CN111711378A - 一种软开关逆变器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种软开关逆变器，其包括谐振电路和三相全桥逆变器电路，谐振电路包括辅助开关管T1、二极管D1、辅助开关管T2、二极管D2、谐振电感Lr以及谐振电容Cr，三相全桥逆变器电路为三相PWM逆变器，三相PWM逆变器的负载为交流电机，三相PWM逆变器的负载电感L0大于谐振电感Lr，在一个开关周期中，负载电流IL在一个谐振周期中不变，负载电流IL数值取决于各相电流的瞬时值及三相PWM逆变器的六个开关器件的开关状态，直流母线电压为电压源Us。本发明将软开关技术引入到PWM逆变器中，使它既能保持原有的特点，又能实现软开关工作。

Description

一种软开关逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种基于软开关技术的逆变器。
背景技术
在传统PWM三相逆变器中，高频化使逆变器一个周期内输出脉冲增多，等效电压波形更接近于正弦波，从而减少输出谐波，提高调速性能。然而，开关频率的提高，也带来了一系列新问题，主要表现在以下几个方面。
(1)开关损耗与器件损坏问题
常规的PWM逆变器主电路中的功率开关管为硬开关(Hard Switching)，即在电压不为零时导通，或在电流不为零时关断，处于强迫开关过程。功率开关器件并不是理想器件，其开通和关断不是瞬间完成的，需要一定的时间。在这段时间里，开关管两端电压(或通过电流)减小的同时，其上通过的电流(或两端的电压)同时上升，形成电压和电流波形的交叠，从而产生了开关损耗(Switching Loss)，包括开通损耗和关断损耗。图1所示为功率开关器件开通和关断时的电压电流波形，图中的阴影部分就是产生开关损耗的区域。
功率开关器件的开关损耗与其载波频率成正比，也就是说，随着载波频率的提高，开关损耗将呈正比线性上升。大功率电力晶体管BJT的开关时间约为几十ns到几us，而可关断器件GTO和IGBT的开关时间约为几十ns。通常由这些器件构成的变频器的开关频率为2-3KHz。高频化后，变频器的开关频率提高到几十KHz，造成开关损耗增大。理论分析表明，一个周期内器件的开关损耗为总平均损耗的30％-40％，且随开关频率的增大而增大。由于过大的开关损耗使结温上升，而由于结温的限制，不仅限制了工作频率的提高，而且器件的电流、电压容量也不能在额定条件下运行。
(2)二极管反向恢复问题
另外一个开关损耗的来源是功率开关上反并联二极管的反向恢复电流，它将在硬开关条件下引起明显的开通损耗。二极管由导通变为截止时存在着反向恢复时间，在此期间内，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加，重则致其损坏。频率愈高，该冲击电流愈大，对器件的安全运行造成危害。可以看出，随着工作频率的增加，功率损耗迅速增大。
(3)感性关断问题
电路中难免存在感性元件(引线电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感)，当开关器件关断时，由于通过该感性元件的di/dt很大，感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端，开关频率愈高，关断愈快，该感应电压愈高。此电压加在开关器件的两端，易造成器件击穿。
(4)容性开通问题
当开关器件在很高的电压下开通时，储藏在开关器件结电容中的能量将全部耗散在该开关器件内，频率愈高，开通电流尖峰愈大，从而会引起器件过热损坏。
(5)安全工作区
在开通和关断瞬间产生的电压和电流尖峰将可能使开关器件的运行轨迹超出安全工作区(Safe OperationArea,SOA)，影响功率开关的可靠运行。PWM控制技术中，开关器件的导通和关断轨迹线经历大开关应力的区间，即开关在某些时间内同时承受高开关电压和大开关电流，容易使开关器件损坏。
(6)电磁干扰
变频器工作时易对其它设备产生电磁干扰(Electromagnetic Interference,EMI)。对于电动力推进系统，电磁干扰问题尤为突出，电动力系统的变频器工作时易对其它设备产生电磁干扰，随着频率的提高越来越严重，它涉及到装置主电路中的大功率器件开关过程中过高的dv/dt和di/dt引起的强大传导型电磁干扰，还会引起很强的电磁场(特别是近场)辐射，它们不但可能造成自身控制电路的误动作，而且会对内部的制导装置等其它设备造成电磁干扰，影响其正常可靠的工作。
