RU96708U1 - THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION - Google Patents

THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION Download PDF

Info

Publication number
RU96708U1
RU96708U1 RU2010116380/07U RU2010116380U RU96708U1 RU 96708 U1 RU96708 U1 RU 96708U1 RU 2010116380/07 U RU2010116380/07 U RU 2010116380/07U RU 2010116380 U RU2010116380 U RU 2010116380U RU 96708 U1 RU96708 U1 RU 96708U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
rack
keys
key
main
diodes
Prior art date
Application number
RU2010116380/07U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Игорь Павлович Воронин
Original Assignee
Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль") filed Critical Открытое Акционерное Общество Научно-Производственное Объединение "Энергомодуль" (Оао Нпо "Энергомодуль")
Priority to RU2010116380/07U priority Critical patent/RU96708U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU96708U1 publication Critical patent/RU96708U1/en

Links

Landscapes

  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

Трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией, характеризующийся тем, что содержит стойку из четырех последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод - к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс - к точке нейтрали нагрузки, два дополнительных конденсатора, первый из которых подключен параллельно верхнему ключу в стойке основных ключей, второй - параллельно нижнему ключу в стойке основных ключей, при этом в инвертор введены два демпферных конденсатора, каждый из которых подключен параллельно одному из фиксирующих диодов. Three-level inverter with soft switching, characterized in that it contains a rack of four series-connected primary keys with anti-parallel diodes, a rack of four series-connected secondary keys with anti-parallel diodes, a rack of two series-connected filter capacitors, each of which is located between positive and negative power bus, a rack of two series-connected fixing diodes, the cathode of which is connected to the connection point the upper key pair in the main key rack, and the anode to the connection point of the lower key pair in the main key rack, while the middle points of the additional key rack, the filter capacitor rack and the fixing diode rack are connected to a common power bus, two consecutive LC circuits, the first of which is connected between the connection point of the upper pair of keys in the rack of additional keys and the cathode of the rack of fixing diodes, and the second between the connection point of the lower pair of keys in the rack of additional keys and the anode of the rack of fix diodes, a load current source, the first pole of which is connected to the midpoint of the main key rack, and the second pole to the neutral point of the load, two additional capacitors, the first of which is connected parallel to the upper key in the main key rack, the second - parallel to the lower key in the rack main keys, while two damping capacitors are introduced into the inverter, each of which is connected in parallel to one of the fixing diodes.

Description

Предложение относится к области силовой электроники, в частности к преобразовательным схемам с пониженными коммутационными потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано при разработке автономных инверторов и импульсных регуляторов.The proposal relates to the field of power electronics, in particular to converter circuits with reduced switching losses in power semiconductor switches and can be used in the development of autonomous inverters and switching regulators.

Известна схема трехуровневого инвертора, в которой обеспечивается мягкое включение и выключение четырех основных транзисторов в каждой фазе инвертора с помощью четырех дополнительных ключей, параллельного коммутирующего дросселя и дополнительных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам (см. US 6205040 В1, 20.03.2001).There is a known scheme of a three-level inverter, in which the four main transistors in each phase of the inverter are gently turned on and off with the help of four additional keys, a parallel switching choke and additional capacitors connected in parallel with the main keys (see US 6205040 B1, 03.20.2001).

Недостатком данного изобретения является то, что мягкое выключение основных транзисторов при нулевом напряжении требует применения дополнительных конденсаторов с относительно большой емкостью. А мягкое включение основных транзисторов оказывается возможным только при увеличении тока в коммутирующем дросселе выше тока нагрузки, что приводит к росту дополнительных потерь проводимости и усложняет схему управления инвертором.The disadvantage of this invention is that the soft shutdown of the main transistors at zero voltage requires the use of additional capacitors with a relatively large capacity. A soft turn on of the main transistors is possible only when the current in the switching choke increases above the load current, which leads to an increase in additional conductivity losses and complicates the control circuit of the inverter.

Известно техническое решение (см. US 6337801 В2, 08.01.2002), в котором мягкое выключение основных ключей трехфазного инвертора реализуется при нулевом токе и не требует применения дополнительных параллельных конденсаторов. Однако и включение основных транзисторов в данной схеме происходит при нулевом токе, что не позволяет провести предварительный разряд напряжения на выходных емкостях данных транзисторов и приводит к росту коммутационных потерь.A technical solution is known (see US 6337801 B2, 01/08/2002), in which the soft shutdown of the main keys of a three-phase inverter is realized at zero current and does not require the use of additional parallel capacitors. However, the inclusion of the main transistors in this circuit occurs at zero current, which does not allow a preliminary discharge of voltage at the output capacities of these transistors and leads to an increase in switching losses.

Наиболее близким по технической сути является решение (см. RU 92581 U1, 20.03.2010.), включающее стойку из четырех последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, два дополнительных конденсатора, первый из которых подключен параллельно верхнему ключу в стойке основных ключей, второй параллельно нижнему ключу в стойке основных ключей.The closest in technical essence is the solution (see RU 92581 U1, 03/20/2010.), Including a rack of four series-connected main keys with anti-parallel diodes, a rack of four series-connected additional keys with anti-parallel diodes, a rack of two series-connected filter capacitors, each of which is located between the positive and negative power bus, a rack of two series-connected fixing diodes, the cathode of which is connected to the point of connection the upper pair of keys in the main key rack, and the anode to the connection point of the lower key pair in the main key rack, while the midpoints of the additional key rack, filter capacitors and fixing diode racks are connected to a common power bus, two consecutive LC circuits, the first of which is connected between the connection point of the upper pair of keys in the rack of additional keys and the cathode of the rack of fixing diodes, and the second between the connection point of the lower pair of keys in the rack of additional keys and the anode of the rack of fix coding diodes, a load current source, the first pole of which is connected to the midpoint of the main key rack, and the second pole to the neutral point of the load, two additional capacitors, the first of which is connected parallel to the upper key in the main key rack, the second parallel to the lower key in the main key rack .

