三相逆变器 软开关技术
DCAC三相软开关PWM逆变器的研究
DC/AC三相软开关PWM逆变器的研究1 引言常规的pwm逆变电路, 由于电力电子开关器件在大电压下导通，大电流下关断，处于强迫开关过程，因而存在开关损耗大，工作频率低、体积大及电磁干扰严重等缺点。
而软开关技术利用电感、电容谐振，为开关器件创造零电压、零电流的开关条件, 使器件在开通关断的过程中，电流和电压的重叠区域减小, 电流和电压的变化率减小, 有效地降低了电磁干扰，并且可使逆变器工作在较高频率下, 减小输出滤波电压电容的体积, 从而可减小整个装置的体积，提高性能。
谐振电路的形式种类很多，本次研究采用了直流环节逆变电路的形式。
并将pwm调制技术与软开关技术相结合，利用单片机和大规模pwm集成芯片，设计了一个用于异步电机驱动的三相spwm调制型的开环vvvf控制的软开关逆变器电路的控制方案，对几个关键性电路的工作原理作了较为详细的分析说明，给出了部分实际电路形式和运行结果。
2 直流环节谐振主电路直流谐振电路如图1所示。
图1 谐波直流环节主电路其中直流谐振环节的开关元件由三相逆变桥的6个开关代替。
通过同时导通同一桥臂的两个开关来短接直流电路，所以这里的开关元件成为一个等效元件。
它的工作原理为:在直流电源与三相逆变电路之间接谐振元件的电感和电容，形成谐振槽路。
这样输入逆变桥的电压不再是直流电压，而是变为频率较高的谐振脉冲电压，它周期性地在谐振峰值与零电压之间振荡，从而产生零电压时间间隔，为三相逆变桥创造出零电压通断条件。
简化后的谐振直流电路如图2所示。
电路工作分两个阶段:图2 rdcli等效电路模型第一阶段:开关sr接通，电容两端电压为零，直流电源对电感进行预充电，近似的按线性规律增加。
结束时，其中为保证谐振正常进行的阈值电流，这段时间为。
第二阶段:开关sr断开，电容两端电压开始增加，电路进行谐振。
当电容电压再次过零点时，一个谐振周期结束。
开关sr再次接通，进入下一个周期。
通过分析可得出谐振电流电压方程为:式中，这种电路的主要特性是:拓扑结构简单，控制策略相对来说容易实现;但谐振峰值电压较高，是直流侧供电压的两倍，逆变桥中的开关器件需承受2～3倍的直流母线供电电压。
ZVT软开关三相PWM逆变器的研究的开题报告
ZVT软开关三相PWM逆变器的研究的开题报告一、选题背景和意义随着电力电子技术的发展，逆变器逐渐成为各类电能质量控制设备的重要部分。
其中，PWM逆变器是一种被广泛应用于交流电动机驱动、光伏逆变等领域的主流逆变器。
而在PWM逆变器中，软开关技术因其能够有效地减少开关过程中的电磁干扰而备受瞩目。
在众多软开关逆变器技术中，ZVT技术是一种成熟度较高的技术。
ZVT软开关技术可以有效地降低逆变器开关器件的损耗，提高逆变器的效率和可靠性。
这种技术的应用对于当前智能电网、电气化和电机控制等领域的发展有着非常重要的意义。
因此，本文将从ZVT软开关三相PWM逆变器的研究入手，探究其在电力电子技术领域的应用和发展前景，对于推动电力电子领域技术的发展具有一定的理论和实践意义。
二、研究内容和方法1. 研究内容本文将以ZVT软开关三相PWM逆变器为研究对象，阐述其原理和工作方式，并深入探究其在不同应用场景下的优势和局限性。
重点研究内容包括：（1）ZVT软开关技术的基本原理和实现方法。
（2）三相PWM逆变器的基本原理和实现方法。
（3）ZVT软开关三相PWM逆变器的设计和实现。
（4）ZVT软开关三相PWM逆变器在电气化、光伏发电等领域的应用。
（5）ZVT软开关三相PWM逆变器的性能评估和比较分析。
2. 研究方法本文将采用文献综述法、仿真分析法和实验研究法相结合的方法进行研究。
具体方法如下：（1）文献综述法：通过查阅大量相关文献资料，全面了解ZVT软开关三相PWM逆变器的相关知识和研究现状，为后续的实验和仿真分析提供参考。
（2）仿真分析法：采用PSIM等仿真软件对ZVT软开关三相PWM逆变器的工作情况进行模拟和分析，验证其电路设计的可行性和稳定性，并深入研究其性能表现。
（3）实验研究法：搭建ZVT软开关三相PWM逆变器的实验平台，测试其输出电压、电流、功率等性能指标，并与传统三相PWM逆变器进行性能比较分析。
三、预期研究成果通过本文的研究，预期可以得到以下成果：（1）对ZVT软开关三相PWM逆变器的工作原理和实现方法有更全面的了解。
三相FMSPWM软开关逆变器分析与设计
2007年 3 月电工技术学报Vol.22 No. 3 第22卷第3期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar. 2007三相FMSPWM软开关逆变器分析与设计朱忠尼1陈坚1王荣2（1. 华中科技大学电气与电子工程学院武汉 4300742. 空军雷达学院武汉 430019）摘要针对双极性FMSPWM逆变器只能用于单相变换器的问题，提出了一种三相FMSPWM 软开关逆变器拓扑结构，分析了三相FMSPWM实现软开关的原理，提出了最佳载波频率公式，对电路中主要元件参数进行了设计。
