CN108988671A - 一种高效软开关三电平逆变拓扑结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高效软开关三电平逆变拓扑结构,属于中大功率光伏发电领域,以期实现更大的功率密度和更高的效率。因此本发明在现有的中点钳位型三电平拓扑上加入了软开关组件、二极管组件和吸收组件。通过谐振电感Lr抑制开关管电流突变,以及谐振电容Cr1或Cr2的抑制开关管端电压上升速率,避免电压电流同时取高值,实现各开关管的零电压零电流开关;通过吸收组件有效的抑制了开关管两端承受的电压尖峰。本发明的有益效果在于:能够完全实现各开关管的零电压、零电流开关,最大程度的减小了开关管损耗,且无需更改T型三电平逆变器原有的PWM调制方式;能抑制开关管两端承受电压过大,保证了逆变电路的稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及到电力电子领域,特别涉及一种高效软开关三电平逆变拓扑结构。
背景技术
太阳能作为一种清洁型可再生能源备受关注,太阳能发电技术在政策的支持下飞速发展。而三电平T型NPC拓扑因具备组件更少,控制更简单,THD较低等优点而广泛应用于工业生产、光伏发电、功率优化系统等领域。工程应用中,为了保证输出波形的质量,常要求很高的IGBT开关频率,而其导通关闭都工作在硬开关下,比如IGBT导通瞬间两端电压来不及降到零,而电流已经迅速增大,常导致过多能量的损耗,降低了逆变器效率、影响IGBT寿命以及影响其功率密度。
为了减少或完全避免硬开关损耗,弗吉尼亚理工的李泽元教授首先提出在DC-DC变换器领域应用软开关,随后文献1“The rsonant DC link converter-a new concept instatic power conversion”,1989IndustryApplications提出一种谐振直流环节逆变器,将软开关应用于逆变器,该拓扑主要是在直流侧与逆变侧之间加入一个LC谐振回路,避免逆变侧功率管同时出现电流和电压,但它会导致开关管耐压等级变高,而且谐振电感位于主回路上,会带来较高的通态损耗,同时将引起开关机瞬间的功率管损坏。后续的软开关技术发展广泛,各国学者在各种逆变拓扑上应用软开关及优化控制,但是会有辅助元件太多或者控制太复杂不实用等缺点。
发明内容
本发明是为了实现逆变开关管零电流、零电压开关,并且抑制开关管两端承受电压过大,提出的一种低损耗、高效率、高稳定性的高效软开关三电平逆变拓扑结构。
本发明解决上述技术问题的具体方案是:一种高效软开关三电平逆变拓扑结构,它可用于中压高功率光伏发电。包括输入电源、负载、逆变组件、二极管组件、软开关组件以及吸收组件;
所述逆变组件包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4,其中所述第一开关管S1的源极与第四开关管S4的漏极相连并连接至第二开关管S2的源极(负载回路的上连接点M),所述第一开关管S1的漏极与直流侧正极相连,所述第四开关管S4源极与直流侧负极相连,所述第二开关管S2的漏极与第三开关管S3的漏极相连,并且第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的栅极均接控制驱动信号,通过控制输入的驱动信号可以分别实现第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关。
所述二极管组件包括第一二极管Dr1、第二二极管Dr2、第三二极管Dr3、第四二极管Dr4,其中第一二极管Dr1的阳极与第二二极管Dr2的阴极相连,第二二极管Dr2的阳极与第三二极管Dr3的阴极相连,第三二极管Dr3的阳极与第四二极管Dr4的阴极相连。
所述软开关组件包括第一谐振电感Lr,第一谐振电容Cr1,第二谐振电容Cr2,所述第一谐振电感Lr的一端与直流侧中点O相连,第一谐振电感另一端与第二二极管Dr2的阳极相连并连接至第三二极管Dr3的阴极,第二二极管Dr2的阴极与所述软开关组件的第一谐振电容Cr1相连,第一谐振电容Cr1的另一端与负载回路的上连接点M相连,第三二极管Dr3的阳极与所述软开关组件的第二谐振电容Cr2相连,第一谐振电容Cr2的另一端与负载回路的上连接点M相连。
所述吸收组件包括第一吸收电阻Ri1,第一吸收电容Ci1,第一吸收电阻Ri1与第一吸收电容Ci1串联,并联在第一谐振电感Lr两端。
本发明相比于现有技术的优点是:能够完全实现各开关管的零电压、零电流开关,最大程度的减小了开关管损耗;能抑制开关管两端承受电压过大,保证了逆变电路的稳定性。
附图说明
图1是本发明的高效软开关三电平逆变电路的原理图;
图2是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段一1电平稳态的原理图;