发明内容
基于上述现有技术的不足，本发明提供一种软开关逆变器，其将软开关技术加入到PWM逆变器中，使它既能保持原有的特点，又能实现软开关工作。
具体地，本发明提供一种软开关逆变器，其包括谐振电路和三相全桥逆变器电路，所述谐振电路和三相全桥逆变器电路依次连接，所述谐振电路包括开关T1、二极管D1、开关T2、二极管D2、谐振电感Lr以及谐振电容Cr，开关T1、谐振电感Lr以及开关T2依次串联连接，二极管D1与开关T1并联，二极管D2与开关T2并联，
三相全桥逆变器电路为三相PWM逆变器，三相PWM逆变器的负载为交流电机，三相PWM逆变器的负载电感L0大于谐振电感Lr，在一个开关周期中，负载电流IL在一个谐振周期中不变，负载电流IL数值取决于各相电流的瞬时值及三相PWM逆变器的六个开关器件的开关状态，直流母线电压为电压源Us，
所述谐振电路的电压源Us的两端并联一个滤波电容Cd，滤波电容Cd的正极接开关T1的第一端，开关T1与二极管D1反并联，开关T1的第二端分别连接谐振电感Lr第一端、谐振电容Cr第一端和三相全桥逆变器的正极输入端，谐振电感Lr的第二端连接开关T2第一端，开关T2与二极管D2反并联，滤波电容Cd的负极分别接开关T2的第二端、谐振电容Cr的第二端和三相全桥逆变器的负极输入端。
三相全桥逆变器的两个输入端分别接谐振电容Cr的的正负极，三相全桥逆变器为三相全桥结构，其包括6个开关S1～S6，每个开关分别并联一个二极管和一个电容，三相全桥逆变器输出三相交流电，三相交流电连接交流电动机；
开关T1、开关T2以及6个开关S1～S6由控制器控制其开通或者关断，控制器同时对三相全桥逆变器输出的三相交流电进行信号检测，从而对各个开关进行控制。
优选地，所述软开关逆变器在一个开关周期包括六个工作模式，六个工作模式分别为工作模式一、工作模式二、工作模式三、工作模式四、工作模式五以及工作模式六。
优选地，其中，工作模式一具体为：在时刻[t0-t1]进行工作模式一，在工作模式一的初始时刻，t＝t0，有ii＝IL，iT1＝IL，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝0，uCr＝US，开关T1导通，开关T2获得导通信号，工作模式一开始，当谐振电感的电流在t＝t1时刻达到控制器设定的阈值电流，关断开关T1，工作模式一结束；在工作模式一中，储存在谐振电感中的能量须能够补偿因谐振而引起的能量损耗，以保证直流侧电压值降至零后能够通过谐振重新升至电源电压值US，开关T2在零电流状态下开通。
优选地，其中，工作模式二具体为：在时刻[t1-t2]进行工作模式二，在工作模式二开始之前，通过开关T1的电流为IL+ILr，通过开关管T2的电流为ILr，当开关T1在t＝t1时刻关断后，工作模式二开始，此时刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILr，iDF＝0，iLr＝ILr，UCr＝Ui，并且，由Lr、T2、Cr组成的谐振电路开始谐振，在t＝t2时刻，电容Cr两端电压下降到零，工作模式二结束，开关T1在零电压的状态下关断。
优选地，其中，工作模式三具体为：在时刻[t2-t3]进行工作模式三，当直流侧电压在t＝t2时刻下降到零，逆变器的反向恢复二极管DF导通，工作模式三开始，在工作模式三的开始时刻，有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILrmax，iDF＝ILrmax+IL，iLr＝ILrmax，UCr＝0，当开关T2关断时，工作模式三结束。
优选地，其中，工作模式四具体为：在时刻[t3-t4]进行工作模式四，在t＝t3时刻，开关T2关断、二极管DF关断，同时二极管D2导通，工作模式四开始，此刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝ILrmax，UCr＝0，并且由Lr、D2、Cr组成的谐振电路开始谐振。
优选地，其中，工作模式五具体为：在时刻[t4-t5]进行工作模式五，在t＝t4时刻，二极管D1导通，工作模式五开始，此刻有：ii＝IL-Ilr，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝Ilr，UCr＝US，二极管D1流过的电流为iLr-IL，当iLr＝IL，二极管D1截止，工作模式五结束。
