两级式三相自然软开关DC∕AC逆变器
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基金项目：国家自然科学基金项目(50707017)；上海市教委重点学 科项目(J50602)。
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50707017); Projects of Shanghai Municipal Education Commission (J50602).
图 1 为传统的两级式三相逆变器[10-11]。
Ldc
Lo
Uin +
−ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Cdc
Co
无相角差；在每一扇区内，一相电流始终为正，一 相电流始终为负，一相电流存在正、负两种状态。
图 4 为所提拓扑的基本工作时序，在一个开关 周期内共包括 9 种工作状态。其中，UgsX 为开关管 VTX(VT1—VT7 和 VM1)的驱动信号。
KEY WORDS: natural-soft-switching; three-phase inverter; efficiency; Boost
摘要：随着可再生能源并网发电受到越来越多的关注，并网 逆变器得到了广泛应用，人们期望并网逆变器在不同负载 等级下和宽输入电压范围内实现均能高效率。该文提出一 种两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑。该拓扑与传 统带 Boost 升压电路的三相逆变器相比，在直流平波电容支 路增加了一个辅助开关。通过适当的时序控制可以实现 Boost 开关管零电压开通，辅助开关工作在全软状态，输出 级逆变器软开关次数比传统方案多 12.5%。首先分析该种
两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器
耿攀 1，吴卫民 1，叶银忠 2，刘以建 1
(1．上海海事大学电力传动与控制研究所，上海市 浦东区 200135； 2．上海应用技术学院，上海市 奉贤区 200235)
A Two-stage Three-phase Natural-soft-switching DC/AC Inverter
图 3 为扇区分布图，此处假设：输出电压电流
L1 VDa1
Uin +VM1 VT7 − C
Iin VT1
VD7 Ubus VT4
VT3 VD1
VT6 VD4
VT5 VD3
VT2 VD6
VD5 iu
Lo
iv
iw
VD2 Co
图 2 两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器 Fig. 2 Proposed two-stage three-phase natural-soft-switching DC/AC inverter
了不流过电流的器件。两电平逆变器使用七段式空
间 矢 量 脉 宽 调 制 (space vector pulse width modulation，SVPWM)控制方式，载波为单增式锯 齿波。假设上桥臂开通为“1”信号，反之为“0” 信号。以第 1 扇区为例分析逆变器工作原理，并假 设此时逆变器输出电流 iu>0、iv<0、iw<0，具体方 向如图 2 中所示。
400
ua
200
ub
0
ua, ub, uc/V
−200 uc
I区
−400 0
II 区 III 区 IV 区 V 区 VI 区
5
10
15
20
t/ms
图 3 扇区分布图 Fig. 3 Sector selection
UgsT5
UgsT4 UgsT6
UgsT2 UgsT7 UgsM1
直通
直通
t0 t1t2 t3 t4 t5
Uu Uw Uv
UgsT1 UgsT3
T7 T2 T1 T0
T7
111 110 100 000
111
图 1 传统两级式三相逆变器 Fig. 1 Conventional two-stage three-phase inverter
图 2 为本文提出的两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑。该拓扑第 1 级电路包括 Boost 电路(L1、VDa1 和 VM1 组成)、辅助控制开关 VT7 和 电容 C。其中，VT7 的反并二极管反向恢复特性比 其它开关管反并二极管好(例如碳化硅二极管)，不 会引起反向恢复问题；电容 C 只起稳压作用，不会 对电路控制产生影响。第 2 级电路包括两电平逆变 器(VT1—VT6、VD1—VD6 组成)和输出滤波器 Lo、Co。 具体器件位置如图 2 所示。图中，Iin 为输入两电平 逆变器的电流；Ubus 为直流母线电压(两电平逆变器 输入端电压)。
第 30 期
耿攀等：两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器
41
L4 VDa1
+
VD7
Uin −
C
VT6 VT2 VD4
iu Lo iv iw
Co
L4 VDa1
Iin VT1
+ Uin −
VT7 C
VT6 VT2
iu Lo iv iw
Co
L4 + Uin −
(a) 状态 1
VDa1
VT1
VD3
VD5 iu
2. Shanghai Institute of Technology, Fengxian District, Shanghai 200235, China)
ABSTRACT: Since renewable energy generation catches more and more concern, the grid-tied inverters have been widely adopted. These inverters are often expected to work with high efficiency in a broad power range and a wide input DC voltage range. A novel two-stage three-phase natural-soft-switching DC/AC inverter topology was proposed. Compared with the traditional three-phase inverter with a Boost DC/DC input stage, it employs an auxiliary switch in the DC capacitor branch loop. With the correct time sequence control, it can be reached that the Boost switch turns on in zero voltage state, the auxiliary switch achieves fully soft-switching and the soft-switching times of the inverter’s output stage are 12.5 percents higher than that of the traditional one. The operating principle of this topology was analyzed during different working intervals. The soft-switching times were evaluated. And demonstrative experiments ware performed on a 10 kW prototype to verify the theoretic analysis.