В указанном решении обеспечивается мягкое переключение как основных, так и дополнительных ключей. Однако два средних ключа в стойке основных ключей инвертора коммутируются только при нулевом токе. При этом не происходит предварительный разряд напряжения на выходных емкостях данных ключей, что ведет к росту коммутационных потерь.In this solution, soft switching of both primary and secondary keys is provided. However, the two middle keys in the main inverter rack of the inverter are switched only at zero current. In this case, there is no preliminary discharge of voltage at the output capacities of these keys, which leads to an increase in switching losses.

Еще одним недостатком данной схемы являются также повышенные потери проводимости в диодах основных ключей инвертора, поскольку через данные диоды происходит перезаряд одного из дополнительных конденсаторов.Another drawback of this circuit is also the increased conductivity loss in the diodes of the main inverter keys, since one of the additional capacitors is recharged through these diodes.

Задачей полезной модели является расширения арсенала технических средств.The objective of the utility model is to expand the arsenal of technical means.

Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем.The technical result of the proposed device is as follows.

1. Условия мягкого переключения основных и дополнительных ключей схемы при широком изменении тока нагрузки обеспечивается выбором необходимых номиналов демпферных конденсаторов в соответствии с вновь установленными критериями.1. The conditions for soft switching of the main and additional circuit keys with a wide change in the load current are ensured by the choice of the necessary values of the damper capacitors in accordance with the newly established criteria.

2. Снижение коммутационных потерь для средних ключей в стойке основных ключей инвертора обеспечивается предварительным разрядом напряжения на выходных емкостях данных ключей за счет подключения демпферных конденсаторов.2. The reduction of switching losses for medium keys in the rack of the main inverter keys is provided by a preliminary discharge of voltage at the output capacities of these keys by connecting damping capacitors.

3. Уменьшение дополнительных потерь проводимости в основных ключах инвертора обеспечивается за счет исключения перезаряда демпферных конденсаторов через обратные диоды данных ключей.3. The reduction of additional conductivity losses in the main keys of the inverter is ensured by eliminating overcharging of the damper capacitors through the inverse diodes of these keys.

Технический результат достигается тем, что трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией содержит стойку из четырех последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, два дополнительных конденсатора, первый из которых подключен параллельно верхнему ключу в стойке основных ключей, второй параллельно нижнему ключу в стойке основных ключей, при этом в инвертор введены два демпферных конденсатора, каждый из которых подключен параллельно одному из фиксирующих диодов.The technical result is achieved by the fact that the three-level inverter with soft switching contains a rack of four series-connected main keys with anti-parallel diodes, a rack of four series-connected additional keys with anti-parallel diodes, a rack of two series-connected filter capacitors, each of which is located between the positive and negative power bus, a rack of two series-connected fixing diodes, the cathode of which is connected to the connection point of the upper key pair in the main key rack, and the anode to the connection point of the lower key pair in the main key rack, while the midpoints of the additional key rack, the filter capacitor rack and the fixing diode rack are connected to a common power bus, two serial LC circuits, the first of which is connected between the connection point of the upper pair of keys in the rack of additional keys and the cathode of the rack of fixing diodes, and the second between the connection point of the lower pair of keys in the rack of additional keys and the anode ohm of the rack of the fixing diodes, the load current source, the first pole of which is connected to the midpoint of the main key rack, and the second pole to the neutral point of the load, two additional capacitors, the first of which is connected parallel to the upper key in the main key rack, the second parallel to the lower key in the rack main keys, while two damping capacitors are introduced into the inverter, each of which is connected in parallel to one of the fixing diodes.

На Фиг.1 представлен трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией.Figure 1 presents a three-level inverter with soft switching.

На Фиг.2 представлена схема прототипа.Figure 2 presents the scheme of the prototype.

На Фиг.3 представлена эквивалентная полумостовая схема с основными ключами 1 и 3.Figure 3 presents the equivalent half-bridge circuit with the main keys 1 and 3.

На Фиг.4 представлена эквивалентная полумостовая схема с основными ключами 4 и 2.Figure 4 presents the equivalent half-bridge circuit with the main keys 4 and 2.

На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма напряжения на основном ключе 3 инвертора и демпферном конденсаторе 26.Figure 5 presents the calculated waveform of the voltage on the main switch 3 of the inverter and the damper capacitor 26.

На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма напряжения на основном ключе 3 инвертора в схеме прототипа.Figure 6 presents the calculated waveform of the voltage on the main key 3 of the inverter in the prototype circuit.