实验结果证明了该电路能实现三相逆变器开关管的软开关、改善输出波形质量。
关键词：软开关调频调宽逆变器中图分类号：TM461Analysis and Design of Three-Phase FMSPWM Soft-Switched InverterZhu Zhongni1 Chen Jian1 Wang Rong2（1. Huazhong University of Science and Technology Wuhan 430074 China2. Air Force Radar Academy Wuhan 430019 China）Abstract Because bipolar FMSPWM inverter can only be used in single-phase converter, this paper proposes a kind of circuit topology structure of three-phase inverter soft-switch and analyses the principle of the circuit, proposes the best carrier-wave frequency formulas and designs the main component parameter. The experimental results verify that the circuit mentioned above can realize the soft-switching, improve the quality of output wave.Keywords：Soft switching, modulating frequency and width, inverter1引言DC/AC正弦波逆变器是电力电子技术的最重要分支之一，也是应用最为广泛的一种电力电子装置。
三相PFC和软开关技术在变频器中的应用
三相PFC和软开关技术在变频器中的应用沈锦飞;丁杨【摘要】Based on traditional inverter, the paper proposed a new circuit with power factor correction and soft-switch technology, which improves the power quality of grid and reduces power consumption. Power factor correction uses a dual switch PFC circuit with a new CCM model and provides a stable DC voltage source with low EMI and is suitable for high power. Behind that a zero-voltage turn-on circuit which consists of three auxiliary switches and LC resonant circuit is adopted. It is easy to control. At last, the paper verified its ability to test with inductive loads by software simulation.%将三相功率因数校正和软开关技术与传统变频器结合,提出了一种新颖的电路结构,在变频调速的同时,改善了电网,降低功耗.前端使用三相双开关PFC 电路,结合一种新颖的CCM控制模式,为直流侧提供稳定的电压源,EMI小且适用于大功率,后端的零电压导通电路使用三个辅助开关与LC谐振电路,降低了控制难度以及逆变侧开关的负荷,并通过仿真验证.【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》【年(卷),期】2011(023)006【总页数】4页(P92-95)【关键词】功率因数校正;双开关;软开关;零电压导通【作者】沈锦飞;丁杨【作者单位】江南大学电气自动化研究所,无锡214122;江南大学电气自动化研究所,无锡214122【正文语种】中文【中图分类】TN773目前工业上通用的变频器存在功率因数低(约为0.6～0.7)，开关损耗大等问题，对电网的危害严重[1]。
三相软开关PWM逆变器载波方式的选择
三相软开关PWM 逆变器载波方式的选择Carrier Selection for a Three phase Soft Sw itching PWM Inverter 陈国呈 周勤利 孙承波(上海大学机电工程与自动化学院 200072)谷口胜则(大阪工业大学电气科 日本 535 8585)C hen Guocheng Zhou Qinli Sun Chengbo (Shanghai University 200072 China)Katsunori Taniguch (Osaka Institute of Technology)摘要 详细阐述不同载波方式对PW M 逆变器输出特性的影响。
