專利名稱：一種軟開關(guān)逆變電路及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于逆變器技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種軟開關(guān)逆變電路及其控制方法。
背景技術(shù)：
目前，大多數(shù)橋式逆變器采用硬開關(guān)脈沖寬度調(diào)制(PWM)技術(shù)，在PWM逆變器中， 輸出變壓器、濾波電感和散熱器的體積和重量占主要部分，為了減小電力電子裝置的體積 與重量，提高逆變器的功率密度，必須提高逆變器功率開關(guān)器件的開關(guān)頻率。但是高頻化 后，功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗急劇增大，導(dǎo)致功率開關(guān)器件的結(jié)溫急劇上升，阻止了功率變 換電路的高頻化；而且高頻化后功率開關(guān)器件很大的電壓、電流變化率(du/dt、di/dt)將 產(chǎn)生較大的電磁干擾(EMI)，影響電路的正常運行。同時，功率開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷瞬間的 電壓和電流峰值可能使功率開關(guān)器件的運行軌跡超出安全工作區(qū)(SOA)，導(dǎo)致功率開關(guān)器 件的損壞。采用緩沖電路雖然可降低功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗，但其將損耗轉(zhuǎn)移到阻容元 件消耗，系統(tǒng)效率低。因此，人們研究諧振軟開關(guān)來解決上述問題。所謂“軟開關(guān)技術(shù)”，就 是通過諧振，使功率開關(guān)器件在其電壓為零或電流為零時導(dǎo)通或關(guān)斷，避開功率開關(guān)器件 開關(guān)時電壓與電流的重疊，從而降低du/dt、di/dt和開關(guān)損耗。但是較早提出的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器存在著開關(guān)電壓應(yīng)力較高、諧振電感損耗較 大、及離散脈寬調(diào)制引起的諧波等問題；而準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器需要在電感電流中預(yù)先 設(shè)定一個或幾個和輔助開關(guān)控制有關(guān)的閾值，諧振的發(fā)生才能達到預(yù)期的工作過程，這些 閾值通常情況與負(fù)載電流有關(guān)，這就給電路在全負(fù)載范圍內(nèi)的實現(xiàn)帶來了困難，控制比較 復(fù)雜?！峨姽ぜ夹g(shù)學(xué)報》2001年第16卷第6期公開了“一種新的直流母線并聯(lián)諧振零電 壓過渡三相PWM電壓源逆變器”。如圖11所示，該技術(shù)在直流環(huán)節(jié)添加輔助諧振電路8，該 電路在傳統(tǒng)的直流環(huán)節(jié)逆變器電路中直流母線上增加了一個由直流母線開關(guān)&、兩個反方 向串聯(lián)的輔助開關(guān)\和&、一個輔助二極管VD及諧振電感Lr和電容Cr構(gòu)成的諧振網(wǎng)絡(luò)， 所有增加的輔助開關(guān)均帶有續(xù)流二極管，逆變橋功率開關(guān)器件需要動作時通過合理控制開 關(guān)器件SA、SB, Sl,使得直流環(huán)節(jié)電壓諧振到零，直流環(huán)節(jié)零電壓凹槽期間逆變橋功率開關(guān)器 件完成開關(guān)動作，開關(guān)過程結(jié)束后使得直流環(huán)節(jié)電壓諧振回升。中國專利200610105134. 5公開了 “一種諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變電路”，如圖12 所示，該技術(shù)在直流電源1和逆變橋4之間添加諧振輔助電路二 9，包括3個輔助開關(guān)、6個 二極管、3個電容和1個電感；二極管D2、D3、D4、D5依次串聯(lián)，D2的陰極接直流母線Pl極， D2的陽極和電容Cl的一端以及D3的陰極相連，D5的陰極和電容C2的一端以及D4的陽極 相連，D5的陽極接直流母線的N極；Dl的陰極和電容C2的另一端相接，然后接直流母線的 P2極，Dl的陽極接直流母線的N極；輔助開關(guān)V2、V3串聯(lián)，串聯(lián)點與電感Lr 一端相連，同 時與D3的陽極、D4的陰極相連，V2的另一端接直流母線Pl極，V3的另一端接直流母線的 N極；電感Lr的另一端和電容Cl的另一端相連后接直流母線的P2極；輔助開關(guān)Vl兩端接 二極管D6兩端，D6的陰極接直流母線的P1，D6的陽極接直流母線的P2極；電容Cr兩端接于直流母線的P2極和N極；Pl極接直流電源的正極；P2極接逆變橋的正端；N極接直流電 源的負(fù)極和逆變橋的負(fù)端；控制電路連接輔助開關(guān)V1、V2、V3。