一種二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法
2023-10-23 02:58:17
專利名稱：一種二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法
技術領域：
本發明涉及一種二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法，屬高頻逆 變電路技術領域。
背景技術：
相對於傳統的半橋式逆變電路，二極體中點箝位逆變電路可以降低功率管 額定電壓等級降低功率管損耗，可以減小濾波電感的紋波電流，從而降低輸出 電壓的失真度。所以，儘管二極體中點箝位逆變電路採用了較多的功率半導體 器件，在中大功率逆變電源場合應用仍具備更多優勢。
為了進一步降低中點箝位逆變電路的功率管開關損耗， 一些軟開關型的中
點箝位逆變電路也被提出，典型的方案有輔助諧振換流極(ARCP)的方案，見 附圖l，此類電路的優勢在於小的功率輔助電路和完全的PWM工作方式。缺點則 是輔助換流時間與負荷電流的幅值呈正比關係，因此在ARCP逆變拓撲結構中往 往需要安裝額外的諧振電流或負荷電流檢測電路並採用複雜的控制策略，使得 主控制器不停地跟蹤負荷電流變化而調整輔助換流時間，這將嚴重製約ARCP逆 變電路開關頻率的提高，並增加結構的複雜性。
改進的採用輔助變壓器實現零電壓開關的方案，見附圖2，這種方案不再需 要監測諧振電流，完全實現了主功率管的零電壓開關。但在輔助變壓器存在偏 磁的可能。
上述的這些方案儘管能夠實現主功率管的軟開關工作，但仔細分析還存在 以下缺點(1)都需要再增加四個輔助功率管和四個輔助續流二極體；(2) 輔助功率管的PWM信號與主功率管的PWM信號關係複雜，不容易產生；(3)換流過程複雜，流經支路多，也增加了額外的換流損耗。
發明內容
本發明的目的旨在提供一種簡單有效的，能夠實現二極體中點箝位逆變電 路主功率管零電流開關的技術方案，降低主功率管的損耗，提高電路效率及可 靠性。
本發明二極體中點箝位逆變電路零電流開關方法是通過下述技術方案實現 的如附圖3所示，電路由串聯的直流電源W和Us2組成的輸入電源、由並聯
三埠單元M1、功率管Q3及其反並二極體D3、功率管Q4及其反並二極體D4、 並聯三埠單元M2組成的逆變橋臂；由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流 濾波電路；負載Z組成。其中，並聯三埠單元M1的d端與輸入電源ua的正
極相連，其C端與功率管Q3的集電極相連，另一端接地。主功率管Q3的發射極
與主功率管Q4的集電極相連，主功率管Q4的發射極與並聯三埠單元M2的e 端相連，並聯三埠單元M2的f埠連接到直流電源Us2的負極，另一埠接
地。主功率管Q3和二極體D3反向並聯，功率管Q4和二極體D4反向並聯。主功
率管Q3的發射極和主功率管Q4的集電極相連引出到濾波電感Lf和濾波電容Cf 構成的交流濾波電路，最後輸出到負載。
該並聯三埠單元M1由N (>2)個並聯三埠單元M1的基本單元並聯 構成，見附圖4。其中並聯三埠單元M1的基本單元由功率管Q,及其反並聯 二極體D!，續流二極體D7，及換流電感L!組成，見附圖5。並聯三埠單元 Ml的基本單元的d埠連接到功率管Q,的集電極，功率管Q,的發射極同時連 接到換流電感"的上端和續流二極體D7的陰極，換流電感L的下端接到並聯 三埠單元M1的c埠，續流二極體D7的陽極接到地。
該並聯三埠單元M2由N (》2)個並聯三埠單元M2的基本單元並聯構成，見附圖6。其中並聯三埠單元M2的基本單元由功率管Qs及其反並聯 二極體D5，續流二極體D9，及換流電感L3組成，見附圖7。並聯三埠單元 M2的基本單元的e埠連接到換流電感L3的上端，L3的下端連接到功率管Q5
的集電極和續流二極體D9的陽極，功率管Q5的發射極連接到f埠，續流二極
管D9的陰極接地。
為了實現逆變電路各基本單元中各個功率管的零電流開關，應採用以下方
法
所述的並聯三埠單元M1中各個並聯三埠單元M1的基本單元1~N中 的各個功率管的開關頻率固定且一致為fs，按照第l，第2，第3,...,第N的依 次順序循環觸發，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發脈衝保持相差360° /N，每 個功率管的觸發脈衝佔空比不超過1/N。
所述的並聯三埠單元M2中各個並聯三埠單元M2的基本單元1~N中 的各個功率管的開關頻率固定且一致為fs，按照第l，第2，第3，...，第N的依 次順序循環觸發，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發脈衝保持相差360。 /N，每 個功率管的觸發脈衝佔空比不超過1/N。
所述的主功率管Q4的觸發信號的邏輯由並聯三埠單元Ml的N個基本單 元的N個功率管觸發邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。 .
