基于多電平逆變器的有源軟開(kāi)關(guān)技術(shù)研究分析

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。

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

圖3輔助諧振變換極三電平逆變器

圖4輔助諧振變換極三電平逆變器

圖5輔助諧振變換極三電平逆變器

1)輔助開(kāi)關(guān)所承受的阻斷電壓是0.75Udc，阻斷電壓的數值較高。

2)流過(guò)吸收電容C3的電流有效值是流過(guò)吸收電容C1和C2的電流有效值的1.4倍。

3)內部開(kāi)關(guān)管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′在關(guān)斷時(shí)，其能量是間接地被電容C3吸收，這樣會(huì )造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。 為了克服圖3電路存在的缺點(diǎn)，分別提出了圖4和圖5所示的電路。

圖4所示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Laux1和Laux2、關(guān)斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。當開(kāi)關(guān)管Sa2導通和Sa2′關(guān)斷時(shí)，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，使輸出電壓交替連接到正極母線(xiàn)和中點(diǎn);當開(kāi)關(guān)管Sa1導通和Sa1′關(guān)斷時(shí)，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，使輸出電壓交替連接到負極母線(xiàn)和中點(diǎn)。C1作為開(kāi)關(guān)管Sa1的關(guān)斷吸收電容，C2作為開(kāi)關(guān)管Sa2和箝位二極管Da的關(guān)斷吸收電容，C3作為開(kāi)關(guān)管Sa1′和箝位二極管Da′的關(guān)斷吸收電容，C4作為開(kāi)關(guān)管Sa2′的關(guān)斷吸收電容。

該電路的優(yōu)點(diǎn)是：

1)輔助開(kāi)關(guān)所承受的阻斷電壓減小到0.5Udc。

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)。

3)箝位二極管關(guān)斷時(shí)的能量直接被吸收電容所吸收，減少了雜散電感，也減少了關(guān)斷時(shí)因二極管的反向恢復特性造成的損耗。

該電路的缺點(diǎn)是：

1)用了兩個(gè)諧振電感，電路的元器件數量較多。

2)對于軟開(kāi)關(guān)變換來(lái)說(shuō)，當一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均輸出電壓和平均輸出電流的乘積(即平均輸出功率)大于零時(shí)，吸收元器件的布置是最優(yōu)的，因為此時(shí)，變換出現在被直接吸收的器件Sa1和Da之間以及Sa2′和Da′之間;當一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的平均輸出功率小于零時(shí)，變換出現在被間接吸收的內部開(kāi)關(guān)管 Sa2或Sa1′上，此時(shí)會(huì )造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。

為了克服圖4所示電路的缺點(diǎn)，使吸收元器件的布置是最優(yōu)的，文獻[10]提出了圖5所示的軟開(kāi)關(guān)拓撲。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Laux1和Laux2、Sa與Da、Da′與Sa′所組成的有源箝位開(kāi)關(guān)及關(guān)斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。但是該電路中吸收電容的布置與圖4所示電路中吸收電容的布置不同，每個(gè)主開(kāi)關(guān)器件都并聯(lián)有一個(gè)直接吸收電容。這樣的結構使雜散電感減少到最小，并減少了由于平均輸出功率小于零的變換所帶來(lái)的損耗。然而，該電路需要有源箝位開(kāi)關(guān)來(lái)控制在軟開(kāi)關(guān)變換時(shí)吸收電容的充電過(guò)程。有源箝位開(kāi)關(guān)的積極作用是在低速和高轉矩操作時(shí)，提高靜態(tài)電壓的平衡和開(kāi)關(guān)器件之間的損耗平衡。