优选地，其中，工作模式六具体为：在时刻[t5-t6]进行工作模式六，在工作模式六的初始时刻t＝t5时，有ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝IL，UCr＝Ui，此时，二极管D1截止，开关T1获得开通信号，工作模式六开始，当谐振电感的电流在t＝t6时刻下降到零，工作模式六结束，在工作模式六中，储存在电感中的能量全部供给负载，二极管D2在工作模式六结束时刻在零电流状态下截止，在工作模式六结束时，直流电源通过开关T1为负载供电，至此，一个谐振周期结束，等待下一个谐振周期开始。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明提供一种软开关逆变器，其能够将软开关技术加入到PWM逆变器中，使它既能保持原有的特点，又能实现软开关工作，再不增加成本的情况下，提供了一种新的逆变器。
(2)本专利的软开关逆变器仅仅在传统的三相全桥逆变器的输入端增加了一个谐振环节，而这个谐振环节仅仅增加了较少的元器件，它们是开关T1、二极管D1、开关T2、二极管D2、谐振电感Lr以及谐振电容Cr，而且开关T1和开关T2谐的开通与关断也是软开关过程，增加的电能损耗很小。
附图说明
图1是本发明的功率开关器件在硬开关条件下导通和关断时的电压和电流波形图；
图2是本发明的软开关逆变器结构示意图；
图3是本发明的软开关逆变器等效电路图；
图4a是本发明的软开关逆变器工作模式一的等效电路；
图4b是本发明的软开关逆变器工作模式二的等效电路；
图4c是本发明的软开关逆变器工作模式三的等效电路；
图4d是本发明的软开关逆变器工作模式四的等效电路；
图4e是本发明的软开关逆变器工作模式五的等效电路；
图4f是本发明的软开关逆变器工作模式六的等效电路；以及
图5是本发明的软开关逆变器不同运行模式下的各参数曲线。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
软开关逆变器由谐振环节和三相全桥逆变器电路组成，如图1及图2所示。谐振环节为本发明的核心，由辅助开关管T1、二极管D1、辅助开关管T2、二极管D2、谐振电感Lr以及谐振电容Cr组成。为了简化分析，现做以下假设：电路中所用元器件均是理想的。
三相PWM逆变器的负载为交流电机，负载电感L0远远大于谐振电感Lr，因此在一个开关周期中，负载电流IL在一个谐振周期中可近似看作不变，其数值取决于各相电流的瞬时值及逆变桥6个开关器件的开关状态。直流母线电压纹波可忽略，故可以等效为一理想的电压源Us。所以软开关逆变器结构可等效为如图3所示的电路。DF、IL和Sinv组成了逆变器和交流电机的等效电路。
谐振电路的电压源Us的两端并联一个滤波电容Cd，滤波电容Cd的正极接开关T1的第一端，开关T1与二极管D1反并联，开关T1的第二端分别连接谐振电感Lr第一端、谐振电容Cr第一端和三相全桥逆变器的正极输入端，谐振电感Lr的第二端连接开关T2第一端，开关T2与二极管D2反并联，滤波电容Cd的负极分别接开关T2的第二端、谐振电容Cr的第二端和三相全桥逆变器的负极输入端；
三相全桥逆变器的两个输入端分别接谐振电容Cr的正负极，三相全桥逆变器为三相全桥结构，其包括6个开关S1～S6，每个开关分别并联一个二极管和一个电容，三相全桥逆变器输出三相交流电，三相交流电连接交流电动机；
开关T1、开关T2以及6个开关S1～S6由控制器控制其开通或者关断，控制器同时对三相全桥逆变器输出的三相交流电进行信号检测，从而对各个开关进行控制。
在本专利的实际应用中，可以利用霍尔传感器对电流进行检测，检测到的电流较大，则说明交流发动机转速较大，如果需要降低转速，则需要降低各开关的频率，相反地，如果需要增大电动机的转速，则需要提高各开关的频率。
软开关逆变器总共包括六个运行模式，在实际工作时，软开关逆变器的运行模式具体为：
软开关逆变器在一个开关周期可以分为6个模式，各个模式的等效电路如图4所示，不同运行模式下各参数曲线如图5所示。
优选地，其中，如图4a所示，工作模式一具体为：在时刻[t0-t1]，在工作模式一的初始时刻t＝t0，有ii＝IL，iT1＝IL，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝0，uCr＝US，开关T1导通，开关T2获得导通信号，工作模式一开始，当左侧谐振电感的电流在t＝t1时刻达到阈值电流，关断开关T1，工作模式一结束；在这个模式中，储存在电感中的能量必须足以补偿因谐振而引起的能量损耗，以保证直流侧电压值降至零后能够通过谐振重新升至电源电压值US，开关T2在零电流状态下开通。
