專利名稱：一種二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，屬高頻逆 變電路技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
相對于傳統(tǒng)的半橋式逆變電路，二極管中點(diǎn)箝位逆變電路可以降低功率管 額定電壓等級降低功率管損耗，可以減小濾波電感的紋波電流，從而降低輸出 電壓的失真度。所以，盡管二極管中點(diǎn)箝位逆變電路采用了較多的功率半導(dǎo)體 器件，在中大功率逆變電源場合應(yīng)用仍具備更多優(yōu)勢。
為了進(jìn)一步降低中點(diǎn)箝位逆變電路的功率管開關(guān)損耗， 一些軟開關(guān)型的中
點(diǎn)箝位逆變電路也被提出，典型的方案有輔助諧振換流極(ARCP)的方案，見 附圖l，此類電路的優(yōu)勢在于小的功率輔助電路和完全的PWM工作方式。缺點(diǎn)則 是輔助換流時間與負(fù)荷電流的幅值呈正比關(guān)系，因此在ARCP逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中往 往需要安裝額外的諧振電流或負(fù)荷電流檢測電路并采用復(fù)雜的控制策略，使得 主控制器不停地跟蹤負(fù)荷電流變化而調(diào)整輔助換流時間，這將嚴(yán)重制約ARCP逆 變電路開關(guān)頻率的提高，并增加結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。
改進(jìn)的采用輔助變壓器實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)的方案，見附圖2，這種方案不再需 要監(jiān)測諧振電流，完全實(shí)現(xiàn)了主功率管的零電壓開關(guān)。但在輔助變壓器存在偏 磁的可能。
上述的這些方案盡管能夠?qū)崿F(xiàn)主功率管的軟開關(guān)工作，但仔細(xì)分析還存在 以下缺點(diǎn)(1)都需要再增加四個輔助功率管和四個輔助續(xù)流二極管；(2) 輔助功率管的PWM信號與主功率管的PWM信號關(guān)系復(fù)雜，不容易產(chǎn)生；(3)換流過程復(fù)雜，流經(jīng)支路多，也增加了額外的換流損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在提供一種簡單有效的，能夠?qū)崿F(xiàn)二極管中點(diǎn)箝位逆變電 路主功率管零電流開關(guān)的技術(shù)方案，降低主功率管的損耗，提高電路效率及可 靠性。
本發(fā)明二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)方法是通過下述技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 的如附圖3所示，電路由串聯(lián)的直流電源W和Us2組成的輸入電源、由并聯(lián)
三端口單元M1、功率管Q3及其反并二極管D3、功率管Q4及其反并二極管D4、 并聯(lián)三端口單元M2組成的逆變橋臂；由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流 濾波電路；負(fù)載Z組成。其中，并聯(lián)三端口單元M1的d端與輸入電源ua的正
極相連，其C端與功率管Q3的集電極相連，另一端接地。主功率管Q3的發(fā)射極
與主功率管Q4的集電極相連，主功率管Q4的發(fā)射極與并聯(lián)三端口單元M2的e 端相連，并聯(lián)三端口單元M2的f端口連接到直流電源Us2的負(fù)極，另一端口接
地。主功率管Q3和二極管D3反向并聯(lián)，功率管Q4和二極管D4反向并聯(lián)。主功
率管Q3的發(fā)射極和主功率管Q4的集電極相連引出到濾波電感Lf和濾波電容Cf 構(gòu)成的交流濾波電路，最后輸出到負(fù)載。
該并聯(lián)三端口單元M1由N (>2)個并聯(lián)三端口單元M1的基本單元并聯(lián) 構(gòu)成，見附圖4。其中并聯(lián)三端口單元M1的基本單元由功率管Q,及其反并聯(lián) 二極管D!，續(xù)流二極管D7，及換流電感L!組成，見附圖5。并聯(lián)三端口單元 Ml的基本單元的d端口連接到功率管Q,的集電極，功率管Q,的發(fā)射極同時連 接到換流電感"的上端和續(xù)流二極管D7的陰極，換流電感L的下端接到并聯(lián) 三端口單元M1的c端口，續(xù)流二極管D7的陽極接到地。
該并聯(lián)三端口單元M2由N (》2)個并聯(lián)三端口單元M2的基本單元并聯(lián)構(gòu)成，見附圖6。其中并聯(lián)三端口單元M2的基本單元由功率管Qs及其反并聯(lián) 二極管D5，續(xù)流二極管D9，及換流電感L3組成，見附圖7。并聯(lián)三端口單元 M2的基本單元的e端口連接到換流電感L3的上端，L3的下端連接到功率管Q5
的集電極和續(xù)流二極管D9的陽極，功率管Q5的發(fā)射極連接到f端口，續(xù)流二極
管D9的陰極接地。
為了實(shí)現(xiàn)逆變電路各基本單元中各個功率管的零電流開關(guān)，應(yīng)采用以下方
法
所述的并聯(lián)三端口單元M1中各個并聯(lián)三端口單元M1的基本單元1~N中 的各個功率管的開關(guān)頻率固定且一致為fs，按照第l，第2，第3,...,第N的依 次順序循環(huán)觸發(fā)，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發(fā)脈沖保持相差360° /N，每 個功率管的觸發(fā)脈沖占空比不超過1/N。
所述的并聯(lián)三端口單元M2中各個并聯(lián)三端口單元M2的基本單元1~N中 的各個功率管的開關(guān)頻率固定且一致為fs，按照第l，第2，第3，...，第N的依 次順序循環(huán)觸發(fā)，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發(fā)脈沖保持相差360。 /N，每 個功率管的觸發(fā)脈沖占空比不超過1/N。
所述的主功率管Q4的觸發(fā)信號的邏輯由并聯(lián)三端口單元Ml的N個基本單 元的N個功率管觸發(fā)邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。 .