Устройство содержит: стойку из четырех последовательно-соединенных основных ключей 1, 2, 3 и 4 со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8 со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов 9 и 10, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов 11 и 12, положительную 13 и отрицательную 14 шины питания, общую шину 15, два последовательных L-C контура 16 и 17, первый из которых содержит дроссель 18 и конденсатор 19, а второй содержит дроссель 20 и конденсатор 21, источник тока нагрузки 22, точку нейтрали нагрузки 23, два дополнительных конденсатора 24, 25 и два демпферных конденсатора 26 и 27.The device contains: a rack of four series-connected primary keys 1, 2, 3 and 4 with counter-parallel diodes, a rack of four series-connected additional keys 5, 6, 7 and 8 with anti-parallel diodes, a rack of two series connected filter capacitors 9 and 10, a rack of two series-connected fixing diodes 11 and 12, a positive 13 and a negative 14 power bus, a common bus 15, two consecutive LC circuits 16 and 17, the first of which contains a reactor 18 and a capacitor 19, and second The first contains a choke 20 and a capacitor 21, a load current source 22, a neutral point of load 23, two additional capacitors 24, 25, and two damper capacitors 26 and 27.

Стойка основных ключей 1, 2, 3 и 4, стойка дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8, а также стойка фильтровых конденсаторов 9 и 10 расположены между положительной 13 и отрицательной 14 шиной питания. Катод стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключен к точке соединения верхней пары ключей 1 и 2 в стойке основных ключей, а анод стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключен к точке соединения нижней пары ключей 3 и 4 в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8, стойки фильтровых конденсаторов 9 и 10 и стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключены к общей шине питания 15. Последовательный L-C контур 16, включен между точкой соединения верхней пары ключей 5 и 6 в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов 11 и 12, а последовательный L-C контура 17 между точкой соединения нижней пары ключей 7 и 8 в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов 11 и 12. Первый полюс источника тока нагрузки 22 подключен к средней точке стойки основных ключей 1, 2, 3 и 4, а второй полюс источника тока нагрузки 22 к точке нейтрали нагрузки 23. Первый дополнительный конденсатор 24 подключен параллельно верхнему ключу 1 в стойке основных ключей, второй дополнительный конденсатор 25 подключен параллельно нижнему ключу 4 в стойке основных ключей, первый демпферный конденсатор 26 подключен параллельно фиксирующему диоду 11, а второй демпферный конденсатор 27 подключен параллельно фиксирующему диоду 12.The rack of the main keys 1, 2, 3 and 4, the rack of additional keys 5, 6, 7 and 8, as well as the rack of filter capacitors 9 and 10 are located between the positive 13 and negative 14 power bus. The cathode of the rack of the fixing diodes 11 and 12 is connected to the connection point of the upper pair of keys 1 and 2 in the main key rack, and the anode of the rack of the fixing diodes 11 and 12 is connected to the connection point of the lower pair of keys 3 and 4 in the main key rack, while the middle points of the rack additional keys 5, 6, 7 and 8, racks of filter capacitors 9 and 10 and racks of fixing diodes 11 and 12 are connected to the common power bus 15. Serial LC circuit 16 is connected between the connection point of the upper pair of keys 5 and 6 in the rack of additional keys and cathode rack fixing diodes 11 and 12, and a serial LC circuit 17 between the connection point of the lower pair of keys 7 and 8 in the rack of additional keys and the anode of the rack of fixing diodes 11 and 12. The first pole of the load current source 22 is connected to the midpoint of the rack of the main keys 1, 2, 3 and 4, and the second pole of the load current source 22 to the neutral point of the load 23. The first additional capacitor 24 is connected in parallel to the upper key 1 in the main key rack, the second additional capacitor 25 is connected in parallel to the lower key 4 in the main key rack, the first dump The black capacitor 26 is connected in parallel clamp diode 11, and second damper capacitor 27 is connected in parallel clamp diode 12.

Заявляемое устройство работает следующим образом.The inventive device operates as follows.

Для формирования фазового напряжения нагрузки с требуемым гармоническим составом используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) при переключении основных транзисторов 1, 2, 3 и 4. При этом ширина импульсов проводимости основных транзисторов модулируется в пределах каждого периода выходной частоты инвертора по определенному закону. В трехуровневой схеме инвертора наибольшее распространение получила концепция ШИМ, основанная на синфазности опорных сигналов несущей частоты, известная в английской аббревиатуре как Phase-Disposition. При данном принципе управления работа трехуровневой схемы сводится к последовательной по времени работе двух эквивалентных полумостовых схем, в первой из которых ток нагрузки коммутируется между ключами 1 и 3 (Фиг.3), а во второй между ключами 4 и 2 (Фиг.4). При этом роль противофазных диодов для ключей 1 и 4 выполняют фиксирующие диоды, соответственно, диод 11 и диод 12. А для ключей 3 и 2 противофазными являются встречно-параллельные диоды, соответственно, ключей 1 и 4.To generate the phase voltage of the load with the required harmonic composition, pulse-width modulation (PWM) is used when switching the main transistors 1, 2, 3 and 4. The width of the conductivity pulses of the main transistors is modulated within each period of the inverter output frequency according to a certain law. In the three-level scheme of the inverter, the PWM concept, based on the phase-matching of the reference signals of the carrier frequency, known in the English abbreviation as Phase-Disposition, is most widely used. With this control principle, the operation of a three-level circuit is reduced to the sequential operation of two equivalent half-bridge circuits, in the first of which the load current is switched between switches 1 and 3 (Figure 3), and in the second between switches 4 and 2 (Figure 4). The role of antiphase diodes for keys 1 and 4 is played by fixing diodes, respectively, diode 11 and diode 12. And for keys 3 and 2, antiphase diodes are counter-parallel diodes, respectively, of keys 1 and 4.