這兩項技術(shù)既克服了傳統(tǒng)PWM逆變器開關(guān)損耗大、電磁干擾嚴(yán)重的缺點，又具有 如下優(yōu)點①所有的開關(guān)均為零電壓開關(guān)(ZVS)或零電流開關(guān)(ZCS)；②諧振自然發(fā)生，不 需要設(shè)定閾值；③逆變橋中的續(xù)流二極管也是軟關(guān)斷，克服了反向恢復(fù)問題；④諧振過程 所用的時間短；⑤可以實現(xiàn)PWM控制方法等。但這些技術(shù)仍然存在不足諧振輔助電路中需要增加三個輔助開關(guān)，同時，三個輔 助開關(guān)需要三套驅(qū)動單元和驅(qū)動電源，增加了系統(tǒng)附加成本和控制的復(fù)雜程度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種附加成本 低、易于工程實現(xiàn)，提高逆變器的工作效率和功率密度，降低電磁干擾，簡化控制方法的軟 開關(guān)逆變電路。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種軟開關(guān)逆變電路及其控制 方法，其特征在于包括控制電路、直流電源和將直流電轉(zhuǎn)換成交流電的逆變橋，所述直流 電源的輸出端接分壓電路且通過直流母線給逆變橋供電，所述逆變橋與控制電路相接，其 特征在于所述分壓電路與逆變橋之間連接有諧振輔助電路，所述諧振輔助電路由兩個輔 助開關(guān)V和Tr、一個單相整流橋、一個電容Cr、l個二極管D和1個電感Lr構(gòu)成，所述單相 整流橋由二極管Drl、Dr2、Dr3和Dr4構(gòu)成，所述單相整流橋的一個交流端與分壓電路的中 點相接，所述單相整流橋的另一個交流端與直流母線的P極相接，所述單相整流橋的一個 直流輸出端與輔助開關(guān)的一端相接，所述單相整流橋的另一個直流輸出端與電感Lr的 一端相接，所述輔助開關(guān)Tr的另一端與電感Lr的另一端相接，所述輔助開關(guān)V的一端和二 極管D的陰極均與直流電源的正極相接，所述輔助開關(guān)V的另一端和二極管D的陽極均與 直流母線的P極相接，所述電容Cr的兩端分別與直流母線的P極和直流母線的N極相接， 所述直流母線的P極與逆變橋的正端相接，所述直流母線的N極與直流電源的負(fù)極和逆變 橋的負(fù)端相接；所述諧振輔助電路與控制電路相接并由控制電路發(fā)出的信號dV和dTr控制 輔助開關(guān)V和Tr的導(dǎo)通和關(guān)斷。上述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述輔助開關(guān)V和Tr是全控型器件。上述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述輔助開關(guān)V和Tr是功率晶體管、絕 緣柵雙極晶體管、功率場效應(yīng)晶體管或智能功率模塊。上述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述二極管D為快恢復(fù)二極管或高頻
二極管。上述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述電容Cr由并聯(lián)在直流母線的P極 和直流母線的N極之間的多個電容構(gòu)成。上述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述逆變橋為H橋或多相橋。本發(fā)明還提供了一種簡單實用、效率高、可靠性高的軟開關(guān)逆變電路的控制方法， 其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、當(dāng)逆變橋中的功率開關(guān)器件需要從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種開關(guān)狀態(tài) 時，控制電路發(fā)出控制信號提前導(dǎo)通輔助開關(guān)Tr并同時關(guān)斷輔助開關(guān)V，電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振下降，同時，電感Lr上的電流諧振上升，電容Cr上的 