5与第二辅助谐振电感La6的连接点、第一谐振电容C5与第二谐振电容C6的连接点、第一主开关管S5与第二主开关管S6的连接点依次连接，以第一主开关管S5与第二主开关管S6的连接点处的引出线为C相交流电输出端。
各相辅助谐振换流电路中第一辅助开关管、第二辅助开关管和各相主逆变电路中第一主开关管和第二主开关管，均采用全控开关器件，全控开关器件为绝缘栅双极型晶体管、功率场效应晶体管或智能功率模块。
各相辅助谐振换流电路中第一辅助二极管、第二辅助二极管和各相主逆变电路中第一主二极管、第二主二极管均为快速恢复二极管或高频二极管。
本实施例以结构简单的辅助谐振极逆变电路在变频调速系统中的应用为例，说明该结构简单的辅助谐振极逆变电路的工作过程。
首先，通过将电网中的三相交流电输送到整流器中进行整流后得到相对平稳的直流电压源；然后，将该直流电压源作为本发明的结构简单的辅助谐振极逆变电路的直流电源进行电能变换。
本实施例中，本发明的结构简单的辅助谐振极逆变电路的A、B、C三相之间相位互差120°，每一相主逆变电路的第一主开关管和第二主开关管的触发信号为相位差180°电角度且带死区的SPWM信号，在主逆变电路进入死区时间的同时，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，此时辅助谐振换流电路工作。在一个开关周期中，每一相的主逆变电路与辅助谐振换流电路分别交替工作一次。
本实施例中，A相的时序波形图如图4所示，以A相为例，结构简单的辅助谐振极逆变电路的调制策略如下：
在第一主开关管的关断时刻开通第二辅助开关管，第二主开关管的开通时刻比第一主开关管的关断时刻或第二辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第二辅助开关管的关断时刻比第二主开关管的开通时刻延迟δt2时间。
在第二主开关管的关断时刻开通第一辅助开关管，第一主开关管的开通时刻比第二主开关管的关断时刻或第一辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第一辅助开关管的关断时刻比第一主开关管的开通时刻延迟δt2时间。
各主开关管按照正弦脉宽调制、相位差为180°互补开通方式工作。
延迟时间δt1、δt2满足的条件为：
δt2为一固定时间段；
其中，E为直流电源电压值；C为第一谐振电容或第二谐振电容的电容值；L为第一辅助谐振电感或第二辅助谐振电感的电感值；tdead为硬开关逆变器上下桥臂开关管的开关死区时间；iamax为A相的输出负载电流峰值。
B相与C相主逆变电路及其辅助谐振换流电路调制策略与A相相同。
各相主逆变电路和各相辅助谐振换流电路均包括十个工作模式。
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ia。
本实施例以A相主逆变电路2和辅助谐振电路1为例，介绍其在理想情况下一个开关周期内的10个工作模式，如图5所示，分别为：
模式a[～t0]：如图5(a)所示，第一主开关管S1导通，第二主开关管S2、第一辅助开关管Sa1、第二辅助开关管Sa2关断，负载电流ia经第一主开关管S1流向负载，电路处于直流电源供电状态；第一谐振电容两端的电压vC1＝0，第二谐振电容两端的电压vC2＝E，辅助谐振电感中的电流iLa1＝iLa2＝0，第一主开关管中的电流iS1＝ia(ia为定值)。
模式b[t0～t1]：如图5(b)所示，t0时刻，第一主开关管S1关断，同时开通第二辅助开关管Sa2，负载电流ia换流至第一谐振电容C1和第二谐振电容C2，且第一谐振电容C1和第二谐振电容C2与第二辅助谐振电感La2开始谐振，第二谐振电容C2放电，第二辅助谐振电感La2和第一谐振电容C1充电。由于第一谐振电容C1、第二谐振电容C2的缓冲作用，第一主开关管S1关断后其两端的电压从零开始逐渐上升，所以第一主开关管S1实现零电压关断。由于第二辅助谐振电感L2的缓冲作用，第二辅助开关管Sa2开通后其电流从零开始线性上升，所以第二辅助开关管Sa2为零电流开通。
模式c[t1～t2]：如图5(c)所示，t1时刻，当第二谐振电容C2减小到零，第一谐振电容C1两端的电压增加至直流电源电压值E，第二主二极管D2导通，负载电流ia换流至第二主二极管D2，第二辅助谐振电感La2中的谐振电流在第二辅助谐振电感La2、第二辅助开关管Sa2和第二主二极管D2构成的回路中环流。当在第二主二极管D2导通期间开通第二主开关管S2，则第二主开关管S2实现零电压零电流开通。