Тогда мягкая коммутация в каждой из полумостовых схем может быть обеспечена с помощью двух последовательно-соединенных дополнительных ключей, подключаемых параллельно шинам питания полумоста, и последовательного L-C контура, подключаемого между средними точками соединения основных ключей полумостовой схемы и указанных дополнительных ключей.Then, soft switching in each of the half-bridge circuits can be achieved using two series-connected additional keys connected in parallel to the half-bridge power buses, and a serial L-C circuit connected between the midpoints of the connection of the main keys of the half-bridge circuit and these additional keys.

Рассмотрим мягкую коммутацию в эквивалентной полумостовой схеме (Фиг.3) с ключами 1 и 3, которая происходит на интервале проводимости от нуля до π-φ (где φ - угол сдвига фазного напряжения и тока).Consider soft switching in the equivalent half-bridge circuit (Figure 3) with keys 1 and 3, which occurs on the conduction interval from zero to π-φ (where φ is the angle of the phase voltage and current shift).

Источником питания данного полумоста является фильтровой конденсатор 9. Между шинами питания полумостовой схемы включены дополнительные ключи 5 и 6. Последовательный L-C контур 16 подключен между средней точкой соединения дополнительных ключей 5 и 6 и точкой соединения основных ключей полумоста 1 и 3. Заметим, что точка соединения основных ключей 1 и 3 образуется в результате открытого состояния ключа 2, который остается в данном состоянии на всем интервале работы указанной полумостовой схемы.The power source of this half-bridge is a filter capacitor 9. Between the power buses of the half-bridge circuit, additional keys 5 and 6 are connected. The serial LC circuit 16 is connected between the midpoint of the connection of the additional keys 5 and 6 and the connection point of the main keys of the half-bridge 1 and 3. Note that the connection point primary keys 1 and 3 is formed as a result of the open state of key 2, which remains in this state for the entire interval of operation of the specified half-bridge circuit.

Предположим, что ток нагрузки 22 равен IH и протекает от точки соединения ключей 1 и 3 к точке нейтрали нагрузки 23. При выключенном основном транзисторе 1 данный ток замыкается на фиксирующий диод 11, который является противофазным по отношению к транзистору 1. При этом дополнительный конденсатор 24, включенный параллельно ключу 1, заряжен до напряжения питания полумоста, равного напряжению на фильтровом конденсаторе. Обозначим данное напряжение символом Е. Демпферный конденсатор 26, который через диод 12 включен параллельно ключу 3, разряжен практически до нуля.Suppose that the load current 22 is equal to IH and flows from the connection point of the keys 1 and 3 to the neutral point of the load 23. When the main transistor 1 is turned off, this current is closed to the fixing diode 11, which is out of phase with respect to the transistor 1. In this case, the additional capacitor 24 connected in parallel with the key 1 is charged to a half-bridge supply voltage equal to the voltage on the filter capacitor. We denote this voltage by the symbol E. The damper capacitor 26, which is connected in parallel with the key 3 through the diode 12, is discharged to almost zero.

Перед тем как включиться основному ключу 1, включается дополнительный ключ 6. Конденсатор 19 контура 16 заряжен до начального напряжения U0+ с положительной полярностью на его левой обкладке. Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:Before turning on the main key 1, the additional key 6 is turned on. The capacitor 19 of the circuit 16 is charged to the initial voltage U 0 + with a positive polarity on its left lining. The specified initial voltage corresponds to the inequality:

где ρ - характеристическое сопротивление L-C контура 16.where ρ is the characteristic resistance L-C of circuit 16.

Начинается колебательный процесс нарастания тока в контуре 16. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на конденсаторе 19 контура. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током нагрузки, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток дросселя 18 в контуре 16 достигает значения тока нагрузки происходит выключение фиксирующего диода 11. При этом напряжение на конденсаторе 19 оказывается равным:The oscillatory process of increasing current in the circuit 16 begins. When this current reaches its maximum, the polarity of the voltage across the capacitor 19 of the circuit changes. For half the period of the resonant frequency, the loop current coincides in the direction with the load current, and then reverses the direction. When the current of the inductor 18 in the circuit 16 reaches the value of the load current the fixing diode 11 is turned off. In this case, the voltage across the capacitor 19 is equal to:

После выключения фиксирующего диода 11 между последовательным L-C контуром 16 и конденсаторами 24 и 26 начинается квазирезонансный процесс.After turning off the locking diode 11 between the serial L-C circuit 16 and the capacitors 24 and 26, a quasi-resonant process begins.

Установим критерий мягкого включения ключа 1 при нулевом напряжение.We establish the criterion for soft inclusion of key 1 at zero voltage.

Дополнительный конденсатор 24, включенный параллельно ключу 1, полностью разряжается (соответственно демпферный конденсатор 26 полностью заряжается до напряжения источника питания Е) с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности дросселя 18 контура 16 накоплена энергия не менее той, что соответствует току нагрузки (т.е. ), а напряжение на конденсаторе 19 UС19(t) контура 16 на интервале перезаряда конденсаторов 24 и 26 удовлетворяет неравенству:The additional capacitor 24, connected in parallel with the key 1, is completely discharged (accordingly, the damper capacitor 26 is fully charged to the voltage of the power source E) using a quasi-resonant process, if the inductance of the inductor 18 of the circuit 16 accumulates at least energy that corresponds to the load current (i.e. . ), and the voltage across the capacitor 19 U С19 (t) of circuit 16 in the interval of overcharging of capacitors 24 and 26 satisfies the inequality:

где: UС24(0) - начальное напряжение на конденсаторе 24.where: U С24 (0) is the initial voltage across the capacitor 24.

