一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的製造方法
2023-05-26 22:27:06 3
一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的製造方法
【專利摘要】一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，包括三相主逆變電路和三相雙輔助諧振換流電路；三相主逆變電路採用三相橋式電路結構，分別與直流電源並聯連接；各相雙輔助諧振換流電路包括第一輔助開關管、第二輔助開關管、第一主諧振電容、第二主諧振電容、第一輔助諧振電容、第二輔助諧振電容、第三輔助諧振電容、第四輔助諧振電容、第一輔助諧振電感、第二輔助諧振電感、第三輔助諧振電感、第四輔助諧振電感、第一輔助二極體至第八輔助二極體；本發明每個輔助開關管分別與各自的輔助諧振電容並聯連接，使得輔助開關管關斷後，其兩端電壓從零上升，實現零電壓關斷；在配線過程中存在寄生電感或寄生電容情況下，主、輔助開關管依然可以實現零電壓關斷。
【專利說明】一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器
【技術領域】
[0001]本發明屬於電力電子【技術領域】，特別涉及一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器。
【背景技術】
[0002]電力電子技術是電子學的一個新型應用領域，其特徵是用功率電子開關處理電力的控制與變換。由於現代電力電子裝置愈來愈趨向小型化和輕量化，因此開關頻率需要大大提聞。隨著開關頻率的提聞，在硬開關電力變換電路中，會出現開關損耗大、電磁幹擾嚴重、可靠性低等問題，軟開關技術的出現解決了這一系列問題。隨著軟開關技術的發展，軟開關逆變器得到了廣泛的應用。在眾多軟開關逆變拓撲中，輔助諧振極型逆變器沒有增加功率開關器件的電壓和電流應力，更適用於大功率場合，因此受到國內外研究人員的普遍關注。
[0003]較早提出的有源輔助諧振變換極型逆變器具有兩個很大的電解質電容，並且需要單獨的檢測電路和邏輯控制電路。隨後出現的改進的輔助諧振變換極型逆變器，如變壓器輔助逆變器、耦合電感逆變器、三角形或星形諧振吸收逆變器等，要麼需要複雜的耦合電感或變壓器及相應的磁通復位電路，要麼三相諧振電路之間相互耦合，主電路與控制策略都很複雜。
[0004]《中國電機工程學報》2013年第33卷第12期公開了「輔助諧振極逆變器緩衝迴路能耗最小化改進控制策略」，該逆變器的拓撲結構如圖1所示(為敘述方便，以下稱該拓撲結構為原拓撲)，該輔助諧振極逆變器在三相電路的每一相均設置一套輔助換流電路，使得三相輔助電路相互獨立，易於應用各種控制策略。每一相輔助電路由2個主諧振電容、2個輔助諧振電容、2個輔助諧振電感、2個輔助開關管以及4個輔助二極體組成，在換流過程中通過合理控制輔助開關，使一部分能量暫時存儲在輔助電感或輔助電容中，隨後回饋給直流電源或直接釋放給負載，從而實現了開關器件的軟開關，這樣電能的利用率得到顯著的提高。但該輔助諧振極逆變器仍然存在不足:在實際應用中，配線過程引入的寄生參數是不可避免的，然而該逆變器的輔助開關管沒有與輔助電容直接並聯，這樣，輔助開關管的關斷過程必然會受到影響，不能實現可靠的零電壓關斷。
【發明內容】
[0005]針對現有技術存在的問題，本發明提供一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器。
[0006]本發明的技術方案是:
一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，包括三相主逆變電路和三相雙輔助諧振換流電路；
所述三相主逆變電路採用三相橋式電路結構，分別為A相主逆變電路、B相主逆變電路和C主相逆變電路，三相主逆變電路分別與直流電源並聯連接；各相主逆變電路包括第一主開關管、第二主開關管和兩個二極體；第一主開關管的發射極連接第二主開關管集電極，且第一主開關管和第二主開關管分別反並聯一個二極體；
所述三相雙輔助諧振換流電路中，各相雙輔助諧振換流電路包括第一輔助開關管、第二輔助開關管、第一主諧振電容、第二主諧振電容、第一輔助諧振電容、第二輔助諧振電容、第三輔助諧振電容、第四輔助諧振電容、第一輔助諧振電感、第二輔助諧振電感、第三輔助諧振電感、第四輔助諧振電感、第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體和第八輔助二極體；
第一主諧振電容的負極連接第二主諧振電容的正極，第一主諧振電容的正極連接第一輔助開關管的集電極，第二主諧振電容的負極連接第二輔助開關管的發射極，第一輔助開關管的發射極連接第一輔助諧振電感的一端，第一輔助諧振電感的另一端連接至第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點，第二輔助開關管的集電極連接第二輔助諧振電感的一端，第二輔助諧振電感的另一端連接至第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點；
