CN2768301Y - 一种极谐振软开关逆变器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于开关电源和电机变频驱动的极谐振软开关逆变器。它包括整流电源、公知带缓冲电容的硬开关PWM主逆变桥，以及本实用新型的辅助电路。该辅助电路由1个谐振电感Lr、1个辅助开关器件Sr、一个辅助整流桥组成；其中辅助整流桥的整流桥臂与主逆变桥开关桥臂的数量相等，各相辅助整流桥臂的中点分别与主逆变桥开关桥臂中点对应连接；辅助整流桥的正负极两极与电感Lr以及辅助开关器件Sr输出两端形成闭合串联关系。本实用新型通过仅对1个辅助开关器件Sr的开关控制，就可分时地与逆变器主电路中各相等效电容构成谐振，为主逆变开关器件提供零电压软开关过渡条件。

Description

一种极谐振软开关逆变器

技术领域

本实用新型涉及型一种开关逆变器，具体地说是用于开关电源和交流电机变频驱动的极谐振软开关逆变器。

背景技术

目前国内外绝大多数电机变频器和开关电源中的功率逆变器采用硬开关PWM(脉冲宽度调制)技术，由于：1)电路中的功率器件是高电压下导通，大电流下关断，电应力大，为保证安全，开关器件需降额使用；2)开关器件在高频时开关损耗急剧增大，导致半导体结温急剧上升，从而限制了工作频率的提高，导致逆变器性能无法进一步提升；3)易导致GTR等半导体功率开关器件的二次击穿；4)产生较大高频谐波，对周围设备产生严重电磁干扰。5)采用附加缓冲电路虽可以降低开关损耗，但只是把开关器件上的损耗转移到阻容元件上，系统效率低。所以，人们研究采用谐振软开关来解决以上问题。所谓“软开关”，就是让开关器件在电压或电流谐振自然过零点时执行开关动作，从而大大降低开关损耗。

一个已有技术[1]，见《软性开关逆变电路及其应用》一书(机械工业出版社1993.11出版，作者王聪)。该书提出多种谐振软开关技术拓扑电路，可归纳为直流(DC)环节谐振型和极谐振型两类。DC环节谐振型因要采取短路直流母线的操作为电感预充电，短路时间要严格控制，否则易造成损坏，故降低了可靠性，且控制复杂。另外在1相谐振过零点时，会在不过零点的另外2相波形上形成缺口，不适于在3相交流电机变频调速上应用。而一般极谐振逆变电路和类似的拓扑电路每一相都要1套谐振电感、电容或再附加辅助器件(见图4)，(原书见第57页图3-3与第69页图3-10)，导致体积、成本增加，控制较复杂，3个电感参数一致性难以保证，因此较难实用化。

另一已有技术[2]，见《电机与控制学报》2001年4期246-250页刊登的“一种用于电机驱动的极谐振ZVT-PWM三相逆变器”(作者明正峰等，电原理图见图5)。该技术在带有缓冲电容的公知一般硬开关逆变桥主电路13上附加一套多开关辅助电路12。该辅助电路由1个电感，3个二极管以及一个辅助开关桥14组成，该辅助开关桥14的结构与公知逆变桥主电路13相比，除不带续流二极管和缓冲电容外基本一样，开关器件数量也相同，但功率较小。辅助开关桥14各桥臂的中点与主逆变桥13各桥臂的中点各相对应连接。通过分时通断各个辅助开关器件Sr1～Sr6，使电感Lr与主电路的各缓冲电容进行谐振，使得逆变器主电路各主开关器件S1～S6能在谐振至零电压条件下通断。电感Lr两端接的二极管Ds1、Ds2为电感上多余能量提供回馈到电源的通路。该电路既克服传统硬开关PWM逆变电路开关损耗大的缺点，又使体积较大的电感减少到1个。但该技术仍存在不足：其辅助开关器件数量与主逆变器电路的主开关器件数量一样，导致要控制的开关器件数量增加一倍(以三相交流电机驱动的逆变器为例，要控制的开关器件由6个增到12个)使控制复杂、可靠性降低、成本增加。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本实用新型的任务在于提供一种新型极谐振软开关逆变器。本新型极谐振软开关逆变器电路中只用极少辅助元件，可使体积较大的谐振电感元件减少到1个，同时辅助开关器件数量也减少到1个；通过仅对1个辅助半导体开关器件的控制，就可分时地与传统逆变器主电路中各相等效电容(包括缓冲电容与开关器件极间电容)构成谐振，而不必控制多个辅助开关器件通断；本实用新型具有结构和控制都较简单，功率开关器件损耗低、工作频率高、成本更进一步降低，可靠性更高，更易于实用化。