Учитывая, что UС24(0)=E, условие (3) можно переписать в виде:Given that U С24 (0) = E, condition (3) can be rewritten in the form:

Т.о. напряжение на конденсаторе 19 контура 16 на интервале перезаряда конденсаторов 24 и 26 должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения питания полумоста.T.O. the voltage on the capacitor 19 of the circuit 16 in the interval of overcharging of the capacitors 24 and 26 should remain at least half the value of the supply voltage of the half-bridge.

После полного разряда конденсатора 24 ключ 1 можно включить при нулевом напряжении.After the capacitor 24 is completely discharged, switch 1 can be turned on at zero voltage.

Напряжение на конденсаторе 19 контура 16 после полного разряда конденсатора 24 становится равным:The voltage on the capacitor 19 of the circuit 16 after a complete discharge of the capacitor 24 becomes equal to:

где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе 19 контура 16 на интервале Δtp перезаряда конденсаторов 24 и 26.where ΔU is the change in voltage across the capacitor 19 of circuit 16 over the interval Δt p of the overcharge of capacitors 24 and 26.

Ток в дросселе 11 контура 10 после полного разряда выходной емкости ключа 1 становится равным:The current in the inductor 11 of the circuit 10 after a full discharge of the output capacitance of the key 1 becomes equal to:

где ΔI - изменение тока в дросселе 18 контура 16 на интервале Δtp.where ΔI is the change in current in the inductor 18 of the circuit 16 in the interval Δt p .

При отсутствии конденсаторов 24 и 26 величины ΔU и ΔI можно считать практически равными нулю.In the absence of capacitors 24 and 26, ΔU and ΔI can be considered practically equal to zero.

При подключении данных конденсаторов:When connecting these capacitors:

где: ;Where: ;

После включения основного ключа 1 при нулевом напряжении ток в дросселе 18 контура 16 начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключе 1 - нарастать. Когда ток ключа 1 достигает тока нагрузки, ток дросселя 18 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе 19 контура 16 при этом оказывается равным:After turning on the main switch 1 at zero voltage, the current in the inductor 18 of the circuit 16 begins to decrease, and accordingly, the current in the switch 1 starts to increase. When the current of the key 1 reaches the load current, the current of the inductor 18 becomes equal to zero. The voltage on the capacitor 19 of the circuit 16 is equal to:

Поскольку полярность напряжения на конденсаторе 19 контура 16 изменилась на обратную по сравнению с первоначальной, то при включении в соответствующий момент времени дополнительного ключа 5 можно обеспечить выключение основного ключа 1 при нулевом токе, если выполняется условие:Since the polarity of the voltage across the capacitor 19 of circuit 16 has reversed as compared to the original, when the additional switch 5 is turned on at the corresponding time, it is possible to turn off the main switch 1 at zero current if the condition is fulfilled:

При этом ток колебательного контура 16 начинает нарастать встречно току нагрузки, проходящему через открытый ключ 1. В момент равенства тока контура и тока нагрузки включается встречно-параллельный диод основного ключа 1, через который затем протекает разность указанных токов.In this case, the current of the oscillating circuit 16 begins to increase counter to the load current passing through the public key 1. At the moment of the equality of the loop current and the load current, the counter-parallel diode of the main switch 1 is turned on, through which the difference of the indicated currents then flows.

Очевидно, что выключение ключа 1 необходимо провести до того как вновь наступит равенство данных токов.Obviously, turning off the key 1 must be done before the equality of these currents.

Отметим, что в момент времени, когда ток контура 16 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 19 вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного U0+ Note that at the time when the current of the circuit 16 reaches its maximum value, the voltage across the capacitor 19 again changes its polarity and then increases. However, the level of this voltage is much lower than the initial, equal to U 0 +

Для обеспечения устойчивости циклов мягкого переключения ключа 1 необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью при выключении основного ключа 1 на нулевом токе дополнительный ключ 5 оставляют открытым. Ток в L-C контуре в момент выключения основного ключа 1 равен току нагрузки. Противофазный диод ключа 1 (т.е. фиксирующий диод 11) остается в выключенном состоянии, поскольку напряжение на конденсаторе 19 контура 16 много меньше напряжения питания Е. Т.о. единственный путь для замыкания тока нагрузки - через последовательный L-C контур 16. При этом ток нагрузки начинает заряжать конденсатор 19. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения питания Е открывается диод 11, и в колебательном контуре 16 начинается еще один квазирезонансный процесс, после которого напряжение на конденсаторе 19 устанавливается равным начальному:To ensure the stability of the soft switching cycles of key 1, it is necessary to raise the level of this voltage to the original value. To this end, when the main key 1 is turned off at zero current, the additional key 5 is left open. The current in the L-C circuit at the time the main switch 1 is turned off is equal to the load current. The out-of-phase diode of the key 1 (i.e., the fixing diode 11) remains in the off state, since the voltage on the capacitor 19 of the circuit 16 is much less than the supply voltage E. Thus the only way to close the load current is through the serial LC circuit 16. In this case, the load current starts charging the capacitor 19. When the voltage at the indicated capacitor reaches the supply voltage E, the diode 11 opens, and another quasi-resonant process begins in the oscillating circuit 16, after which the voltage to the capacitor 19 is set equal to the initial:

