CN205356183U - 电流源型三相逆变器拓扑结构 - Google Patents

电流源型三相逆变器拓扑结构 Download PDF

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李宏昭
张瑜峰
朱青松
龙漪
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本实用新型提供了一种电流源型三相逆变器拓扑结构。该电流源型三相逆变器拓扑结构包括电流源、三相逆变桥和第一电感，三相逆变器通过母线电路与电流源连接，第一电感设置在电流源与三相逆变桥之间的母线电路上，电流源与三相逆变桥之间并联有对三相逆变桥的负载电流进行控制的软开关电路。根据本实用新型的电流源型三相逆变器拓扑结构，可以解决现有技术中电流源型逆变器工作时容易发生电流突变而导致功率器件过压损坏的问题。

Description

电流源型三相逆变器拓扑结构
技术领域
本实用新型涉及电力电子技术领域，具体而言，涉及一种电流源型三相逆变器拓扑结构。
背景技术
电力电子变换技术对工业自动化、智能交通、输电配电、节能降耗、环境保护治理等方面，起到巨大的推动作用。特别是近年来随着世界各国工业和科技的迅速发展，电力电子变换技术正在快速更新，其对人类社会的影响与日俱增。在采用独立运行逆变器供电的应用场合中，随着用电设备的增加，对逆变器的功率等级与可靠性的要求也随之增高。
现有的逆变器一般为电压源型，而电流型逆变器对晶闸管的耐压要求比电压型高，它的出现比电压型逆变器晚。但随着晶闸管耐压水平的提高，电流型逆变器也得到了较快的发展。电流型逆变器电路结构简单，用于交流电动机调速时可以不附加其它电路而实现再生制动，发生短路时危险性较小，对晶闸管关断时间的要求不高，适用于对动态特要求较高，调速范围大的交流调速系统。
但现有的电流源型逆变器在对负载进行切换时，会出现电流瞬时增大的问题，导致系统受到冲击，造成系统不稳定，严重者可能造成功率器件过压损坏。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种电流源型三相逆变器拓扑结构，以解决现有技术中电流源型逆变器工作时容易发生电流突变而导致功率器件过压损坏的问题。
为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种电流源型三相逆变器拓扑结构，包括电流源、三相逆变桥和第一电感，三相逆变器通过母线电路与电流源连接，第一电感设置在电流源与三相逆变桥之间的母线电路上，电流源与三相逆变桥之间并联有对三相逆变桥的负载电流进行控制的软开关电路。
优选地，软开关电路包括第一开关支路和第二开关支路，第一开关支路与三相逆变桥并联，第二开关支路的第一端连接在电流源与第一电感之间的母线电路上，第一开关支路包括第二电感、第一辅助开关管和第一二极管，第一二极管与第一辅助开关管并联后与第二电感串联，第二开关支路包括串联的第二辅助开关管和第二二极管，第二开关支路的第二端连接在第二电感靠近第一辅助开关管的一端。
优选地，软开关电路还包括滤波电路，滤波电路与第一开关支路并联，且位于第一电感与第一开关支路之间。
优选地，三相逆变桥包括并联在正直流母线与负直流母线之间的用于产生第一相电压的第一逆变电路、用于产生第二相电压的第二逆变电路、以及用于产生第三相电压的第三逆变电路。
优选地，第一逆变电路包括用于产生第一相电压的第一主开关管和第二主开关管，第一主开关管和第二主开关管分别带有反并联的二极管，第二逆变电路包括用于产生第二相电压的第三主开关管和第四主开关管，第三主开关管和第四主开关管分别带有反并联的二极管，第三逆变电路包括用于产生第三相电压的第五主开关管和第六主开关管，第五主开关管和第六主开关管分别带有反并联的二极管。
优选地，各主开关管与二极管并联后均串联有防止电流回流的防反二极管。
应用本实用新型的技术方案，电流源型三相逆变器拓扑结构包括电流源、三相逆变桥和第一电感，三相逆变器通过母线电路与电流源连接，第一电感设置在电流源与三相逆变桥之间的母线电路上，电流源与三相逆变桥之间并联有对三相逆变桥的负载电流进行控制的软开关电路。通过在电流源与三相逆变桥之间设置软开关电路，可以通过软开关电路使三相逆变桥的主开关管能够实现软化，避免出现电流瞬时增大的问题，减少系统受到冲击，避免电流突变而导致功率器件过压损坏的问题，使得三相逆变器运行更加稳定，使用寿命有效延长。