電壓諧振下降，當(dāng)電容Cr上的電壓下降到直流電源電壓的一半時，電感Lr上的電流開始下 降；步驟二、當(dāng)直流母線P極的電壓下降至零時，電感Lr上的電流也下降到零，此時， 控制電路發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)關(guān)斷；步驟三、直流母線P極的電壓保持為零，逆變橋中的功率開關(guān)器件在控制電路的 控制下完成軟開關(guān)動作；步驟四、逆變橋中的功率開關(guān)器件開關(guān)動作完成后，控制電路發(fā)出控制信號使輔 助開關(guān)Tr導(dǎo)通，電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振上升；步驟五、當(dāng)直流母線P極的電壓上升至直流電源電壓時，控制電路發(fā)出控制信號 使輔助開關(guān)V導(dǎo)通，電感Lr上的電流迅速下降；步驟六、當(dāng)電感Lr上的電流下降到零后，控制電路發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)Tr關(guān) 斷，逆變橋中的功率開關(guān)器件完成從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點1、諧振過程所用的時間較短，消耗功率較??；2、諧振網(wǎng)絡(luò)無諧振閾值限制；3、逆變橋的續(xù)流二極管實現(xiàn)了軟性關(guān)斷，克服了反向恢復(fù)問題；4、可以實現(xiàn)PWM控制，諧振輔助電路只有兩個開關(guān)使方法更加簡單，易于工程實 現(xiàn)；5、諧振輔助電路只有兩個開關(guān)，降低了附加成本，提高了可靠性；6、輔助開關(guān)Tr的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的一半，有利于器件選擇和進一步 降低附加成本；7、可用于三相或多相橋驅(qū)動的感應(yīng)電機、永磁同步電機、無刷直流電機等交流電 動機，同時可用于H橋驅(qū)動的感性負(fù)載；8、逆變橋主開關(guān)操作均為零電壓開關(guān)(ZVS)，諧振輔助電路開關(guān)器件的操作為零 電壓開關(guān)輔或零電流開關(guān)(ZCS)，克服了電磁干擾(EMI)問題且提高了開關(guān)變換器的運 行效率；9、開關(guān)變換器可以運行在更高的開關(guān)頻率，增強了原系統(tǒng)的效率、提高了功率密度。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細(xì)描述。


圖1為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例1的電路原理圖。圖2為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例1的等效電路圖。圖3為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例1的時序波形圖。圖如為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式a[t0 tl]的等效電路圖。圖4b為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式b[tl t2]的等效電路圖。圖如為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式c [t2 t3]的等效電路圖。圖4d為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式d[t3 t4]的等效電路圖。
圖如為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式e[t4 t5]的等效電路圖。圖4f為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式f [t5 t6]的等效電路圖。圖5為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的電路原理圖。圖6為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的控制流程圖。圖7為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的電容Cr上的電壓Ucr和電感Lr上的電 流、的波形圖。