CN109831109A

CN109831109A - 一种并联型三相软开关变流器

Info

Publication number: CN109831109A
Application number: CN201910214105.XA
Authority: CN
Inventors: 徐德鸿; 施科研; 赵安; 邓金溢
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2019-03-20
Filing date: 2019-03-20
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明公开一种并联型三相软开关变流器，包括两组并联的三相变流器电路，每组变流器包含六个带反并联二极管的全控型主开关管构成的三相桥臂，在直流源和公共母线之间接入包含反并联二极管的辅助开关管、箝位电容以及谐振电感组成的谐振支路，主开关管和辅助开关管两端并联谐振电容。本发明将辅助开关管与两组变流器中的主开关管的驱动脉冲信号进行同步，能够在每个开关周期内实现所有开关管的零电压开通，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

一种并联型三相软开关变流器

技术领域

本发明涉及直流-交流变换技术领域，尤其涉及一种并联型三相软开关变流器电路。

背景技术

传统的并联型三相变流器电路包括两组三相变流器，每组三相变流器分别由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感组成；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；两组三相变流器中的三个输出滤波电感相连形成三组公共交流母线，三组公共交流母线分别与三相电网连接；两组三相变流器的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线，该正、负公共直流母线分别与输入直流源的正、负端连接。传统的并联型三相变流器电路工作在硬开关状态，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，提高电路效率的并联型三相软开关变流器电路拓扑及其调制方法。

本发明内容的一个方面，提供一种并联型三相软开关变流器拓扑包括三相变流器1、三相变流器2以及一组辅助谐振支路；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述三相变流器1和三相变流器2分别由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感组成；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述三相变流器1的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a1、S_a4和D_a1、D_a4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a3、S_a6和D_a3、D_a6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a5、S_a2和D_a5、D_a2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_1a、L_1b、L_1c的一端相连；上述三相变流器2的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b1、S_b4和D_b1、D_b4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b3、S_b6和D_b3、D_b6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b5、S_b2和D_b5、D_b2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_2a、L_2b、L_2c的一端相连；L_1a、L_1b、L_1c的另一端分别与L_2a、L_2b、L_2c的另一端相连形成三组公共交流母线，上述三组公共交流母线分别与三相电网连接；三相变流器1的正、负直流母线与三相变流器2的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流源的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流源的负端相连；各开关管S_a1～S_a6、S_b1～S_b6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_a1～C_a6、C_b1～C_b6和C₇。

本发明内容的另一个方面，提供一种并联型三相软开关变流器的调制方法，所述三相变流器1和三相变流器2的主开关管S_a1～S_a6、S_b1～S_b6采用零电压正弦波脉宽调制或者注入三次谐波的正弦波脉宽调制方法进行控制，所有主开关管和辅助开关管S₇具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述三相变流器1和三相变流器2所有半桥桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前应关断辅助开关管S₇，正、负公共母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，根据直流源的功率流动情况决定是否加入桥臂直通过程；当功率流向为流入直流源时，不需要加入桥臂直通过程，上述所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通；当功率流出直流源时需要加入桥臂直通过程，给谐振电感L_r进行充磁，上述桥臂直通过程结束后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

采用本发明的并联型三相软开关变流器电路，能实现并联的两个三相变流器在工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现软开关，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

附图说明

图1为并联型三相软开关变流器电路拓扑图。

图2为一个工频周期内根据输出电流波形划分的六个工作区间示意图。

图3为本发明在区间1中的脉冲控制时序图。

图4～16分别为本发明在区间1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。

图17为本发明在区间1中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。下面结合附图对本发明进行详细说明。

参照图1，所述并联型三相软开关变流器电路包括三相变流器1、三相变流器2以及一组辅助谐振支路；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述三相变流器1和三相变流器2分别由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感组成；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述三相变流器1的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a1、S_a4和D_a1、D_a4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a3、S_a6和D_a3、D_a6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a5、S_a2和D_a5、D_a2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_1a、L_1b、L_1c的一端相连；上述三相变流器2的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b1、S_b4和D_b1、D_b4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b3、S_b6和D_b3、D_b6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b5、S_b2和D_b5、D_b2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_2a、L_2b、L_2c的一端相连；L_1a、L_1b、L_1c的另一端分别与L_2a、L_2b、L_2c的另一端相连形成三组公共交流母线，上述三组公共交流母线分别与三相电网连接；三相变流器1的正、负直流母线与三相变流器2的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流源的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流源的负端相连；各开关管S_a1～S_a6、S_b1～S_b6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_a1～C_a6、C_b1～C_b6和C₇。

