多電平逆變器有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究

摘要：分析和比較了多電平逆變器各種有源軟開(kāi)關(guān)拓撲的工作原理和主要特點(diǎn)，提出了各種有源軟開(kāi)關(guān)拓撲的優(yōu)缺點(diǎn)，對多電平逆變器軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究方向提出了建議。

關(guān)鍵詞：有源軟開(kāi)關(guān)；多電平逆變器；拓撲結構

1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力，勿須器件串聯(lián)而無(wú)均壓?jiǎn)?wèn)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，它的出現為高壓大功率變換器的研制開(kāi)辟了一條新思路。經(jīng)過(guò)多年的研究和發(fā)展，多電平變換器主要有三種拓撲結構：

1）二極管箝位式(DiodeClamped)；

2）電容箝位式(FlyingCapacitors)；

3）具有獨立直流電源的級聯(lián)式逆變器

(CascadedInverterswithSeparatedDCSources)[1][2]。

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[3]。多電平變換器主要應用在高壓大功率場(chǎng)合，其開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應力和電流應力都比較大，因此，隨著(zhù)開(kāi)關(guān)頻率的上升，多電平變換器由于硬開(kāi)關(guān)造成的開(kāi)關(guān)損耗相當可觀(guān)，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(kāi)關(guān)狀態(tài)下造成的過(guò)高的dv/dt和di/dt將會(huì )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(kāi)關(guān)所引起的諸多問(wèn)題，近年來(lái)，把有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應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(jiàn)諸于文獻的多電平變換器的各種有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)進(jìn)行分析和比較，并指出各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及應用前景。

2二極管箝位型多電平逆變器的有源軟開(kāi)

關(guān)技術(shù)

經(jīng)過(guò)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(kāi)關(guān)拓撲，主要集中在直流環(huán)節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(kāi)關(guān)技術(shù)的研究也主要是把直流環(huán)節諧振型逆變器和極諧振型逆變器兩種軟開(kāi)關(guān)拓撲拓展到多電平電路中。

2.1模塊化箝位型直流環(huán)節三電平軟開(kāi)關(guān)逆變器[4][5]

模塊化箝位型直流環(huán)節三電平軟開(kāi)關(guān)逆變器的結構如圖1所示。Cr1和Cr2是諧振電容，Lr1和Lr2是

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圖1模塊化箝位型直流環(huán)節三電平軟開(kāi)關(guān)逆變器

圖2模塊化箝位型直流環(huán)節三電平軟開(kāi)關(guān)變換

模塊的控制邏輯框圖

諧振電感。諧振電容、諧振電感和輔助開(kāi)關(guān)組成了直流環(huán)節的軟開(kāi)關(guān)變換模塊。Cr1=Cr2、Lr1=Lr2，所以?xún)蓚€(gè)準諧振槽路在直流環(huán)節上組成了一個(gè)鏡像對稱(chēng)的模塊，如圖中虛線(xiàn)部分所示。

在開(kāi)關(guān)切換期間，箝位開(kāi)關(guān)S1′和S2′處于關(guān)斷狀態(tài)，把逆變器的母線(xiàn)電壓從直流環(huán)節中釋放出來(lái)，以使P點(diǎn)和M點(diǎn)的電壓通過(guò)諧振降到零，為軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現提供條件。此時(shí)，三電平逆變器的主開(kāi)關(guān)器件在零電壓條件下可實(shí)現軟開(kāi)關(guān)操作。當開(kāi)關(guān)完成切換后，通過(guò)開(kāi)通箝位開(kāi)關(guān)S1′和S2′，結束諧振過(guò)程，把直流環(huán)節的電壓加到母線(xiàn)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(chēng)的，所以它們的工作原理是相同的。但是，在實(shí)際的系統中，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(xiàn)電壓和負極母線(xiàn)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(kāi)關(guān)條件。為了保證實(shí)現零電壓的條件，需要用同步邏輯來(lái)同步上部諧振槽路和下部諧振槽路。為了以適當的次序觸發(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(guò)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(guò)程被延遲td后再觸發(fā)，否則，下部諧振槽路的諧振過(guò)程將被延遲td后觸發(fā)。

圖2是諧振槽路的簡(jiǎn)化控制邏輯框圖，軟開(kāi)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(shí)，檢測電路將產(chǎn)生一個(gè)信號來(lái)觸發(fā)零電壓變換過(guò)程。同步電路用來(lái)保證上部諧振槽路和下部諧振槽路同時(shí)達到零電壓。一旦零電壓條件建立了，主開(kāi)關(guān)則可以在零電壓下開(kāi)關(guān)，PWM重新安排模塊緊接著(zhù)發(fā)出新的PWM模式到門(mén)極電路。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）模塊化設計。輔助變換電路中所用的元器件較少。

2）主開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓和電流應力和硬開(kāi)關(guān)逆變器所承受的電壓和電流應力相等。

3）逆變器的主開(kāi)關(guān)器件和輔助電路的箝位開(kāi)關(guān)是零電壓開(kāi)通；輔助電路中的輔助開(kāi)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(xiàn)電壓和負極母線(xiàn)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(lái)使兩者同步，增加了電路的復雜性，降低了電路的可靠性。

2.2二極管箝位型多電平逆變器的輔助諧振變換

極軟開(kāi)關(guān)拓撲

在高壓大功率應用場(chǎng)合，提出了各種各樣的軟開(kāi)關(guān)拓撲，其中，輔助諧振變換極電路(auxiliaryresonantcommutatedpoleinverter)是較為成功的一種。近年來(lái)的文獻表明把輔助諧振變換極的拓撲擴展到二極管箝位多電平逆變器中去，理論上是可行的，圖3、圖4概括了已經(jīng)提出的三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開(kāi)關(guān)拓撲[6][7][8][9][10]。

文獻[8]提出了圖3所示的電路，該電路的輔助諧振變換電路由輔助開(kāi)關(guān)Saux1和Saux2、諧振電感Laux、關(guān)斷吸收電容C1、C2和C3組成。輔助開(kāi)關(guān)Saux1幫助主開(kāi)關(guān)Sa1和Sa1′在軟開(kāi)關(guān)條件下完成變換，輔助開(kāi)關(guān)Saux2幫助主開(kāi)關(guān)Sa2和Sa2′在軟開(kāi)關(guān)條件下完成變換。C1作為開(kāi)關(guān)Sa1的關(guān)斷吸收電容，C2作為開(kāi)關(guān)Sa2′的關(guān)斷吸收電容，C3作為內部開(kāi)關(guān)管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′的關(guān)斷吸收電容。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1）所需附加元器件的數量最少；

2）可實(shí)現主開(kāi)關(guān)管的零電壓開(kāi)關(guān)和輔助開(kāi)關(guān)管的零電流開(kāi)關(guān)。

該電路的缺點(diǎn)是：

多電平逆變器有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究