改進型箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的實現(xiàn)機理分析

王強 胡斐 王天施 劉曉琴

摘 要：為使箝位二極管承受的電壓值不超過直流母線電壓，提出了一種改進型箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器，逆變器的輔助諧振電路中只有一個輔助開關器件，箝位電路中無需設置箝位開關，而且逆變器的直流母線電壓被箝位在輸入直流電壓的1.1～1.3倍，有效地降低了電壓應力。根據(jù)各工作階段下的等效電路，分析了電路的工作過程，軟開關實現(xiàn)條件和實驗參數(shù)的設計，實驗結果表明主開關器件在輕載和滿載時都可以實現(xiàn)零電壓軟切換，輔助開關可以實現(xiàn)零電流軟切換。因此，該拓撲結構能夠有效地降低開關損耗。

關鍵詞：逆變器；諧振；箝位；零電壓開關；零電流開關

中圖分類號：TM 464

文獻標志碼：A

文章編號：1007-449X（2018）05-0070-08

Abstract： A novel clamped resonant DClink inverter was proposed to make the voltage across the clamped diode be no more than the voltage of DCbus. There was only one auxiliary switch in auxiliary resonant circuit， and it was unnecessary to set clamped switch. Besides， the DClink voltage can be clamped at 1.1～1.3 times of input DCvoltage， which reduced the voltage pressure effectively. According to equivalent circuits under different stages， the working process of the inverter was analyzed， realization condition of the soft switching and experimental parameters were designed. The experimental results demonstrate that main switching devices achieved zerovoltage soft switching at light and full load， and auxiliary switching devices achieve zerocurrent soft switching. Therefore， the proposed topology can reduce switching loss effectively.

Keywords：inverter； resonant； clamp； zerovoltage switching； zerocurrent switching

0 引 言

近些年，各種高性能的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器已被科研人員提出，包括無源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器[1]、有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器[2-10]。例如文獻[1]提出的拓撲結構采用耦合電感輔助換流，導致了箝位二極管兩端承受的反向電壓是直流環(huán)節(jié)電壓的數(shù)倍，過大的電壓應力會使器件受到不可逆轉(zhuǎn)的損害；文獻[2-4]提出的拓撲結構需要設置額外的箝位開關，增加了電路控制的復雜性；文獻[5]提出的逆變器拓撲結構中用于形成電源中點的兩個大電容會造成逆變器中性點電位的變化，對軟開關的實現(xiàn)產(chǎn)生不利影響；文獻[6-8]提出的拓撲結構中，為減小直流環(huán)節(jié)在高頻諧振下產(chǎn)生的較大損耗，對母線諧振電壓采用了相對復雜的雙幅控制策略；文獻[9-10]提出的拓撲結構需設定幾個與輔助開關控制有關的閾值，這樣就給電路在全負載范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關帶來了困難。

為改進以上缺點，本文設計出一種改進型箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的拓撲結構，文中分析了輔助諧振電路的各工作階段和軟開關實現(xiàn)條件，設計了電路實驗參數(shù)，最后用實驗來驗證該拓撲結構的有效性。

1 電路結構及動作原理

1.1 電路結構

圖1表示該逆變器的主電路。輔助諧振電路包括電感L1、L2、L3，輔助開關Sa及其反并聯(lián)二極管Da和與電感L3串聯(lián)的二極管Dc。箝位電路包括電容C1和箝位二極管Db，電容C1是一個大容量的濾波電容，在此電路中相當于一個低壓直流電源，在該箝位電路的作用下可將電容C兩端電壓uc箝位在KUS（KUS=US+UC1，K為箝位因數(shù)）。箝位二極管Db兩端承受的反向電壓為UL1+UC1，而UL1小于US，所以UL1+UC1小于KUS，即箝位二極管承受的最大電壓不會超過直流母線電壓的最大值。為使對該新型逆變器的分析簡單化，可假設：1）器件均在理想條件下運行；2）負載電感值遠大于諧振電感值，所以可將逆變器換流期間的負載電流假設為一個恒定值I0；3）C、Sinv和Dinv并聯(lián)組成逆變器等效電路，且C=3Cs。圖2所示的電路為該逆變器的主電路圖1的等效電路，圖2同時展現(xiàn)了各部分的電壓和電流的正方向。

1.2 工作過程分析

該逆變器電路工作過程分為8個階段，圖3表示電路的特征波形，圖4表示各個階段工作狀態(tài)。C、L1、L2和L3為電路的4個換能元件，uc、i1、i2和i3為整個系統(tǒng)狀態(tài)變量，用電容C電壓狀態(tài)變量uc和電感電流狀態(tài)變量i1、i2、i3組成3個相平面來分析此電路[11-14]。

4 結 論

相比于其它文獻提出的同類型逆變器，本文設計的改進型箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的顯著優(yōu)點是該逆變器箝位電路中的箝位二極管所承受的最大電壓值不會超過直流環(huán)節(jié)電壓的最大值，降低了開關器件電壓應力，而且在其輔助電路中僅僅只含有一個輔助開關器件，無需設置箝位開關，控制相對簡單。此外，該逆變器不需要設定與電感電流有關的閾值，可使逆變器主開關在全負荷范圍內(nèi)實現(xiàn)軟開關。

參 考 文 獻：

[1] CHEN Shaotang， Thomas A Lipo. A novel softswitched PWM inverter for AC motor drives[J]. IEEE Trans. on Power Electronics，1996，17（4）：653.

