一種軟開關單相逆變器啟動方法
2023-05-01 14:01:26
一種軟開關單相逆變器啟動方法
【專利摘要】本發明公開了一種軟開關單相逆變器啟動方法。在軟開關逆變器的箝位電容上並聯一個輔助啟動電路，通過輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電，第一次充電後，箝位電容的電壓小於額定電壓值；接著在逆變器上施加用於為箝位電容進行充電的輔助啟動脈衝序列，驅動逆變器，使逆變器經過一個軟開關過程，對逆變器中的箝位電容進行第二次充電，將箝位電容電壓充電至額定電壓值，然後將逆變器控制時序切換到軟開關逆變器PWM調製驅動信號。本發明使軟開關單相逆變器在啟動階段即實現軟開關運行，啟動過程中逆變器功率器件的電壓應力大大減小，可在較高直流母線電壓下安全可靠啟動。
【專利說明】一種軟開關單相逆變器啟動方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種逆變器啟動方法，尤其涉及一種軟開關單相逆變器啟動方法。
【背景技術】
[0002]逆變器是一種廣泛應用於分布式光伏發電的電能轉換裝置，複合有源箝位技術應用於單相逆變器，能夠實現器件的零電壓開關，提升逆變器的開關頻率，減小開關損耗，有效提高逆變器的功率密度和電能轉換的效率。軟開關逆變器在按照傳統方法啟動時，由於箝位電容初始電壓為零，導致啟動階段初期逆變器軟開關條件無法滿足，仍工作於硬開關狀態，功率器件在運行中有很高的關斷電壓尖峰，可能導致軟開關逆變器在啟動過程中出現故障。
【發明內容】
[0003]為了克服傳統啟動方法的不足，本發明的目的是提出一種軟開關單相逆變器啟動方法。
[0004]本發明採用的技術方案是:
[0005]在軟開關逆變器的箝位電容上並聯一個輔助啟動電路，通過輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電，第一次充電後，箝位電容的電壓小於額定電壓值；接著在逆變器上施加用於為箝位電容進行充電的輔助啟動脈衝序列，驅動逆變器，使逆變器經過一個軟開關過程，對逆變器中的箝位電容進行第二次充電，將箝位電容充電至額定電壓值，然後將逆變器控制時序切換到軟開關逆變器PWM調製驅動信號。
[0006]所述的輔助啟動電路包括第一副邊繞組和第一二極體，第一副邊繞組繞到輔助電源的隔離變壓器上，第一副邊繞組和第一二極體串聯連接後連接到箝位電容的兩端，通過輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電。
[0007]所述的軟開關單相逆變器採用複合有源箝位單相逆變器，複合有源箝位單相逆變器包括輔助開關S5和四個主開關S1?S4,輔助啟動脈衝序列包括依次進行的h?t4時刻，各時刻脈衝控制具體為:
[0008]在h初始時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5採用高電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號採用低電平；在時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5由高電平變為低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號保持為低電平；在t2時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號由低電平變為高電平；在t3時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號由高電平變為低電平；然後輔助開關S5的驅動信號DRIVE5和全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號保持低電平直到t4時刻。
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[0009]所述白勺t 時亥|J和t 時亥丨J之間間PR為 > *y\ <k ^CCO / * H- /
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[0010]所述的tl時刻和t2時刻之間間隔為,—t
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[0012]所述的t3時刻和t4時刻之間間隔為I4^3;
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[0013]其中，Cequ為逆變器橋臂串並聯等效電容，V。。。為輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電後箝位電容的電壓值，Vccl為箝位電容電壓額定值並由軟開關逆變器穩定運行時箝位電容電壓確定，L為軟開關逆變器諧振電感，C。為箝位電容的電容值，Vd。為逆變器直流母線電壓，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
[0014]所述的逆變器橋臂串並聯等效電容Cequ具體為《C-，其中C1?
