CN1688096A

CN1688096A - 基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器

Info

Publication number: CN1688096A
Application number: CNA2005100259426A
Authority: CN
Inventors: 曼苏乐; 姚钢; 陈陈
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2005-05-19
Filing date: 2005-05-19
Publication date: 2005-10-26

Abstract

一种基于变压器辅助换流的零电压、零电流辅助谐振换流逆变器，包括主逆变部分、辅助谐振换流部分、输出低通滤波器，主逆变部分和辅助谐振换流部分并联连接，并且在各自的中点处有一个公共连接点；输出滤波器则连接在主逆变部分的输出端，并与负荷串联。本发明认可实现主开关在零电压条件下导通、关断；辅助开关在零电压或零电流的条件下开通、关断；这将大大提高本发明的电能转换效率、稳定性和鲁棒性。

Description

基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器

技术领域

本发明涉及的是一种电力电子换流逆变技术领域的逆变器，具体地说，是一种基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器。

背景技术

目前，绝大多数的辅助谐振换流逆变器拓扑结构，都可以为逆变器换流创造零电压、零电流的条件，从而达到软开关的目的。

经对现有技术文献的检索发现，在Xiaoming Yuan and Ivo Barbi发表的文献“基于变压器辅助换流的零电压逆变器的分析、设计和实验”(电力电子学报，(美国)电气和电子工程师协会，15(1)，2000，pp.72-82)中提到，在辅助谐振换流逆变拓扑结构中都存在着以下两点致命的缺陷：(1)当负荷电流正负半周期输出电流严重不对称或逆变器输出严重过负荷，而引起的高频谐振电感元件发生饱和或偏磁现象时，辅助开关导通电流将数倍增大，如果此时轻易开或关辅助功率管，辅助功率管将面临过电压、过电流的危险，并最终导致损坏，逆变系统的可靠性将大大降低；(2)目前所有类型的辅助谐振换流逆变器，都存在着辅助换流时间长短与负荷电流大小成正比的现象，在负荷电流较大的时候逆变器的辅助换流时间也较大，这将导致逆变器的开关频率显著降低，同时如果不能及时调整逆变器的辅助换流时间，将不能保证逆变器主功率管在零电压、零电流的条件下进行换流，这将导致逆变器的开关损耗急剧增大，甚至导致功率开关管损坏。因而辅助谐振换流逆变器拓扑结构中往往要采用一些特殊的控制手段去控制辅助开关管的关断时间，即当谐振电流衰减到零的时刻关断辅助开关管，其主要目的就是为了防止辅助开关管发生过电压击穿的危险，但是该解决方案大大增加了控制电路的复杂性，同时也严重影响到逆变器的开关频率、输出占空比等指标。上述两种缺陷都将导致ARCP型逆变器在一些较为恶劣工作条件下不能稳定运行，甚至导致ARCP型逆变器发生故障而退出运行。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器，使其充分利用高频电感、电容的特性，并结合合理的控制逻辑，在实现零电压、零电流换流的同时，极大地提高逆变器的电能转换效率、开关频率和逆变器系统的稳定性。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括主逆变部分、辅助谐振换流部分、输出低通滤波器，其连接方式为：主逆变部分和辅助谐振换流部分并联连接，并且在各自的中点处有一个公共连接点；输出滤波器则连接在主逆变部分的输出端，并与负荷串联。

主逆变部分是由两个集成门双极型晶体管S1、S2串联成的单相逆变半桥和直流侧电压支撑电容Cdc构成；辅助谐振换流部分是由四个集成门双极型晶体管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，四个谐振电容C1、C2、Ca1、Ca2，一个谐振电感Lx，一个高频电流反馈变压器T，一个单相快速整流全桥Dr1、Dr2、Dr3、Dr4和两个续流快速二极管D1、D2构成；输出低通滤波器是由两个输出滤波电容C_f1、C_f2和一个输出滤波电感L_f构成。

上述三个组成部分中各个元件的连接方式是：直流侧电压支撑电容Cdc与S1、S2串联单元相并联；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等四个辅助换流开关顺序串联，并且该串联单元与直流侧电压支撑电容Cdc相并联；电容C1与S1相并联，电容C2与S2相并联，电容Ca1与Sa1相并联，电容Ca2与Sa4相并联；谐振电感Lx与高频电流反馈变压器T的一次侧N1串联，并且该串联单元连接在S1、S2串联单元的中点和Sa2、Sa3串联单元的中点之间；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4组成的单相整流全桥的阳极与Sa1、Sa2串联单元的中点连接，阴极与Sa3、Sa4串联单元的中点连接，该单相整流全桥的输入端分别与高频电流反馈变压器T的二次侧N2连接；D1与Sa1、Sa2串联单元相并联，D2与Sa3、Sa4串联单元相并联；C_f1、C_f2构成串联单元，并且该串联单元与直流侧电压支撑电容Cdc相并联；输出滤波电感L_f连接在C_f1、C_f2串联单元的中点和S1、S2串联单元的中点之间；C_f1、C_f2串联单元的中点就是本发明的输出端。