模式d[t2～t3]：如图5(d)所示，t2时刻，第二辅助开关管Sa2关断，第一辅助二极管Da1立即导通，第二辅助谐振电感La2中的能量通过Da1和D2回馈给直流电源，第二辅助谐振电感La2中的电流线性减小。
模式e[t3～t4]：如图5(e)所示，t3时刻，第二辅助谐振电感La2中的电流下降至零，第一辅助二极管Da1中的电流线性减小到零自然关断。负载电流通过第二主二极管D2续流，与传统硬开关逆变器二极管续流工作模式相同。
模式f[t4～t5]：如图5(f)所示，t4时刻，关断第二主开关管S2同时开通第一辅助开关管Sa1，由于第二主二极管D2导通，直流电源完全施加在第一辅助谐振电感La1上，第一辅助谐振电感La1中的电流从零线性上升，第二主二极管D2中的电流从ia线性下降，负载电流ia由第二主二极管D2向第一辅助谐振电感La1换流。在第二主二极管D2导通期间关断第二主开关管S2，则第二主开关管S2实现零电压零电流关断。由于第一辅助谐振电感La1的缓冲作用，第一辅助开关管Sa1开通后其电流从零开始线性上升，所以第一辅助开关管Sa1实现零电流开通。
模式g[t5～t6]：如图5(g)所示，t5时刻，当第一辅助谐振电感La1中的电流上升至负载电流ia，负载电流ia完全换流至第一辅助谐振电感La1，第二主二极管D2中的电流线性减小到零自然关断。第一谐振电容C1、第二谐振电容C2和第一辅助谐振电感La1开始谐振。第一谐振电容C1放电，第二谐振电容C2和第一辅助谐振电感La1充电。
模式h[t6～t7]：如图5(h)所示，t6时刻，第二谐振电容C2两端的电压上升至直流电源电压值E，第一谐振电容C1两端的电压下降至零，第一主二极管D1导通，第一辅助谐振电感La1中的电流上升到最大值，第一辅助谐振电感La1中的谐振电流在第一辅助谐振电感La1、第一辅助开关管Sa1和第一主二极管D1构成的回路中环流。在第一主二极管D1导通期间开通第一主开关管S1，则第一主开关管S1为零电压零电流开通；
模式i[t7～t8]：如图5(i)所示，t7时刻，第一辅助开关管Sa1关断，第二辅助二极管Da2立即导通，第一辅助谐振电感La1中的能量通过第一主二极管D1和第二辅助二极管Da2回馈给直流电源，第一辅助谐振电感La1中的电流线性减小。
模式j[t8～t9]：如图5(j)所示，t8时刻，当第一辅助谐振电感La1中的电流下降至ia，第一主二极管D1中的电流线性减小到零自然关断。第一辅助谐振电感La1中的电流继续线性减小，第一主开关管S1中的电流从零开始线性上升，负载电流ia从第一辅助谐振电感La1向第一主开关管S1换流。当第一辅助谐振电感La1中的电流下降至零时，负载电流ia完全换流至第一主开关管S1。随后第一主开关管S1中的电流保持恒定负载电流ia不变，回路的工作模式回到模式a。
在实际应用中，结构简单的辅助谐振极逆变电路的A相主逆变电路2和A相辅助谐振换流电路1的第一辅助开关管Sa1所采用器件的集电极与发射极之间会存在第一辅助开关管寄生电容Cp1，第二辅助开关管Sa2所采用器件的集电极与发射极之间会存在第二辅助开关管寄生电容Cp2，在第一辅助开关管寄生电容Cp1和第二辅助开关管寄生电容Cp2影响下A相主逆变电路2和A相辅助谐振换流电路1会产生两个附加工作模式，如图6所示，分别为：
模式c′：如图6(a)所示，模式c′发生在模式c和模式d之间，在第二辅助开关管Sa2关断瞬间，第二辅助谐振电感La2与第二辅助开关管寄生电容Cp2开始谐振，第二辅助开关管寄生电容Cp2充电。由于第二辅助开关管寄生电容Cp2的缓冲作用，第二辅助开关管Sa2关断后其两端的电压从零开始逐渐上升，所以第二辅助开关管Sa2实现零电压关断。当第二辅助开关管寄生电容Cp2两端的电压上升到直流电源电压值E时，第一辅助二极管Da1导通，电路工作模式进入模式d。
模式h′：如图6(b)所示，模式h′发生在模式h和模式i之间，在第一辅助开关管Sa1关断瞬间，第一辅助谐振电感La1与第一辅助开关管寄生电容Cp1开始谐振，第一辅助开关管寄生电容Cp1充电。由于第一辅助开关管寄生电容Cp1的缓冲作用，第一辅助开关管Sa1关断后其两端的电压从零开始逐渐上升，所以第一辅助开关管Sa1实现零电压关断。当第一辅助开关管Sa1寄生电容两端的电压上升到直流电源电压值E时，第二辅助二极管Da2导通，电路工作模式进入模式i。