C4為有源箝位軟開關逆變器主開關S1?S4並聯電容的電容值，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
[0015]本發明的有益效果如下:
[0016]本發明通過輔助啟動電路給箝位電容第一次充電，再通過輔助啟動驅動脈衝控制，逆變器經過一個軟開關過程，給箝位電容進行第二次充電，箝位電容電壓被充電至額定值，此後在軟開關逆變器PWM調製驅動信號控制下，逆變器可軟開關運行，避免出現傳統啟動方法下啟動階段初期所出現的電壓應力過高的問題，改善啟動過程中功率器件的運行環境，保證逆變器的安全啟動。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1為本發明所應用的複合有源箝位逆變器電路結構圖。
[0018]圖2為本發明提出的軟開關單相逆變器啟動方法原理圖。
[0019]圖3為本發明提出的輔助啟動脈衝序列的示意圖。
[0020]圖4為本發明提出的輔助啟動脈衝序列驅動下各器件的工作波形。
[0021]圖5為本發明實施例的啟動實驗波形。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖及具體實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0023]本發明方法包括:在逆變器的箝位電容Ce上並聯一個輔助啟動電路1，通過輔助啟動電路I對箝位電容C。進行第一次充電,第一次充電後,箝位電容C。的電壓小於額定電壓值；接著在逆變器上施加用於為箝位電容進行充電的輔助啟動脈衝序列，驅動逆變器，使逆變器經過一個軟開關過程，對逆變器中的箝位電容C。進行第二次充電，將箝位電容電壓充電至額定電壓值，然後將逆變器控制時序切換到軟開關逆變器PWM調製驅動信號。
[0024]輔助啟動電路I包括第一副邊繞組101和第一二極體102，第一副邊繞組101繞到輔助電源的隔離變壓器T1上，第一副邊繞組101和第一二極體102串聯連接後連接到箝位電容的兩端，通過逆變器輔助電源對箝位電容進行第一次充電。
[0025]如圖1所示，本發明所應用的複合有源箝位逆變器，包括逆變器直流側供電電源Vd。，以及由四個具有反並聯二極體的全控開關(主開關)31、52、53、54構成的全橋橋臂，在全控開關(主開關)Sp S2、S3、S4兩端分別並聯電容Q、C2、C3、C4,在全橋橋臂的兩個中點之間串接輸出濾波電感L、負載和輸出繼電器。在逆變器直流側供電電源Vd。和全橋橋臂的直流母線之間接入箝位電容C。和具有反並聯二極體的輔助開關S5的串聯支路，輔助開關S5並聯電容C5,並在串聯支路兩端跨接諧振電感Lp
[0026]如圖2所示，本發明所述的逆變器輔助啟動電路I包含從輔助電源變壓器引出的第一副邊繞組101以及與第一副邊繞組101同名端串聯的第一二極體Dc。第一副邊繞組101和第一二極體D。組成的串聯支路跨接在箝位電容C。兩端，
[0027]圖中輔助啟動電路電流按順時針方向先經過第一副邊繞組101再經過第一二極體D。，第一副邊繞組101的同名端連接至第一二極體102的陽極，第一二極體Dc的陰極和箝位電容C。連接於結點3，第一副邊繞組101的異名端和箝位電容C。連接於結點2。但輔助啟動電路I中，電路電流也可以先經過第一二極體Dc再經過第一副邊繞組101。
[0028]逆變器啟動時，首先通過輔助啟動電路I對箝位電容C。進行第一次充電，此後逆變器驅動信號選擇開關6連接於輔助啟動脈衝序列產生模塊5的輸出端603,輔助啟動脈衝序列產生模塊5的輸出端603連接驅動電路7的輸入端601，通過驅動電路7生成開關S1?S5對應的門極電壓信號Vgsl?Vgs5，逆變器按照所設計的輔助驅動脈衝序列進行動作，對箝位電容C。進行第二次充電，本發明所設計的輔助啟動脈衝序列動作完成後，逆變器驅動信號選擇開關6將連接於軟開關逆變器PWM調製驅動信號產生模塊4的輸出端602，軟開關逆變器PWM調製驅動信號產生模塊4的輸出端602連接驅動電路7的輸入端601，通過驅動電路7生成開關S1?S5對應的門極電壓信號Vgsl?Vgs5，逆變器按照軟開關逆變器PWM調製驅動信號工作。
[0029]如圖3所示，本發明所設計的輔助啟動脈衝序列包括依次進行的h?t4時刻，各時刻脈衝控制具體為:在初始時刻h，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5採用高電平，全橋橋臂的四個主開關S1?34驅動信號DRIVEl?DRIVE4採用低電平；在h時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5由高電平變為低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號DRIVEl?DRIVE4保持為低電平；在t2時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號DRIVEl?DRIVE4由低電平變為高電平；在t3時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號DRIVEl?DRIVE4由高電平變為低電平；最後將輔助開關S5的驅動信號DRIVE5和全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號DRIVEl?DRIVE4保持低電平直到t4時刻。
[0030]為保證第二次充電過程的軟開關運行以及箝位電容電壓達到額定電壓值，各個時刻的間隔優選採用以下方式:
[Goan上述t。時刻和tl時刻之間間隔為η
1O —I/
r ΓΓ"
[0032]上述時刻和t2時刻之間間隔為^ —t: π^Ι1-1C- +(、)
21ty
[0033]上述t2 時刻和 t3 時刻之間間隔為 ι.3-?2_l!1—
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Vtk-
[0034]上述t3時刻和t4時刻之間間隔為I4-r3 >^4ψ?
