基于多電平逆變器的有源軟開關(guān)技術(shù)研究分析

引言

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，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撲結(jié)構(gòu)：

1)二極管箝位式(Diode?Clamped)；

2)電容箝位式(Flying?Capacitors)；

3)具有獨立直流電源的級聯(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，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屢有報道，并取得了較好的效果。本文將對見諸于文獻的多電平變換器的各種有源軟開關(guān)技術(shù)進行分析和比較，并指出各自的優(yōu)缺點以及應(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)拓撲，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)拓撲拓展到多電平電路中。

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，所以兩個準諧振槽路在直流環(huán)節(jié)上組成了一個鏡像對稱的模塊，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點和M點的電壓通過諧振降到零，為軟開關(guān)的實現(xiàn)提供條件。此時，三電平逆變器的主開關(guān)器件在零電壓條件下可實現(xiàn)軟開關(guān)操作。當開關(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極之間。因為上部諧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極母線電壓諧振到中點電壓所需要的時間可能不相等，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?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間為td，它正比于中點電流IN，td==。中點電流的方向決定哪個諧振槽路的諧振過程被延遲觸發(fā)，如圖1所示，如果中點電流是正極性，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PWM模式有變化時，檢測電路將產(chǎn)生一個信號來觸發(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達到零電壓。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)點是：

1)模塊化設(shè)計。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。 該電路的缺點是：

由于中點電流的影響，逆變器的正極母線電壓和負極母線電壓諧振到中點電壓所需要的時間可能不相等，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