由于第一辅助开关管寄生电容Cp1和第二辅助开关管寄生电容Cp2远小于第一谐振电容C1和第二谐振电容C2，所以模式c′和模式h′中谐振周期较短，即模式c′和模式h′工作时间较短，同理模式c′中流过第二辅助谐振电感La2的电流和模式h′中流过第一辅助谐振电感La1的电流几乎无变化，所以附加模式对电路其他工作模式造成的影响可以忽略不计。
B相与C相的主逆变电路和辅助谐振换流电路的工作模式与A相的主逆变电路和辅助谐振换流电路的工作模式相同，同时，实际应用中B相的第一辅助开关管Sa3所采用器件的集电极与发射极之间会存在第一辅助开关管寄生电容Cp3，第二辅助开关管Sa4所采用器件的集电极与发射极之间会存在第二辅助开关管寄生电容Cp4；C相的第一辅助开关管Sa5所采用器件的集电极与发射极之间会存在第一辅助开关管寄生电容Cp5，第二辅助开关管Sa6所采用器件的集电极与发射极之间会存在第二辅助开关管寄生电容Cp6。
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。
本实施例中，A相的主要元件的仿真波形如图7所示，图7与图4所示的特征工作波形基本一致，从而验证了前文所述各工作模式理论分析的正确性。
本实施例中，A相的第一主开关管S1的电压vS1和电流iS1的仿真波形如图8所示，由图8(a)可知，第一主开关管S1开通之前，其两端电压vS1已下降至零，第一主开关管S1开通一段时间后，其流过的电流iS1才从零开始上升，所以第一主开关管S1实现了零电压零电流开通；由图8(b)可知，第一主开关管S1关断后，其流过的电流iS1迅速下降至零，其两端电压vS1从0开始逐渐上升，所以第一主开关管S1实现了零电压关断。
A相的第一辅助开关管Sa1和第二辅助开关管Sa2开通过程的仿真波形如图9所示，由图9(a)可知，第一辅助开关管Sa1开通后，其两端电压vSa1迅速下降至零，其流过的电流iSa1从0开始线性上升，所以第一辅助开关管Sa1实现了零电流开通；由图9(b)可知，第二辅助开关管Sa2开通后，其两端电压vSa2迅速下降至零，其流过的电流iSa2从0开始线性上升，所以第二辅助开关管Sa2实现了零电流开通。
A相的第一辅助开关管Sa1和第二辅助开关管Sa2在第一辅助开关管寄生电容Cp1和第二辅助开关管寄生电容Cp2影响下关断过程仿真波形如图10所示，由图10(a)可知，第一辅助开关管Sa1关断后，其流过的电流iSa1迅速下降到零，其两端电压VSa1从0开始逐渐上升，所以第一辅助开关管Sa1实现了零电压关断；由图10(b)可知，第二辅助开关管Sa2关断后，其流过的电流iSa2迅速下降到零，其两端电压VSa2从0开始逐渐上升，所以第二辅助开关管Sa2实现了零电压关断。
A相的第一主二极管D1和第二主二极管D2的开关波形如图11所示，由图11(a)可知，第一主二极管D1关断之前，其电流iD1线性下降到零，所以第一主二极管D1关断为自然关断；由图11(b)可知，第二主二极管D2关断之前，其电流iD2线性下降到零，所以第二主二极管D2关断为自然关断。
A相的第一辅助二极管Da1和第二辅助二极管Da2的开关波形如图12所示，由图12(a)可知，第一辅助二极管Da1关断之前，其电流iDa1线性下降到零，所以第一辅助二极管Da1关断为自然关断；由图12(b)可知，第二辅助二极管Da2关断之前，其电流iDa2线性下降到零，所以第二主二极管Da2关断为自然关断。
本实施例还提供了如图13(a)和图13(b)所示的结构简单的辅助谐振极逆变电路与一种新型辅助谐振极逆变器中的A相的第一辅助谐振电感La1和第二辅助谐振电感La2中的电流与输出电流ia的仿真波形图，通过图13(a)与图13(b)对比可知，相比于一种新型辅助谐振极逆变器，在相同的负载电流下，本发明的结构简单的辅助谐振极逆变电路显著减小了辅助谐振换流电路的最大电流应力，从而有效降低了辅助谐振换流电路的环流损耗。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (7)

1.一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：包括三相主逆变电路和三相辅助谐振换流电路；
所述三相主逆变电路采用三相桥式电路结构，包括A相主逆变电路、B相主逆变电路和C相主逆变电路；所述三相辅助谐振换流电路包括A相辅助谐振换流电路、B相辅助谐振换流电路和C相辅助谐振换流电路；