第一輔助諧振電容的正極連接第一輔助開關管的集電極，第一輔助諧振電容的正極還接在直流母線正極上，第一輔助諧振電容的負極連接第三輔助二極體的陰極，第三輔助二極體的陽極連接第三輔助諧振電感的一端，第三輔助諧振電感的另一端連接第三輔助諧振電容的負極，第三輔助諧振電容的正極連接第四輔助諧振電容的負極，第四輔助諧振電容的負極還接在第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點上，第四輔助諧振電容的正極連接第四輔助諧振電感的一端，第四輔助諧振電感的另一端連接第四輔助二極體的陰極，第四輔助二極體的陽極連接第二輔助諧振電容的正極，第二輔助諧振電容的正極還接在直流母線負極上；
第一輔助二極體的陽極與第三輔助二極體的陰極相連，第一輔助二極體的陰極與第一輔助開關管的發射極相連；第二輔助二極體的陰極與第四輔助二極體的陽極相連，第二輔助二極體的陽極與第二輔助開關管的集電極相連；
第五輔助二極體的陽極接在第四輔助諧振電容與第四輔助諧振電感的連接點上，第五輔助二極體的陰極接在直流母線正極上；第六輔助二極體的陰極接在第三輔助諧振電容與第三輔助諧振電感的連接點上，第六輔助二極體的陽極接在直流母線負極上；
第七輔助二極體的陽極與第四輔助二極體的陰極相連，第七輔助二極體的陰極接在直流母線正極上；第八輔助二極體的陰極與第三輔助二極體的陽極相連，第八輔助二極體的陽極接在直流母線負極上；
三相主逆變電路分別與各相雙輔助諧振換流電路並聯連接，並且第三輔助諧振電容與第四輔助諧振電容的連接點、第一輔助諧振電感與第二輔助諧振電感的連接點、第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點、第一主開關管與第二主開關管的連接點依次連接，以第一主開關管與第二主開關管的連接點處的引出線為單相交流電輸出端。
[0007]所述三相主逆變電路的第一主開關管的集電極連接第一輔助開關管的集電極，第二主開關管的集電極連接第二輔助開關管的集電極。
[0008]所述第一主開關管、第二主開關管、第一輔助開關管、第二輔助開關管，均採用全控開關器件，所述全控開關器件為功率電晶體、絕緣柵雙極型電晶體或功率場效應電晶體。
[0009]所述三相主逆變電路中的與主開關管反並聯的二極體及三相雙輔助諧振換流電路中的第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體、第八輔助二極體採用快恢復二極體或高頻二極體。
[0010]雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的工作模式包括:
(1)第一主開關管導通，電路處於電源供電狀態；
(2)第一主開關管關斷後，第一主諧振電容、第二主諧振電容、第三輔助諧振電容共同作用，限制第一主開關管兩端的電壓變化率，為第一主開關管創造零電壓關斷條件；第二輔助開關管開通後，第二輔助諧振電感中的電流從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電流開通條件；
(3)第一主諧振電容的電壓被充電至直流電源電壓時，第二輔助諧振電容、第四輔助諧振電感、第四輔助諧振電容諧振繼續，當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振完畢；
(4)當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振電流在第二輔助諧振電感、第二輔助開關管、與第二主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流；
(5)第二輔助開關管關斷後，第二輔助諧振電感中的能量向第二輔助諧振電容轉移，第二輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電壓關斷條件；
(6)當第二輔助諧振電容的電壓達到輸入直流電源電壓時，第二輔助諧振電感中的殘餘能量回饋給輸入直流電源；
(7)當第二輔助諧振電感中能量回饋結束後，電路轉換為與傳統硬開關模式相同的二極體續流狀態；
(8)第一輔助開關管開通後，第一輔助諧振電感上的電流從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電流開通條件；
(9)與第二主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主電容、第二主電容、第四輔助諧振電容開始諧振，當第一主電容的電壓下降至零時，諧振完畢；
(10)第一主諧振電容的電壓下降至零時，第一輔助諧振電容、第三輔助諧振電感、第三輔助諧振電容繼續諧振，當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振完畢；
(11)當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振電流在第一輔助諧振電感、第一輔助開關管、與第一主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流；
(12)第一輔助開關管關斷後，第一輔助諧振電感中的能量向第一輔助諧振電容轉移，第一輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電壓關斷條件；