对于所述并联型三相软开关变流器，可以根据三相变流器1和三相变流器2的输出电流的相位情况，将工作区域划分成六个区域，如图2所示。下面以三相变流器1和三相变流器2的输出电流处在区域1为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析。

由于在区域1内i_a1和i_a2均大于零，i_b1、i_b2、i_c1、i_c2均小于零，在一个开关周期内，存在六个二极管向主开关管换流的过程，分别为D_a4向S_a1换流、D_a3向S_a6换流、D_a5向S_a2换流、D_b4向S_b1换流、D_b3向S_b6换流、D_b5向S_b2换流，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图3所示，变流器共有13个工作状态。图4～16是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图17所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。

具体阶段分析如下：

阶段一(t₀～t₁)：

如图4所示，三相变流器1中的第一桥臂下管二极管D_a4，第二桥臂上管二极管D_a3，第三桥臂上管二极管D_a5，三相变流器2中的第一桥臂下管二极管D_b4，第二桥臂上管二极管D_b3，第三桥臂上管二极管D_b5均导通，由谐振电感L_r、箝位电容C_c、辅助开关S₇组成的辅助电路中，箝位电容C_c两端电压为U_Cc，谐振电感电流线性下降；

阶段二(t₁～t₂)：

如图5所示，在t₁时刻辅助开关S₇关断，谐振电感L_r使主开关管S_a1、S_a6、S_a2、S_b1、S_b6、S_b2的并联电容C_a1、C_a6、C_a2、C_b1、C_b6、C_b2放电，同时使辅助开关S₇的并联电容C₇充电，谐振电感L_r的电流i_Lr谐振上升，在t₂时刻，主开关S_a1、S_a6、S_a2、S_b1、S_b6、S_b2的并联电容C_a1、C_a6、C_a2、C_b1、C_b6、C_b2电压谐振至零，该阶段结束；

阶段三(t₂～t₃)：

如图6所示，在t₂时刻以后D_a1、D_a6、D_a2、D_b1、D_b6、D_b2会导通，将C_a1、C_a6、C_a2、C_b1、C_b6、C_b2上的电压箝位为零，可在t₂时刻开通S_a1、S_a6、S_a2、S_b1、S_b6、S_b2，可实现S_a1、S_a6、S_a2、S_b1、S_b6、S_b2的零电压开通，在t₃时刻，D_a1、D_a6、D_a2、D_b1、D_b6、D_b2电流下降到零，该阶段结束。

阶段四(t₃～t₄)：

如图7所示，在D_a1、D_a6、D_a2、D_b1、D_b6、D_b2关断后，电路进入换流阶段，电流i_1a由二极管D_a4向开关管S_a1换流，电流i_1b由二极管D_a3向开关管S_a6换流，电流i_1c由二极管D_a5向开关管S_a2换流，电流i_2a由二极管D_b4向开关管S_b1换流，电流i_2b由二极管D_b3向开关管S_b6换流，电流i_2c由二极管D_b5向开关管S_b2换流。在该阶段谐振电感Lr两端的电压被钳位在V_dc，谐振电感电流i_Lr线性上升，在t₄时刻，以上六个桥臂换流均结束，该阶段结束。其中V_dc为直流源正负两端的电压。

阶段五(t₄～t₅)：

如图8所示，在t₄时刻以后S_a4、S_a3、S_a5、S_b4、S_b3、S_b重新开通，正、负公共母线被短路，谐振电感Lr两端的电压继续被钳位在V_dc，谐振电感电流i_Lr继续线性上升，在t₅时刻，S_a4、S_a3、S_a5、S_b4、S_b3、S_b被关断，该阶段结束。

阶段六(t₅～t₆)：

如图9所示，在t₅时刻以后i_Lr继续上升，C₇开始放电，C_a4、C_a3、C_a5、C_b4、C_b3、C_b5开始充电，电路进入第二次谐振，在t₆时刻C₇上的电压谐振到零，该阶段结束。

阶段七(t₆～t₇)：

如图10所示，t₆时刻以后，D₇会导通，将C₇上的电压箝位为零，为辅助管S₇的零电压开通提供条件，可在t₆时刻给S₇发送开通信号，使其实现零电压开通，当S_a6和S_b6在t₇时刻关断时，该阶段结束。

阶段八(t₇～t₈)：

如图11所示，S_a6和S_b6在t₇时刻关断后，三相变流器1的第二桥臂和三相变流器2的第二桥臂分别开始换流，C_a6开始充电，C_a3开始放电，C_b6开始充电，C_b3开始放电，在t₈时刻，C_a6和C_b6上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_a3和C_b3上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段九(t₈～t₉)：