所述的主功率管Q3的觸發(fā)信號的邏輯由并聯(lián)三端口單元M2的N個基本單 元的N個功率管觸發(fā)邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。
本發(fā)明提出了零電流軟開關(guān)中點(diǎn)箝位逆變電路及方法，能夠?qū)崿F(xiàn)各基本單 元中各功率管得零電流開通，降低電路開關(guān)損耗。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，它還具有如下優(yōu)點(diǎn)，(1)不再需要輔助功率管，降低了電路成本；(2)各主功率管的 觸發(fā)信號邏輯關(guān)系簡單，易于分配；(3)換流電感的存在也降低了續(xù)流二極管 的反向恢復(fù)電流；(4)同樣的逆變?yōu)V波電感下，其紋波電流降低至原有值的1/N。本發(fā)明所提出的零電流軟開關(guān)中點(diǎn)箝位逆變電路及方法，普遍適用于中、 大功率的直流/交流變換器，是目前實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)箝位逆變電路的一種簡單易行軟開 關(guān)方案，為整機(jī)的高頻化、輕量化和小型化創(chuàng)造了條件?？梢栽诓婚g斷電源， 交流穩(wěn)壓電源，逆變電源等系統(tǒng)中推廣使用。


圖1輔助諧振換流極中點(diǎn)箝位逆變電路圖2輔助變壓器零電壓開關(guān)中點(diǎn)箝位逆變電路圖3零電流開關(guān)二極管中點(diǎn)箝位逆變電路圖4并聯(lián)三端口單元(Ml)結(jié)構(gòu)框5并聯(lián)三端口單元(Ml)基本單元電路6并聯(lián)三端口單元(M2)結(jié)構(gòu)框7并聯(lián)三端口單元(M2)基本單元電路8 —個零電流開關(guān)二極管中點(diǎn)箝位逆變電路實(shí)施例圖9 SPWM信號產(chǎn)生方式圖10主要的開關(guān)波形示意圖11 t0-tl階段工作等效電路12tl-t2階段工作等效電路13 t2-t3階段工作等效電路圖 ' 圖14t3-t4階段工作等效電路圖 圖15 t4-t5階段工作等效電路16t5-t6階段工作等效電路17各驅(qū)動及濾波電感電流實(shí)驗(yàn)波形圖18功率管Qi和Q2的主要實(shí)驗(yàn)波形(Qi和Q2開關(guān)電壓電流波形) 圖19功率管Qi和Q2的主要實(shí)驗(yàn)波形((^導(dǎo)通時刻) 圖20功率管Qi和Q2的主要實(shí)驗(yàn)波形(Q2導(dǎo)通時刻)具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖8，它的并聯(lián)三端口單元M1和并聯(lián)三端口單元M2中各含兩個 基本單元，進(jìn)一步說明本發(fā)明的特點(diǎn)及原理。本發(fā)明所述的二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的方法是這樣的，電路 由串聯(lián)的直流電源i^和i^組成的輸入電源、由六個主功率管(QrQ6)、十個續(xù) 流二極管(D, Dk))組成的逆變橋臂、由四個換流電感(L廣L4)組成的換流環(huán)節(jié)、 由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流濾波電路、負(fù)載R組成。其中功率管 Qi及其反并二極管D!,換流電感"和續(xù)流二極管D7構(gòu)成了并聯(lián)三端口單元Ml 的基本單元1;其中功率管Q2及其反并二極管D2，換流電感L2和續(xù)流二極管D8 構(gòu)成了并聯(lián)三端口單元Ml的基本單元2;其中功率管q5及其反并二極管D5, 換流電感L3和續(xù)流二極管D9構(gòu)成了并聯(lián)三端口單元M2的基本單元1;其中功 率管q6及其反并二極管D6,換流電感L4和續(xù)流二極管Du)構(gòu)成了并聯(lián)三端口單 元M2的基本單元2。