[2] 張德華， 汪范彬， 劉騰， 等. 一種新型的串聯(lián)有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器雙幅控制策略[J]. 中國電機工程學報， 2002， 22（7）： 7.

ZHANG Dehua， WANG Fanbin， LIU Teng， et al. A novel twoamplituded control strategy for series actively clamped resonant DClink inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2002， 22（7）： 7.

[3] 孫德華， 應建平， 劉騰， 等. 一種新型有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器控制策略[J]. 電工技術學報， 2002， 17（2）： 44.

SUN Dehua，YING Jianping，LIU Teng，et al.A novel control strategy for the active clamped resonant DC link inverter[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2002，17（2）：44.

[4] 李睿， 馬智遠， 徐德鴻. 一種新型有源箝位軟開關三相并網(wǎng)逆變器[J]. 中國電機工程學報， 2011， 31（30）： 30.

LI Rui， MA Zhiyuan， XU Dehong. A novel active clamping soft switching gridconnected threephase inverter[J]. Proceedings of the CSEE， 2011， 31（30）： 30.

[5] 張峰， 李睿， 凌志斌， 等.一種有源箝位ZVS半橋逆變器[J].電力電子技術， 2013， 47（4）： 19.

ZHANG Feng， LI Rui， LING Zhibin， et al. An active clamping ZVS halfbridge inverter[J].Power Electronics，2013，47（4）：19.

[6] 陳沁野， 張德華， 侯堯杰. 雙幅有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器箝位電壓平衡控制策略[J]. 機電工程， 2012， 29（6）： 696.

CHEN Qinye， ZHANG Dehua， HOU Yaojie. Balance control strategy of twoamplitude actively clamped resonant DClink inverter clamping voltage[J]. Journal of mechanical & Electrical engineering， 2012， 29（6）： 696.

[7] 祁曉蕾， 阮新波.一種新的雙幅控制有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28（27）： 42.

QI Xiaolei， RUAN Xinbo. A novel twoamplitude active clamped resonant DC link inverter[J].Proceedings of the CSEE，2008，28（27）：42.

[8] 張德華， 應建平， 劉騰， 等. 雙幅有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的分析和設計[J].中國電機工程學報， 2002， 22（9）： 48.

ZHANG Dehua， YING Jianping， LIU Teng， et a1.A nalysis and design of twoamplitude active clamped resonant DClink inverter[J].Proceedings of the CSEE， 2002， 22（9）： 48.

[9] 楊迎化， 謝順依， 鐘祺， 等. 一種新型直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振軟開關逆變器[J]. 中國電機工程學報， 2008， 28（12）： 50.

YANG Yinghua， XIE Shunyi， ZHONG Qi， et al. A novel DC link parallel resonant soft switching inverter[J].Proceedings of the CSEE， 2008， 28（12）： 50.

[10] 王軍， 徐龍祥.軟開關技術在磁懸浮軸承功率放大器中的應用[J]. 電工技術學報， 2009， 24（6）： 85.

WANG Jun， XU Longxiang.Application of power amplifier for active magnetic bearing using soft switching technology[J].Transactions of China Electrotechnical Society， 2009， 24（6）： 85.

[11] 王強， 單瑞香， 王天施， 等.單相全橋諧振直流環(huán)節(jié)軟開關逆變器[J].電機與控制學報， 2017，21（3）： 38.

WANG Qiang， SHAN Ruixiang， WANG Tianshi， et al. Singlephase fullbridge resonant DClink softswitching inverter[J]. Electric Machines and Control， 2017， 21（3）： 38.

[12] 王強， 唐朝垠， 王天施， 等. 結構簡單的諧振極型零電流軟開關逆變器[J].電機與控制學報， 2016， 20（7）： 102.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al. Resonant pole zero current softswitcing inverter with simple structure[J]. Electric Machines and Control， 2016， 20（7）： 102.

[13] 王強， 唐朝垠， 王天施， 等.用于無刷直流電機驅(qū)動的諧振極軟開關逆變器[J].電機與控制學報， 2017， 21（6）： 59.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al.A resonant pole softswitching inverter for brushless DC motor drives[J].Electric Machines and Control， 2017， 21（6）： 59.

[14] 王強， 唐朝垠， 王天施， 等.輔助電路無儲能電容的諧振直流環(huán)節(jié)軟開關逆變器[J].電機與控制學報， 2017，21（8）： 78.

WANG Qiang， TANG Chaoyin， WANG Tianshi， et al.Resonant DC link softswitching inverter without storage capacitor in auxiliary circuit[J].Electric Machines and Control，2017，21（8）：78.

（編輯：張 楠）