附图说明
构成本实用新型的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
图1示出了根据本实用新型实施例的电流源型三相逆变器拓扑结构的原理图；
图2示出了根据本实用新型实施例的电流源型三相逆变器拓扑结构的开关管驱动信号波形图；
图3示出了根据本实用新型实施例的电流源型三相逆变器拓扑结构的d-q分量稳态图；
图4示出了根据本实用新型实施例的电流源型三相逆变器拓扑结构的输出波形；
图5示出了根据本实用新型实施例的电流源型三相逆变器拓扑结构的效果图。
具体实施方式
下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
结合参见图1至图5所示，根据本实用新型的实施例，电流源型三相逆变器拓扑结构包括电流源DC、三相逆变桥和第一电感L，三相逆变器通过母线电路与电流源DC连接，第一电感L设置在电流源DC与三相逆变桥之间的母线电路上，电流源DC与三相逆变桥之间并联有对三相逆变桥的负载电流进行控制的软开关电路。L为主电路的大电感，在逆变器正常工作时，L上电流仅有很小的纹波变化，近似于电流源。
通过在电流源DC与三相逆变桥之间设置软开关电路，可以通过软开关电路使三相逆变桥的主开关管能够实现软化，避免出现电流瞬时增大的问题，减少系统受到冲击，避免电流突变而导致功率器件过压损坏的问题，使得三相逆变器运行更加稳定，使用寿命有效延长。
软开关电路包括第一开关支路和第二开关支路，第一开关支路与三相逆变桥并联，第二开关支路的第一端连接在电流源DC与第一电感L之间的母线电路上，第一开关支路包括第二电感Lr、第一辅助开关管VT1和第一二极管VD2，第一二极管VD2与第一辅助开关管VT1并联后与第二电感Lr串联，第二开关支路包括串联的第二辅助开关管VT2和第二二极管VD1，第二开关支路的第二端连接在第二电感Lr靠近第一辅助开关管VT1的一端。
软开关电路还包括滤波电路，滤波电路与第一开关支路并联，且位于第一电感L与第一开关支路之间。滤波电路包括有电容Cr。滤波电路可以对软开关电路上的电流进行滤波，保证软开关电路输出信号的稳定性和精确性。
三相逆变桥包括并联在正直流母线与负直流母线之间的用于产生第一相电压的第一逆变电路、用于产生第二相电压的第二逆变电路、以及用于产生第三相电压的第三逆变电路。
第一逆变电路包括用于产生第一相电压的第一主开关管S1和第二主开关管S2，第一主开关管S1和第二主开关管S2分别带有反并联的二极管，第二逆变电路包括用于产生第二相电压的第三主开关管S3和第四主开关管S4，第三主开关管S3和第四主开关管S4分别带有反并联的二极管，第三逆变电路包括用于产生第三相电压的第五主开关管S5和第六主开关管S6，第五主开关管S5和第六主开关管S6分别带有反并联的二极管。
各主开关管与二极管并联后均串联有防止电流回流的防反二极管，可以防止主开关管发生电流回流，提高电路工作的安全性。
结合参见图2所示，当三相逆变器处于模态1时，t0时刻之前S1和S6导通，此时是工作在A、C两相。在t0时刻，将VT1零电流导通，因为Lr的数量级很小，时间常数很小，A、C两相的负载电流快速换流到Lr和VT1的支路上，当Lr上的电流增加到与L电流相等时，负载电流降为0，为开关管的软开关切换提供了条件，此时iload=0，idc=iLr。
结合参见图3所示，当三相逆变器处于模态2时，L继续给Lr充电，idc继续减小，iLr继续增大，电容Cr补充充电电流，直至Cr电压为0。因为Cr数量级也很小，所以这一过程持续时间很短。
结合参见图4所示，当三相逆变器处于模态3时，S6零电流关断、S2零电流导通，同时VT1关断、VT2零电流导通。因为A相进入了直通，直流电源通过S1和S2给Boost电感L充电储能，Cr被短路钳制，两端电压始终为0。同时，Lr的电流通过VD1和VT2快速放电，短时间内变为0，为VT2的零电流关断提供了条件。
结合参见图5所示，当三相逆变器处于模态4时，Boost升压结束后，因Cr两端电压不能突变，故S2零电压关断，VT2零电流关断。同一时刻S4零电压导通，进入A、B两相状态。L将能量释放到负载端，并且给Cr充电，Cr两端电压等于负载端电压，高于直流侧电源。