优选地，其中，如图4b所示，工作模式二具体为：时刻[t1-t2]，在工作模式二开始之前，通过开关T1的电流为IL+ILr，通过开关管T2的电流为ILr，当开关T1在t＝t1时刻关断后，工作模式二开始，此时刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILr，iDF＝0，iLr＝ILr，UCr＝Ui，在t＝t1时刻，由Lr、T2、Cr组成的谐振电路开始谐振，在t＝t2时刻，电容Cr两端电压下降到零，工作模式二结束，同时，谐振电感的电流及其储存的能量达到最大值，电容Cr两端电压从US缓慢下降到零，开关T1在零电压的状态下关断。
优选地，其中，如图4c所示，工作模式三具体为：在时刻[t2-t3]，当直流侧电压在t＝t2时刻下降到零，逆变器的反向恢复二极管DF导通，工作模式三开始，在工作模式三的开始时刻，有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILrmax，iDF＝ILrmax+IL，iLr＝ILrmax，UCr＝0，当开关T2关断时，本模式结束。在本模式中，电容Cr两端电压可以保持为零，并且持续的时间可以根据需要任意选择。所以，逆变器的所有开关管可以在本阶段中很容易地实现零电压开关。
优选地，其中，如图4d所示，工作模式四具体为：在时刻[t3-t4]，在t＝t3时刻，开关管＝T2关断、二极管DF关断，同时二极管D2导通，工作模式四开始，此刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝ILrmax，UCr＝0，由Lr、D2、Cr组成的谐振电路开始谐振。在t＝t4时刻，直流侧电压(即电容Cr两端电压)达到输入直流电压US，二极管D1导通，本工作模式结束。因为谐振的存在，直流侧电压从零缓慢上升到US，开关管T2在零电压的状态下关断。
优选地，其中，如图4e所示，工作模式五具体为：在时刻[t4-t5]，在t＝t4时刻，二极管D1导通，工作模式五开始，此刻有：ii＝IL-Ilr，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝Ilr，UCr＝US，二极管D1流过电流(iLr-IL)，当iLr＝IL，二极管D1截止，工作模式五结束。在这个模式中，储存在电感中的能量一部分回馈到直流电源，另一部分供给负载。在本模式的结束时刻t＝t5，开关T1在零电压状态下开通。
优选地，其中，如图4f所示，工作模式六具体为：在时刻[t5-t6]，在这个模式的初始时刻t＝t5时，有ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝IL，UCr＝Ui，二极管D1截止，开关T1获得开通信号，工作模式六开始，当谐振电感的电流在t＝t6时刻下降到零，工作模式六结束。在这个模式中，储存在电感中的能量全部供给负载，二极管D2在本模式结束时刻在零电流状态下截止。在这个模式结束时，直流电源通过开关T1为负载供电。至此，一个谐振周期结束，等待下一个谐振周期开始。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种软开关逆变器，其特征在于：其包括谐振电路和三相全桥逆变器电路，所述谐振电路和三相全桥逆变器电路依次连接，所述谐振电路包括开关T1、二极管D1、开关T2、二极管D2、谐振电感Lr以及谐振电容Cr，开关T1、谐振电感Lr以及开关T2依次串联连接，二极管D1与开关T1并联，二极管D2与开关T2并联，
三相全桥逆变器电路为三相PWM逆变器，三相PWM逆变器的负载为交流电机，三相PWM逆变器的负载电感L0大于谐振电感Lr，在一个开关周期中，负载电流IL在一个谐振周期中不变，负载电流IL数值取决于各相电流的瞬时值及三相PWM逆变器的六个开关器件的开关状态，直流母线电压为电压源Us，
所述谐振电路的电压源Us的两端并联一个滤波电容Cd，滤波电容Cd的正极接开关T1的第一端，开关T1与二极管D1反并联，开关T1的第二端分别连接谐振电感Lr第一端、谐振电容Cr第一端和三相全桥逆变器的正极输入端，谐振电感Lr的第二端连接开关T2第一端，开关T2与二极管D2反并联，滤波电容Cd的负极分别接开关T2的第二端、谐振电容Cr的第二端和三相全桥逆变器的负极输入端；