t6 t7
t8 t0′ t1′ t2′ t3′ t4′
图 4 两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器基本工作时序
Fig. 4 Basic operating time sequence of proposed topology
图 5 给出了每一个工作状态下的等效电路图， 各等效电路图中仅画出了流过电流的器件，而略去
GENG Pan1, WU Weimin1, YE Yinzhong2, LIU Yijian1
(1.The Research Institute of Electronic Automation of Shanghai Maritime University, Pudong District, Shanghai 200135, China;
态，VT7 并无电流流过，而是通过反并二极管 VD7 续流。
1）状态 1[t0, t1]。此工作状态等效电路图如 图 5(a)所示。在 t0 时刻关断开关管 VT7。因在 t0 时 刻以前，二极管 VD7 续流，开关管 VT7 属于零电压 零电流关断。在此工作状态，两电平逆变器处于
“000”续流状态；输入电源与 Boost 支路(L1、VDa1)、
Lo
iv
iw
VT6 VT2
Co
VD4
L4
Uin
+ VM1 −
(b) 状态 2
VT1
VD3
VD5 iu
Lo
iv
iw
VT6 VT2
Co
VD4
L4
Uin
+ VM1 −
(c) 状态 3
VT1
VD3
VD5 iu
Lo
iv
iw
Co
(d) 状态 4 和 5
L4
VT1
Uin
+ VM1 VT7 −
C
VD3
VD5 iu
Lo
拓扑的工作原理；然后分析第 2 级电路的具体软化次数； 最后，通过 10 kW 样机上的实验验证理论分析。
关键词：自然软开关；三相逆变器；效率；升压
0 引言
随着并网逆变系统的广泛应用，人们对逆变器 本身有了更高要求，如：期望它在宽电压输入、宽 功率输入范围内都能工作，且拥有高功率密度、高 效率、高可靠性等。为了减小开关损耗，提高系统 的效率，人们常采用谐振软开关技术[1-9]。但是谐振 软开关电路存在参数漂移使谐振失效和增加过多 辅助器件使系统可靠性降低等问题。人们常采用文 献[10-11]中的传统两级式三相逆变器拓扑结构来 提高系统的输入电压范围。然而，传统两级式三相 逆变器电路在 Boost 开关管开通时，升压电路逆阻 二极管因瞬间承受反向母线电压，而产生很大的反 向恢复电流，增大 Boost 开关管电流应力，并降低 转换效率。文献[12-13]利用交错并联技术来减小 反向恢复电流，但并不能在宽输入电压范围内完 全消除二极管反向恢复电流。文献[14-16]提出一 种加入辅助开关的可升压自然软开关变流器，通 过对开关的恰当控制可以实现电压源逆变器和电 流源逆变器的自由切换，并能实现开关器件开关 过程的大部分软化，但系统难以在宽电压输入范 围内都维持较高的效率。
第 31 卷 第 30 期 2011 年 10 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.31 No.30 Oct.25, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 39
文章编号：0258-8013 (2011) 30-0039-06 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
本文提出一种两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑，利用拓扑本身特性，通过控制开关时 序可以实现开关软化，解决 Boost 开关管开通时二 极管的反向恢复问题，并能使两电平逆变器软开关
40
中国电机工程学报
第 31 卷
次数比传统两电平逆变器软开关次数提高 12.5%， 可以有效提高系统效率。
1 三相自然软开关 DC/AC 逆变器工作原理
二极管 VD7、电容 C 形成回路。 2）状态 2[t1, t2]。此工作状态等效电路图如图
5(b)所示。在 t1 时刻，给两电平逆变器上桥臂开通 信号，上下桥臂同时开通。通常情况下的开通，下 桥臂二极管反向恢复电荷会引起上桥臂开关管电 流尖峰，开关管开通为硬开通。对于此电路，在 t1 时刻以前，电感 L1 存在电流，此电流不能突变，电 路等效为电流源逆变器，因开关管 VT7 的反并二极 管反向恢复特性很好，不会引起反向恢复问题，因 此开关管 VT1 开通时不存在电流尖峰，不会产生反 向恢复损耗，属于准零电流开通。而 VT3、VT5 因电 流通过反并二极管，为零电流开通。上下桥臂开关 管同时开通后，电路工作在一种特殊的直通状态， 因电流方向不同，有的开关管处于假开通状态，电 流依然流过二极管[15]，如第 1 桥臂下桥臂二极管， 第 2、3 桥臂上桥臂的二极管。此时电源、电感通 过两电平逆变器形成三桥臂同时直通状态。由于电 感 L1 电流不能突变，电源电压瞬时降到电感两端， 直流母线电压瞬时降为零。输入电源通过 Boost 支 路(L1、VDa1)与两电平逆变器 3 个桥臂形成回路，电 感 L1 电流线性增加。此时两电平逆变器依然工作于 续流状态，逆变器输出电流 iu、iv、iw 不变，只是 3 个桥臂各开关管承受电流应力不同[17]。