所述的主功率管Q3的觸發信號的邏輯由並聯三埠單元M2的N個基本單 元的N個功率管觸發邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。
本發明提出了零電流軟開關中點箝位逆變電路及方法，能夠實現各基本單 元中各功率管得零電流開通，降低電路開關損耗。與現有技術相比較，它還具有如下優點，(1)不再需要輔助功率管，降低了電路成本；(2)各主功率管的 觸發信號邏輯關係簡單，易於分配；(3)換流電感的存在也降低了續流二極體 的反向恢復電流；(4)同樣的逆變濾波電感下，其紋波電流降低至原有值的1/N。本發明所提出的零電流軟開關中點箝位逆變電路及方法，普遍適用於中、 大功率的直流/交流變換器，是目前實現中點箝位逆變電路的一種簡單易行軟開 關方案，為整機的高頻化、輕量化和小型化創造了條件。可以在不間斷電源， 交流穩壓電源，逆變電源等系統中推廣使用。
圖1輔助諧振換流極中點箝位逆變電路圖2輔助變壓器零電壓開關中點箝位逆變電路圖3零電流開關二極體中點箝位逆變電路圖4並聯三埠單元(Ml)結構框5並聯三埠單元(Ml)基本單元電路6並聯三埠單元(M2)結構框7並聯三埠單元(M2)基本單元電路8 —個零電流開關二極體中點箝位逆變電路實施例圖9 SPWM信號產生方式圖10主要的開關波形示意圖11 t0-tl階段工作等效電路12tl-t2階段工作等效電路13 t2-t3階段工作等效電路圖 ' 圖14t3-t4階段工作等效電路圖 圖15 t4-t5階段工作等效電路16t5-t6階段工作等效電路17各驅動及濾波電感電流實驗波形圖18功率管Qi和Q2的主要實驗波形(Qi和Q2開關電壓電流波形) 圖19功率管Qi和Q2的主要實驗波形((^導通時刻) 圖20功率管Qi和Q2的主要實驗波形(Q2導通時刻)具體實施方式
下面結合附圖8，它的並聯三埠單元M1和並聯三埠單元M2中各含兩個 基本單元，進一步說明本發明的特點及原理。本發明所述的二極體中點箝位逆變電路零電流開關的方法是這樣的，電路 由串聯的直流電源i^和i^組成的輸入電源、由六個主功率管(QrQ6)、十個續 流二極體(D, Dk))組成的逆變橋臂、由四個換流電感(L廣L4)組成的換流環節、 由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流濾波電路、負載R組成。其中功率管 Qi及其反並二極體D!,換流電感"和續流二極體D7構成了並聯三埠單元Ml 的基本單元1;其中功率管Q2及其反並二極體D2，換流電感L2和續流二極體D8 構成了並聯三埠單元Ml的基本單元2;其中功率管q5及其反並二極體D5, 換流電感L3和續流二極體D9構成了並聯三埠單元M2的基本單元1;其中功 率管q6及其反並二極體D6,換流電感L4和續流二極體Du)構成了並聯三埠單 元M2的基本單元2。其中主功率管Qi的集電極和主功率管Q2的集電極與輸入 直流電源usl的正極相連，主功率管Qi的發射極與二極體D7的陰極和換流電感 "的上端相連，主功率管Q2的發射極與二極體D8的陰極和換流電感L2的上端 相連，換流電感的下端和換流電感L2的下端及主功率管Q3的集電極相連， 主功率管Q3的發射極與主功率管Q4的集電極相連，主功率管Q4的發射極與兩 個換流電感L3和L4的上端相連，換流電感L3的下端與主功率管Q5的集電極和續流二極體D9的陽極相連，換流電感L4的下端與主功率管Q6的集電極和續流 二極體D1的陽極相連，主功率管Qs和Q6的發射極共同連接到直流電源us2的 負極，二極體D7和D8的陽極及二極體D9和Du)的陰極共同連接到串聯的輸入 直流電源usl和us2的中點參考地上，主功率管(^ Q6分別與續流二極體D, D6 反向並聯；濾波電感Lf的左端連接在串聯的主功率管Q3的發射極和主功率管 Q4的集電極相連引出到濾波電感Lf和濾波電容Cf構成的交流濾波電路，最後輸 出到負載R。電感I^和L2構成了主功率管(^和Q2的換流環節，電感L3和" 構成了功率管Q5和Q6的換流環節。應保證功率管Qi、 Q2、 Q5、 Q6的觸發信號 為最大佔空比小於0.5的PWM信號。使功率管和Q2的控制PWM信號相位 互差180° ，功率管Q5和Q6的控制PWM信號相位互差180° ，功率管Q4的控 制PWM信號由功率管和Q2的控制PWM信號通過或非門的邏輯輸出得到， 功率管Q3的控制PWM信號由功率管Qs和Q6的控制PWM信號通過或非門的 邏輯輸出得到。根據所述發明及原理圖，六個功率管的SPWM信號產生方式如附圖9。 w 表示輸出正弦電壓調製波，Ut表示三角波載波。