[0035]其中，Cequ為逆變橋臂串並聯等效電容，Vcc0為輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電後箝位電容的電壓值，Vccl為箝位電容電壓額定值並由軟開關逆變器穩定運行時箝位電容電壓確定，L為軟開關逆變器諧振電感，C。為箝位電容的電容值，vd。為逆變器直流母線電壓，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
[0036]逆變器橋臂串並聯等效電容具體為C-+，其中C1?C4為有
V-J 十V-.-J 十源箝位軟開關逆變器主開關S1?S4並聯電容的電容值，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
[0037]本發明的工作原理過程如下:
[0038]參照圖4，對複合有源箝位單相逆變器在本發明所設計的輔助啟動脈衝序列控制下各電壓電流波形進行說明，各個開關的驅動信號DRIVEl?DRIVE5通過驅動電路之後生成開關門極電壓信號Vgsl?Vgs5，控制對應功率器件的導通和關斷。
[0039]在本發明所設計的驅動脈衝序列工作階段，逆變器輸出側和負載之間連接的繼電器開關仍處於斷開狀態，分析時不考慮負載所在支路。
[0040]在本發明所涉及的驅動脈衝序列工作之前，箝位電容已由輔助啟動電容充電至初始電壓值V。。。。
[0041]階段一(、?&) 4時刻，輔助開關SJ門極電壓信號Vgs5變為高電平，輔助管&導通，箝位電容C。電壓V。。加到諧振電感L兩端，諧振電感反向充磁，諧振電感電流線u性下降。輔助管S5電流ids5等於諧振電感電流U，主開關Si?S4的電流idsl?ids4為O。此階段一致持續到時刻，S5門極電壓信號Vgs5由高電平變為低電平。
[0042]階段二(ti?t2) ^時刻，輔助開關SJ門極電壓信號Vgs5變為低電平，輔助管&關斷，諧振電感L給輔助管S5並聯的電容C5充電，給主開關S1?S4並聯的電容C1?C4放電。輔助管S5電流ids5變為O。
[0043]至Ijt \時刻，主開關S1?S4的電壓Vdsl?Vds4降到零，主開關的反並聯二極體開始導通。諧振電感兩端的電壓箝位在Vd。，並通過由Vd。，S1反並聯二極體，S4反並聯二極體和由vd。，S2反並聯二極體，S3反並聯二極體組成的迴路充磁，諧振電感電流U線性上升。主開關S1?S4的電流idsl?ids4變為諧振電感電流的一半，且方向由下向上。
[0044]階段三(t2?t3):t2時刻，主開關S1-SJA門極電壓信號Vgsl?Vgs4變為高電平，主開關S1?S4零電壓開通，諧振電感通過由Vd。，S1, S4和Vd。，S2, S3組成的迴路充磁，諧振電感電流L上升到零後繼續線性上升。諧振電感電流U上升到零後，主開關S1?S4的電流Idsl?ids4方向變為由上向下，大小仍為諧振電感電流L的一半。
[0045]階段四(t3?t4):t3時刻，主開關S1?S4的門極電壓信號Vgs卜Vgs4變為低電平，主開關關斷，諧振電感給主開關S1?S4並聯的電容充電，給輔助管S5並聯的電容放電，諧振電感電流諧振上升。主開關S1?S4的電流idsl?ids4變為O。
[0046]到t』 3時刻，輔助管並聯電容電壓Vds5諧振到零，輔助管S5反並聯二極體導通，諧振電感電流k給箝位電容充電，箝位電容電壓V。。諧振上升,諧振電感電流k諧振下降。
[0047]到t』 4時刻，諧振電感電流諧振到零，箝位電容電壓充電至額定值Vral,開關S1?S5均關斷。在這個階段輔助管S5電流ids5大小為諧振電感電流k值，方向從右向左。
[0048]此後，電路要經過一個阻尼諧振過程，進入開關S1?S5均關斷的穩定狀態。穩定時，輔助管S5的管壓降Vds5為Vcxl,主開關S1?S4的管壓降Vdsl?Vds4為直流母線電壓vd。的一半。
[0049]開關S1?S5保持關斷狀態直到t4時刻，至此本發明所設計的驅動脈衝序列完成動作，箝位電容電壓充電至額定電壓值。此後在軟開關逆變器PWM驅動時序控制下，逆變器可實現零電壓啟動。
[0050]本發明的具體實施例:
[0051]在複合有源箝位單相逆變器的箝位電容Ce上並聯輔助啟動電路I後對箝位電容Cc進行第一次充電，第一次充電後，箝位電容C。的電壓為15V,小於額定電壓值25V。