(13)當第一輔助諧振電容的電壓上升到輸入直流電源電壓時，第一輔助諧振電感上的殘餘能量回饋給輸入直流電源；
(14)當第一主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主開關管導通，第一輔助諧振電感中能量直接釋放給負載，當第一輔助諧振電感中電流降為零時，能量釋放結束，電路再次轉換為電源供電狀態。
[0011]有益效果:
本發明的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的三相主逆變電路和三相雙輔助諧振換流電路中的開關器件是全控器件，包括功率電晶體(GTR)、絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)或功率場效應電晶體(MOSFET )，這樣開關電路完全由控制電路直接控制；
本發明的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的每一個輔助開關管分別與各自的輔助諧振電容並聯連接，使得輔助開關管關斷後，其兩端電壓從零開始緩慢上升，實現零電壓關斷，減小開關損耗；在實際應用中，配線過程引入的寄生參數是不可避免的，在線路中存在寄生電感或寄生電容的情況下，主、輔助開關管依然可以實現零電壓關斷，逆變器的可靠性大大提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1是現有技術的輔助諧振極型三相軟開關逆變器電路圖；
圖2是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器電路圖；
圖3是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器單相等效電路圖；
圖4是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的時序波形圖；
圖5是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器在一個開關周期內的工作流程圖；
圖6是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的換流工作模式圖；圖7是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的主諧振電容的電壓、輔助諧振電感的電流的仿真波形圖；
圖8是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助諧振電容的仿真波形圖；
圖9是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的主開關管兄的電壓和電流的仿真波形圖；
圖10是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助開關管^al的電壓和電流的仿真波形圖；
圖11是本發明【具體實施方式】的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助開關管Sa2的電壓和電流的仿真波形圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】做詳細說明。
[0014]本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，包括三相主逆變電路和三相雙輔助諧振換流電路。
[0015]三相主逆變電路採用三相橋式電路結構，分別為A相主逆變電路2、B相主逆變電路4和C主相逆變電路6，三相主逆變電路分別與直流電源E並聯連接；各相主逆變電路包
括第一主開關管、第二主開關管和兩個二極體。
[0016]三相雙輔助諧振換流電路分別為A相雙輔助諧振換流電路1、B相雙輔助諧振換流電路3和C相雙輔助諧振換流電路5，各相雙輔助諧振換流電路包括第一輔助開關管、第二輔助開關管、第一主諧振電容、第二主諧振電容、第一輔助諧振電容、第二輔助諧振電容、第三輔助諧振電容、第四輔助諧振電容、第一輔助諧振電感、第二輔助諧振電感、第三輔助諧振電感、第四輔助諧振電感、第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體和第八輔助二極體。
[0017]雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器電路如圖2所示，單相主逆變電路及其雙輔助諧振換流電路如圖3所示，第一主開關管&、第二主開關管分別反並聯二極體仏和二極體久，第一主開關管&、第二主開關管S2位於a相橋臂；第一主開關管&、第二主開關管S4分別反並聯二極體久和二極體仏，第一主開關管A、第二主開關管S4位於b相橋臂；第一主開關管&，第二主開關管5；分別反並聯二極體久和二極體凡，第一主開關管A、第二主開關管S6位於c相橋臂。