在調製波w正半周當調製波w幅值大於載波ut幅值時，ugl和Ug2信號輪流觸發，相差180度；當調製波W幅值小於載波Ut幅值時，Ug4觸發；Ug3則始終 觸發；下管Ug5和Ug6始終關斷。在調製波ur負半周當載波ut幅值大於調製波ur幅值時，ug5和ug6輪流觸發，相差180度；當載波幅值小於調製波幅值時，Ug3觸發；Ug4則始終觸發；上 管Ugi和Ug2始終關斷。當電路工作在輸出電壓正半周，濾波電感Lf電流iLf為正向時，電路各換流階段的主要波形如附圖10所示，各階段工作電路如附圖11 附圖16所示。忽略各半導體器件導通壓降，分析Ml基本單元l和2中的功率管Qi和Q2實現零電流開通的工作原理，各階段詳細分析如下a)t0 tl階段如附圖11所示，在t0時刻之前，濾波電感Lf經二極體D8，電感L2，功率管Q3續流，電感L2電流iL2線性下降。節點b的電位則接近零。在t0時刻，功率管Q,被驅動導通，電壓Uee,迅速下降到接近零，但流過的電流iu並不會隨之迅速上升。由於此時節點a電位上升至usl，導致節點 a，b間電壓uab= usl ，該電壓作用在電感和L2上，使得電感L2電流iu逐漸下降，電感"電流b逐漸上升，可以表示為 '受公式(1)的約束，電流iu從零逐漸上升，使得功率管Q,實現了零電流開通。當電流iu在tl時刻下降至零時該階段結束。b)tl t2階段如附圖12所示，因為功率二極體的反向恢復特性，在tl時刻流過二極體D8的電流iL2到達零點後，電流iL2反向增加，此反向電流iL2流過 電感I^和功率管Q,，增加了Qi的通態損耗。電流b可以表示為因為換流電感L2的存在，二極體D8的反向恢復電流可以被削弱。當二極體D8的反向電流在t2時刻達到最大值時本階段結束。c)t2 t3階段如附圖13所示，t2時刻後，二極體D8的反向電流由最大值 逐漸恢復至零，其兩端反壓也開始上升，使b點電位隨之上升到與c點相同電 位。在t3時刻，反向電流iL2恢復到零，U^可以表示為formula see original document page 10因為換流電感值L Lf， Uee2近似等於0 。d)t3 t4階段如附圖14所示，本階段換流過程結束，功率管Q,進入正常 導通階段，電流iu線性上升'丄l r . t '亇'11(,3)〖+〖(5)e) t4 t5階段如附圖15所示，t4對刻，功率管Q,驅動關斷，電感Lf和 "產生反電動勢使得a點電位迅速下降，續流二極體D7導通，電感Lf和Li通 過D7, Q3續流。電感電流iu表示為〖+乙(6)本階段電感電流iu線性下降。f) t5 t6階段如附圖16所示，t5時刻功率管Q2驅動導通。Uee2迅速下降 到接近零使得Uba=Usl，該電壓作用在電感"和L2上使得兩者換流，電流U人 零開始上升使得功率管Q2實現了零電流開通，兩個換流電流表示為z" 一 /2丄 w。 (7)ZL1 = Z￡l"5) 一 " /^丄. 本階段同前面的t0 tl階段工作原理一樣，至此Ml基本單元1和2中的功率管和Q2實現零電流開通。 f同理，當工作在輸出電壓負半周時，M2基本單元1和2中的功率管Qs和Q6實現零電流開通。本方法實現各基本單元中各功率管零電流開通的原理就是利用了相鄰觸發 的兩個功率管之間需要通過換流電感實現兩者換流，換流電感的存在使得功率 管開通時電壓迅速下降，電流緩慢上升，從而達到了功率管零電流開通的目的， 降低了功率管的開關損耗。以一臺不間斷電源雙PFC電路的土360VDC輸出作為輸入源，製作了一臺 220VAC輸出，2kVA/1.4kW額定負載的軟開關交錯式三電平逆變器樣機。其中 控制器採用DSP處理器TMS320 F2812為核心構建。主電路中交錯並聯的IGBT 採用的是IRG4PC40UD，開關頻率為20kHz。選擇換流電感為5uH。濾波電感 Lf和電容Cf分別為1.5mH和6.8uF。
附圖17為幾個功率管驅動及濾波電感Lf的電流波形，'可見Ml基本單元1 和2中的功率管(^和Q2的觸發信號u^和Ug2相位相差180° ，而主功率管Q4 的觸發信號ug4是ugl和ug2的或非輸出關係。
附圖18所示為電阻滿載下接近輸出電壓峰值附近的功率管Qt和Q2的開關 電壓電流波形。圖19為放大後(^管的開通波形，圖20則為放大的Q2管的開通 波形。由圖19可見，功率管Qi開通瞬間電壓u^先下降到了零，電流i^才上
升，實現了零電流開通。而功率管Q2的端電壓Uee2則在i^達到最大值之後才開
始下降到零。同樣，由圖20可見，功率管Q2開通瞬間電壓i^2先下降到了零，