众所周知，公知的硬开关PWM逆变器包括：一个整流电路(把交流电整流为直流电作为主逆变桥电源)；一个主逆变桥(把直流电转换成电压和频率都可调的交流电)、及负载(可等效为电阻与电感串联)；如主逆变桥带缓冲电容，则各缓冲电容并联在主逆变桥各主开关器件上，负载接入点接在各桥臂串联主开关器件的中间连接点。

虽然本实用新型也是在公知的带缓冲电容的硬开关PWM逆变器电路上加上一辅助电路，缓冲电容也是在辅助电路工作期间兼作谐振电容，但本实用新型的辅助电路与已有技术[2]不同，其特征在于：本实用新型有一个单开关辅助电路，该辅助电路由1个辅助谐振电感Lr、1个半导体辅助开关器件Sr和1个辅助整流桥组成；辅助整流桥的整流桥臂数量与主逆变桥的开关桥臂数量一致(例如，单相应用时，整流桥臂与主逆变开关桥臂皆为2个，三相应用时皆为3个，见图1、图2)；各辅助整流桥臂均由2个二极管同向串联组成，上边各二极管的负极与负极相连成为整流桥的负极，下边各二极管的正极与正极相连组成辅助整流桥正极；各辅助整流桥臂的中点(串联二极管的连接点)分别与主逆变桥各主开关桥臂中点相连接；辅助整流桥直流端的正负两极与电感Lr两端以及辅助开关器件Sr输出两端连接形成闭合串联关系；辅助开关器件Sr接在电感Lr一端A与辅助整流桥负极之间，电感Lr另一端B则接辅助整流桥正极。辅助开关器件Sr也可以接在电感Lr另一端B与辅助整流桥正极之间，此时电感Lr的A端接辅助整流桥负极。

当主逆变桥臂上某桥臂要从一种开关状态转换到另一状态时，提前导通辅助开关器件Sr为电感Lr充电，辅助电路工作结束后，电感Lr上的多余能量能通过接在电感两端的二极管回馈到直流母线。(详细工作原理见实施例一)。

增加主逆变桥的主开关桥臂和同等数量的辅助二极管整流桥臂，可构成单相以上多相极谐振软开关逆变器。

本实用新型与上述已有技术[1]的电路相比，体积较大的电感元件数量减少到1个，消除了多个电感不易平衡匹配的困难，也大大减少了电感上的电能损耗，减少了体积与成本。

本实用新型与上述已有技术[2]的电路相比，已有技术[2]存在如下不足：

1)已有技术[2]的辅助开关器件数量与公知主逆变器的主开关器件数量相等，即要控制的开关器件数量增加一倍。要使不同的开关器件在不同时刻，导通不同的持续时间，不仅控制复杂，降低了可靠性且成本增加。

2)已有技术[2]因辅助开关多，辅助开关器件Sr导通的时间Tc(见附图3)取固定值为电感预充电，以降低控制难度。为避免充电不足而无法为电压谐振过零点提供足够能量，Tc按最大负载电流计算。当负载电流减小时，就造成电感过充电浪费能源，所以，图5中要添加二极管Ds1、Ds2为电感中多余能量回馈到电源提供通路。

与此对比，本实用新型的辅助开关器件减少到1个，仅通过对1个辅助开关器件的控制，就可分时地与传统逆变器主电路中各相等效电容构成谐振，而不必控制多个辅助开关器件通断。这样不仅简化控制，大大降低了成本，提高了可靠性，而且更易于准确控制辅助开关器件Sr导通时间Tc的最佳值，使之与负载电流变化相适应，达到最佳的电感预充电效果，这时就可省掉二极管D7、D8(对应于图5的二极管Ds1、Ds2)。总之，本实用新型具有开关器件损耗低、工作频率高、控制更简单、成本更低，可靠性更高、更易于实用化的优点，可用于交流电机调速，开关电源等，具有较大的潜在经济效益。

附图说明：

附图1是本实用新型极谐振软开关的单相逆变器电路图。

附图2是本实用新型极谐振软开关的三相逆变器电路图。

附图3是本实用新型工作原理的单相波形图。

附图4是已有技术[1]的三相极谐振软开关逆变器电路。

附图5是已有技术[2]的单相极谐振软开关逆变器电路。

附图中数字、符号说明：

1--整流电路，2--单开关辅助电路，3--公知的带缓冲电容单相主逆变桥，4--辅助整流桥，5--负载，6--整流电路，7--单开关辅助电路，8--公知的带缓冲电容三相主逆变桥，9--三相整流电路，10--三相主逆变桥，11--三相谐振电感电容，12--多开关器件辅助电路，13--公知的带缓冲电容单相逆变桥，14--辅助开关桥，15--负载，Vs-整流后的直流电源电压，Tc---辅助开关器件Sr导通时间，S1～S6-主逆变桥主开关器件，C1～C6-主逆变桥缓冲电容，D1～D6-主逆变桥续流二极管，Ds1、Ds2--已有技术[2]电感放电二极管，D7、D8-本实用新型电感放电二极管。