После определения начального напряжения U0+ на конденсаторе 19 можно выбрать значения дополнительных L-C элементов схемы, при которых будет выполняться критерий включения основного ключа 1 при нулевом напряжении и критерий его выключения при нулевом токе.After determining the initial voltage U 0 + on the capacitor 19, you can select the values of additional LC circuit elements at which the criterion for turning on the main switch 1 at zero voltage and the criterion for turning it off at zero current will be fulfilled.

Используя уравнения (2) и (4) можно установить, что критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление контура 16 удовлетворяет условию:Using equations (2) and (4), it can be established that the criterion of zero voltage is satisfied if the characteristic resistance of circuit 16 satisfies the condition:

С другой стороны, согласно уравнению (10) критерий нулевого тока выполняется, если характеристическое сопротивление контура удовлетворяет условию:On the other hand, according to equation (10), the zero current criterion is satisfied if the characteristic resistance of the circuit satisfies the condition:

Таким образом необходимо выбрать меньшее значение сопротивления ρ из формул (12) и (13), чтобы выполнялись оба из критериев мягкого переключения.Thus, it is necessary to choose a lower resistance value ρ from formulas (12) and (13) so that both of the criteria for soft switching are satisfied.

Чем больше ток нагрузки, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения. Поэтому выбор номиналов дополнительных элементов схемы удовлетворяющих указанным ограничениям следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока ниже максимального условия мягкого переключения основных ключей инвертора будут выполняться автоматически.The greater the load current, the more difficult it is to fulfill the soft switching criteria. Therefore, the selection of the ratings of additional circuit elements satisfying the indicated restrictions should be carried out for maximum load current. For all other current values below the maximum condition, soft switching of the main inverter keys will be performed automatically.

Динамические процессы в дополнительных ключах 5 и 6 рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре. В дополнительных ключах 5 и 6 не происходит предварительного разряда их собственных выходных емкостей перед включением, что в общем случае ведет к добавочным потерям. Однако, поскольку работа данных ключей происходит на относительно коротких временных интервалах, то используются ключи, среднее значение тока которых в несколько раз меньше, чем в основных ключах. По этой причине выходные емкости дополнительных ключей относительно невелики.The dynamic processes in the additional keys 5 and 6 of the device in question are also soft, since the change in current in these transistors is determined by a smooth change in current in the oscillatory L-C circuit. In additional keys 5 and 6, there is no preliminary discharge of their own output capacities before switching on, which in general leads to additional losses. However, since the operation of these keys occurs at relatively short time intervals, keys are used whose average current value is several times smaller than in the main keys. For this reason, the output capacities of the additional keys are relatively small.

С изменением направления тока нагрузки, т.е. при его протекании от точки нейтрали нагрузки 23 к точке соединения ключей 1 и 3, при выключенном основном ключе 3 данный ток будет замыкаться на встречно-параллельный диод основного ключа 1. Аналогично рассмотренным этапам мягкого переключения основного ключа 1 теперь можно проводить мягкую коммутацию тока нагрузки при переключении основного ключа 3. С этой целью перед включением ключа 3 отпирают дополнительный ключ 5. Тогда в предложенном устройстве протекают процессы, аналогичные ранее рассмотренным, за одним исключением. При квазирезонансном перезаряде конденсаторов 24 и 26 разряд собственной выходной емкости основного ключа 3 проходит через демпферный конденсатор 27, включенный параллельно фиксирующему диоду 12. Это связано с тем, что ключ 3 на данном временном интервале отделен от квазирезонансной цепи посредством фиксирующего диода 12, который в процессе перезаряда конденсаторов 24 и 26 находится в запертом состоянии. При этом включение основного ключа 3 при нулевом напряжении обеспечивается при условии, когда емкость демпферного конденсатора 27 много больше собственной выходной емкости основного ключа 3.With a change in the direction of the load current, i.e. when it flows from the neutral point of load 23 to the connection point of keys 1 and 3, when the main key 3 is off, this current will be closed to the on-parallel diode of the main key 1. Similarly to the considered stages of soft switching of the main key 1, it is now possible to carry out soft switching of the load current at switching the main key 3. For this purpose, before turning on the key 3, the additional key 5 is unlocked. Then, processes similar to those previously discussed proceed with the proposed device, with one exception. With quasi-resonant recharging of the capacitors 24 and 26, the discharge of the own output capacitance of the main key 3 passes through a damper capacitor 27 connected in parallel with the fixing diode 12. This is due to the fact that the key 3 at this time interval is separated from the quasi-resonant circuit by means of the fixing diode 12, which is in the process the overcharging of the capacitors 24 and 26 is in the locked state. In this case, the inclusion of the main switch 3 at zero voltage is provided provided that the capacitance of the damper capacitor 27 is much greater than the own output capacity of the main switch 3.

Далее перед выключением основного ключа 3 включают дополнительный ключ 6, что обеспечивает условия для выключения ключа 3 при нулевом токе.Further, before turning off the main key 3, an additional key 6 is turned on, which provides conditions for turning off the key 3 at zero current.