指出三角载波用于硬开关PWM 逆变器时,由于死区时间的影响,其输出电压电流在基波频域中含有谐波成分;软开关PWM 逆变器如果也采用三角载波,则不但难以控制谐振电路的起振时间,而且谐振电路损耗大,直流电压的利用率低;硬开关PW M 逆变器采用锯齿载波调制,必将导致严重的电流波形失真;软开关PWM 逆变器交替使用正负斜率锯齿载波,不但谐振电路的起振时间容易控制,而且不会导致由死区时间引起的输出电压电流波形的失真。
国家自然科学基金(59977012)及台达电力电子科教发展基金资助项目。
陈国呈 男,1944年生,教授,博士生导师,主要从事电力电子变换与电机驱动控制等。
周勤利 男,1970年生,工程师,主要从事电力电子变换与电机驱动控制等。
关键词:软开关 谐振 零电压 零电流 死区时间中图分类号:TM464Abstract In this paper the influence of different carrier waveforms on the output characteristics of PW M inverter is described in detail.When a triangular carrier waveform is used in hard switching PWM inverters,there will be harmonics in the neighborhood of the output frequency of the inverter output voltage and current due to the dead time.The triangular carrier wa veform used in soft switching PW M inverter will cause difficul ties in controlling resonance trigger time,higher loss in the resonant circuit,and lower usage of the DC bus volta ge.If a saw tooth carrier is used in hard switching PWM inverter,there will be severe distortion in the current waveform.When saw tooth carriers with alternative positive and negative slopes are used in soft switching PW M inverters,the resonance trigger time is easy to control,and distortion in the output volta ge and current caused by the dead time will not appear.Keywords:Soft switching,resonance,zero voltage switching,zero current switching,dead time1 引言近年来,随着人们对绿色电源治理的高度重视,一个围绕着提高功率因数、减少谐波污染、抑制电磁干扰的电力电子变换技术研究正成为众多中外专家的研究热点。
浅谈软开关技术在三相逆变器中的应用
一传统三相硬开关逆变器现状 传统硬开关逆变器在开通和关断的过程中开关管中往往 伴随有电压和电流的交叠"而交叠面积又随着电压电流等级的 增大而增大"进而产生更严重的开关损耗$ 为减小开关损耗" 传统大功率逆变器不得不采用低的开关频率"这样又造成储能 及滤波元件在重量和体积上增大"同时对系统的动态响应性能 也造成影响$ 此外"电路中分布的杂散电感和电容在开关过程 中振荡产生尖峰电压和尖峰电流"对功率器件的运行环境造成 恶化"而且还会加剧电磁干扰"进一步降低了系统的可靠性$ 目前在硬开关逆变器中常采用缓冲吸收电路来解决电压电流 应力过大和开关损耗问题"本质上并没提升系统的效率$ 采用
关键词软开关三相逆变器开关损耗
55随着现代电力电子技术的发展"变流器装置已广泛应用在 大功率传动和新能源发电等领域$ 传统硬开关变流器在这些 大功率场合中存在功率密度低"开关损耗大和可靠性差等问 题$ 如何利用软开关技术解决上述问题"实现其高开关频率# 高功率密度#低开关损耗和低电压应力具有重要意义$
第十七讲 逆变电路(三)及软开关概述
V an V bn V cn V an
. . . . . V ab 3V an (V an V bn V cn ) V ab V ca . V ca
. .