具体实施方式

下面结合所提供具体实施例附图，对本实用新型的技术方案作进一步描述。(但不是对本实用新型的限制)。

实施例一：

根据本实用新型原理的一个具体实施例，如图1所示，是一种新型极谐振软开关单相逆变器。可用于开关电源，电焊机等领域。为便于说明原理，以开关图形符号和字母Si(i为1、2、3...)代表具体的半导体功率主开关器件。

公知的带缓冲电容的硬开关PWM单相主逆变器包括：整流电路1，公知的带缓冲电容的单相主逆变桥3，以及负载5。其中单相主逆变桥3由两对串联的逆变主开关桥臂组成，两主开关桥臂分别由主开关器件S1与S4串联及S3与S6串联组成。各开关器件上对应并联有续流二极管D1、D4和D3、D6及电容C1、C4和C3、C6，各并联电容在主开关关断时作为缓冲吸收电容，在辅助电路工作时作为谐振电容。负载5(由一个电阻和一个电感串联等效表示)的两端分别接在两桥臂串联主开关器件的中间连接点d、e上。两主开关桥臂的两端分别接在整流电路输出的正负直流母线上(如图1)。

实施例一的本实用新型包括：一个上述单相主逆变器以及本实用新型之单开关辅助电路2。所述的单开关辅助电路2包括：1个电感元件Lr，1个辅助半导体开关器件Sr，1个辅助整流桥4。其中：辅助整流桥4包括Df1、Df4同向串联以及Df3与Df6同向串联组成的2个整流桥臂，Df1的正极与Df3正极连接，Df4负极与Df6负极连接，成为该辅助整流桥4的正、负极。该辅助电路整流桥的桥臂数量与主逆变桥桥臂数量一致。2个辅助整流桥臂的中点a、b分别接主逆变开关桥臂的中点d、e。辅助开关器件Sr可以接在电感一端A与辅助整流桥负极之间，此时电感另一端B则接辅助整流桥4正极。辅助开关器件Sr也可以接在电感另一端B与辅助整流桥正极之间，此时电感的一端A接辅助整流桥4负极，具体情况视半导体开关器件类型和极性而定。

如辅助开关器件Sr导通时间Tc(见图3)取固定值时，也可在上述电路中接入电感放电二极管D7与D8，为辅助电感上的剩余能量提供回馈到电源的通路，以提高进一步效率；其接法：二极管D7负极接直流母线正极，二极管D7正极接电感Lr的一端B，二极管D8正极接直流母线负极，二极管D8负极接电感Lr的另一端A。

如Tc随负载电流变化取对应最佳值，可省去二极管D7、D8。

上述的主逆变器主开关器件S1～S6以及辅助开关器件Sr为半导体器件可以是GTR(大功率晶体管)，或IGBT(场控晶体管)，或MOSFET(绝缘栅场效应管)，或GTO(可关断可控硅)，也可以为IPM(智能功率模块)或其它半导体器件。

上述的电感元件Lr可以是用由多股细漆包线编织或绞合在一起的多股线(又称“里茨线”)绕制而成的。

上述的二极管可以是是高频二极管或快恢复二极管。

本实用新型的工作原理是：半导体辅助开关器件Sr在一个开关周期的绝大部分时间内处于关断状态，辅助整流桥此时也都处于阻断状态，辅助电路和辅助电感中均没有电流，所以该逆变器的辅助电路消耗能量很少。只有当主逆变桥上的某个桥臂需要从一个状态切换到另一个状态时，辅助电路中的辅助开关器件Sr提前开通，谐振电感中的电流从零开始线性增加，开始储存能量。由于主开关器件两端跨接缓冲电容的存在，逆变桥中的主开关器件在很小的dv/dt下关断，同一桥臂上下两主开关器件导通时刻之间存在一个死区时间，所以该桥臂上的另一个开关延迟开通，此时续流二极管进行续流，谐振电感继续存储能量使得二极管中的电流慢慢减小到零，从而为桥臂上的续流二极管提供一个零电流关断条件。然后，存储在谐振电感中的能量和主逆变桥上的等效电容(包括缓冲电容以及主开关器件的极间电容等)进行充放电的谐振，使得逆变主桥臂中点的电位在零和电源电压之间振荡，从而为该桥臂上的另一个主开关器件提供了一个零电压的开通条件。在完成了过渡过程之后，辅助开关在零电流条件下关断，辅助电路工作停止，谐振电感中如有残留能量则通过两个二极管D7和D8回馈给直流母线。本实用新型的工作原理的单相波形图如图3所示。