Мягкая коммутация в эквивалентной полумостовой схеме с ключами 4 и 2 (Фиг.4) происходит на интервале проводимости от (π-φ) до 2π. Все процессы в данном полумосте аналогичны рассмотренным ранее для эквивалентной полумостовой схемы с основными ключами 1 и 3 (Фиг.3).Soft switching in the equivalent half-bridge circuit with keys 4 and 2 (Figure 4) occurs in the conductivity interval from (π-φ) to 2π. All processes in this half-bridge are similar to those considered earlier for the equivalent half-bridge circuit with the main keys 1 and 3 (Figure 3).

Перезаряд демпферных конденсаторов 26 и 27 за счет квазирезонансного процесса не связан с протеканием токов их разряда через встречно-параллельные диоды основных ключей 2 и 3, что отличает предложенное устройство от схемы прототипа и снижает тем самым дополнительные потери проводимости.The recharge of the damper capacitors 26 and 27 due to the quasi-resonant process is not associated with the flow of currents of their discharge through counter-parallel diodes of the main switches 2 and 3, which distinguishes the proposed device from the prototype circuit and thereby reduces additional conductivity losses.

Представленное устройство обеспечивает мягкую коммутацию тока нагрузки для отдельной фазы. Поскольку рассмотренные процессы носят автономный характер, с помощью трех аналогичных устройств могут быть обеспечены условия мягкого переключения для двенадцати основных ключей в трехфазной схеме.The presented device provides soft switching of the load current for a single phase. Since the considered processes are autonomous in nature, using three similar devices can be provided with soft switching conditions for the twelve main keys in a three-phase circuit.

Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и др.).The principle of operation of the device and the criteria for soft switching do not change when applying different types of keys (TIR, IGBT, IGCT, etc.).

Пример конкретного исполнения предложенного устройства на IGBT.An example of a specific implementation of the proposed device on IGBT.

Напряжение источника питания инвертора 2Е=640 В (на каждом из фильтровых конденсаторов напряжение Е=320 В).The voltage of the inverter power supply is 2E = 640 V (the voltage E = 320 V on each of the filter capacitors).

Ток нагрузки IH=100 А.Load current I H = 100 A.

Основные ключи 1, 2, 3 и 4, а также фиксирующие диоды 11 и 12 - силовой модуль (трехфазный мост для трехуровневого инвертора с фиксированной нулевой точкой), класс напряжения 600 В, средний ток 100 А.The main switches 1, 2, 3 and 4, as well as the fixing diodes 11 and 12, are the power module (three-phase bridge for a three-level inverter with a fixed zero point), voltage class 600 V, average current 100 A.

Дополнительные ключи 5, 6, 7 и 8 - силовой модуль (трехфазный мост), класс напряжения 600 В, средний ток 50 А, импульсный ток 400 А.Additional keys 5, 6, 7 and 8 - power module (three-phase bridge), voltage class 600 V, average current 50 A, pulse current 400 A.

Дроссели 18 и 20 в последовательных L-C контурах 16 и 17 - индуктивность 0.6 мкГн.Inductors 18 and 20 in consecutive L-C circuits 16 and 17 - inductance 0.6 μH.

Конденсаторы 19 и 21 в последовательных L-C контурах 16 и 17 - емкость 1 мкФ, напряжение 630 В.Capacitors 19 and 21 in serial L-C circuits 16 and 17 - 1 μF capacitance, voltage 630 V.

Дополнительные конденсаторы 24, 25 и демпферные конденсаторы 26, 27 - емкость 22 нФ, напряжение 630 В.Additional capacitors 24, 25 and damping capacitors 26, 27 - capacitance 22 nF, voltage 630 V.

Моделирование предложенного устройства проведено в программе расчета электронных схем PSpice.Modeling of the proposed device was carried out in the calculation program of electronic circuits PSpice.

На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма напряжения на основном ключе 3 инвертора (канал 2) и демпферном конденсаторе 26 (канал 1). Стрелки каналов показывают нулевой уровень напряжения соответствующего канала.Figure 5 presents the calculated waveform of the voltage on the main switch 3 of the inverter (channel 2) and the damper capacitor 26 (channel 1). The channel arrows indicate the zero voltage level of the corresponding channel.

Масштаб по вертикали:Vertical Scale:

Напряжение-100 В/дел.Voltage is 100 V / div.

Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:

Время - 500 нс/дел.Time - 500 ns / div.

При квазирезонансном разряде конденсатора 26 с помощью конденсатора 27, включенного параллельно диоду 12, происходит также разряд выходной емкости основного ключа 3.When quasi-resonant discharge of the capacitor 26 using a capacitor 27 connected in parallel to the diode 12, there is also a discharge of the output capacitance of the main switch 3.

На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма напряжения на основном ключе 3 инвертора (канал 2) в схеме прототипа и дополнительном конденсаторе - аналоге конденсатора 26 (канал 1). Стрелки каналов показывают нулевой уровень напряжения соответствующего канала.Figure 6 presents the calculated waveform of the voltage on the main switch 3 of the inverter (channel 2) in the prototype circuit and an additional capacitor - an analog of the capacitor 26 (channel 1). The channel arrows indicate the zero voltage level of the corresponding channel.

Масштаб по вертикали:Vertical Scale:

Напряжение - 100 В/дел.Voltage - 100 V / div.