据基尔霍夫电流定律星形负载中流入 Van Vbn Vcn 0 V V V 0 an bn cn Z Z 负载中点n的电流总和为0，有右式 Z . 成立 1 .
3 . 1 . . V an (V ab V ca ) . 1 . V cn (V ca V bc ) 3 3 3 第4章 直流/交流变换器（逆变器）
.
V bn
(V bc V ab )
.
负载电压波形
负载星形连接时： V an V bn V cn
. . . . 1 . (V ab V ca ) 3 . 1 . (V bc V ab ) 3 . 1 . (V ca V bc ) 3
星形负载时负载输出波形为互差 120°的 Van ， Vbn，Vcn，傅里叶级数为 2 1 1 1 1 v AN (t ) VD sin t sin 5 t sin 7 t sin 11 t sin 13 t 5 第4章 直流/交流变换器（逆变器） 7 11 13 4
N
图5-22 三相电压型二重逆变电路
UU1(UA1) UUN UA21 UU2 -UB22
图5-23 二次侧基波电压合成相量 图5-23 图
多重逆变电路
T1为Δ/ Y联结，线电压变比 1: 3 为 （一次和二次 绕组匝数相等） T2一次侧Δ联结，二次侧两 绕组曲折星形接法，其二 次电压相对于一次电压而 言，比 T1 的接法超前 30°， 以抵消逆变桥 II 比逆变桥 I 滞后的30°。这样，uU2和 uU1的基波相位就相同
性能优良的高频软开关三相逆变电源
电力电子技术
’()*!"+,(*# -./01203+4%%&
$%%& 年 $ 月
5(6.0 7).890(:;8<
完全相同， 因此只需 分析其中一相。 设 箝 位 电 容 !8 和吸收电容 !0 足够 大，分别用电压源 "!8+"!0 表示；可以将 整个逆变桥负载看 成是高频脉冲直流 环节电路低频交变 的负载， 可近似认为 低频交变的负载在 每个高频 5=> 开关 周期内恒定不变 + 用 电流源 #$? 表示。图 $ 图 4 每个开关周期等效电路及 示出每个 5=> 开关 周期内， 占空比扩展 其稳态原理波形 有源箝位正激式高 —变压器磁化电流 图中 #1D —— —逆变桥等 效 续 流 回 频 脉 冲 直 流 环 节 电 ’E? —— 路 路等效电路及其原 —— +， *—面积， +N* 理波形。每个 5=> 开关周期包含了 @ 个工作模态： （A）%%!%AB %% 时刻， ’C 开通+ #$D 线性上升， ’E 和 ’E0 导通、 ’E? 截止； （4）%A!%4B %A 时刻， ’C0 开通， ’E 导通， ’E? 截止； （!）%4!%!B %4 时刻， ’C 关断， ’C0 继续导通， &0 开 始对负载供电， ’E 承受反压截止， ’E? 仍截止， $D 和 使 #$D 先增加后减小， &< 谐振， ’F< 上升； （G） %!!%GB %! 时刻， ’F< 上升到箝位电压 "&8H";+ ’E8 开通， $D 与 &8+&< 之间谐振， "&8 基本保持恒定， #$D 线性下降； （&）%G!%&B %G 时刻， 随后 #$D 变负， #$D 为零， ’C8 导 通， 并实现了 I’C 开通； JKL %&!%KB %& 时刻， ’C0 实现了 I’C 关断， ’E 仍截 止， #$? 经 ’E? 开始续流； （M） %K!%MB %K 时刻， ’C8 关断后， $D 与 &< 谐振， #$D 继续反向增大， 负载 #$? 仍经 ’E? 续 &< 放电， ’F< 下降， 流； （@）%M!%@B %M 时刻， 空载或 ’F< 下降到 ";+’E 开通， 轻载时， 即 %@ 时刻 ’C 开通， ’F< 可降为零， ’C 实现了 重载时， 且为 I’C 开通； ’F<N";； %@ 时刻， ’C 再次开通， 硬开通。 !"#