[0018]在<3相上，第一主諧振電容C1與第一主開關管兄並聯；第二主諧振電容C2與第二主開關管並聯。第一主諧振電容C1的負極連接第二主諧振電容的/^及，第一主諧振電容C1的正極連接第一輔助開關管S31的集電極，第二主諧振電容C2的負極連接第二輔助開關管的發射極，第一輔助開關管S31的發射極連接第一輔助諧振電感Z31的一端，第一輔助諧振電感之i的另一端連接至第一主諧振電容C1與第二主諧振電容C2的連接點，第二輔助開關管S32的集電極連接第二輔助諧振電感Z32的一端，第二輔助諧振電感Z32的另一端連接至第一主諧振電容C1與第二主諧振電容G的連接點。
[0019]第一輔助諧振電容Q1的正極連接第一輔助開關管S31的集電極，第一輔助諧振電容Q1的正極還接在直流母線/7極上，第一輔助諧振電容Q1的負極連接第三輔助二極體的陰極，第三輔助二極體的陽極連接第三輔助諧振電感43的一端，第三輔助諧振電感Lm的另一端連接第三輔助諧振電容Q3的負極，第三輔助諧振電容G3的正極連接第四輔助諧振電容G4的負極，第四輔助諧振電容G4的負極還接在第一主諧振電容C1與第二主諧振電容G的連接點上，第四輔助諧振電容G4的正極連接第四輔助諧振電感Z34的一端，第四輔助諧振電感Z34的另一端連接第四輔助二極體見4的陰極，第四輔助二極體見4的陽極連接第二輔助諧振電容G2的正極，第二輔助諧振電容Q2的正極還接在直流母線Λ/極上。
[0020]第一輔助二極體化i的陽極與第三輔助二極體的陰極相連，第一輔助二極體久i的陰極與第一輔助開關管S31的發射極相連；第二輔助二極體久2的陰極與第四輔助二極體Dai的陽極相連，第二輔助二極體久2的陽極與第二輔助開關管S32的集電極相連。
[0021]第五輔助二極體化5的陽極接在第四輔助諧振電容Q4與第四輔助諧振電感Z34的連接點上，第五輔助二極體化5的陰極接在直流母線P極上；第六輔助二極體久6的陰極接在第三輔助諧振電容G3與第三輔助諧振電感43的連接點上，第六輔助二極體化6的陽極接在直流母線#極上。
[0022]第七輔助二極體化7的陽極與第四輔助二極體化4的陰極相連，第七輔助二極體久7的陰極接在直流母線P極上；第八輔助二極體化8的陰極與第三輔助二極體的陽極相連，第八輔助二極體化8的陽極接在直流母線#極上。
[0023]三相主逆變電路分別與各相雙輔助諧振換流電路並聯連接，並且第三輔助諧振電容&與第四輔助諧振電容匕的連接點、第一輔助諧振電感Z31與第二輔助諧振電感Z32的連接點、第一主諧振電容C1與第二主諧振電容C2的連接點、第一主開關管&與第二主開關管的連接點依次連接，以第一主開關管兄與第二主開關管S2的連接點處的引出線為單相交流電輸出端。
[0024]三相主逆變電路的第一主開關管兄的集電極連接第一輔助開關管S31的集電極，第二主開關管的集電極連接第二輔助開關管的集電極。
[0025]第一主開關管兄、第二主開關管、第一輔助開關管5.31、第二輔助開關管兄2，均採用全控開關器件，全控開關器件為功率電晶體、絕緣柵雙極型電晶體或功率場效應電晶體。
[0026]三相主逆變電路中的二極體及三相雙輔助諧振換流電路中的第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體、 第八輔助二極體採用快恢復二極體或高頻二極體。[0027]在6相上，主諧振電容C、與主開關管S3並聯；主諧振電容C4與主開關管Sli並聯。輔助開關管與輔助諧振電感Z35串聯，輔助開關管S。的集電極接在直流母線P極上，輔助開關管S33的發射極與輔助諧振電感之5的一端相連，輔助諧振電感Z35的另一端接在主諧振電容 G、主諧振電容C4的連接點上；輔助開關管S34與輔助諧振電感Z36串聯，輔助開關管兄4的發射極接在直流母線#極上，輔助開關管S34的集電極與輔助諧振電感Z36的一端相連，輔助諧振電感Z36的另一端接在主諧振電容Q、主諧振電容C4的連接點上。輔助諧振電容Q5、二極體化n、輔助諧振電感Z37、輔助諧振電容Ca7依次串聯，輔助諧振電容C35的一端接在直流母線P極上，輔助諧振電容Q5的另一端與二極體化n的陰極相連，二極體化n的陽極與輔助諧振電感總7 —端相連，輔助諧振電感Z37的另一端與輔助諧振電容G7的一端相連，輔助諧振電容G7的另一端接在主諧振電容G、主諧振電容C4的連接點上；輔助諧振電容G6、二極體化12、輔助諧振電感Z38、輔助諧振電容G8依次串聯，輔助諧振電容G6的一端接在直流母線ΛΖ極上，輔助諧振電容Q6的另一端與二極體久12的陽極相連，二極體化12的陰極與輔助諧振電感Z38 —端相連，輔助諧振電感Z38的另一端與輔助諧振電容C38的一端相連，輔助諧振電容Cm的另一端接在主諧振電容C3、主諧振電容C4的連接點上。二極體Dm的陽極與二極體化H的陰極相連，二極體久9的陰極與輔助開關管S33的發射極相連；二極體化K)的陰極與二極體化12的陽極相連，二極體化K1的陽極與輔助開關管S34的集電極相連。二極體化15的陽極接在輔助諧振電容G8與輔助諧振電感Z38的連接點上，二極體久13的陰極接在直流母線/7極上；二極體^14的陰極接在輔助諧振電容G7與輔助諧振電感Z37的連接點上，二極體化14的陽極接在直流母線Λ/極上。二極體^15的陽極與二極體化12的陰極相連，二極體^15的陰極接在直流母線P極上；二極體^16的陰極與二極體化n的陽極相連，二極體久16的陽極接在直流母線Λ/極上。
