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(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(jí)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(chǎng)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(huì)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(duì)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(duì)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(duì)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(huì)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(cè)電路將產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)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