所述A相辅助谐振换流电路、A相主逆变电路、B相辅助谐振换流电路、B相主逆变电路、C相辅助谐振换流电路和C相主逆变电路依次并联连接，同时与直流电源并联连接；
所述各相主逆变电路均包括第一主开关管、第二主开关管、第一主二极管和第二主二极管；所述第一主开关管的发射极连接第二主开关管的集电极，第一主开关管与第一主二极管反并联连接，第二主开关管与第二主二极管反并联连接；
所述各相辅助谐振换流电路均包括第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一谐振电容、第二谐振电容、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、第一辅助二极管和第二辅助二极管；
所述第一谐振电容的负极连接第二谐振电容的正极，第一谐振电容的正极连接第一辅助开关管的集电极，第二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谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点，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谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点；
所述第一辅助二极管的阳极连接至第二辅助开关管的集电极与第二辅助谐振电感的连接点，第一辅助二极管的阴极连接第一辅助开关管的集电极；所述第二辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的发射极，第二辅助二极管的阴极连接至第一辅助开关管的发射极与第一辅助谐振电感的连接点；
所述第一主开关管集电极、第一主二极管阴极、第一辅助开关管的集电极和第一辅助二极管的阴极、第一谐振电容的正极与直流电源的正极连接；所述第二主开关管发射极、第二主二极管阳极、第二辅助开关管的发射极和第二辅助二极管的阳极、第二谐振电容的负极与直流电源的负极连接；
所述第一辅助谐振电感与第二辅助谐振电感的连接点、第一谐振电容负极与第二谐振电容正极的连接点、第一主开关管发射极与第二主开关管集电极的连接点依次连接，以第一主开关管发射极与第二主开关管集电极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所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述各相辅助谐振换流电路中的第一辅助开关管、第二辅助开关管和各相主逆变电路中的第一主开关管和第二主开关管，均采用全控开关器件。
3.根据权利要求2所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述全控开关器件为绝缘栅双极型晶体管、功率场效应晶体管或智能功率模块。
4.根据权利要求1所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述各相辅助谐振换流电路中的第一辅助二极管、第二辅助二极管和各相主逆变电路中的第一主二极管、第二主二极管均为快速恢复二极管或高频二极管。
5.根据权利要求1所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述各相主逆变电路和各相辅助谐振换流电路均包括十个工作模式，分别为：
模式a：第一主开关管开通，负载电流经第一主开关管流向负载，电路处于直流电源供电状态；
模式b：第一主开关管关断，同时第二辅助开关管开通，负载电流换流至第一谐振电容、第二谐振电容，同时第一谐振电容、第二谐振电容与第二辅助谐振电感开始谐振，第二谐振电容放电，第一谐振电容与第二辅助谐振电感充电；在第一谐振电容、第二谐振电容的缓冲作用下，第一主开关管实现零电压关断，在第二辅助谐振电感的缓冲作用下，第二辅助开关管实现零电流开通；
模式c：当第二辅助谐振电感中的电流达到最大值时，第一谐振电容两端的电压上升至直流电源电压，第二谐振电容两端的电压下降至零，第二主二极管导通，负载电流立即换流至第二主二极管，第二辅助谐振电感中的电流在第二辅助谐振电感、第二辅助开关管和第二主二极管构成的回路中环流；在第二主二极管导通期间开通第二主开关管，则第二主开关管实现零电压零电流开通；