圖8為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的三相永磁無刷直流電機的電流波形圖。圖9為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的輔助開關(guān)V兩端電壓Uv與輔助開關(guān)V的 驅(qū)動信號dV的波形圖。圖10為本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路實施例2的輔助開關(guān)Tr的電流iT,與輔助開關(guān)Tr 的驅(qū)動信號dTr的波形圖。圖11為現(xiàn)有技術(shù)1的諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)三相逆變器的電路圖。圖12為現(xiàn)有技術(shù)2的諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變電路的電路圖。附圖標(biāo)記說明
2-分壓電路； 3-諧振輔助電路； 5-感性負(fù)載； 6-控制電路； 8-輔助諧振電路；9-諧振輔助電路二 ；I-直流電源；4-逆變橋；7-三相永磁無刷直流電機；10-逆變橋二 ；
11-電機。
具體實施例方式實施例1如圖1所示的一種軟開關(guān)逆變電路，包括控制電路6、直流電源1和將直流電轉(zhuǎn)換 成交流電的逆變橋4，所述直流電源1的輸出端接分壓電路2且通過直流母線給逆變橋4供 電，所述逆變橋4與控制電路6相接，其特征在于所述分壓電路2與逆變橋4之間連接有 諧振輔助電路3，所述諧振輔助電路3由兩個輔助開關(guān)V和Tr、一個單相整流橋、一個電容 Cr、l個二極管D和1個電感Lr構(gòu)成，所述單相整流橋由二極管Drl、Dr2、Dr3和Dr4構(gòu)成， 所述單相整流橋的一個交流端與分壓電路2的中點相接，所述單相整流橋的另一個交流端 與直流母線的P極相接，所述單相整流橋的一個直流輸出端與輔助開關(guān)Tr的一端相接，所 述單相整流橋的另一個直流輸出端與電感Lr的一端相接，所述輔助開關(guān)Tr的另一端與電 感Lr的另一端相接，所述輔助開關(guān)V的一端和二極管D的陰極均與直流電源1的正極相接， 所述輔助開關(guān)V的另一端和二極管D的陽極均與直流母線的P極相接，所述電容Cr的兩端 分別與直流母線的P極和直流母線的N極相接，所述直流母線的P極與逆變橋4的正端相 接，所述直流母線的N極與直流電源1的負(fù)極和逆變橋4的負(fù)端相接；所述諧振輔助電路3 與控制電路6相接并由控制電路6發(fā)出的信號dV和dTr控制輔助開關(guān)V和Tr的導(dǎo)通和關(guān) 斷。本實施例中，所述輔助開關(guān)V和Tr是全控型器件。所述輔助開關(guān)V和Tr是功率 晶體管(GTR)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或智能功率模塊 (IPM)，這樣，開關(guān)電路完全由控制電路直接控制，無須增加導(dǎo)通或關(guān)斷輔助電路。所述二極管D為快恢復(fù)二極管或高頻二極管。所述電容Cr由并聯(lián)在直流母線的P極和直流母線的 N極之間的多個電容構(gòu)成，當(dāng)多個電容分散地并聯(lián)在直流母線的P極和直流母線的N極之 間時，功率開關(guān)器件可以直接關(guān)斷，由于有電容來緩沖關(guān)斷時的能量，使得關(guān)斷為零電壓開 關(guān)(ZVS)動作，只需在開關(guān)導(dǎo)通時使諧振發(fā)生，產(chǎn)生零電壓凹槽，實現(xiàn)逆變橋4開關(guān)零電壓 開關(guān)輔條件下的導(dǎo)通。所述逆變橋4為H橋或多相橋，H橋用于驅(qū)動單相負(fù)載，多相橋 用于驅(qū)動多相負(fù)載。本實施例中，所述直流電源1采用電池串并聯(lián)產(chǎn)生的直流電源E ；所述分壓電路2 由兩個電容CD1、CD2串接而成，分壓電路2的兩端連接直流電源1 ；所述的逆變橋4為公知 的三相逆變橋，所述三相逆變橋的三個極點與感性負(fù)載5相接，由控制電路6發(fā)出的信號 dSx(x取值從1到6)控制三相逆變橋中功率開關(guān)器件&c(x取值從1到6)的導(dǎo)通和關(guān)斷； 所述功率開關(guān)器件(χ取值從1到6)是全控型器件，所述功率開關(guān)器件(χ取值從1到 6)是功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、功率場效應(yīng)晶體管(MOSFET)或智能功 率模塊(IPM)，所述功率開關(guān)器件&c(x取值從1到6)由控制電路6發(fā)出的控制信號dsx(x 取值從1到6)控制其導(dǎo)通和關(guān)斷；所述三相逆變橋中的二極管SDx (χ取值從1到6)為快 恢復(fù)二極管或高頻二極管，快恢復(fù)二極管和高頻二極管不僅具有足夠的耐壓，而且其描述 頻率特性的反向恢復(fù)時間足夠短。