一种新型谐振直流环节软开关逆变器及其调制方法技术

本发明专利技术提供一种新型谐振直流环节软开关逆变器及其调制方法，涉及逆变器技术领域。该逆变器包括辅助谐振电路、逆变桥、负载电路和直流电源，辅助谐振电路包括母线开关管、两个辅助开关管、两个辅助谐振电感、主谐振电容、两个辅助谐振电容、母线开关管的反并联二极管和四个辅助二极管，逆变桥为三相桥式结构，负载电路为三相阻感性负载，逆变桥各主功率开关管按照正弦脉宽调制、相位差为180°互补开通方式工作。本发明专利技术避免了辅助谐振电感电流的过零反向过程，延长逆变器的使用寿命，有效降低逆变器辅助开关管的电流应力和辅助谐振电路的导通损耗以及母线开关管和辅助开关管的开关损耗。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及逆变器
，尤其涉及一种新型谐振直流环节软开关逆变器及其调制方法。
技术介绍
1986年在D.M.Divan教授提出软开关逆变技术以后，由于其在各方面尤其是电源中所具有的重大的潜在应用价值，引起了各国专家学者的广泛重视，成为了研究热点。与传统硬开关逆变器相比，软开关逆变器通过减小开关损耗，提高装置效率来实现高频化。随着开关频率的提高，软开关逆变器的体积和重量减小、功率密度增大、PWM控制效果提高；软开关逆变器还可以降低浪涌电流，改善功率开关器件的运行环境，提高运行的可靠性；通过抑制过高的di/dt和dv/dt，软开关逆变器还能有效的减少噪声污染和电磁干扰(EMI)。传统的谐振直流环节软开关逆变器普遍存在开关器件电压应力较大，谐振电压峰值较高，电压过零点与逆变器开关方法难以同步，使逆变器输出大量谐波等问题；为了解决上述问题，国内外的学者们提出了并联谐振直流环节软开关逆变器。但是这些并联谐振直流环节软开关逆变器也存在一些问题，诸如有些回路的谐振网络需设置电感电流阈值或进行电容预充电，给电路在全负载范围内实现软开关动作带来了困难；有些回路使用耦合电感，从而增加了谐振直流环节逆变器的体积、重量与成本；有些回路含有大容量电解电容，从而导致了逆变器的中性点电位变化的问题。《中国电机工程学报》2008年第28卷第12期公开了“电机驱动用新型谐振直流环节电压源逆变器”，该逆变器的拓扑结构如图1所示。该谐振直流环节逆变器的辅助谐振电路包括母线开关管V1，两个辅助开关管V2和V3，三个辅助谐振电容C1、C2和Cr，1个辅助谐振电感Lr和六个二极管D1、D2、D3、D4、D5和D6。该逆变器既克服了传统PWM逆变器开关损耗大、电磁干扰严重的缺点，又具有以下优点：①所有开关管均为零电压或零电流开关；②不需要对谐振元件设置相关阈值；③逆变桥的续流二极管也是软关断，克服了反向恢复问题；④可以实现PWM调制。但该逆变器仍然存在不足之处：①辅助谐振电路运用一个电感，存在电感电流的过零反向过程，由于磁滞的原因，会让电感线圈产生磁滞损耗并且磁饱和，缩短了逆变器的使用寿命；②流过辅助谐振电路的电流为谐振电流与换流时刻负载电流之和，所以在全负载范围内，即使在无负载情况下，辅助谐振电路都要流过较大的电流，导致辅助开关管的电流应力和辅助谐振电路的导通损耗较大。
技术实现思路
针对现有技术的缺陷，本专利技术提供一种新型谐振直流环节软开关逆变器及其调制方法，能实现所有开关管的软开关，通过使用两个谐振电感，避免电感电流过零反向，改进的SPWM调制方法，在降低辅助谐振电路的动作频率的同时，降低辅助开关管的电流应力和辅助谐振电路的导通损耗。一方面，本专利技术提供一种新型谐振直流环节软开关逆变器，包括辅助谐振电路、逆变桥、负载电路和直流电源；辅助谐振电路包括母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、母线开关管的反并联二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管和第四辅助二极管；母线开关管的集电极连接直流电源的正极，母线开关管的发射极连接逆变桥；主谐振电容的正极连接母线开关管的集电极和第一辅助开关管的集电极，主谐振电容的负极连接母线开关管的发射极；第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极，第二辅助开关管的发射极连接直流电源的负极，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极；第一辅助二极管的阴极连接第一辅助开关管的发射极，第一辅助二极管的阳极连接第一辅助谐振电容的负极，第一辅助谐振电容的正极和第二辅助谐振电容的负极均连接母线开关管的发射极，第二辅助谐振电容的正极连接第二辅助二极管的阴极，第二辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的集电极；第三辅助二极管的阴极连接母线开关管的集电极，第三辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