在第 1 个工作状态以前，两电平逆变器工作在 “000”续流状态。因为电流 iu>0，虽然开关管 VT4 有开通信号，电流 iu 依然通过反并二极管 VD4 续流。 同理，电流 iv 流过开关管 VT6，iw 流过开关管 VT2。 Boost 开关管 VM1 处于关断状态。辅助控制开关 VT7 处于开通状态，但因两电平逆变器工作于续流状
iv
iw
Co
(e) 状态 6
L4
Iin
VT1
VD3
Uin
+ VM1 VT7 −
C
VT2
iu Lo iv iw
Co
(f) 状态 7
L4 VDa1
Iin
VT1
VD3
+ Uin −
VT7
C
VT2
iu Lo iv iw
Co
(g) 状态 8
(h) 状态 9
图 5 工作状态等效电路图
Fig. 5 Equivalent circuit of each operating interval
Project Supported by National Natural Science Foundation of China (50707017); Projects of Shanghai Municipal Education Commission (J50602).
图 1 为传统的两级式三相逆变器[10-11]。
Ldc
Lo
Uin +
−ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Cdc
Co
无相角差；在每一扇区内，一相电流始终为正，一 相电流始终为负，一相电流存在正、负两种状态。
图 4 为所提拓扑的基本工作时序，在一个开关 周期内共包括 9 种工作状态。其中，UgsX 为开关管 VTX(VT1—VT7 和 VM1)的驱动信号。
KEY WORDS: natural-soft-switching; three-phase inverter; efficiency; Boost
摘要：随着可再生能源并网发电受到越来越多的关注，并网 逆变器得到了广泛应用，人们期望并网逆变器在不同负载 等级下和宽输入电压范围内实现均能高效率。该文提出一 种两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑。该拓扑与传 统带 Boost 升压电路的三相逆变器相比，在直流平波电容支 路增加了一个辅助开关。通过适当的时序控制可以实现 Boost 开关管零电压开通，辅助开关工作在全软状态，输出 级逆变器软开关次数比传统方案多 12.5%。首先分析该种
两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器
耿攀 1，吴卫民 1，叶银忠 2，刘以建 1
(1．上海海事大学电力传动与控制研究所，上海市 浦东区 200135； 2．上海应用技术学院，上海市 奉贤区 200235)
A Two-stage Three-phase Natural-soft-switching DC/AC Inverter
图 3 为扇区分布图，此处假设：输出电压电流
L1 VDa1
Uin +VM1 VT7 − C
Iin VT1
VD7 Ubus VT4
VT3 VD1
VT6 VD4
VT5 VD3
VT2 VD6
VD5 iu
Lo
iv
iw
VD2 Co
图 2 两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器 Fig. 2 Proposed two-stage three-phase natural-soft-switching DC/AC inverter
了不流过电流的器件。两电平逆变器使用七段式空
间 矢 量 脉 宽 调 制 (space vector pulse width modulation，SVPWM)控制方式，载波为单增式锯 齿波。假设上桥臂开通为“1”信号，反之为“0” 信号。以第 1 扇区为例分析逆变器工作原理，并假 设此时逆变器输出电流 iu>0、iv<0、iw<0，具体方 向如图 2 中所示。
400
ua
200
ub
0
ua, ub, uc/V
−200 uc
I区
−400 0
II 区 III 区 IV 区 V 区 VI 区
5
10
15
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t/ms
图 3 扇区分布图 Fig. 3 Sector selection
UgsT5
UgsT4 UgsT6
UgsT2 UgsT7 UgsM1
直通
直通
t0 t1t2 t3 t4 t5
Uu Uw Uv
UgsT1 UgsT3
T7 T2 T1 T0
T7
111 110 100 000
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图 1 传统两级式三相逆变器 Fig. 1 Conventional two-stage three-phase inverter
图 2 为本文提出的两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑。该拓扑第 1 级电路包括 Boost 电路(L1、VDa1 和 VM1 组成)、辅助控制开关 VT7 和 电容 C。其中，VT7 的反并二极管反向恢复特性比 其它开关管反并二极管好(例如碳化硅二极管)，不 会引起反向恢复问题；电容 C 只起稳压作用，不会 对电路控制产生影响。第 2 级电路包括两电平逆变 器(VT1—VT6、VD1—VD6 组成)和输出滤波器 Lo、Co。 具体器件位置如图 2 所示。图中，Iin 为输入两电平 逆变器的电流；Ubus 为直流母线电压(两电平逆变器 输入端电压)。