图3是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段二的原理图;
图4是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段三的原理图;
图5是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段四0电平稳态的原理图;
图6是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段五的原理图;
图7是本发明的逆变拓扑结构的实施例处于工作阶段六的原理图;
图8是本发明实施例中开关管S1和S3的电压电流波形;
图9是本发明实施例中开关管S3的电压波形与已有拓扑的比较;
图10是本发明的高效软开关结构在I型三电平逆变拓扑应用的配置图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图,对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示,一种高效软开关三电平逆变拓扑结构,它可用于中压高功率光伏发电。包括输入电源、负载、逆变组件、二极管组件、软开关组件以及吸收组件;
所述逆变组件包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4,其中所述第一开关管S1的源极与第四开关管S4的漏极相连并连接至第二开关管S2的源极(负载回路的上连接点M),所述第一开关管S1的漏极与直流侧正极相连,所述第四开关管S4源极与直流侧负极相连,所述第二开关管S2的漏极与第三开关管S3的漏极相连,并且第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的栅极均接控制驱动信号,通过控制输入的驱动信号可以分别实现第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关。
所述二极管组件包括第一二极管Dr1、第二二极管Dr2、第三二极管Dr3、第四二极管Dr4,其中第一二极管Dr1的阳极与第二二极管Dr2的阴极相连,第二二极管Dr2的阳极与第三二极管Dr3的阴极相连,第三二极管Dr3的阳极与第四二极管Dr4的阴极相连。
所述软开关组件包括第一谐振电感Lr,第一谐振电容Cr1,第二谐振电容Cr2,所述第一谐振电感Lr的一端与直流侧中点O相连,第一谐振电感另一端与第二二极管Dr2的阳极相连并连接至第三二极管Dr3的阴极,第二二极管Dr2的阴极与所述软开关组件的第一谐振电容Cr1相连,第一谐振电容Cr1的另一端与负载回路的上连接点M相连,第三二极管Dr3的阳极与所述软开关组件的第二谐振电容Cr2相连,第一谐振电容Cr2的另一端与负载回路的上连接点M相连。
所述吸收组件包括第一吸收电阻Ri1,第一吸收电容Ci1,第一吸收电阻Ri1与第一吸收电容Ci1串联,并联在第一谐振电感Lr两端。
在本实施例中工作过程主要分为以下阶段:
工作阶段一(t-t0):保持1电平稳态如图2所示,第一开关管S1、第二开关管S2导通,第三开关管S3、第四开关管S4关断,电流经第一开关管S1到负载,桥臂电压uOM=0.5Udc。
工作阶段二(t0-t1):进入换相前段(S1到S2、D3)如图3所示,第一开关管S1关断,第三开关管S3开通,形成谐振回路和负载回路两条导通回路,此时通过第一开关管S1的电流迅速减小,第一开关管S1两端电压为Udc/2与UCr1之和。而因为Cr2的钳位作用,第一开关管S1两端电压Uds1缓慢上升,第一开关管S1实现了零电压关断,同时第三开关管S3导通导致其两端电压迅速下降,但由于谐振电感Lr限制了第三开关管S3的电流上升速度,实现了第三开关管S3零电压开通。工作阶段二的持续时间:
工作阶段三(t1-t2):进入换相后段如图4所示,电容Cr2放电完毕,D4开始导通,与此同时通过谐振电感Lr的电流降为零,由于Udc/2的恒定电压加在谐振电感Lr两端,因此其电流线性增大,续流二极管D4电流线性下降,RC吸收组件的存在限制了部分应力突增。t3时刻通过二极管的电流降至零,此时负载电流达到最大值,与此同时没有了谐振带来的应力冲击。工作阶段三的持续时间:IoLr/(0.5Udc)。
工作阶段四(t2-t3):保持0电平稳态如图5所示,第二开关管S2、第三开关管S3保持开通,此时只有一条回路即第三二极管D3、第二开关管S2到负载,电感电流等同于负载电流,桥臂电压uOM=0。
工作阶段五(t3-t4):进入换相前段(S2、D3到S1)如图6所示,第一开关管S1开通,第三开关管S3关断,因为正母线电压给Lr施加的Udc/2的反向电压,但谐振电感上电流不能突变,因此第一开关管S1实现了零电流开通。谐振电感电流线性下降,相应的流过第一开关管S1的电流线性上升。同时,因为电流经过第三二极管D3,第三开关管S3并没有电流经过,而谐振电路也同样限制其两端电压上升速度,因此第三开关管S3能实现零电流零电压关断。本阶段持续时间为IoLr/(0.5Udc)。