對上述軟開關(guān)逆變電路進行控制的一種控制方法，包括以下步驟步驟一、當(dāng)逆變橋4中的功率開關(guān)器件需要從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種開關(guān)狀 態(tài)時，控制電路6出控制信號提前導(dǎo)通輔助開關(guān)Tr并同時關(guān)斷輔助開關(guān)V，電感Lr和電容 Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振下降，同時，電感Lr上的電流諧振上升，電容Cr上 的電壓諧振下降，當(dāng)電容Cr上的電壓下降到直流電源1電壓的一半時，電感Lr上的電流開 始下降；步驟二、當(dāng)直流母線P極的電壓下降至零時，電感Lr上的電流也下降到零，此時， 控制電路6發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)Tr關(guān)斷；步驟三、直流母線P極的電壓保持為零，逆變橋4中的功率開關(guān)器件在控制電路6 的控制下完成軟開關(guān)動作；步驟四、逆變橋4中的功率開關(guān)器件開關(guān)動作完成后，控制電路6發(fā)出控制信號使 輔助開關(guān)Tr導(dǎo)通，電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振上升；步驟五、當(dāng)直流母線P極的電壓上升至直流電源1電壓時，控制電路6發(fā)出控制信 號使輔助開關(guān)V導(dǎo)通，電感Lr上的電流迅速下降；步驟六、當(dāng)電感Lr上的電流下降到零后，控制電路6發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)Tr 關(guān)斷，逆變橋4中的功率開關(guān)器件完成從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。為了進一步說明本發(fā)明軟開關(guān)逆變電路的控制方法，用等效電路圖2代替圖1，由 于感性負(fù)載5的電感遠(yuǎn)大于諧振電感Lr，逆變橋4中的功率開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)過渡瞬間的 負(fù)載電流可以認(rèn)為是恒流源Io，逆變橋4中的功率開關(guān)器件開關(guān)狀態(tài)過渡瞬間，逆變橋4中 的二極管SDx (χ取值從1到6)等效為續(xù)流二極管TDi。假定逆變橋4中的功率開關(guān)器件 需要完成從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的開關(guān)動作，其一個開關(guān)過程的時序波形如圖 3所示，控制電路6封鎖輔助開關(guān)V的驅(qū)動信號dV，輸出輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，電感 Lr和電容Cr發(fā)生諧振，使得直流母線P極的電壓Ucr下降到零，同時，電感Lr上的電流、也下降到零，控制電路6封鎖輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，逆變橋4中的功率開關(guān)器件在控 制電路6輸出的逆變橋4功率開關(guān)器件驅(qū)動信號下改變開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)過程結(jié)束后，控制電 路6輸出輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，使直流母線P極的電壓Ucr上升到直流電源1電壓， 控制電路6輸出輔助開關(guān)V的驅(qū)動信號dV，當(dāng)電感Lr上的電流‘下降為零后，控制電路6 封鎖輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，逆變橋4中的功率開關(guān)器件完成從一種開關(guān)狀態(tài)到另一 種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。