電流ice2才上升，實現了零電流開通。測試波形與理論分析一致。這證明了所提 出的二極體中點箝位逆變電路零電流開關方法能夠實現基本單元中各功率管的 零電流開通。
權利要求
1、一種二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法，由二極體中點箝位逆變電路實現，該電路由串聯的直流電源us1和us2組成的輸入電源，由並聯三埠單元M1、功率管Q3及其反並二極體D3、功率管Q4及其反並二極體D4、並聯三埠單元M2組成的逆變橋臂，由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流濾波電路，負載Z等組成，其特徵是，並聯三埠單元M1由N(≥2)個並聯三埠單元M1的基本單元並聯構成，並聯三埠單元M1的基本單元由功率管Q1及其反並聯二極體D1，續流二極體D7，及換流電感L1組成，並聯三埠單元M1的基本單元的d埠連接到功率管Q1的集電極，功率管Q1的發射極同時連接到換流電感L1的上端和續流二極體D7的陰極，換流電感L1的下端接到並聯三埠單元M1的c埠，續流二極體D7的陽極接到地；並聯三埠單元M2由N(≥2)個並聯三埠單元M2的基本單元並聯構成，並聯三埠單元M2的基本單元由功率管Q5及其反並聯二極體D5，續流二極體D9，及換流電感L3組成，並聯三埠單元M2的基本單元的e埠連接到換流電感L3的上端，L3的下端連接到功率管Q5的集電極和續流二極體D9的陽極，功率管Q5的發射極連接到f埠，續流二極體D9的陰極接地。
2、 根據權利要求1所述二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法， 其特徵是，所述並聯三埠單元M1中各個並聯三埠單元M1的基本單元1 N 中的各個功率管的開關頻率固定且一致為f;，按照第l，第2，第3,...，第N的 依次順序循環觸發，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發脈衝相差360° /N，每個 功率管的觸發脈衝佔空比不超過1/N。
3、 根據權利要求1所述二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法， 其特徵是，所述並聯三埠單元M2中各個並聯三埠單元M2的基本單元1 N中的各個功率管的開關頻率固定且一致為f;，按照第l，第2，第3,...,第N的依次順序循環觸發，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發脈衝相差360。 /N，每個 功率管的觸發脈衝佔空比不超過1/N。
4、 根據權利要求1所述二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法， 其特徵是，所述主功率管Q4的觸發信號的邏輯由並聯三埠單元M1的N個基 本單元的N個功率管觸發邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯 信號確定。
5、 根據權利要求1所述二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法， 其特徵是，所述主功率管Q3的觸發信號的邏輯由並聯三埠單元M2的N個基 本單元的N個功率管觸發信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。
全文摘要
一種二極體中點箝位逆變電路零電流開關的實現方法，由二極體中點箝位逆變電路實現，組成該電路的並聯三埠單元M1、M2分別由N(≥2)個並聯三埠單元M1或M2的基本單元並聯構成，並聯三埠單元M1(M2)的基本單元由功率管Q1(Q5)及其反並聯二極體D1(D5)，續流二極體D7(D9)，及換流電感L1(L3)組成。M1和M2的基本單元1～N中的各功率管按照第1，第2，...，第N的順序循環觸發，相鄰兩個基本單元的功率管觸發脈衝相差360°/N，各功率管的觸發脈衝佔空比小於1/N；主功率管Q4(Q3)的觸發邏輯由M1(M2)的N個基本單元的N個功率管觸發邏輯輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號確定。本發明方法能夠實現各基本單元中各功率管的零電流開通。
文檔編號H02M7/797GK101662231SQ200910186010
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月9日 優先權日2009年9月9日
發明者袁義生 申請人:華東交通大學