CN1139177C - 用于多电平逆变桥的无源软开关电路 - Google Patents
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Abstract
本发明的用于多电平逆变桥的无源软开关电路具有两个分别与逆变桥上、下桥臂对应连接的完全对称的能量回馈电路，每个能量回馈电路由二个电感、两个电容和三个二极管组成，其中一个导通吸收电感接于电源母线和桥臂之间，该桥臂的开关管与由储能电容、第一个二极管和关断吸收电容构成的串联电路相并联，在储能电容与第一个二极管的连接点至上、下桥臂的中点间接入接另一个电感与第二个二极管相串联的电路，在第一个二极管和关断吸收电容的连接点至电源母线之间接入第三个二极管，上述三个二极管的极性相一致。本发明电路元件少，结构简单，成本低，该电路仅包括电感，电容、二极管等无源器件，不包括辅助有源器件和耗能电阻，故无需额外的检测和控制，效率高。
Description
技术领域
本发明涉及二极管嵌位型多电平逆变桥的无源软开关电路。
背景技术
用于高压、大功率场合的多电平逆变器，由于其特殊和复杂的电路拓扑，相应的软开关电路设计非常困难，主要有两种方法，一种是在原电路中附加有源和无源元件，实现功率器件的软开关，该方法采用元件数量多，且需额外的检测，控制复杂，成本高，可靠性差；另一种是附加含电阻的无源缓冲电路，其能量损耗大，工作时能量消耗在电阻上，导致逆变桥工作效率下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种元件数量少，结构简单，成本低，无需额外的检测和控制，且无能量损耗的用于多电平逆变桥的软开关电路。
本发明的用于多电平逆变桥的无源软开关电路具有两个分别与逆变桥上、下桥臂对应连接的完全对称的能量回馈电路，每个能量回馈电路由二个电感、两个电容和三个二极管组成，其中一个导通吸收电感接于电源母线和桥臂之间，该桥臂的开关管与由储能电容、第一个二极管和关断吸收电容构成的串联电路相并联，在储能电容与第一个二极管的连接点至上、下桥臂的中点间接入接另一个电感与第二个二极管相串联的电路，在第一个二极管和关断吸收电容的连接点至电源母线之间接入第三个二极管，上述三个二极管的极性相一致。
工作时，在导通吸收电感作用下，功率开关器件实现零电流开通，在吸收电容的作用下，实现功率器件的零电压关断，储能电容暂存开关期间的能量，并最终通过馈能支路将这些能量馈送至电源或负载。
本发明的用于多电平逆变桥的无源软开关电路元件少，结构简单，成本低，该电路仅包括电感，电容、二极管等无源器件，不包括辅助有源器件和耗能元件电阻，所以无需额外的检测和控制，并可提高多电平逆变桥臂的效率。
附图说明
图1是本发明构成电路实例；
图2是本发明构成另一电路实例；
图3是本发明在三相三电平逆变器中的应用实例。
具体实施方式
参照图1，图示为三电平逆变桥，它由开关管S1～S4，续流二极管D1～D4以及两个箝位二极管Dc1、Dc2构成。用于该逆变桥的无源软开关电路具有两个分别与逆变桥上、下桥臂对应连接的完全对称的能量回馈电路，第一个能量回馈电路由二个电感Ls1、Lr1、两个电容Cb1、Cs1和三个二极管Ds11、Ds21、Dr1组成，其中一个导通吸收电感Ls1接于电源母线和桥臂之间，该桥臂的开关管S1与由储能电容Cb1、第一个二极管Ds11和关断吸收电容Cs1构成的串联电路相并联，在储能电容Cb1与第一个二极管Ds11的连接点至上、下桥臂的中点间接入接另一个电感Lr1与第二个二极管Dr1相串联的电路，在第一个二极管Ds11和关断吸收电容Cs1的连接点至电源母线之间接入第三个二极管Ds12，上述三个二极管Ds11、Dr1、Ds12的极性相一致。
第二个能量回馈电路由二个电感Ls2、Lr2、两个电容Cb2、Cs2和三个二极管Ds21、Ds22、Dr2组成，其中一个导通吸收电感Ls2接于电源母线和桥臂之间，该桥臂的开关管S4与由储能电容Cb2、第一个二极管Ds21和关断吸收电容Cs2构成的串联电路相并联，在储能电容Cb2与第一个二极管Ds21的连接点至上、下桥臂的中点间接入接另一个电感Lr2与第二个二极管Dr2相串联的电路，在第一个二极管Ds21和关断吸收电容Cs2的连接点至电源母线之间接入第三个二极管Ds22，上述三个二极管Ds21、Dr2、Ds22的极性相一致。