三相全桥逆变器的两个输入端分别接谐振电容Cr的的正负极，三相全桥逆变器为三相全桥结构，其包括6个开关器件，每个开关分别并联一个二极管和一个电容，三相全桥逆变器输出三相交流电，三相交流电连接交流电动机；
开关T1、开关T2以及6个开关器件由控制器控制其开通或者关断，控制器同时对三相全桥逆变器输出的三相交流电进行信号检测，从而对各个开关进行控制。
2.根据权利要求1所述的软开关逆变器，其特征在于：所述软开关逆变器在一个开关周期包括六个工作模式，六个工作模式分别为工作模式一、工作模式二、工作模式三、工作模式四、工作模式五以及工作模式六。
3.根据权利要求2所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式一具体为：在时刻[t0-t1]进行工作模式一，在工作模式一的初始时刻，t＝t0，有ii＝IL，iT1＝IL，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝0，uCr＝US，开关T1导通，开关T2获得导通信号，工作模式一开始，当谐振电感的电流在t＝t1时刻达到控制器设定的阈值电流，关断开关T1，工作模式一结束；在工作模式一中，储存在谐振电感中的能量须能够补偿因谐振而引起的能量损耗，以保证直流侧电压值降至零后能够通过谐振重新升至电源电压值US，开关T2在零电流状态下开通。
4.根据权利要求2所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式二具体为：在时刻[t1-t2]进行工作模式二，在工作模式二开始之前，通过开关T1的电流为IL+ILr，通过开关管T2的电流为ILr，当开关T1在t＝t1时刻关断后，工作模式二开始，此时刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILr，iDF＝0，iLr＝ILr，UCr＝Ui，并且，由Lr、T2、Cr组成的谐振电路开始谐振，在t＝t2时刻，电容Cr两端电压下降到零，工作模式二结束，开关T1在零电压的状态下关断。
5.根据权利要求2所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式三具体为：在时刻[t2-t3]进行工作模式三，当直流侧电压在t＝t2时刻下降到零，逆变器的反向恢复二极管DF导通，工作模式三开始，在工作模式三的开始时刻，有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝ILrmax，iDF＝ILrmax+IL，iLr＝ILrmax，UCr＝0，当开关T2关断时，工作模式三结束。
6.根据权利要求2所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式四具体为：在时刻[t3-t4]进行工作模式四，在t＝t3时刻，开关T2关断、二极管DF关断，同时二极管D2导通，工作模式四开始，此刻有：ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝ILrmax，UCr＝0，并且由Lr、D2、Cr组成的谐振电路开始谐振。
7.根据权利要求1所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式五具体为：在时刻[t4-t5]进行工作模式五，在t＝t4时刻，二极管D1导通，工作模式五开始，此刻有：ii＝IL-Ilr，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝Ilr，UCr＝US，二极管D1流过的电流为iLr-IL，当iLr＝IL，二极管D1截止，工作模式五结束。
8.根据权利要求1所述的软开关逆变器，其特征在于：其中，工作模式六具体为：在时刻[t5-t6]进行工作模式六，在工作模式六的初始时刻t＝t5时，有ii＝0，iT1＝0，iT2＝0，iDF＝0，iLr＝IL，UCr＝Ui，此时，二极管D1截止，开关T1获得开通信号，工作模式六开始，当谐振电感的电流在t＝t6时刻下降到零，工作模式六结束，在工作模式六中，储存在电感中的能量全部供给负载，二极管D2在工作模式六结束时刻在零电流状态下截止，在工作模式六结束时，直流电源通过开关T1为负载供电，至此，一个谐振周期结束，等待下一个谐振周期开始。
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