实施例二

根据本实用新型原理的另一个具体实施例，如图2所示，该方案是提供一种新型极谐振软开关三相逆变器主电路，可用于三相交流异步电机变频调速、三相交流伺服电机驱动等。实施例二之本实用新型包括：一个整流电路6(三相整流)，一个本实用新型单开关辅助电路7，一个公知的带缓冲电容的三相主逆变桥8。本实施例二是在实施例一的基础上，在主逆变桥中增加了一个主逆变开关桥臂，在单开关辅助电路中也增加一个辅助整流桥臂。增加的主逆变开关桥臂由主开关器件S5和S2串联组成，并联有相应的续流二极管D5、D2及缓冲电容C5、C2。增加的辅助整流桥臂由二极管Df5和Df2同向串联组成，从而构成了本新型谐振软开关三相逆变器电路。三个辅助整流桥臂的中点a、b、c分别与三相主逆变开关桥臂的中点d、e、f相连接。电感Lr，辅助开关器件Sr与辅助整流桥的接法以及其余部分接法均与图1相同。(在此不重复叙述)。三相主逆变桥的输出点U、V、W接三相普通或伺服交流电机(未画出)。三相整流电源输入端为R、S、T。

Claims (7)

1、一种极谐振软开关逆变器，包括：

一个整流电路，把交流电整流为直流电作为主逆变桥电源；

一个主逆变桥，把直流电转换成电压和频率可调的交流电；

主逆变桥各主开关器件上均并联一个电容；

负载接入点分别接在各桥臂串联主开关器件的中间连接点；

其特征在于：所述的极谐振软开关逆变器有一个单开关辅助电路，该辅助电路由1个辅助谐振电感(Lr)、1个辅助开关器件(Sr)和1个辅助整流桥组成；辅助整流桥的整流桥臂数量与主逆变桥的主开关桥臂数量一致；各辅助整流桥臂均由2个二极管同向串联组成，上边各二极管的负极与负极相连成为整流桥的负极，下边各二极管的正极与正极相连组成辅助整流桥正极，各辅助整流桥臂的中点(串联二极管的连接点)分别与主逆变桥各开关桥臂中点相连接；辅助整流桥直流端的正负两极与电感(Lr)两端以及辅助开关器件(Sr)输出两端连接形成闭合串联关系；辅助开关器件(Sr)接在电感端(A)与辅助整流桥负极之间，电感(Lr)另一端(B)则接辅助整流桥正极。

2、根据权利要求1所述的极谐振软开关逆变器，其特征在于所述的极谐振软开关逆变器增加主逆变桥的主开关桥臂和同等数量的辅助二极管整流桥臂，可构成单相以上多相极谐振软开关逆变器。

3、根据权利要求1所述的极谐振软开关逆变器，其特征在于，所述的辅助开关器件(Sr)可以接在电感(Lr)另一端(B)与辅助整流桥正极之间，此时电感(Lr)的(A)端接辅助整流桥负极。

4、根据权利要求1所述的极谐振软开关逆变器，其特征在于，所述的辅助开关器件(Sr)导通时间(Tc)取固定值时，在所述电路中接入电感放电二极管(D7)与(D8)：二极管(D7)负极接直流母线正极，二极管(D7)正极接电感(Lr)的一端(B)；二极管(D8)正极接直流母线负极，二极管(D8)负极接电感(Lr)的另一端(A)。

5、根据权利要求1所述的极谐振软开关逆变器，其特征在于，所述的主逆变器主开关器件以及辅助开关器件Sr为半导体器件，可以是GTR(大功率晶体管)，或IGBT(场控晶体管)，或MOSFET(绝缘栅场效应管)，或GTO(可关断可控硅)，也可以为IPM(智能功率模块)。

6、根据权利要求1的极谐振软开关逆变器，其特征在于，所述的电感元件(Lr)是用由多股细漆包线编织或绞合在一起的多股线绕制而成的。

7、根据权利要求1的极谐振软开关逆变器，其特征在于，其所述的辅助电路二极管是高频二极管或快恢复二极管。

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