如图12所示，在三相变流器1的第二桥臂和三相变流器2的第二桥臂完成换流，D_a3和D_b3续流导通后，S_a3和S_b3开通，在此阶段S_a1、S_a3、S_a2、S_b1、S_b3、S_b2保持开通状态，谐振电感电流线性下降，在t₉时刻S_a2和S_b2关断，该阶段结束。

阶段十(t₉～t₁₀)：

如图13所示，S_a2和S_b2在t₉时刻关断后，三相变流器1的第三桥臂和三相变流器2的第三桥臂分别开始换流，C_a2开始充电，C_a5开始放电，C_b2开始充电，C_b5开始放电，在t₁₀时刻，C_a2和C_b2上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_a5和C_b5上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十一(t₁₀～t₁₁)：

如图14所示，在三相变流器1的第三桥臂和三相变流器2的第三桥臂完成换流，D_a5和D_b5续流导通后，S_a5和S_a3开通，在此阶段S_a1、S_a3、S_a5、S_b1、S_b3、S_b5保持开通状态，谐振电感电流线性下降，在t₁₁时刻S_a1和S_b1关断，该阶段结束。

阶段十二(t₁₁～t₁₂)：

如图15所示，S_a1和S_b1在t₁₁时刻关断后，三相变流器1的第一桥臂和三相变流器2的第一桥臂分别开始换流，C_a1开始充电，C_a4开始放电，C_b1开始充电，C_b4开始放电，在t₁₂时刻，C_a1和C_b1上的电压上升到U_Cc+V_dc，C_a4和C_b4上的电压下降到零，该阶段结束。

阶段十三(t₁₂～t₁₃)：

如图16所示，在三相变流器1的第一桥臂和三相变流器2的第一桥臂完成换流，D_a4和D_b4续流导通后，S_a4和S_a4开通，在此阶段S_a4、S_a3、S_a5、S_b4、S_b3、S_b5保持开通状态，谐振电感电流线性下降，该阶段与阶段一相同。

Claims

1.一种并联型三相软开关变流器，其特征在于：所述并联型三相软开关变流器电路包括三相变流器1、三相变流器2以及一组辅助谐振支路；上述辅助谐振支路包含一个并联二极管D₇的辅助开关管S₇、谐振电感L_r、箝位电容C_c，其中辅助开关管S₇与箝位电容C_c串联后再和谐振电感L_r并联；上述三相变流器1和三相变流器2分别由三个半桥桥臂和三个输出滤波电感组成；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型主开关管构成；上述三相变流器1的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a1、S_a4和D_a1、D_a4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a3、S_a6和D_a3、D_a6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_a5、S_a2和D_a5、D_a2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_1a、L_1b、L_1c的一端相连；上述三相变流器2的第一桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b1、S_b4和D_b1、D_b4，第二桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b3、S_b6和D_b3、D_b6，第三桥臂的上、下主开关管及其反并二极管分别为S_b5、S_b2和D_b5、D_b2，三个桥臂的中点分别与三个输出滤波电感L_2a、L_2b、L_2c的一端相连；L_1a、L_1b、L_1c的另一端分别与L_2a、L_2b、L_2c的另一端相连形成三组公共交流母线，上述三组公共交流母线分别与三相电网连接；三相变流器1的正、负直流母线与三相变流器2的正、负直流母线相互连接，形成正、负公共直流母线；正公共直流母线与直流源的正端之间接入上述辅助谐振支路，负公共直流母线与直流源的负端相连；各开关管S_a1～S_a6、S_b1～S_b6和S₇的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容C_a1～C_a6、C_b1～C_b6和C₇。

2.一种并联型三相软开关变流器的调制方法，其特征在于：所述三相变流器1和三相变流器2的主开关管S_a1～S_a6、S_b1～S_b6采用零电压正弦波脉宽调制或者注入三次谐波的正弦波脉宽调制方法进行控制，所有主开关管和辅助开关管S₇具有相同的开关频率；在每个开关周期中，对上述三相变流器1和三相变流器2所有半桥桥臂中存在的由二极管向主开关管换流的开关动作时刻进行同步，并且在上述由二极管向主开关管换流的开关动作时刻前应关断辅助开关管S₇，正、负公共母线电压谐振为零，为主开关管创造零电压开通的条件；在所有二极管向主管换流过程结束之后，根据直流源的功率流动情况决定是否加入桥臂直通过程；当功率流向为流入直流源时，不需要加入桥臂直通过程，上述所有二极管向主管换流过程结束之后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通；当功率流出直流源时需要加入桥臂直通过程，给谐振电感L_r进行充磁，上述桥臂直通过程结束后，谐振电容C₇上的电压将谐振为零，辅助开关管S₇进行零电压开通。