其中主功率管Qi的集電極和主功率管Q2的集電極與輸入 直流電源usl的正極相連，主功率管Qi的發(fā)射極與二極管D7的陰極和換流電感 "的上端相連，主功率管Q2的發(fā)射極與二極管D8的陰極和換流電感L2的上端 相連，換流電感的下端和換流電感L2的下端及主功率管Q3的集電極相連， 主功率管Q3的發(fā)射極與主功率管Q4的集電極相連，主功率管Q4的發(fā)射極與兩 個換流電感L3和L4的上端相連，換流電感L3的下端與主功率管Q5的集電極和續(xù)流二極管D9的陽極相連，換流電感L4的下端與主功率管Q6的集電極和續(xù)流 二極管D1()的陽極相連，主功率管Qs和Q6的發(fā)射極共同連接到直流電源us2的 負(fù)極，二極管D7和D8的陽極及二極管D9和Du)的陰極共同連接到串聯(lián)的輸入 直流電源usl和us2的中點(diǎn)參考地上，主功率管(^ Q6分別與續(xù)流二極管D, D6 反向并聯(lián)；濾波電感Lf的左端連接在串聯(lián)的主功率管Q3的發(fā)射極和主功率管 Q4的集電極相連引出到濾波電感Lf和濾波電容Cf構(gòu)成的交流濾波電路，最后輸 出到負(fù)載R。電感I^和L2構(gòu)成了主功率管(^和Q2的換流環(huán)節(jié)，電感L3和" 構(gòu)成了功率管Q5和Q6的換流環(huán)節(jié)。應(yīng)保證功率管Qi、 Q2、 Q5、 Q6的觸發(fā)信號 為最大占空比小于0.5的PWM信號。使功率管和Q2的控制PWM信號相位 互差180° ，功率管Q5和Q6的控制PWM信號相位互差180° ，功率管Q4的控 制PWM信號由功率管和Q2的控制PWM信號通過或非門的邏輯輸出得到， 功率管Q3的控制PWM信號由功率管Qs和Q6的控制PWM信號通過或非門的 邏輯輸出得到。根據(jù)所述發(fā)明及原理圖，六個功率管的SPWM信號產(chǎn)生方式如附圖9。 w 表示輸出正弦電壓調(diào)制波，Ut表示三角波載波。在調(diào)制波w正半周當(dāng)調(diào)制波w幅值大于載波ut幅值時，ugl和Ug2信號輪流觸發(fā)，相差180度；當(dāng)調(diào)制波W幅值小于載波Ut幅值時，Ug4觸發(fā)；Ug3則始終 觸發(fā)；下管Ug5和Ug6始終關(guān)斷。在調(diào)制波ur負(fù)半周當(dāng)載波ut幅值大于調(diào)制波ur幅值時，ug5和ug6輪流觸發(fā)，相差180度；當(dāng)載波幅值小于調(diào)制波幅值時，Ug3觸發(fā)；Ug4則始終觸發(fā)；上 管Ugi和Ug2始終關(guān)斷。當(dāng)電路工作在輸出電壓正半周，濾波電感Lf電流iLf為正向時，電路各換流階段的主要波形如附圖10所示，各階段工作電路如附圖11 附圖16所示。忽略各半導(dǎo)體器件導(dǎo)通壓降，分析Ml基本單元l和2中的功率管Qi和Q2實(shí)現(xiàn)零電流開通的工作原理，各階段詳細(xì)分析如下a)t0 tl階段如附圖11所示，在t0時刻之前，濾波電感Lf經(jīng)二極管D8，電感L2，功率管Q3續(xù)流，電感L2電流iL2線性下降。節(jié)點(diǎn)b的電位則接近零。在t0時刻，功率管Q,被驅(qū)動導(dǎo)通，電壓Uee,迅速下降到接近零，但流過的電流iu并不會隨之迅速上升。由于此時節(jié)點(diǎn)a電位上升至usl，導(dǎo)致節(jié)點(diǎn) a，b間電壓uab= usl ，該電壓作用在電感和L2上，使得電感L2電流iu逐漸下降，電感"電流b逐漸上升，可以表示為 '受公式(1)的約束，電流iu從零逐漸上升，使得功率管Q,實(shí)現(xiàn)了零電流開通。當(dāng)電流iu在tl時刻下降至零時該階段結(jié)束。b)tl t2階段如附圖12所示，因?yàn)楣β识O管的反向恢復(fù)特性，在tl時刻流過二極管D8的電流iL2到達(dá)零點(diǎn)后，電流iL2反向增加，此反向電流iL2流過 電感I^和功率管Q,，增加了Qi的通態(tài)損耗。電流b可以表示為因?yàn)閾Q流電感L2的存在，二極管D8的反向恢復(fù)電流可以被削弱。當(dāng)二極管D8的反向電流在t2時刻達(dá)到最大值時本階段結(jié)束。c)t2 t3階段如附圖13所示，t2時刻后，二極管D8的反向電流由最大值 逐漸恢復(fù)至零，其兩端反壓也開始上升，使b點(diǎn)電位隨之上升到與c點(diǎn)相同電 位。