第 30 期
耿攀等：两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器
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L4 VDa1
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VD7
Uin −
C
VT6 VT2 VD4
iu Lo iv iw
Co
L4 VDa1
Iin VT1
+ Uin −
VT7 C
VT6 VT2
iu Lo iv iw
Co
L4 + Uin −
(a) 状态 1
VDa1
VT1
VD3
VD5 iu
2. Shanghai Institute of Technology, Fengxian District, Shanghai 200235, China)
ABSTRACT: Since renewable energy generation catches more and more concern, the grid-tied inverters have been widely adopted. These inverters are often expected to work with high efficiency in a broad power range and a wide input DC voltage range. A novel two-stage three-phase natural-soft-switching DC/AC inverter topology was proposed. Compared with the traditional three-phase inverter with a Boost DC/DC input stage, it employs an auxiliary switch in the DC capacitor branch loop. With the correct time sequence control, it can be reached that the Boost switch turns on in zero voltage state, the auxiliary switch achieves fully soft-switching and the soft-switching times of the inverter’s output stage are 12.5 percents higher than that of the traditional one. The operating principle of this topology was analyzed during different working intervals. The soft-switching times were evaluated. And demonstrative experiments ware performed on a 10 kW prototype to verify the theoretic analysis.
t6 t7
t8 t0′ t1′ t2′ t3′ t4′
图 4 两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器基本工作时序
Fig. 4 Basic operating time sequence of proposed topology
图 5 给出了每一个工作状态下的等效电路图， 各等效电路图中仅画出了流过电流的器件，而略去
GENG Pan1, WU Weimin1, YE Yinzhong2, LIU Yijian1
(1.The Research Institute of Electronic Automation of Shanghai Maritime University, Pudong District, Shanghai 200135, China;
态，VT7 并无电流流过，而是通过反并二极管 VD7 续流。
1）状态 1[t0, t1]。此工作状态等效电路图如 图 5(a)所示。在 t0 时刻关断开关管 VT7。因在 t0 时 刻以前，二极管 VD7 续流，开关管 VT7 属于零电压 零电流关断。在此工作状态，两电平逆变器处于
“000”续流状态；输入电源与 Boost 支路(L1、VDa1)、
Lo
iv
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VT6 VT2
Co
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+ VM1 −
(b) 状态 2
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VT6 VT2
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+ VM1 −
(c) 状态 3
VT1
VD3
VD5 iu
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(d) 状态 4 和 5