工作阶段六(t4-t5):进入换相后段如图7所示,正母线源-S1-Cr2-Dr3-Lr构成谐振回路,给谐振电容Cr2充电,此过程中因为吸收组件的钳位作用,第三开关管S3两端承受电压会限制在Udc/2附近,直至电容两端电压至Udc/2,谐振电感电流降到0,电路回到如图2所示的1电平稳态。
根据以上工作阶段分析可以得到软开关实现的基本条件:
①换相总时间限制条件:软开关的实现必须不影响逆变器的正常工作,因此要求换相周期远小于开关周期,取开关周期To的1/10:
2LrIo/Udc+π/ωr≤0.1To
②开关管峰值电流的限制条件:为了确保逆变器的稳定性,开关管的峰值电流应小于其最大安全工作电流Ir:
③软开关组件的限制条件:谐振电容Cr1、Cr2的电容值和谐振电感Lr的电感值必须满足下式:
图8所示为第一开关管S1和第三开关管S3的电流和电压波形图,所示图表明第一开关管S1和第三开关管S3实现了零电压关断和零电流开通。
为了表明本发明能很大程度的减小开关管所受电压的特点,图9比较了同等工况下(输入电压、输出电压、功率、负载、电感、电容等均一致),两种软开关拓扑同一位置的第三开关管S3两端所受电压的对比图。所示图表明本发明拓扑结构中第三开关管S3所受电压仅为Udc/2,而文献2《一种达到最高效率的新型软切换三电平逆变器拓扑结构》中第三开关管S3所受电压高达Udc,可以明显看出本发明的优势。
为了表明本发明广泛的适用性,图10所示为本发明的高效软开关结构在I型三电平逆变拓扑应用的配置图,包括:I型三电平主电路、输入电源、负载、二极管组件、软开关组件以及吸收组件;所述I型三电平主电路的输出点M与一路辅助电路相连组成上部分软开关缓冲路,所述I型三电平主电路的输出点M与另一路辅助电路相连组成下部分软开关缓冲路,所述辅助电路包括谐振电容Cr1、Cr2,谐振电感Lr以及二极管组件Dr1-Dr4。所述吸收组件包括第一吸收电阻Ri1,第一吸收电容Ci1,第一吸收电阻Ri1与第一吸收电容Ci1串联,并联在第一谐振电感Lr两端。
以上仅为本发明的较佳实施例,应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改和变型。而且,本发明的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域的技术人员倘若对本发明进行修改或变型仍属于本发明权利要求范围。
Claims (3)
1.一种高效软开关三电平逆变拓扑结构,其特征在于:包括其逆变组件、二极管组件、软开关组件;
所述逆变组件包括第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4,其中所述第一开关管S1的源极与第四开关管S4的漏极相连并连接至第二开关管S2的源极(负载回路的上连接点M),所述第一开关管S1的漏极与直流侧正极相连,所述第四开关管S4源极与直流侧负极相连,所述第二开关管S2的漏极与第三开关管S3的漏极相连,并且第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的栅极均接控制驱动信号,通过控制输入的驱动信号可以分别实现第一开关管S1、第二开关管S2、第三开关管S3、第四开关管S4的开关;
所述二极管组件包括四支二极管,其中第一二极管Dr1的阳极与第二二极管Dr2的阴极相连,第二二极管Dr2的阳极与第三二极管Dr3的阴极相连,第三二极管Dr3的阳极与第四二极管Dr4的阴极相连;
所述软开关组件包括第一谐振电感Lr,第一谐振电容Cr1,第二谐振电容Cr2,所述第一谐振电感Lr的一端与直流侧中点O相连,第一谐振电感另一端与第二二极管Dr2的阳极相连并连接至第三二极管Dr3的阴极,第二二极管Dr2的阴极与所述软开关组件的第一谐振电容Cr1相连,第一谐振电容Cr1的另一端与负载回路的上连接点M相连,第三二极管Dr3的阳极与所述软开关组件的第二谐振电容Cr2相连,第一谐振电容Cr2的另一端与负载回路的上连接点M相连;
所述吸收组件包括第一吸收电阻Ri1,第一吸收电容Ci1,第一吸收电阻Ri1与第一吸收电容Ci1串联,并联在第一谐振电感Lr两端。
2.根据权利要求书1所述的高效软开关三电平逆变拓扑结构,其特征在于,还包括:
吸收组件,包括第一吸收电阻Ri1,第一吸收电容Ci1,第一吸收电阻Ri1与第一吸收电容Ci1串联,并联在第一谐振电感Lr两端。
3.根据权利要求书1所述的高效软开关三电平逆变拓扑结构,其特征在于:所述开关管S1-S4的源极和漏极都反并联一个续流二极管,所述开关管的源极与二极管的阳极相连,所述开关管的漏极与二极管的阴极相连。
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