在t3時刻，反向電流iL2恢復(fù)到零，U^可以表示為<formula>formula see original document page 10</formula>因?yàn)閾Q流電感值L Lf， Uee2近似等于0 。d)t3 t4階段如附圖14所示，本階段換流過程結(jié)束，功率管Q,進(jìn)入正常 導(dǎo)通階段，電流iu線性上升'丄l r . t '亇'11(,3)〖+〖(5)e) t4 t5階段如附圖15所示，t4對刻，功率管Q,驅(qū)動關(guān)斷，電感Lf和 "產(chǎn)生反電動勢使得a點(diǎn)電位迅速下降，續(xù)流二極管D7導(dǎo)通，電感Lf和Li通 過D7, Q3續(xù)流。電感電流iu表示為〖+乙(6)本階段電感電流iu線性下降。f) t5 t6階段如附圖16所示，t5時刻功率管Q2驅(qū)動導(dǎo)通。Uee2迅速下降 到接近零使得Uba=Usl，該電壓作用在電感"和L2上使得兩者換流，電流U人 零開始上升使得功率管Q2實(shí)現(xiàn)了零電流開通，兩個換流電流表示為z" 一 /2丄 w。 (7)ZL1 = Z￡l"5) 一 " /^丄. 本階段同前面的t0 tl階段工作原理一樣，至此Ml基本單元1和2中的功率管和Q2實(shí)現(xiàn)零電流開通。 f同理，當(dāng)工作在輸出電壓負(fù)半周時，M2基本單元1和2中的功率管Qs和Q6實(shí)現(xiàn)零電流開通。本方法實(shí)現(xiàn)各基本單元中各功率管零電流開通的原理就是利用了相鄰觸發(fā) 的兩個功率管之間需要通過換流電感實(shí)現(xiàn)兩者換流，換流電感的存在使得功率 管開通時電壓迅速下降，電流緩慢上升，從而達(dá)到了功率管零電流開通的目的， 降低了功率管的開關(guān)損耗。以一臺不間斷電源雙PFC電路的土360VDC輸出作為輸入源，制作了一臺 220VAC輸出，2kVA/1.4kW額定負(fù)載的軟開關(guān)交錯式三電平逆變器樣機(jī)。其中 控制器采用DSP處理器TMS320 F2812為核心構(gòu)建。主電路中交錯并聯(lián)的IGBT 采用的是IRG4PC40UD，開關(guān)頻率為20kHz。選擇換流電感為5uH。濾波電感 Lf和電容Cf分別為1.5mH和6.8uF。
附圖17為幾個功率管驅(qū)動及濾波電感Lf的電流波形，'可見Ml基本單元1 和2中的功率管(^和Q2的觸發(fā)信號u^和Ug2相位相差180° ，而主功率管Q4 的觸發(fā)信號ug4是ugl和ug2的或非輸出關(guān)系。
附圖18所示為電阻滿載下接近輸出電壓峰值附近的功率管Qt和Q2的開關(guān) 電壓電流波形。圖19為放大后(^管的開通波形，圖20則為放大的Q2管的開通 波形。由圖19可見，功率管Qi開通瞬間電壓u^先下降到了零，電流i^才上
升，實(shí)現(xiàn)了零電流開通。而功率管Q2的端電壓Uee2則在i^達(dá)到最大值之后才開
始下降到零。同樣，由圖20可見，功率管Q2開通瞬間電壓i^2先下降到了零，
電流ice2才上升，實(shí)現(xiàn)了零電流開通。測試波形與理論分析一致。這證明了所提 出的二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)方法能夠?qū)崿F(xiàn)基本單元中各功率管的 零電流開通。
權(quán)利要求
1、一種二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，由二極管中點(diǎn)箝位逆變電路實(shí)現(xiàn)，該電路由串聯(lián)的直流電源us1和us2組成的輸入電源，由并聯(lián)三端口單元M1、功率管Q3及其反并二極管D3、功率管Q4及其反并二極管D4、并聯(lián)三端口單元M2組成的逆變橋臂，由濾波電感Lf和濾波電容Cf組成的交流濾波電路，負(fù)載Z等組成，其特征是，并聯(lián)三端口單元M1由N(≥2)個并聯(lián)三端口單元M1的基本單元并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)三端口單元M1的基本單元由功率管Q1及其反并聯(