[0028]在c相上，主諧振電容C5與主開關管S5並聯；主諧振電容C&與主開關管5；並聯。輔助開關管與輔助諧振電感Z39串聯，輔助開關管S35的集電極接在直流母線P極上，輔助開關管5；5的發射極與輔助諧振電感Z39的一端相連，輔助諧振電感49的另一端接在主諧振電容G、主諧振電容G的連接點上；輔助開關管S36與輔助諧振電感Z3l。串聯，輔助開關管S36的發射極接在直流母線#極上，輔助開關管S36的集電極與輔助諧振電感Zaltl的一端相連，輔助諧振電感之1(|的另一端接在主諧振電容C5、主諧振電容C6的連接點上。輔助諧振電容Q9、二極體化19、輔助諧振電感Z311、輔助諧振電容Q11依次串聯，輔助諧振電容Q9的一端接在直流母線/7極上，輔助諧振電容G9的另一端與二極體化19的陰極相連，二極體化19的陽極與輔助諧振電感Z311 —端相連，輔助諧振電感Z311的另一端與輔助諧振電容G11的一端相連，輔助諧振電容G11的另一端接在主諧振電容G、主諧振電容G的連接點上；輔助諧振電容C3ltl、二極體久2(|、輔助諧振電感Z312、輔助諧振電容Q12依次串聯，輔助諧振電容C13ltl的一端接在直流母線#極上，輔助諧振電容Gltl的另一端與二極體化2(1的陽極相連，二極體Daw的陰極與輔助諧振電感Z312 —端相連，輔助諧振電感Z312的另一端與輔助諧振電容Q12的一端相連，輔助諧振電容Q12的另一端接在主諧振電容G、主諧振電容G的連接點上。二極體化17的陽極與二極體化19的陰極相連，二極體化17的陰極與輔助開關管的發射極相連；二極體^18的陰極與二極體久2(1的陽極相連，二極體^18的陽極與輔助開關管的集電極相連。二極體^21的陽極接在輔助諧振電容Q12與輔助諧振電感之12的連接點上，二極體Da2l的陰極接在直流母線及上；二極體^22的陰極接在輔助諧振電容Q11與輔助諧振電感Lall的連接點上，二極體化22的陽極接在直流母線#極上。二極體^23的陽極與二極體化2(|的陰極相連，二極體久23的陰極接在直流母線P極上；二極體^24的陰極與二極體久19的陽極相連，二極體化24的陽極接在直流母線#極上。
[0029]本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器適用於各種功率等級的逆變場合，在工業生產、交通運輸、電力系統、通信系統、計算機系統、新能源系統等領域均可發揮有效作用。下面以在變頻調速系統中的應用為例，分析本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的工作過程。
[0030]首先，電網中的三相交流電輸送到整流器中，經過整流器變換後得到相對平穩的直流電。然後，該直流電輸入到本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器中進行電能變換，具體電能變換過程如下:
本例中的逆變器的a、b、c三相之間相位互差120°，每一相主逆變電路的橋臂的第一主開關管和第二主開關管相位互差180°電角度。雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的調製策略如圖4所示，主開關管的觸發信號為相位差180°電角度的帶死區的SPWM信號，在主開關管進入死區的同時，相應的輔助開關管被觸發開通，在主開關管的死區時間結束後，輔助開關管被關斷。在主開關管開通時，該軟開關逆變器的工作過程與傳統的硬開關三相橋式逆變器工作過程相同。在主開關管進入死區時，輔助開關管開通，此時雙輔助諧振換流電路工作。雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的每一相電路在一個開關周期內的工作流程如圖5所示，每一個開關周期中主逆變電路與雙輔助諧振換流電路分別交替工作一次。
[0031]雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的工作模式包括:
(1)第一主開關管導通，電路處於電源供電狀態；
(2)第一主開關管關斷後，第一主諧振電容、第二主諧振電容、第三輔助諧振電容共同作用，限制第一主開關管兩端的電壓變化率，為第一主開關管創造零電壓關斷條件；第二輔助開關管開通後，第二輔助諧振電感中的電流從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電流開通條件；
(3)第一主諧振電容的電壓被充電至直流電源電壓時，第二輔助諧振電容、第四輔助諧振電感、第四輔助諧振電容諧振繼續，當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振完畢；
(4)當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振電流在第二輔助諧振電感、第二輔助開關管、與第二主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流；
(5)第二輔助開關管關斷後，第二輔助諧振電感中的能量向第二輔助諧振電容轉移，第二輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電壓關斷條件；
(6)當第二輔助諧振電容的電壓達到輸入直流電源電壓時，第二輔助諧振電感中的殘餘能量回饋給輸入直流電源；
(7)當第二輔助諧振電感中能量回饋結束後，電路轉換為與傳統硬開關模式相同的二極體續流狀態；
