有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器制造技术

本发明专利技术涉及电力电子变流器领域，公开了一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器。它包括直流侧正极、负极和零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第一滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤波电容；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器件；在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电力电子变流器领域，具体地说是一种有源中点电压钳位的三电平零电流 转换软开关变流器。
技术介绍
近年来，以逆变器(将直流电变换为交流电的装置)和整流器(将交流电变换为直流电 的装置)为主要代表的三相和单相电力电子变流器得到了人们越来越多的重视和广泛应 用。在电力电子变流器的典型应用场合，如不间断电源、电机的变频驱动器以及风能、太 阳能等新能源发电等，对电力电子变流器的性能提出了许多要求，如高运行效率、高功 率密度、低输出谐波、低电磁干扰等。目前电力电子变流器大多都采用"硬开关"的P籠 技术，电力电子功率开关器件需要在高电压大电流下开关动作，每次开通与关断过程中所 承受的电压与流过的电流会出现相乘不为零的重叠部分，因而产生开关损耗。电力电子功 率开关器件的开关损耗又可以细分为开关管的开通损耗、开关管的关断损耗以及二极管的 反向恢复损耗。随着开关频率的提高，开关损耗会急剧增加，系统效率会急剧下降，如果 开关损耗过大还会导致电力电子开关器件结温过高以至损坏器件，而过低的开关频率则会 带来输出谐波大、动态响应慢、功率密度低等问题，因此，开关损耗限制了变流器开关频 率的提高和性能的改善，如果采用无源缓冲电路，只是把开关损耗转移到电阻电容上，系 统的效率仍然不高。硬开关过程不仅产生开关损耗，还会引起很大的电流变化率，在开关 器件关断时器件上会产生很大的电压尖峰，为了保证安全，开关器件需要降额使用。此外 硬开关还产生高频的电磁干扰，影响周围电子设备的正常运行。于是人们研究提出了采用 "软开关"技术来解决上面的问题，所谓"软开关"是利用了谐振的原理，在电压或者电 流谐振过零的时刻执行开关动作，从而大大减少开关损耗。零电流转换软开关技术是一种新型的软开关技术，其基本的思想是在主开关管动作之 前通过辅助电路触发谐振将即将关断的开关管和二极管的电流谐振到零然后，再关断开关 管和二极管。零电流转换技术不仅减少了开关管的关断损耗和二极管的反向恢复损耗，也 有助于减少开关管的开通损耗，且辅助电路中的开关率。此外零电流转换软开关技术大大减少了开关过程的电流变化率，消除了器件关断时的 电压尖峰，减少了电磁干扰问题。因此，零电流转换软开关技术特别适用于大功率的逆变 器和整流器中。多电平的变流器与两电平变流器相比有许多优点，从上个世纪80年代以来一直是研究 的热点之一。目前二极管中点电压钳位三电平变流器应用比较广泛，在市场中占有较大的份额，其三相逆变器电路如图l所示，其主要的优点有开关器件只承受一半的直流电压 应力，因而可以选择电压等级较低的开关器件；其输出的等效开关频率是器件实际开关频 率的两倍，因而减少了滤波器的体积和重量，提高了系统的功率密度；其电压电流的变化 率也为两电平的一半，因而电磁干扰问题有所缓解。如何进一步减少中点电压钳位三电平变流器的损耗、提高其性能是人们研究比较多的 一个问题。己有技术，见IEEE Transaction on industrial electronics杂志2005 年第52巻第三期刊登的"The Active NPC Converter and Its Loss-balancing Control" 一文(作者Thomas Brllckner等)，该技术采用有源的电力电子开关替换无源的二极管作为 中点电压钳位的器件，其三相逆变电路如图2所示。采用有源中点电压钳位的三电平变流 器具有以下特点无论输出相电流的方向，其输出零电平的开关状态由一种增加到两种， 这两种零电平开关状态会在不同的开关管和二极管上产生开关损耗，所以通过选择合理分 配这两种零电平的开关状态，可以将损耗平均地分布在内侧和外侧的开关器件上，克服了 采用二极管钳位中点电压钳位三电平变流器损耗分布不平均的问题，减少了外侧开关管上 的热应力，从而可以提高了开关频率和系统性能。但该技术只是把损耗均匀地分布在不同 的开关器件上，并没有减少变流器总的开关损耗，系统的效率并没有提高。已有技术，见IEEE Transactions on Industry Applications杂志2006年第42 巻第 5 期干lj登的，，A generalized zero-current-transition concept to simplify multilevel ZCT converters" —文(作者Yong Li等)，该逆变器原理图如图3所示。该 技术在公知的二极管中点电压钳位三电平变流器的每相桥臂中加入一组零电流转换软开 关辅助电路，该辅助电路只在输出电平转换时工作，将输出相电流从主开关管转移到辅助 谐振支路中，使得主开关管在零电流条件下关断，从而减少了主开关管的开关损耗。该拓 扑的优点是主开关器件的损耗得到很大的减少，同时所有辅助开关管也是零电压零电流开 关，且辅助开关器件的容量远小于主开关器件。但该技术的缺点是辅助电路太复杂，每组 辅助电路包含2个辅助开关器件、2个辅助二极管、2个谐振电感、2个谐振电容。
技术实现思路
针对上述已有技术存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种高效率的结构简单的有源 中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，包括直流侧正极、负极和 零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第"滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤 波电容；直流侧正极和负极之间连接有并联的两相桥臂或三相桥臂；每相桥臂包含依次串 联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之 间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器 件；其特征在于，在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连 接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、 第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感；所述第一、第二、第 三、第四、第五、第六开关器件和第一、第二辅助开关器件均由电流流向直流侧负极的开 关管以及与开关管反并联的二极管组成。本专利技术的有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，在每相桥臂增加了一 组的零电流转换软开关辅助电路，每组辅助开关电路仅包括2个辅助开关器件、l个谐振 电感、l个谐振电容，与已有技术相比每组的辅助开关电路节省了 2个辅助二极管，1 个谐振电感和1个谐振电容。此外，本专利技术能够保持已有技术中零电流转换软开关技 术的优点，可以实现所有输出电平转换过程中开关管的零电流转换，大大减少了主开关管 上的开关损耗，且辅助开关器件容量远小于主开关器件。因此，本专利技术具有效率高、结构 简单、易于模块化设计、可靠性更高，更易于实用化等优点。附图说明图1是公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路图。图2是已有技术的有源中点电压钳位三电平三相逆变器电路图。图3是已有技术的二极管中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相逆变器电路图。图4是本专利技术的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关单相逆变器电路图。 图5是本专利技术的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关单相整流器电路图。 图6是本专利技术的有源中点电压钳位三电平零电流转换软本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，包括直流侧正极、负极和零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第一滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤波电容；直流侧正极和负极之间连接有并联的两相桥臂或三相桥臂；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器件；其特征在于，在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感；所述第一、第二、第三、第四、第五、第六开关器件和第一、第二辅助开关器件均由电流流向直流侧负极的开关管以及与开关管反并联的二极管组成。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李锦，刘进军，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87[中国|西安]