下面具體分析圖1的開關(guān)動作，它由6個工作模式組成，圖4a_圖4f給出了軟開 關(guān)逆變電路狀態(tài)過渡期間模式等效電路。模式a[t0 tl]如圖如所示，假定這是電路的初始工作狀態(tài)，輔助開關(guān)Tr斷開， 輔助開關(guān)V導(dǎo)通，直流電源1經(jīng)輔助開關(guān)V向逆變橋4提供電流，設(shè)電感Lr上的電流為iw 直流母線P極的電壓為Ucr，則有Ut) = 0，Ucr (t) = E0模式b [tl t2]如圖4b所示，當(dāng)t = tl時，關(guān)斷輔助開關(guān)V，由于電容Cr的電壓 不能突變，所以該關(guān)斷為零電壓開關(guān)(ZVS)動作。同時導(dǎo)通輔助開關(guān)Tr，由于電感電流、 不能突變，所以該導(dǎo)通為零電流開關(guān)(ZCS)動作；當(dāng)t = t2時，直流母線P極的電壓Ucr諧 振為零，即= 0。模式c[t2 t3]如圖如所示，當(dāng)t = t2時，直流母線P極的電壓Ucr下降至零， 負(fù)載電流Itl流過續(xù)流二極管TDi，同時，電感電流、也下降到零，此時關(guān)斷輔助開關(guān)Tr，則 輔助開關(guān)Tr為零電流開關(guān)(ZCS)動作；在t2 t3階段，逆變橋4續(xù)流二極管和負(fù)載電流 構(gòu)成回路，和公知的逆變器工作狀態(tài)相同。在t2 t3階段，直流母線P極電壓Ucr為零，逆 變橋4中的功率開關(guān)器件完成零電壓開關(guān)(ZVS)動作，且此段時間可以控制，等開關(guān)動作結(jié) 束后，開始進行直流母線P極電壓Ucr回升。模式d[t3 t4]如圖4d所示，當(dāng)t = t3時，零電流開關(guān)(ZCS)動作下導(dǎo)通輔助 開關(guān)Tr，則電感電流、線性增加，并通過逆變橋4中的功率開關(guān)器件向負(fù)載供電，使流過 續(xù)流二極管TDi的電流線性減小，當(dāng)t = t4時，電感電流、和負(fù)載電流相等，使續(xù)流二極 管TDi軟關(guān)斷。模式e[t4 t6]如圖如所示，當(dāng)t = t4時，電感電流‘和負(fù)載電流相等且繼續(xù) 增加，電感電流‘ 一部分和負(fù)載電流保持平衡，另一部分使得電感Lr和電容Cr發(fā)生自然 諧振，電容Cr上的電壓上升；當(dāng)t = t5時，電感電流、達到最大值；在諧振過程中，直流 母線P極電壓t逐漸上升至直流電源1電壓，當(dāng)t = t6時，Ucr (t6) = E，二極管D導(dǎo)通， 限制了直流母線P極電壓Ucr的進一步增加。模式f[t6 t7]如圖4f所示，當(dāng)t = t6時，Utt(t6) = E，故電容Cr的充電停止， 此時導(dǎo)通輔助開關(guān)V為零電壓(ZVS)開關(guān)動作；輔助開關(guān)V導(dǎo)通后，直流電源1經(jīng)輔助開關(guān) V向負(fù)載補充電流，同時，直流電源1電壓的一半加在電感Lr兩端，電感電流、迅速減小。 當(dāng)t = t7時，電感電流‘減小到零，此后負(fù)載電流全部由直流電源1提供，此時關(guān)斷輔助 開關(guān)Tr，則輔助開關(guān)Tr為零電流開關(guān)(ZCS)動作。電路狀態(tài)又回到模式a[t0 tl]。實施例2如圖5所示，提供了一種軟開關(guān)逆變電路，將其用于三相永磁無刷直流電機7驅(qū) 動。本實施例是在實施例1的基礎(chǔ)上，將感性負(fù)載5換成具體的三相永磁無刷直流電機7， 其余部分的電路結(jié)構(gòu)與實施例1相同，工作原理與實施例1相同，此處不再贅述。在此，主要對本實施例進行了仿真。仿真時，三相永磁無刷直流電機7工作在公知的星形三相六狀 態(tài)，其參數(shù)為額定功率40W，額定電壓MV，極數(shù)為4，每相繞組電阻0. 95 Ω，每相繞組電感 0. 829mH。本實施例中，諧振輔助電路3的參數(shù)為電容Cr = 22nF,諧振電感Lr = 5uH。公 知的直流電源1的電壓為MV，三相逆變橋的載波頻率為20kHz。