(8)第一輔助開關管開通後，第一輔助諧振電感上的電流從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電流開通條件；
(9)與第二主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主電容、第二主電容、第四輔助諧振電容開始諧振，當第一主電容的電壓下降至零時，諧振完畢；
(10)第一主諧振電容的電壓下降至零時，第一輔助諧振電容、第三輔助諧振電感、第三輔助諧振電容繼續諧振，當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振完畢；
(11)當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振電流在第一輔助諧振電感、第一輔助開關管、與第一主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流；
(12)第一輔助開關管關斷後，第一輔助諧振電感中的能量向第一輔助諧振電容轉移，第一輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電壓關斷條件；
(13)當第一輔助諧振電容的電壓上升到輸入直流電源電壓時，第一輔助諧振電感上的殘餘能量回饋給輸入直流電源；
(14)當第一主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主開關管導通，第一輔助諧振電感中能量直接釋放給負載，當第一輔助諧振電感中電流降為零時，能量釋放結束，電路再次轉換為電源供電狀態。
[0032]雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器的每一相電路在一個開關周期內的14個工作模式，如圖6所示。為簡化分析，假設:①所有器件均為理想器件；②負載電感遠大於諧振電感，逆變器開關狀態過渡瞬間的負載電流可以認為是恆流源i3。各模式具體的工作情況如下:
模式a [:假定電路的初始工作狀態為，兄導通，^2A31A32關斷，電流經過兄流向
負載。此時，Kc1-fCM-O, VC2~vCa\~VCa2~VCa?rE^ 1S1-1B0
[0033]模式6 [&%]:1Q 時刻，乂關斷，負載電流i3立即換流至此時，
Ca^La2和Ca2、Ca^開始諧振，在QQG3的作用下，C1的電壓從零開始上升，兄為ZVS關斷。在Z32的作用下，Z32中的電流從零開始上升，S32 Szcs開通。當GG3的電壓下降至零時，諧振完畢，模式6結束。
[0034]模式c UCt2] 4時刻，Z32中的電流達到最大值Α?，G的電壓被充電至萬，G、C3的電壓下降至零，見6關斷，久開通，負載電流立即換流至久。當&、&、&中的電流下降至零時，諧振完畢，模式c結束。
[0035]模式d [i2l3] 't2時刻，Ca2電壓下降至零，電壓上升至萬，Dai關斷，諧振電流U hD)迴路中環流。如果在環流期間開通S2，可實現開通。當5；2關斷時，模式V結束。
[0036]模式e [?3~?4]:?3時刻，Sa2關斷。La2和Ca2開始諧振，La2放電，Q2充電，Ca2電壓從零開始上升，Sa2為ZVS關斷。當Ca2的充電電壓上升至萬時，模式e結束。
[0037]模式/ [?4%]:?4時刻，Ca2的電壓上升至萬，化6、見7開通。La2中殘餘的能量通過Da2- Da^ Dal回饋給輸入直流電源萬，其電流線性減小。當Z32的電流下降至零時,模式/結束。
[0038]模式貧|?6]:?5時亥ILA32中的電流下降至零，流過久的電流保持恆定負載電流ia不變，與傳統硬開關迴路二極體續流工作模式相同。
[0039]模式力[?0-?7]:?6時亥1J，Sal開通。由於久導通，輸入直流電壓萬完全施加在A3I上，Z31中的電流從零開始線性上升，久中的電流從i3開始線性下降，負載電流i3由久向Ζ3ι換流，S31為ZCS開通。當Z31中的電流上升至負載電流i3時，久中的電流線性下降至零，久自然關斷，模式A結束。
[0040]模式i [?τ"?8]: ?7時刻，久中的電流下降至零而關斷，負載電流i3完全換流至Z31,L C2, Cai與Cal、CaZ、LaZ開始諧振，當C1'Ca4的電壓下降至零時，諧振完畢，模式i結束。[0041]模式J [?廠?9]:?8時刻，Lal中的電流達到最大值iZ3to，C1, CaA的電壓下降至零，C2的電壓上升至萬，Da5關斷，D1開通，負載電流立即換流至仏，當C3l、Ca^La,中的電流下降至零時，諧振完畢，模式J結束。
[0042]模式左[CiiJ:?9時刻，Cal電壓下降至零，電壓上升至萬，Da,關斷，諧振電流 在Hal-Sal-Dl)迴路中環流。如果在環流期間開通兄，可實現兄的ZVS開通。當5^關
斷時，模式々結束。
[0043]模式I [?10-?η] U10時刻，S31關斷。Lal和Cal開始諧振，Lal放電，Cal充電，Cal電壓從零開始上升，Sal為ZVS關斷。當Q1的充電電壓上升至萬時，模式7結束。
[0044]模式》IX1I12] J11時亥1J,C31的電壓上升至萬，見3、見8開通，A31中殘餘的能量通過Dal、Da?)、Da%回饋給輸入直流電源萬，其電流線性減小。當Z31的電流下降至i3時,^1關斷，模式結束。