的发射极，第四辅助二极管的阴极连接至第一辅助谐振电容的负极；母线开关管的反并联二极管的阳极连接母线开关管的发射极，母线开关管的反并联二极管的阴极连接母线开关管的集电极；逆变桥为三相逆变桥，每相逆变桥包括第一主功率开关管、第一主功率开关管的反并联续流二极管、第一主功率开关管的并联缓冲电容、第二主功率开关管、第二主功率开关管的反并联续流二极管和第二主功率开关管的并联缓冲电容；每相逆变桥中的第一主功率开关管的发射极连接第二主功率开关管的集电极，以第一主功率开关管与第二主功率开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端；各相逆变桥的第一主功率开关管的集电极相互连接，作为逆变桥的正端，各相逆变桥的第二主功率开关管的发射极相互连接，作为逆变桥的负端。负载电路为三相阻感性负载，三相负载中的电阻一端分别连接三相逆变桥的三个单相交流电输出端。直流电源的负极连接逆变桥的负端，直流电源的正极连接辅助谐振电路中母线开关管的集电极，母线开关管的发射极连接逆变桥的正端。母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥各主功率开关管的基极均与现有的控制电路相连接，由控制电路发出的信号控制母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥各主功率开关管的开通与关断。进一步地，母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥各主功率开关管，均采用全控开关器件。进一步地，全控开关器件为功率晶体管、绝缘栅双极型晶体管、功率场效应晶体管或智能功率模块。进一步地，母线开关管的反并联二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管、第四辅助二极管和逆变桥各主功率开关管的反并联续流二极管均为快速恢复二极管或高频二极管。另一方面，本专利技术还提供一种上述新型谐振直流环节软开关逆变器的调制方法，为改进的SPWM((SinusoidalPWM)，正弦脉宽调制)调制方法，包括：(1)抑制环流状态(逆变桥各桥臂均为第一主功率开关管开通或均为第二主功率开关管开通)时辅助谐振电路的动作，将辅助谐振电路的动作频率降低1/3；(2)第二辅助开关管的开通时刻比母线开关管的关断时刻延迟δ11时间，逆变桥各主功率开关管的关断时刻比第二辅助开关管的开通时刻延迟δ12时间，第二辅助开关管的关断时刻比逆变桥各主功率开关管的关断时刻延迟δ2时间，第一辅助开关管的开通时刻比逆变桥各主功率开关管的开通时刻延迟δ3时间，母线开关管的开通时刻比第一辅助开关管的开通时刻延迟δ4时间，第一辅助开关管的关断时刻比母线开关管的开通时刻延迟δ5时间；逆变桥各主功率开关管按照正弦脉宽调制、相位差为180°互补开通方式工作。进一步地，延迟时间δ11、δ12、δ3、δ4满足的条件为：其中，E为直流电源电压值，Ca为主谐振电容的电容值，Cb为第一辅助谐振电容或第二辅助谐振电容的电容值，L为第一辅助谐振电感或第二辅助谐振电感的电感值，Iomax为输出最大负载电流值，TL为母线开关管的开关周期，tdead为防止逆变器上下桥臂开关管同时导通而设置的开关死区时间。由上述技术方案可知，本专利技术的有益效果在于：本专利技术提供的一种新型谐振直流环节软开关逆变器中的开关器件是全控开关器件，即功率晶本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种新型谐振直流环节软开关逆变器，其特征在于：包括辅助谐振电路(1)、逆变桥(2)、负载电路(3)和直流电源；所述辅助谐振电路(1)包括母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、母线开关管的反并联二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管和第四辅助二极管；母线开关管的集电极连接直流电源的正极，母线开关管的发射极连接逆变桥(2)；主谐振电容的正极连接母线开关管的集电极和第一辅助开关管的集电极，主谐振电容的负极连接母线开关管的发射极；第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极，第二辅助开关管的发射极连接直流电源的负极，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极；第一辅助二极管的阴极连接第一辅助开关管的发射极，第一辅助二极管的阳极连接第一辅助谐振电容的负极，第一辅助谐振电容的正极和第二辅助谐振电容的负极均连接母线开关管的发射极，第二辅助谐振电容的正极连接第二辅助二极管的阴