lián)二極管D1，續(xù)流二極管D7，及換流電感L1組成，并聯(lián)三端口單元M1的基本單元的d端口連接到功率管Q1的集電極，功率管Q1的發(fā)射極同時連接到換流電感L1的上端和續(xù)流二極管D7的陰極，換流電感L1的下端接到并聯(lián)三端口單元M1的c端口，續(xù)流二極管D7的陽極接到地；并聯(lián)三端口單元M2由N(≥2)個并聯(lián)三端口單元M2的基本單元并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)三端口單元M2的基本單元由功率管Q5及其反并聯(lián)二極管D5，續(xù)流二極管D9，及換流電感L3組成，并聯(lián)三端口單元M2的基本單元的e端口連接到換流電感L3的上端，L3的下端連接到功率管Q5的集電極和續(xù)流二極管D9的陽極，功率管Q5的發(fā)射極連接到f端口，續(xù)流二極管D9的陰極接地。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法， 其特征是，所述并聯(lián)三端口單元M1中各個并聯(lián)三端口單元M1的基本單元1 N 中的各個功率管的開關(guān)頻率固定且一致為f;，按照第l，第2，第3,...，第N的 依次順序循環(huán)觸發(fā)，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發(fā)脈沖相差360° /N，每個 功率管的觸發(fā)脈沖占空比不超過1/N。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法， 其特征是，所述并聯(lián)三端口單元M2中各個并聯(lián)三端口單元M2的基本單元1 N中的各個功率管的開關(guān)頻率固定且一致為f;，按照第l，第2，第3,...,第N的依次順序循環(huán)觸發(fā)，相鄰兩個基本單元的功率管的觸發(fā)脈沖相差360。 /N，每個 功率管的觸發(fā)脈沖占空比不超過1/N。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法， 其特征是，所述主功率管Q4的觸發(fā)信號的邏輯由并聯(lián)三端口單元M1的N個基 本單元的N個功率管觸發(fā)邏輯信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯 信號確定。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法， 其特征是，所述主功率管Q3的觸發(fā)信號的邏輯由并聯(lián)三端口單元M2的N個基 本單元的N個功率管觸發(fā)信號輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號 確定。
全文摘要
一種二極管中點(diǎn)箝位逆變電路零電流開關(guān)的實(shí)現(xiàn)方法，由二極管中點(diǎn)箝位逆變電路實(shí)現(xiàn)，組成該電路的并聯(lián)三端口單元M1、M2分別由N(≥2)個并聯(lián)三端口單元M1或M2的基本單元并聯(lián)構(gòu)成，并聯(lián)三端口單元M1(M2)的基本單元由功率管Q₁(Q₅)及其反并聯(lián)二極管D₁(D₅)，續(xù)流二極管D₇(D₉)，及換流電感L₁(L₃)組成。M1和M2的基本單元1～N中的各功率管按照第1，第2，...，第N的順序循環(huán)觸發(fā)，相鄰兩個基本單元的功率管觸發(fā)脈沖相差360°/N，各功率管的觸發(fā)脈沖占空比小于1/N；主功率管Q₄(Q₃)的觸發(fā)邏輯由M1(M2)的N個基本單元的N個功率管觸發(fā)邏輯輸入一個N路輸入的或非門得到的輸出邏輯信號確定。本發(fā)明方法能夠?qū)崿F(xiàn)各基本單元中各功率管的零電流開通。
文檔編號H02M7/797GK101662231SQ200910186010
公開日2010年3月3日 申請日期2009年9月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月9日
發(fā)明者袁義生 申請人:華東交通大學(xué)