[0045]模式/? Li12^i13]:?12時亥1LA31中的電流線性減小至i3,D1關斷,在輸入直流電壓萬的作用下，Z31中的電流繼續線性減小，兄中的電流線性上升，負載電流忍從^31向兄換流。當Z31中的電流下降至零時，負載電流i3完全換流至兄，模式結束，迴路的工作狀態又回到模式<3，完成一次開關操作。
[0046]最後，用逆變得到的三相交流電為交流電動機供電，根據電動機的轉矩、轉速變化調整交流電的幅值與頻率，使變頻調速系統能夠穩定運行。
[0047]本實施方式的雙 輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的主諧振電容的電壓、輔助諧振電感的電流的仿真波形如圖7所示，輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助諧振電容的仿真波形如圖8所示，可以看出，由於輔助諧振電感和輔助諧振電容的存在，開關器件開通後其電流上升率受到了限制，開關器件關斷後其電壓上升率受到了限制，從而實現了主、輔開關器件的軟開關。
[0048]本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的主開關管兄的電壓和電流的仿真波形如圖9所示，其中的I區域可以看出主開關管兄關斷後，兄兩端的電壓從O開始逐漸上升。所以主開關管兄實現了 ZVS (零電壓)關斷。從圖9中的II區域可以看出主開關管兄開通後，流過兄的電流從O開始逐漸上升，而兄兩端的電壓始終為O。所以主開關管兄實現了 ZCZVS (零電壓零電流)開通。
[0049]本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助開關管S31的電壓和電流的仿真波形如圖10所示，其中的I區域可以看出輔助開關管S31開通後，流過S31的電流從O開始逐漸上升，所以輔助開關管S31實現了 ZCS (零電流)開通。從圖10中的II區域可以看出輔助開關管S31關斷後，S31兩端的電壓從O開始逐漸上升。所以輔助開關管S31實現了 ZVS關斷。
[0050]本實施方式的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器a相的輔助開關管S32的電壓和電流的仿真波形如圖11所示，其中的I區域可以看出輔助開關管S32開通後，流過S32的電流從O開始逐漸上升，所以輔助開關管S32實現了 ZCS開通。從圖11中的II區域可以看出輔助開關管關斷後，S32兩端的電壓從O開始逐漸上升。所以輔助開關管實現了 ZVS關斷。
【權利要求】
1.一種雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:包括三相主逆變電路和三相雙輔助諧振換流電路； 所述三相主逆變電路採用三相橋式電路結構，分別為A相主逆變電路、B相主逆變電路和C主相逆變電路，三相主逆變電路分別與直流電源並聯連接；各相主逆變電路包括第一主開關管、第二主開關管和兩個二極體；第一主開關管的發射極連接第二主開關管集電極，且第一主開關管和第二主開關管分別反並聯一個二極體； 所述三相雙輔助諧振換流電路中，各相雙輔助諧振換流電路包括第一輔助開關管、第二輔助開關管、第一主諧振電容、第二主諧振電容、第一輔助諧振電容、第二輔助諧振電容、第三輔助諧振電容、第四輔助諧振電容、第一輔助諧振電感、第二輔助諧振電感、第三輔助諧振電感、第四輔助諧振電感、第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體和第八輔助二極體； 第一主諧振電容的負極連接第二主諧振電容的正極，第一主諧振電容的正極連接第一輔助開關管的集電極，第二主諧振電容的負極連接第二輔助開關管的發射極，第一輔助開關管的發射極連接第一輔助諧振電感的一端，第一輔助諧振電感的另一端連接至第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點，第二輔助開關管的集電極連接第二輔助諧振電感的一端，第二輔助諧振電感的另一端連接至第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點； 第一輔助諧振電容的正極連接第一輔助開關管的集電極，第一輔助諧振電容的正極還接在直流母線正極上，第一輔助諧振電容的負極連接第三輔助二極體的陰極，第三輔助二極體的陽極連接第三輔助諧振電感的一端，第三輔助諧振電感的另一端連接第三輔助諧振電容的負極，第三輔助諧振電容的正極連接第四輔助諧振電容的負極，第四輔助諧振電容的負極還接在第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點上，第四輔助諧振電容的正極連接第四輔助諧振電感的一端，第四輔助諧振電感的另一端連接第四輔助二極體的陰極，第四輔助二極體的陽極連接第二輔助諧振電容的正極，第二輔助諧振電容的正極還接在直流母線負極上； 第一輔助二極體的陽極與第三輔助二極體的陰極相連，第一輔助二極體的陰極與第一輔助開關管的發射極相連；第二輔助二極體的陰極與第四輔助二極體的陽極相連，第二輔助二極體的陽極與第二輔助開關管的集電極相連； 