三相光伏并网微型逆变器软开关技术研究的开题报告
三相光伏并网微型逆变器软开关技术研究的开题报告一、研究背景和意义随着光伏发电技术的快速发展，光伏装备的成本不断降低，越来越多的光伏系统被应用于实际生产和生活领域中。
而针对光伏电源系统的高效控制和管理技术，一直都是研究的重点。
尤其是在微型逆变器软开关技术方面，目前国内外的研究还处于初级阶段，很少有相关的研究成果。
因此，本研究旨在探索三相光伏并网微型逆变器软开关技术，提高光伏系统的能量利用率和稳定性。
二、研究内容和方法本研究将从微型逆变器软开关技术的原理出发，着手探究三相光伏并网微型逆变器的软开关技术，并构建相应的数学模型。
接着，基于MATLAB/Simulink仿真技术，对软开关技术进行仿真分析，分别从输出电压、功率因数和变换效率等方面对软开关技术进行评估和优化。
最后，将所得到的仿真数据与实际测试数据进行比对，验证模型的可行性和准确性。
三、预期成果和意义本研究预计能够探究三相光伏并网微型逆变器软开关技术，在实现高效控制和管理的同时，提高光伏系统的能量利用率和稳定性。
同时，通过搭建仿真平台，能够将得到的仿真数据与实际测试数据进行比对，从而验证模型的可行性和准确性。
因此，本研究将对光伏电源系统的发展和应用具有重要的意义。
四、研究计划1. 研究三相光伏并网微型逆变器软开关技术的原理和数学模型2. 搭建三相光伏并网微型逆变器软开关技术的仿真平台3. 对软开关技术进行仿真分析，并进行评估和优化4. 将仿真数据与实际测试数据进行比对，验证模型的可行性和准确性5. 撰写论文，并进行答辩五、参考文献1. 董延富,王涛.轻载软开关技术在三相全桥逆变器中的应用[J].电网技术,2017,41(6):1962-1967.2. 刘永进,李文东.基于DSP+FPGA的三相逆变器软开关技术研究[J].宋卫平,2015,41(2):96-101.3. Biyagamage T D, Vilathgamuwa D M.Run-up Control of a Grid-Connected Micro Inverter with Low Power Generation Capability[J]. International Journal of Photoenergy, 2017, 2017(3):1-10.。
一种TNPC三电平逆变器的零电流软开关技术
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔｈ ｅ ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｌ ｅ ｖ ｅ ｌ ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｇ ｉ ｅ ｓ ａ ｒ ｅ ｗｉ ｄ ｅ ｌ ｙ ｕ ｓ ｅ ｄ ｉ ｎ ｔ ｈ ｅ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｅ ｎ ｅ ｒ ｇ ｙ ｓ ｔ ｏ ｒ ａ ｇ ｅ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｓ ｂ ｅ —