L4
VT1
Uin
+ VM1 VT7 −
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VD3
VD5 iu
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拓扑的工作原理；然后分析第 2 级电路的具体软化次数； 最后，通过 10 kW 样机上的实验验证理论分析。
关键词：自然软开关；三相逆变器；效率；升压
0 引言
随着并网逆变系统的广泛应用，人们对逆变器 本身有了更高要求，如：期望它在宽电压输入、宽 功率输入范围内都能工作，且拥有高功率密度、高 效率、高可靠性等。为了减小开关损耗，提高系统 的效率，人们常采用谐振软开关技术[1-9]。但是谐振 软开关电路存在参数漂移使谐振失效和增加过多 辅助器件使系统可靠性降低等问题。人们常采用文 献[10-11]中的传统两级式三相逆变器拓扑结构来 提高系统的输入电压范围。然而，传统两级式三相 逆变器电路在 Boost 开关管开通时，升压电路逆阻 二极管因瞬间承受反向母线电压，而产生很大的反 向恢复电流，增大 Boost 开关管电流应力，并降低 转换效率。文献[12-13]利用交错并联技术来减小 反向恢复电流，但并不能在宽输入电压范围内完 全消除二极管反向恢复电流。文献[14-16]提出一 种加入辅助开关的可升压自然软开关变流器，通 过对开关的恰当控制可以实现电压源逆变器和电 流源逆变器的自由切换，并能实现开关器件开关 过程的大部分软化，但系统难以在宽电压输入范 围内都维持较高的效率。
第 31 卷 第 30 期 2011 年 10 月 25 日
中国电机工程学报 Proceedings of the CSEE
Vol.31 No.30 Oct.25, 2011 ©2011 Chin.Soc.for Elec.Eng. 39
文章编号：0258-8013 (2011) 30-0039-06 中图分类号：TM 46 文献标志码：A 学科分类号：470⋅40
本文提出一种两级式三相自然软开关 DC/AC 逆变器拓扑，利用拓扑本身特性，通过控制开关时 序可以实现开关软化，解决 Boost 开关管开通时二 极管的反向恢复问题，并能使两电平逆变器软开关
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中国电机工程学报
第 31 卷
次数比传统两电平逆变器软开关次数提高 12.5%， 可以有效提高系统效率。
1 三相自然软开关 DC/AC 逆变器工作原理
二极管 VD7、电容 C 形成回路。 2）状态 2[t1, t2]。此工作状态等效电路图如图
5(b)所示。在 t1 时刻，给两电平逆变器上桥臂开通 信号，上下桥臂同时开通。通常情况下的开通，下 桥臂二极管反向恢复电荷会引起上桥臂开关管电 流尖峰，开关管开通为硬开通。对于此电路，在 t1 时刻以前，电感 L1 存在电流，此电流不能突变，电 路等效为电流源逆变器，因开关管 VT7 的反并二极 管反向恢复特性很好，不会引起反向恢复问题，因 此开关管 VT1 开通时不存在电流尖峰，不会产生反 向恢复损耗，属于准零电流开通。而 VT3、VT5 因电 流通过反并二极管，为零电流开通。上下桥臂开关 管同时开通后，电路工作在一种特殊的直通状态， 因电流方向不同，有的开关管处于假开通状态，电 流依然流过二极管[15]，如第 1 桥臂下桥臂二极管， 第 2、3 桥臂上桥臂的二极管。此时电源、电感通 过两电平逆变器形成三桥臂同时直通状态。由于电 感 L1 电流不能突变，电源电压瞬时降到电感两端， 直流母线电压瞬时降为零。输入电源通过 Boost 支 路(L1、VDa1)与两电平逆变器 3 个桥臂形成回路，电 感 L1 电流线性增加。此时两电平逆变器依然工作于 续流状态，逆变器输出电流 iu、iv、iw 不变，只是 3 个桥臂各开关管承受电流应力不同[17]。
在第 1 个工作状态以前，两电平逆变器工作在 “000”续流状态。因为电流 iu>0，虽然开关管 VT4 有开通信号，电流 iu 依然通过反并二极管 VD4 续流。 同理，电流 iv 流过开关管 VT6，iw 流过开关管 VT2。 Boost 开关管 VM1 处于关断状态。辅助控制开关 VT7 处于开通状态，但因两电平逆变器工作于续流状
iv
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(e) 状态 6
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VT1
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+ VM1 VT7 −
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(f) 状态 7
L4 VDa1
Iin
VT1
VD3
+ Uin −
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iu Lo iv iw
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(g) 状态 8
(h) 状态 9
图 5 工作状态等效电路图
Fig. 5 Equivalent circuit of each operating interval