自此一个升压周期结束，实现了所有主开关管的软开关。B相和C相升压时原理同上。
本实施例中的电流源型三相逆变器拓扑结构的参数选择过程如下：
Lr和Cr的时间常数要尽量小，因为要加快其充放电过程。例如：L=0.5H，Cr=1nF，Lr=0.1mH，开关频率选择10kHz。d分量和q分量的PI调节器均设计为。逆变器三相输出接LC低通滤波电路，输入电压Uin=300V，C=60uF，L=50uH，负载R=30Ω，截止频率近似为。
两个辅助开关管的逻辑：
VT1：锯齿波>,即
VT2：t0。在直通之前的极小段时间内，将VT1导通。直通时，将VT1关断，同时将VT2导通。VT2与直通保持同步。
下面结合图2至图5对电流源型三相逆变器拓扑结构的电路控制进行说明：
图2为8个开关管驱动信号波形图。以第一扇区截图为例(最后一行波形N=1)，S1恒通，S3和S5恒关断，S2、S4、S6交替导通，VT1在S2导通之前保持导通一段时间，即与S6同时导通一段时间，S2导通时将VT1关断、VT2导通，VT2与S2的开关逻辑保持一致。
图3为系统稳定时d-q分量图，说明了系统达到了稳态，d-q两分量均保持在给定量附近，其中可以看到q分量为零。
图4为三相逆变器输出电压波形，可以看出在加入软开关电路后，并未影响其输出稳定性。
图5为软开关电路的效果图，从中可以清晰地看出中可以看出：Iload为0时S2零电流导通，UCr为0时零电压关断；UCr为0时S4零电压导通；Iload为0时S6零电流关断。
通过在原三相逆变器电路上加入软开关电路，可以实现电流的线性变化，避免电流发生突变，从而使得系统能够更加稳定。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，包括电流源、三相逆变桥和第一电感，所述三相逆变器通过母线电路与所述电流源连接，所述第一电感设置在所述电流源与所述三相逆变桥之间的母线电路上，所述电流源与所述三相逆变桥之间并联有对三相逆变桥的负载电流进行控制的软开关电路。
2.根据权利要求1所述的电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述软开关电路包括第一开关支路和第二开关支路，所述第一开关支路与所述三相逆变桥并联，所述第二开关支路的第一端连接在所述电流源与所述第一电感之间的母线电路上，所述第一开关支路包括第二电感、第一辅助开关管和第一二极管，所述第一二极管与所述第一辅助开关管并联后与所述第二电感串联，所述第二开关支路包括串联的第二辅助开关管和第二二极管，所述第二开关支路的第二端连接在所述第二电感靠近所述第一辅助开关管的一端。
3.根据权利要求2所述的电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述软开关电路还包括滤波电路，所述滤波电路与所述第一开关支路并联，且位于所述第一电感与所述第一开关支路之间。
4.根据权利要求1所述的电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述三相逆变桥包括并联在正直流母线与负直流母线之间的用于产生第一相电压的第一逆变电路、用于产生第二相电压的第二逆变电路、以及用于产生第三相电压的第三逆变电路。
5.根据权利要求4所述的电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，所述第一逆变电路包括用于产生第一相电压的第一主开关管和第二主开关管，所述第一主开关管和所述第二主开关管分别带有反并联的二极管，所述第二逆变电路包括用于产生第二相电压的第三主开关管和第四主开关管，所述第三主开关管和所述第四主开关管分别带有反并联的二极管，所述第三逆变电路包括用于产生第三相电压的第五主开关管和第六主开关管，所述第五主开关管和所述第六主开关管分别带有反并联的二极管。
6.根据权利要求5所述的电流源型三相逆变器拓扑结构，其特征在于，各所述主开关管与所述二极管并联后均串联有防止电流回流的防反二极管。
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