Масштаб по горизонтали:Horizontal Scale:

Время - 500 нс/дел.Time - 500 ns / div.

При квазирезонансном разряде дополнительного конденсатора (аналог конденсатора 26) практически не происходит разряда выходной емкости основного ключа 3, поскольку собственная выходная емкость фиксирующего диода 12 в схеме прототипа относительно мала.When the quasi-resonant discharge of the additional capacitor (analogue of the capacitor 26) practically does not discharge the output capacitance of the main key 3, since the own output capacitance of the fixing diode 12 in the prototype circuit is relatively small.

Claims (1)

Трехуровневый инвертор с мягкой коммутацией, характеризующийся тем, что содержит стойку из четырех последовательно соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод - к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс - к точке нейтрали нагрузки, два дополнительных конденсатора, первый из которых подключен параллельно верхнему ключу в стойке основных ключей, второй - параллельно нижнему ключу в стойке основных ключей, при этом в инвертор введены два демпферных конденсатора, каждый из которых подключен параллельно одному из фиксирующих диодов.
Figure 00000001
Three-level inverter with soft switching, characterized in that it contains a rack of four series-connected main keys with anti-parallel diodes, a rack of four series-connected additional keys with anti-parallel diodes, a rack of two series-connected filter capacitors, each of which is located between positive and negative power bus, a rack of two series-connected fixing diodes, the cathode of which is connected to the connection point the upper key pair in the main key rack, and the anode to the connection point of the lower key pair in the main key rack, while the middle points of the additional key rack, the filter capacitor rack and the fixing diode rack are connected to a common power bus, two consecutive LC circuits, the first of which is connected between the connection point of the upper pair of keys in the rack of additional keys and the cathode of the rack of fixing diodes, and the second between the connection point of the lower pair of keys in the rack of additional keys and the anode of the fixi rack diodes, a load current source, the first pole of which is connected to the midpoint of the main key rack, and the second pole to the neutral point of the load, two additional capacitors, the first of which is connected parallel to the upper key in the main key rack, the second - parallel to the lower key in the rack main keys, while two damping capacitors are introduced into the inverter, each of which is connected in parallel to one of the fixing diodes.
Figure 00000001
RU2010116380/07U 2010-04-27 2010-04-27 THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION RU96708U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010116380/07U RU96708U1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010116380/07U RU96708U1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU96708U1 true RU96708U1 (en) 2010-08-10

Family

ID=42699512

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010116380/07U RU96708U1 (en) 2010-04-27 2010-04-27 THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU96708U1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194172A (en) * 2018-11-28 2019-01-11 阳光电源股份有限公司 A kind of tri-level circuit and three-phase circuit
RU2711311C1 (en) * 2019-05-23 2020-01-16 Игорь Павлович Воронин Basic element of power module

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109194172A (en) * 2018-11-28 2019-01-11 阳光电源股份有限公司 A kind of tri-level circuit and three-phase circuit
RU2711311C1 (en) * 2019-05-23 2020-01-16 Игорь Павлович Воронин Basic element of power module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zamiri et al. A new cascaded switched-capacitor multilevel inverter based on improved series–parallel conversion with less number of components
CN102624266B (en) Three-level inverter circuit
US9009956B2 (en) Single phase inverter topology method
Gurunathan et al. Zero-voltage switching DC link single-phase pulsewidth-modulated voltage source inverter
Belaguli et al. Series-parallel resonant converter operating in discontinuous current mode. Analysis, design, simulation, and experimental results
Kim et al. High-efficiency bidirectional soft switching DC-DC converter
US20050180176A1 (en) Welding set with quasi-resonant soft-switching inverter
KR102318118B1 (en) Power control device, power conversion system and power control method
RU96708U1 (en) THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT COMMUTATION
RU2457600C1 (en) Power module with multi-resonance circuit (versions)
Baars et al. A three-level three-phase dual active bridge DC-DC converter with a star-delta connected transformer
Lin et al. Multilevel converter with variable flying capacitor voltage used for virtual infinite capacitor
RU169427U1 (en) Magnetically coupled resonance key
Floricau et al. New unidirectional five-level VIENNA rectifier for high-current applications
Das et al. A two-stage 110VAC-to-1VDC power delivery architecture using hybrid converters for data centers and telecommunication systems
RU94780U1 (en) THREE-PHASE ACTIVE RECTIFIER WITH SOFT SWITCHING
Sia et al. A new symmetric and asymmetric step-up switched-capacitor integrated multilevel inverter with self-balanced and inductive load capability
RU124458U1 (en) POWER MODULE
Barzegarkhoo et al. Five-level grid-tied inverter employing switched-capacitor cell with common-grounded feature
RU92581U1 (en) THREE-LEVEL INVERTER WITH SOFT SWITCHING
Su et al. A converter based on energy injection control for AC-AC, AC-DC, DC-DC, DC-AC conversion
RU101285U1 (en) SOFT SWITCH INVERTER
CN106787824B (en) Sub-module circuit, control method and modularized multi-level converter
RU101597U1 (en) INVERTER WITH SOFT COMMUTATION
Yadav et al. Cases of soft switching in a series resonant balancing converter for bipolar DC grids

Legal Events

Date Code Title Description
MM1K Utility model has become invalid (non-payment of fees)

Effective date: 20160428

NF9K Utility model reinstated

Effective date: 20180123