本发明在辅助谐振换流回路的帮助下，实现主功率开关在零电压条件下导通和关断，在辅助谐振换流时刻各功率开关的操作循序是：假定此时由主开关S1的内部反并联二极管承担负荷电流。当换流过程开始时，首先在同一时刻导通辅助开关Sa3、Sa4，则谐振电感Lx上的电流开始上升，谐振电容C1开始充电，而谐振电容C2开始放电；当主开关S2的并联谐振电容C2放电完毕后，导通主开关S2；当谐振电感Lx上的电流衰减到零的时候，在零电压的条件下关断Sa4；在Sa4关断后的1～2个微秒内，在零电流的条件下关断Sa3；此后负荷电流将由主开关S2全部承担。此时整个换流过程完毕。主开关S1，辅助开关Sa1、Sa2的开关循序与上述循序相同，可参考上述步骤推得。

本发明配合正确的PWM信号控制逻辑，就可确保本逆变器在实现换流过程发生在零电压或零电流条件下的同时，亦解决了上述两个影响辅助谐振换流逆变器性能的关键问题。

本发明采用了铁氧体磁芯的高频电感Lx，该电感在正常状态下和饱和状态下其电感值变化较小，即使发生饱和现象时，该电感值的变化对逆变器换流过程的影响亦较小。同时，在辅助谐振电感元件发生饱和现象时，辅助谐振开关导通电流必然增大，由于采用了辅助谐振功率开关的保护电容Ca1和Ca2，此时即使关断辅助谐振功率开关，该过程亦发生在零电压的条件下，所以在任何情况下辅助谐振功率开关都不会发生过电压现象。

本发明采用固定辅助换流时间解决方案。当负荷电流幅值较大时(超过额定电流)，辅助谐振换流逆变系统必然要求延长辅助换流时间，但是本发明采用固定辅助换流时间措施，使得即使辅助谐振电流依然较大的时候，依然可以按照设计的国定时间关断辅助谐振功率开关。主要设计思想是，本发明中采用辅助谐振功率开关保护电容Ca1和Ca2，使得当辅助谐振电流依然较大的时候，关断辅助谐振功率开关，由于保护电容Ca1或Ca2的并联作用，辅助谐振电流向保护电容进行充电，所以辅助谐振功率开关的电压将缓慢上升，即辅助功率开关在关断时刻，其电压一直保持低水平，可以认为该关断过程发生在零电压条件下。由于本发明采用了固定换流时间方案的时候，本发明可以在较大负荷电流情况下保持设计的开关频率和较高的输出占空比。

本发明的有益效果是：当处于负荷电流正负半周期输出电流严重不对称或逆变器输出暂态过电流工作条件下时，本发明认可实现主开关在零电压条件下导通、关断；辅助开关在零电压或零电流的条件下开通、关断；这将大大提高本发明的电能转换效率、稳定性和鲁棒性。此外固定换流时间方案的采用，可以使得本发明一直运行于较高的开关频率和较高的输出占空比，这对于逆变器输出电压和电流的谐波治理具有重要意义，同时也将大大降低输出电压的损失。因此本发明不仅适用于三相大功率交流异步电机驱动系统，更适用于具有暂态过电流或输出半波不对称现象的逆变装置，例如属于用户电能质量治理设备的有缘滤波器，静止式动态无功补偿器和动态电压恢复器等。

附图说明

图1为本发明的拓扑结构原理图。

图中：S1、S2是主功率开关管—集成门双极型晶体管或MOSFET(1200V，200A)；

Sa1、Sa2、Sa3、Sa4是辅助谐振功率开关管—集成门双极型晶体管或MOSFE(1200V，100A)；D1、D2是快速恢复二极管——1200V，20A；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4是快速恢复整流桥——单管1200V，60A；Ca1、Ca2是谐振高频电容；C1、C2是谐振高频电容；Lx是氧化铁磁芯的高频电感；T是氧化铁磁芯的高频电感——变比k＝N1∶N2(k)；Cdc是直流储能电解电容——500V，8800uF；L_f是输出滤波氧化铁磁芯电感；C^f1、C^f2是输出滤波电容。

图2为本发明的拓扑结构的操作时序原理图。

图中：PWM是该基于变压器辅助换流的逆变器的PWM控制输出波形；S1、S2是主功率开关管的控制波形；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4是辅助功率开关管的控制波形；T0是辅助功率管Sa1、Sa2的导通时刻—S1导通，S2关断换流过程的开始；T1是主功率管S2的关断时刻；T2是主功率管S1的导通时刻；T3是辅助功率管Sa1的关断时刻；T4是辅助功率管Sa2的关断时刻；