[0052]如圖5所示，通過輔助啟動脈衝序列進行第二次充電，箝位電容C。的電壓V。。達到額定電壓值25V。在逆變器母線電壓Vde為450V的條件下，t4時刻之前，輔助啟動脈衝序列工作過程的最大實際管壓為468V，而其理論最小值為Vde+Vra = 465V，t4時刻之後，軟開關逆變器PWM調製驅動信號作用下，逆變器啟動階段初期最大實際管壓為481V，而理論最小值為Vde+Vra = 475V。圖中CHl諧振電感電流25A/div，CH2箝位電容電壓20V/div，CH3輔助管管壓200V/div，時間5μ s/div。實驗表明，使用本方法後，逆變器在啟動初期，即可實現軟開關運行。
[0053]上述【具體實施方式】用來解釋說明本發明，而不是對本發明進行限制，在本發明的精神和權利要求的保護範圍內，對本發明作出的任何修改和改變，都落入本發明的保護範圍。
【權利要求】
1.一種軟開關單相逆變器啟動方法，其特徵在於:在軟開關逆變器的箝位電容上並聯一個輔助啟動電路，通過輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電，第一次充電後，箝位電容的電壓小於額定電壓值；接著在逆變器上施加用於為箝位電容進行充電的輔助啟動脈衝序列，驅動逆變器，使逆變器經過一個軟開關過程，對逆變器中的箝位電容進行第二次充電，將箝位電容充電至額定電壓值，然後將逆變器控制時序切換到軟開關逆變器PWM調製驅動信號。
2.根據權利要求1所述的一種軟開關單相逆變器啟動方法，其特徵在於: 所述的輔助啟動電路(I)包括第一副邊繞組(101)和第一二極體(102)，第一副邊繞組(101)繞到輔助電源的隔離變壓器上，第一副邊繞組(101)和第一二極體(102)串聯連接後連接到箝位電容的兩端，通過輔助啟動電路(I)對箝位電容進行第一次充電。
3.根據權利要求1所述的一種軟開關單相逆變器啟動方法，其特徵在於: 所述的軟開關單相逆變器採用複合有源箝位單相逆變器，複合有源箝位單相逆變器包括輔助開關S5和四個主開關S1?S4,輔助啟動脈衝序列包括依次進行的h?t4時刻，各時刻脈衝控制具體為: 在h初始時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5採用高電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號採用低電平；在時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5由高電平變為低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號保持為低電平；在t2時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號由低電平變為高電平；在t3時刻，輔助開關S5的驅動信號DRIVE5保持低電平，全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號由高電平變為低電平；然後輔助開關S5的驅動信號DRIVE5和全橋橋臂的四個主開關S1?S4的驅動信號保持低電平直到t4時刻。
4.根據權利要求3所述的一種軟開關單相逆變器啟動方法，其特徵在於:
所述的 tQ 時刻和 時刻之間間隔為
所述的時刻和t2時刻之間間隔為
所述的t2時刻和t3時刻之間間隔為；
所述的t3時刻和t4時刻之間間隔為#4_t >n4L^.其中，為逆變器橋臂串並聯等效電容，V-為輔助啟動電路對箝位電容進行第一次充電後箝位電容的電壓值，Vccl為箝位電容電壓額定值並由軟開關逆變器穩定運行時箝位電容電壓確定，L為軟開關逆變器諧振電感，C。為箝位電容的電容值，Vd。為逆變器直流母線電壓，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
5.根據權利要求4所述的一種軟開關單相逆變器啟動方法，其特徵在於:所述的逆變器橋臂串並聯等效電容Craiu具體為
其中C1?C4為有源箝位軟開關逆變器主開關S1?S4並聯電容的電容值，C5為輔助開關S5並聯電容的電容值。
【文檔編號】H02M1/36GK104167913SQ201410407455
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月18日 優先權日:2014年8月18日
【發明者】徐德鴻, 習江北, 陳燁楠, 陳敏, 諶平平, 何國鋒 申請人:浙江大學