根據(jù)本發(fā)明的工作原理，其控制流程如圖6所示，在逆變橋4中的功率開關(guān)器件需 要進行PWM關(guān)斷動作時，在PWM下降沿，控制電路6封鎖輔助開關(guān)V的驅(qū)動信號dV，輸出輔 助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，電感Lr與電容Cr諧振使得直流母線P極的電壓Ucr下降到零， 同時，電感Lr上的電流‘也下降為零，控制電路6封鎖輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，控制 電路6關(guān)斷逆變橋4中的功率開關(guān)器件，逆變橋4中的功率開關(guān)器件在電機電流的作用下 形成續(xù)流回路；在逆變橋4中的功率開關(guān)器件需要進行PWM導(dǎo)通動作時，在PWM上升沿，控 制電路6導(dǎo)通逆變橋4中的功率開關(guān)器件，控制電路6輸出輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，使 直流母線P級的電壓Ucr諧振上升至電源電壓，之后控制電路6輸出輔助開關(guān)V的驅(qū)動信號 dV，當(dāng)電感Lr上的電流‘降為零時，控制電路6封鎖輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，完成一 次PWM過程。實際效果如下所述圖7為本發(fā)明在實施例2下仿真得到的輔助諧振單元3的電容Cr的電壓、電感Lr 的電流波形圖，從圖中可以看出，其與圖3的時序一致。圖8為本發(fā)明在實施例2下仿真得 到的一相電流，可見三相永磁無刷直流電機7完全按120°星形三相六狀態(tài)工作。圖9為本 發(fā)明在實施例2下仿真得到的輔助開關(guān)V兩端電壓uv與輔助開關(guān)V的驅(qū)動信號dV，可以看 出輔助開關(guān)V工作在零電壓開關(guān)(ZVS)條件下。圖10為本發(fā)明在實施例2下仿真得到的 輔助開關(guān)Tr兩端電流iT,與輔助開關(guān)Tr的驅(qū)動信號dTr，可以看出輔助開關(guān)Tr工作在零 電流開關(guān)(ZCQ條件。綜上所述，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點①諧振過程所用的時間較短， 消耗功率較??；②諧振網(wǎng)絡(luò)無諧振閾值限制；③逆變橋的續(xù)流二極管實現(xiàn)了軟性關(guān)斷，克 服了反向恢復(fù)問題；④可以實現(xiàn)PWM控制，輔助諧振電路只有兩個開關(guān)使方法更加簡單，易 于工程實現(xiàn)；⑤諧振輔助電路只有兩個開關(guān)，降低了附加成本，提高了可靠性；⑥輔助開關(guān) Tr的電壓應(yīng)力僅為直流母線電壓的一半，有利于器件選擇和進一步降低附加成本；⑦可用 于三相或多相橋驅(qū)動的感應(yīng)電機、永磁同步電機、無刷直流電機等交流電動機，同時可用于 H橋驅(qū)動的感性負(fù)載；⑧逆變橋主開關(guān)操作均為零電壓開關(guān)(ZVS)，諧振輔助電路開關(guān)器件 的操作為零電壓開關(guān)輔或零電流開關(guān)(ZCS)，克服了 EMI問題且提高了開關(guān)變換器的 運行效率。⑨開關(guān)變換器可以運行在更高的開關(guān)頻率，增強了原系統(tǒng)的效率、提高了功率密 度。以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例，并非對本發(fā)明作任何限制，凡是根據(jù)本發(fā)明 技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效結(jié)構(gòu)變化，均仍屬于本發(fā)明技 術(shù)方案的保護范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于包括控制電路(6)、直流電源(1)和將直流電轉(zhuǎn)換成 交流電的逆變橋(4)，所述直流電源⑴的輸出端接分壓電路(2)且通過直流母線給逆變橋(4) 供電，所述逆變橋⑷與控制電路(6)相接，其特征在于所述分壓電路(2)與逆變橋(4)之間 連接有諧振輔助電路(3)，所述諧振輔助電路⑶由兩個輔助開關(guān)V和Tr、一個單相整流橋、一 個電容Cr、l個二極管D和1個電感Lr構(gòu)成，所述單相整流橋由二極管Drl、Dr2、Dr3和Dr4構(gòu) 成，所述單相整流橋的一個交流端與分壓電路(2)的中點相接，所述單相整流橋的另一個交流 端與直流母線的P極相接，所述單相整流橋的一個直流輸出端與輔助開關(guān)Tr的一端相接，所述 單相整流橋的另一個直流輸出端與電感Lr的一端相接，所述輔助開關(guān)Tr的另一端與電感Lr的 另一端相接，所述輔助開關(guān)V的一端和二極管D的陰極均與直流電源(1)的正極相接，所述輔 助開關(guān)V的另一端和二極管D的陽極均與直流母線的P極相接，所述電容Cr的兩端分別與直 流母線的P極和直流母線的N極相接，所述直流母線的P極與逆變橋(4)的正端相接，所述直 流母線的N極與直流電源⑴的負(fù)極和逆變橋(4)的負(fù)端相接；所述諧振輔助電路⑶與控制 電路(6)相接并由控制電路(6)發(fā)出的信號dV和dTr控制輔助開關(guān)V和Tr的導(dǎo)通和關(guān)斷。