模式d：第二辅助开关管关断，第一辅助二极管立即导通，第二辅助谐振电感中的能量通过第二主二极管和第一辅助二极管回馈给直流电源，第二辅助谐振电感中的电流线性减小；
模式e：当第二辅助谐振电感中的电流线性下降到零，第一辅助二极管自然关断，负载电流通过第二主二极管续流；在第二主二极管导通期间关断第二主开关管，则第二主开关管实现零电压零电流关断；
模式f：第一辅助开关管开通，由于第二主二极管导通，第一辅助谐振电感直接承受直流电源电压，第一辅助谐振电感中的电流从零开始线性上升，第二主二极管中的电流线性减小，负载电流由第二主二极管向第一辅助谐振电感换流；由于第一辅助谐振电感的缓冲作用，第一辅助开关管实现零电流开通；
模式g：当第一辅助谐振电感中的电流线性上升到负载电流时，负载电流完全换流至第一辅助谐振电感，第二主二极管中的电流线性下降至零自然关断，第一谐振电容、第二谐振电容与第一辅助谐振电感开始谐振，第一辅助谐振电容放电，第二辅助谐振电容和第一辅助谐振电感充电；
模式h：当第一辅助谐振电感中的电流达到最大值时，第一谐振电容两端的电压下降至零，第二谐振电容两端的电压上升至直流电源电压，第一主二极管导通，第一辅助谐振电感中的谐振电流在第一辅助谐振电感、第一主二极管和第一辅助开关管构成的回路中环流；在第一主二极管导通期间开通第一主开关管，则第一主开关管为零电压零电流开通；
模式i：第一辅助开关管关断，第二辅助二极管立即导通，第一辅助谐振电感通过第二辅助二极管向直流电源和负载释放能量，第一辅助谐振电感中的电流线性减小；
模式j：当第一辅助谐振电感中的电流线性减小到负载电流时，第一主二极管中的电流线性减小到零自然关断，第一辅助谐振电感中的电流继续减小，第一主开关管中的电流从零开始线性上升，负载电流从第一辅助谐振电感向第一主开关管换流；当第一辅助谐振电感中的电流线性减小到零时，第二辅助二极管自然关断，负载电流完全换流至第一主开关管，回路工作模式回到模式a。
6.根据权利要求1所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述各相辅助谐振换流电路在工作状态第一辅助开关管的集电极与发射极之间存在第一辅助开关管寄生电容，第二辅助开关管的集电极与发射极之间存在第二辅助开关管寄生电容，在这两个寄生电容的影响下，各相主逆变电路和辅助谐振换流电路还会产生两个附加的工作模式，分别为：
模式c′：模式c′发生在模式c和模式d之间，在第二辅助开关管关断瞬间，第二辅助谐振电感与第二辅助开关管寄生电容开始谐振，第二辅助开关管寄生电容充电；由于第二辅助开关管寄生电容的缓冲作用，第二辅助开关管实现零电压关断；当第二辅助开关管寄生电容两端的电压上升到直流电源电压时，第一辅助二极管导通，电路进入模式d；
模式h′：模式h′发生在模式h和模式i之间，在第一辅助开关管关断瞬间，第一辅助谐振电感与第一辅助开关管寄生电容开始谐振，第一辅助开关管寄生电容充电；由于第一辅助开关管寄生电容的缓冲作用，第一辅助开关管实现零电压关断；当第一辅助开关管寄生电容两端的电压上升到直流电源电压时，第二辅助二极管导通，电路进入模式j。
7.根据权利要求1所述的一种结构简单的辅助谐振极逆变电路，其特征在于：所述结构简单的辅助谐振极逆变电路各相的调制策略为：
在第一主开关管的关断时刻开通第二辅助开关管，第二主开关管的开通时刻比第一主开关管的关断时刻或第二辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第二辅助开关管的关断时刻比第二主开关管的开通时刻延迟δt2时间；
在第二主开关管的关断时刻开通第一辅助开关管，第一主开关管的开通时刻比第二主开关管的关断时刻或第一辅助开关管的开通时刻延迟δt1时间，第一辅助开关管的关断时刻比第一主开关管的开通时刻延迟δt2时间；
各主开关管按照正弦脉宽调制、相位差为180°互补开通方式工作；
所述延迟时间δt1、δt2满足以下条件：
δt2为一固定时间段；
其中，E为直流电源电压值；C为第一谐振电容或第二谐振电容的电容值；L为第一辅助谐振电感或第二辅助谐振电感的电感值；tdead为硬开关逆变器上下桥臂开关管的开关死区时间；iamax为A相的输出负载电流峰值。
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