基于多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)研究分析
引言
本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/227652.htm多電平變換技術(shù)由于具有諸如減少了器件的電壓應(yīng)力,勿須器件串聯(lián)而無均壓問題,減少了輸出電壓的諧波含量,減少了由于dv/dt和di/dt所造成的電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),因此受到了更多關(guān)注,它的出現(xiàn)為高壓大功率變換器的研制開辟了一條新思路。經(jīng)過多年的研究和發(fā)展,多電平變換器主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):
1)二極管箝位式(Diode?Clamped);
2)電容箝位式(Flying?Capacitors);
3)具有獨(dú)立直流電源的級聯(lián)式逆變器
(Cascaded?InverterswithSeparatedDCSources)。
多電平變換技術(shù)已經(jīng)成為電力電子領(lǐng)域中高壓大功率變換方面最活躍的分支。多電平變換器主要應(yīng)用在高壓大功率場合,其開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力和電流應(yīng)力都比較大,因此,隨著開關(guān)頻率的上升,多電平變換器由于硬開關(guān)造成的開關(guān)損耗相當(dāng)可觀,使電路的效率大大降低,處理功率的能力大幅度下降;同時(shí),多電平變換器由于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下造成的過高的dv/dt和di/dt將會產(chǎn)生更為嚴(yán)重的電磁干擾。為了解決多電平變換器高頻化和由硬開關(guān)所引起的諸多問題,近年來,把有源軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到多電平變換器的文獻(xiàn)屢有報(bào)道,并取得了較好的效果。本文將對見諸于文獻(xiàn)的多電平變換器的各種有源軟開關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和比較,并指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應(yīng)用前景。
二極管箝位型多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)
經(jīng)過研究者們多年的努力,已提出了二電平逆變器的的多種有源軟開關(guān)拓?fù)?,主要集中在直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型逆變器。到目前為止,有關(guān)多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)的研究也主要是把直流環(huán)節(jié)諧振型逆變器和極諧振型逆變器兩種軟開關(guān)拓?fù)渫卣沟蕉嚯娖诫娐分小?/p>
1、模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器
模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。Cr1和Cr2是諧振電容
圖1模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)逆變器
圖2模塊化箝位型直流環(huán)節(jié)三電平軟開關(guān)變換
諧振電容、諧振電感和輔助開關(guān)組成了直流環(huán)節(jié)的軟開關(guān)變換模塊。Cr1=Cr2、Lr1=Lr2,所以兩個(gè)準(zhǔn)諧振槽路在直流環(huán)節(jié)上組成了一個(gè)鏡像對稱的模塊,如圖中虛線部分所示。
在開關(guān)切換期間,箝位開關(guān)S1′和S2′處于關(guān)斷狀態(tài),把逆變器的母線電壓從直流環(huán)節(jié)中釋放出來,以使P點(diǎn)和M點(diǎn)的電壓通過諧振降到零,為軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)提供條件。此時(shí),三電平逆變器的主開關(guān)器件在零電壓條件下可實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)操作。當(dāng)開關(guān)完成切換后,通過開通箝位開關(guān)S1′和S2′,結(jié)束諧振過程,把直流環(huán)節(jié)的電壓加到母線的正極和負(fù)極之間。因?yàn)樯喜恐C振槽路和下部諧振槽路是鏡像對稱的,所以它們的工作原理是相同的。但是,在實(shí)際的系統(tǒng)中,上部諧振槽路的變換電流Io1和下部諧振槽路變換電流Io2由于中點(diǎn)電流IN的作用而可能不相等,所以逆變器的正極母線電壓和負(fù)極母線電壓諧振到中點(diǎn)電壓所需要的時(shí)間可能不相等,這樣會影響零電壓的開關(guān)條件。為了保證實(shí)現(xiàn)零電壓的條件,需要用同步邏輯來同步上部諧振槽路和下部諧振槽路。為了以適當(dāng)?shù)拇涡蛴|發(fā)上部諧振槽路和下部諧振槽路的諧振,定義觸發(fā)上部諧振槽路和觸發(fā)下部諧振槽路之間的延遲時(shí)間為td,它正比于中點(diǎn)電流IN,td==。中點(diǎn)電流的方向決定哪個(gè)諧振槽路的諧振過程被延遲觸發(fā),如圖1所示,如果中點(diǎn)電流是正極性,即IN>0,上部諧振槽路的諧振過程被延遲td后再觸發(fā),否則,下部諧振槽路的諧振過程將被延遲td后觸發(fā)。
圖2是諧振槽路的簡化控制邏輯框圖,軟開關(guān)變換模塊從逆變器的控制器接受PWM模式。當(dāng)PWM模式有變化時(shí),檢測電路將產(chǎn)生一個(gè)信號來觸發(fā)零電壓變換過程。同步電路用來保證上部諧振槽路和下部諧振槽路同時(shí)達(dá)到零電壓。一旦零電壓條件建立了,主開關(guān)則可以在零電壓下開關(guān),PWM重新安排模塊緊接著發(fā)出新的PWM模式到門極電路。
該電路的優(yōu)點(diǎn)是:
1)模塊化設(shè)計(jì)。輔助變換電路中所用的元器件較少。
2)主開關(guān)器件所承受的電壓和電流應(yīng)力和硬開關(guān)逆變器所承受的電壓和電流應(yīng)力相等。
3)逆變器的主開關(guān)器件和輔助電路的箝位開關(guān)是零電壓開通;輔助電路中的輔助開關(guān)是零電流關(guān)斷。 該電路的缺點(diǎn)是:
由于中點(diǎn)電流的影響,逆變器的正極母線電壓和負(fù)極母線電壓諧振到中點(diǎn)電壓所需要的時(shí)間可能不相等,需要外加控制邏輯來使兩者同步,增加了電路的復(fù)雜性,降低了電路的可靠性。2、二極管
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