为了降低功率器件的关断电压应力，可将上述两个能量回馈电路中的电感Lr1、Lr2分别用直流电源Vdc1、Vdc2代替，在逆变桥上、下桥臂的中点至直流电源Vdc1与二极管Dr2的接点之间接入电感Lr。(如图2所示)。
以三电平逆变桥臂为例，在三电平逆变桥中有三种开关状态组合：
1)S1、S2开通，S3、S4关断；
2)S2、S3开通，S1、S4关断；
3)S3、S4开通，S1、S2关断，相应有四种换流情况，分别是S1与Dc1；S2与D4；S3与D1；S4与Dc2之间换流。由于电路结构的对称性，仅以S1与Dc1和S3与D1的换流过程为例分析如下：
S1与Dc1的换流过程：
换流前，电路处于S1载流的稳态，换流开始，S1关断，S3开通，S1由Cb1、Ds11、Cs1容性支路旁路，实现S1管的零电压关断，因电感Ls1、Lr1电流不能突变，S3管开通得以缓冲，实现零电流开通，母线电压Ud、电容Cb1端电压等效电压源E、电感Ls1、电容Cs1串联谐振，同时Lr1与Cs1串联谐振，直到Cs1充电至Ud。随后Ls1电流经Cb1-Ds11-Ds12，能量传递到Cb1，当吸收电感电流回零时，S1关断，S3开通换流过程结束。
S3管关断信号和S1管开通信号同时给出，电路进入另一换流瞬态，电感Ls1承受母线电源电压Ud，Lr1承受电压E，S1电流线性上升，Dc1电流线性下降，实现了S1的零电流开通和箝位二极管Dc1关断时电流变化率的限制，箝位二极管Dc1电流回到零后，S3开始承受电压，Ls1、Cs1并联后与Lr1、Ud、Cb1串联产生谐振，直到Cs1电压到达-E，两电感Ls1、Lr1一起承担负载电流，各承受1/2(Ud-E)的电压，以绝对值相等的电流变化率达到稳态值：iLs1＝Iload，iLr1＝0。完成S1开通，S3关断的换流过程。
S3与D1的换流过程：
换流前，电路处于S3载流的稳态，，换流开始，S3关断，S1管开通，负载电流改行Cs1-Ds12，同时CS1通过Ds12-Ls1-S1放电，这样S3管实现了零电压关断，S1管实现零电流开通，当Cs1电压到达-E时，电流大部为Cb1所旁路，负载电流流经Cb1(Cs1)-Ds11(Ds12)，LS1跨接于Cb1两端，能量向Cb1转移，其电流线性下降，直到Ls1电流到达负的负载电流，S1(D1)管开通、S3管关断换流过程结束。
S1管关断、S3管开通信号同时给出，Ls1承受母线电源电压Ud，Lr1承受Cb1电压E，S3管实现零电流开通，S1管反并二极管D1关断电流变化率得到限制，D1电流降到零，S1开始承受电压，Ud、Ls1、Cb1、Cs1谐振，当Cs1电压达到Ud后，两电感Ls1、Lr1各承受1/2(Ud-E)的电压，以绝对值相等的电流变化率达到稳态值：iLs1＝0，iLr1＝0。完成S3管开通，S1(D1)管关断的换流过程。
本发明适合于各种单相，三相，多相任意电平的逆变桥，如图3所示，是本发明在三相三电平逆变桥中的应用。
Claims (2)
1.用于多电平逆变桥的无源软开关电路，其特征在于具有两个分别与逆变桥上、下桥臂对应连接的完全对称的能量回馈电路，每个能量回馈电路由两个电感[Ls1]、[Lr1]、两个电容[Cb1]、[Cs1]和三个二极管[Ds11]、[Ds12]、[Dr1]组成，其中一个导通吸收电感[Ls1]接于电源母线和桥臂之间，该桥臂的开关管[S1]与由储能电容[Cb1]、第一个二极管[Ds11]和关断吸收电容[Cs1]构成的串联电路相并联，在储能电容[Cb1]与第一个二极管[Ds11]的连接点至上、下桥臂的中点间接入另一个电感[Lr1]与第二个二极管[Dr1]相串联的电路，在第一个二极管[Ds11]和关断吸收电容[Cs1]的连接点至电源母线之间接入第三个二极管[Ds12]，上述三个二极管[Ds11]、[Dr1]、[Ds12]的极性相一致。
2.按权利要求1所述的用于多电平逆变桥的无源软开关电路，其特征是每个能量回馈电路中的接于储能电容[Cb1]与第一个二极管[Ds11]的连接点至上、下桥臂的中点间的电感[Lr1]与第二个二极管[Dr1]相串联电路中的电感[Lr1]用直流电源[Vdc1]代替，并在逆变桥上、下桥臂的中点至直流电源[Vdc1]与另一个能量回馈电路中第二个二极管[Dr2]的接点之间接入电感[Lr]。
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