第五輔助二極體的陽極接在第四輔助諧振電容與第四輔助諧振電感的連接點上，第五輔助二極體的陰極接在直流母線正極上；第六輔助二極體的陰極接在第三輔助諧振電容與第三輔助諧振電感的連接點上，第六輔助二極體的陽極接在直流母線負極上； 第七輔助二極體的陽極與第四輔助二極體的陰極相連，第七輔助二極體的陰極接在直流母線正極上；第八輔助二極體的陰極與第三輔助二極體的陽極相連，第八輔助二極體的陽極接在直流母線負極上； 三相主逆變電路分別與各相雙輔助諧振換流電路並聯連接，並且第三輔助諧振電容與第四輔助諧振電容的連接點、第一輔助諧振電感與第二輔助諧振電感的連接點、第一主諧振電容與第二主諧振電容的連接點、第一主開關管與第二主開關管的連接點依次連接，以第一主開關管與第二主開關管的連接點處的引出線為單相交流電輸出端。
2.根據權利要求1所述的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:所述三相主逆變電路的第一主開關管的集電極連接第一輔助開關管的集電極，第二主開關管的集電極連接第二輔助開關管的集電極。
3.根據權利要求1所述的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:所述第一主開關管、第二主開關管、第一輔助開關管、第二輔助開關管均採用全控開關器件。
4.根據權利要求1所述的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:所述三相主逆變電路中的兩個二極體及三相雙輔助諧振換流電路中的第一輔助二極體、第二輔助二極體、第三輔助二極體、第四輔助二極體、第五輔助二極體、第六輔助二極體、第七輔助二極體、第八輔助二極體採用快恢復二極體或高頻二極體。
5.根據權利要求1所述的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:該逆變器的工作模式包括: (1)第一主開關管導通，電路處於電源供電狀態； (2)第一主開關管關斷後，第一主諧振電容、第二主諧振電容、第三輔助諧振電容共同作用，限制第一主開關管兩端的電壓變化率，為第一主開關管創造零電壓關斷條件；第二輔助開關管開通後，第二輔助諧振電感中的電流從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電流開通條件； (3)第一主諧振電容的電壓被充電至直流電源電壓時，第二輔助諧振電容、第四輔助諧振電感、第四輔助諧振電容諧振繼續，當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振完畢； (4)當第四輔助諧振電感中電流下降至零時，諧振電流在第二輔助諧振電感、第二輔助開關管、與第二主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流； (5)第二輔助開關管關斷後，第二輔助諧振電感中的能量向第二輔助諧振電容轉移，第二輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第二輔助開關管創造零電壓關斷條件； (6)當第二輔助諧振電容的電壓達到輸入直流電源電壓時，第二輔助諧振電感中的殘餘能量回饋給輸入直流電源； (7)當第二輔助諧振電感中能量回饋結束後，電路轉換為與傳統硬開關模式相同的二極體續流狀態； (8)第一輔助開關管開通後，第一輔助諧振電感上的電流從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電流開通條件； (9)與第二主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主電容、第二主電容、第四輔助諧振電容開始諧振，當第一主電容的電壓下降至零時，諧振完畢； (10)第一主諧振電容的電壓下降至零時，第一輔助諧振電容、第三輔助諧振電感、第三輔助諧振電容繼續諧振，當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振完畢； (11)當第三輔助諧振電感的電流下降至零時，諧振電流在第一輔助諧振電感、第一輔助開關管、與第一主開關管反並聯的二極體構成的迴路中環流； (12)第一輔助開關管關斷後，第一輔助諧振電感中的能量向第一輔助諧振電容轉移，第一輔助諧振電容的電壓從零開始上升，為第一輔助開關管創造零電壓關斷條件； (13)當第一輔助諧振電容的電壓上升到輸入直流電源電壓時，第一輔助諧振電感上的殘餘能量回饋給輸入直流電源； (14)當第一主開關管反並聯的二極體自然關斷後，第一主開關管導通，第一輔助諧振電感中能量直接釋放給負載，當第一輔助諧振電感中電流降為零時，能量釋放結束，電路再次轉換為電源供電狀態。
6.根據權利要求3所述的雙輔助諧振極型三相軟開關逆變器，其特徵在於:所述全控開關器件為 功率電晶體、絕緣柵雙極型電晶體或功率場效應電晶體。
【文檔編號】H02M7/5387GK103701356SQ201310749779
【公開日】2014年4月2日 申請日期:2013年12月31日 優先權日:2013年12月31日
【發明者】禇恩輝, 黃亮, 張化光, 張興, 劉秀翀 申請人:東北大學