图3为本发明在极端暂态过电流运行条件下运行效果示例。

图中：I_T1是辅助谐振回路中的谐振电流；V_a是单相逆变半桥的输出电压；V_Ca2是辅助电容Ca2所承受的电压；其它参数可参照图2描述。

具体实施方式

结合本发明的内容提供以下实施例：

如图1、2所示，当负荷电流由上半桥臂功率开关S1(关断状态)的反并联二极管承担，此时系统要求导通下半桥臂功率管S2进行换流(由关断到导通的操作)，逆变器控制器首先发出导通辅助谐振功率开关Sa3、Sa4信号，当它们导通后谐振回路中的谐振电流i_T1线性上升，并逐渐升至I_Load，此时辅助谐振电容C2(主功率开关S2的并联电容)开始通过辅助谐振电路进行放电，并且其电压逐渐衰减到零。当其电压达到零时，逆变系统已经为主功率开关的导通创造了零电压导通的条件，此时逆变器控制器发出主功率开关S2的导通信号。当主功率开关S2导通后，逆变器控制器发出关断辅助谐振功率开关Sa4的控制信号，由于功率开关的关断时间极其短暂，并且由于辅助电容Ca2的并联保护作用，所以其关断过程时发生在零电压条件下。当辅助谐振功率开关Sa4关断后，辅助谐振回路中的谐振电流i_T1通过辅助功率开关Sa3，对辅助功率开关Sa4的保护电容Ca2进行充电，由于钳位二极管，同时该辅助谐振电流i_T1逐渐衰减到零。当辅助谐振电流衰减到零的时候，逆变器控制器发出关断辅助谐振功率开关Sa3的控制信号，此时逆变器的一个换流过程完成了。

图3为本发明在极端暂态过电流的运行条件下的实测工作波形，可以发现本发明即时在极端过负荷的运行条件下，仍能实现主开关零电压导通、关断和辅助开关零电压或零电流导通、关断等设计目标，这对于逆变系统稳定性和电能转换效率的提高具有决定性的意义。同时固定辅助换流时间控制策略的有效应用，对于逆变系统的开关频率和输出电压占空比，也具有决定性的作用，在本发明的辅助换流时间约为7us，开关频率可大于20kHz，占空比可达90％以上。由于四个辅助换流开关结构和辅助开关保护结构的采用，本发明的辅助开关在任何负荷条件下，都能保持较低的电压、电流应力。

Claims

1、一种基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器，其特征在于，包括主逆变部分、辅助谐振换流部分、输出低通滤波器，其连接方式为：主逆变部分和辅助谐振换流部分并联连接，并且在各自的中点处有一个公共连接点；输出滤波器则连接在主逆变部分的输出端，并与负荷串联。

2、根据权利1所述的基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器，其特征是，所述的主逆变部分是由两个集成门双极型晶体管S1、S2串联成的单相逆变半桥和直流侧电压支撑电容Cdc构成；辅助谐振换流部分是由四个集成门双极型晶体管Sa1、Sa2、Sa3、Sa4，四个谐振电容C1、C2、Ca1、Ca2，一个谐振电感Lx，一个高频电流反馈变压器T，一个单相快速整流全桥Dr1、Dr2、Dr3、Dr4和两个续流快速二极管D1、D2构成；输出低通滤波器是由两个输出滤波电容Cf1、Cf2和一个输出滤波电感L_f构成，直流侧电压支撑电容Cdc与S1、S2串联单元相并联；Sa1、Sa2、Sa3、Sa4等四个辅助换流开关顺序串联，并且该串联单元与直流侧电压支撑电容Cdc相并联；电容C1与S1相并联，电容C2与S2相并联，电容Ca1与Sa1相并联，电容Ca2与Sa4相并联；谐振电感Lx与高频电流反馈变压器T的一次侧N1串联，并且该串联单元连接在S1、S2串联单元的中点和Sa2、Sa3串联单元的中点之间；Dr1、Dr2、Dr3、Dr4组成的单相整流全桥的阳极与Sa1、Sa2串联单元的中点连接，阴极与Sa3、Sa4串联单元的中点连接，该单相整流全桥的输入端分别与高频电流反馈变压器T的二次侧N2连接；D1与Sa1、Sa2串联单元相并联，D2与Sa3、Sa4串联单元相并联；C_f1、C_f2构成串联单元，并且该串联单元与直流侧电压支撑电容Cdc相并联；输出滤波电感L_f连接在C_f1、C_f2串联单元的中点和S1、S2串联单元的中点之间；C_f1、C_f2串联单元的中点为输出端。

3、根据权利1所述的基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器，其特征是，所述的谐振电感Lx，采用铁氧体磁芯的高频电感Lx。

4、根据权利1所述的基于变压器辅助换流的零电压、零电流开关型逆变器，其特征是，所述的谐振电容，其中，辅助谐振功率开关保护电容Ca1和Ca2并联，辅助谐振电流向保护电容进行充电，所以辅助谐振功率开关的电压将缓慢上升，即辅助功率开关在关断时刻，其电压一直保持低水平。