极，第二辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的集电极；第三辅助二极管的阴极连接母线开关管的集电极，第三辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的发射极，第四辅助二极管的阴极连接至第一辅助谐振电容的负极；母线开关管的反并联二极管的阳极连接母线开关管的发射极，母线开关管的反并联二极管的阴极连接母线开关管的集电极；所述逆变桥(2)为三相逆变桥，每相逆变桥包括第一主功率开关管、第一主功率开关管的反并联续流二极管、第一主功率开关管的并联缓冲电容、第二主功率开关管、第二主功率开关管的反并联续流二极管和第二主功率开关管的并联缓冲电容；每相逆变桥中的第一主功率开关管的发射极连接第二主功率开关管的集电极，以第一主功率开关管与第二主功率开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端；各相逆变桥的第一主功率开关管的集电极相互连接，作为逆变桥(2)的正端，各相逆变桥的第二主功率开关管的发射极相互连接，作为逆变桥(2)的负端；所述负载电路(3)为三相阻感性负载，三相负载中的电阻一端分别连接三相逆变桥的三个单相交流电输出端；所述直流电源的负极连接逆变桥(2)的负端，直流电源的正极连接辅助谐振电路(1)中母线开关管的集电极，母线开关管的发射极连接逆变桥(2)的正端；所述母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥(2)各主功率开关管的基极均与现有的控制电路相连接，由控制电路发出的信号控制母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥(2)各主功率开关管的开通与关断。...

【技术特征摘要】
1.一种新型谐振直流环节软开关逆变器，其特征在于：包括辅助谐振电路(1)、逆变桥(2)、负载电路(3)和直流电源；所述辅助谐振电路(1)包括母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管、第一辅助谐振电感、第二辅助谐振电感、主谐振电容、第一辅助谐振电容、第二辅助谐振电容、母线开关管的反并联二极管、第一辅助二极管、第二辅助二极管、第三辅助二极管和第四辅助二极管；母线开关管的集电极连接直流电源的正极，母线开关管的发射极连接逆变桥(2)；主谐振电容的正极连接母线开关管的集电极和第一辅助开关管的集电极，主谐振电容的负极连接母线开关管的发射极；第一辅助开关管的发射极连接第一辅助谐振电感的一端，第一辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极，第二辅助开关管的发射极连接直流电源的负极，第二辅助开关管的集电极连接第二辅助谐振电感的一端，第二辅助谐振电感的另一端连接母线开关管的发射极；第一辅助二极管的阴极连接第一辅助开关管的发射极，第一辅助二极管的阳极连接第一辅助谐振电容的负极，第一辅助谐振电容的正极和第二辅助谐振电容的负极均连接母线开关管的发射极，第二辅助谐振电容的正极连接第二辅助二极管的阴极，第二辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的集电极；第三辅助二极管的阴极连接母线开关管的集电极，第三辅助二极管的阳极连接第二辅助谐振电容的正极，第四辅助二极管的阳极连接第二辅助开关管的发射极，第四辅助二极管的阴极连接至第一辅助谐振电容的负极；母线开关管的反并联二极管的阳极连接母线开关管的发射极，母线开关管的反并联二极管的阴极连接母线开关管的集电极；所述逆变桥(2)为三相逆变桥，每相逆变桥包括第一主功率开关管、第一主功率开关管的反并联续流二极管、第一主功率开关管的并联缓冲电容、第二主功率开关管、第二主功率开关管的反并联续流二极管和第二主功率开关管的并联缓冲电容；每相逆变桥中的第一主功率开关管的发射极连接第二主功率开关管的集电极，以第一主功率开关管与第二主功率开关管的连接点处的引出线为单相交流电输出端；各相逆变桥的第一主功率开关管的集电极相互连接，作为逆变桥(2)的正端，各相逆变桥的第二主功率开关管的发射极相互连接，作为逆变桥(2)的负端；所述负载电路(3)为三相阻感性负载，三相负载中的电阻一端分别连接三相逆变桥的三个单相交流电输出端；所述直流电源的负极连接逆变桥(2)的负端，直流电源的正极连接辅助谐振电路(1)中母线开关管的集电极，母线开关管的发射极连接逆变桥(2)的正端；所述母线开关管、第一辅助开关管、第二辅助开关管和逆变桥(...

【专利技术属性】
技术研发人员：褚恩辉，王长凯，张化光，张兴，胡晶晶，李思，王晓标，王海峰，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21