2.按照權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述輔助開關(guān)V和Tr是 全控型器件。
3.按照權(quán)利要求2所述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述輔助開關(guān)V和Ti 是 功率晶體管、絕緣柵雙極晶體管、功率場效應(yīng)晶體管或智能功率模塊。
4.按照權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述二極管D為快恢復(fù) 二極管或高頻二極管。
5.按照權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述電容Cr由并聯(lián)在直 流母線的P極和直流母線的N極之間的多個電容構(gòu)成。
6.按照權(quán)利要求1所述的一種軟開關(guān)逆變電路，其特征在于所述逆變橋(4)為H橋 或多相橋。
7.一種軟開關(guān)逆變電路的控制方法，其特征在于該方法包括以下步驟步驟一、當(dāng)逆變橋中的功率開關(guān)器件需要從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種開關(guān)狀態(tài) 時，控制電路(6)發(fā)出控制信號提前導(dǎo)通輔助開關(guān)Tr并同時關(guān)斷輔助開關(guān)V，電感Lr和電 容Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振下降，同時，電感Lr上的電流諧振上升，電容Cr 上的電壓諧振下降，當(dāng)電容Cr上的電壓下降到直流電源⑴電壓的一半時，電感Lr上的電 流開始下降；步驟二、當(dāng)直流母線P極的電壓下降至零時，電感Lr上的電流也下降到零，此時，控制 電路(6)發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)Tr關(guān)斷；步驟三、直流母線P極的電壓保持為零，逆變橋(4)中的功率開關(guān)器件在控制電路(6) 的控制下完成軟開關(guān)動作；步驟四、逆變橋(4)中的功率開關(guān)器件開關(guān)動作完成后，控制電路(6)發(fā)出控制信號使 輔助開關(guān)Tr導(dǎo)通，電感Lr和電容Cr發(fā)生諧振，使直流母線P極的電壓諧振上升；步驟五、當(dāng)直流母線P極的電壓上升至直流電源⑴電壓時，控制電路(6)發(fā)出控制信 號使輔助開關(guān)V導(dǎo)通，電感Lr上的電流迅速下降；步驟六、當(dāng)電感Lr上的電流下降到零后，控制電路(6)發(fā)出控制信號使輔助開關(guān)Tr關(guān) 斷，逆變橋中的功率開關(guān)器件完成從一種開關(guān)狀態(tài)到另一種開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種軟開關(guān)逆變電路及其控制方法，其軟開關(guān)逆變電路包括控制電路、直流電源、分壓電路和逆變橋，分壓電路與逆變橋之間連接有諧振輔助電路，諧振輔助電路由兩個輔助開關(guān)V和Tr、一個單相整流橋、一個電容Cr、1個二極管D和1個電感Lr構(gòu)成，單相整流橋由二極管Dr1、Dr2、Dr3和Dr4構(gòu)成，諧振輔助電路與控制電路相接并由控制電路發(fā)出的信號dV和dTr控制輔助開關(guān)V和Tr的導(dǎo)通和關(guān)斷；其軟開關(guān)逆變電路的控制方法為當(dāng)逆變橋的功率器件需要從一種開關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種開關(guān)狀態(tài)時，控制電路發(fā)出控制信號合理控制輔助開關(guān)V、Tr的導(dǎo)通和關(guān)斷。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)附加成本高、控制復(fù)雜及逆變器功率密度低等不足，提高了逆變器的功率密度，降低了電磁干擾，控制方法簡單、易于實現(xiàn)。
文檔編號H02M1/44GK102097970SQ20101060393
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月24日
發(fā)明者賀虎成 申請人:西安科技大學(xué)