ｎ ｅ ｗ ｔ ｏ ｐ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ｅ ｍｐ ｌ ｏ ｙ ｓ ｔ ｗｏ ａ ｕ ｘ ｉ ｌ ｉ ａ ｒ ｙ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ ａ ｎ Ｌ Ｃ ｒ ｅ ｏｎ ｓ ａ ｎ ｔ ｔ ａ ｎ ｋ ｆ ｏ ｒ ｅ ａ ｃ ｈ ｐ ｈ ａ ｓ ｅ ｌ ｅ ｇ ｔ ｏ ａ ｃ ｈ ｉ ｅ ｖ ｅ ｏｆ ｓ ｔ ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ａ ｌ ｌ ｔ ｈ ｅ ｓ ｗｉ ｔ ｃ ｈ ｅ ｓ Ｓ Ｏ ｔ ｈ ａ ｔ ｔ ｈ ｅ ｅ ｆ ｆ ｉ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｙ ｉ ｓ ｉ ｍｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄ ． Ｍｅ ａ ｎ ｗｈ ｉ ｌ ｅ ｉ ｔ ｒ ｅ ｑ ｕ ｉ ｒ ｅ ｓ ｎ ｏ ｍｏ ｄ ｉ ｆ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｔ ｏ
通 过 半桥样 机 实验验 证 了所提 出软 开 关拓 扑 的可行 性 ．
关 键词 ： Ｔ型 中点钳位 式 ；三 电平拓 扑 ；零 电流 软 开关 ； 开 关损 耗
中图分 类号 ： Ｔ Ｍ４ ６ 文献标 志 码 ： Ａ
Ａ ＴＮＰＣ ｔ ｈｒ ｅ ｅ ． １ ｅ ｖ ｅ ｌ ｚ ｅ ｒ ｏ ． ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎｔ ． ｔ ｒ ａ ｎｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ
谐振 支路 ， 拓 扑控 制 简单 ， 不需要 改 变传 统 的 Ｐ ＷＭ 调 制 方 法 ， 辅 管 的 开通 时 间只 由 Ｌ Ｃ谐振 参数
三相谐振软开关逆变及控制技术
2、新型 直流母线零电压过渡 （DC-Rail ZVT） 三相PWM逆变器电路
现有谐振直流环节逆变器电路 的一些不足
RDCLI电路是最基本、简单的三相软开关 逆变器电路，但存在着谐振电压峰值过高、 不能实现PWM技术等缺点；
谐振网络
三相逆变桥
国内已有文献[22]介绍在实验室中用该系统 驱动1.5kW三相鼠笼式异步电机，与传统的 SPWM方式相比，在开关频率为20kHz时，具有 噪声小、整机发热小、运转平稳等优点。国内 还有许多文献也对该电路的实际应用做了大量 的工作。然而，RDCLI电路显然不是一种实用 的拓扑结构，因为该电路存在着诸多的缺点， 如器件承受电压应力高（2.0~3.0倍的电源电压 E），谐振电感处于主功率传送通道，只能采用 离散脉冲调制（DPM）等缺点。
软开关技术三相逆变器研究现状
软开关技术出现在80年代初，美国弗吉尼亚电 力电子中心（VPEC）的李泽元（F.C.Lee）教授等研 究人员提出了谐振开关——软性开关的概念，并成 功的运用到了DC-DC变换器中，1986年，美国威斯 康星大学的D.M.Divan教授提出了谐振直流环节逆变 器（RDCLI—Resonant DC Link Inverter）和谐振极 逆变器（RPI—Resonant Pole Inverter），这两种建立 在电压源三相逆变器基础上，适用于各种DC-AC逆 变器的新型软开关电路拓扑，世界各国有关研究人 员的重视。在每一年的IEEE-IAS年会、IEEE-PESC 年会、IEEE-IPEC会议及IEEE的几种电力电子重要 期刊上都有大量的关于这个领域的研究论文发表， 目前已提出多种不同拓扑的谐振软开关逆变电路。
⑤ 硬开关条件下，逆变器中缓冲电路的设计是 必不可少的，它可以限制功率器件开通时的di/vt、 关断时的dv/dt，使动态开关轨迹缩小到直流安全区 （SOA）之内，保证功率器件能够安全运行。但吸 收电路并不能消除开关损耗，因此系统总的功耗不 会减少，又增加了整个逆变器结构设计的难度。同 时还会导致能量再生过程中续流二极管反向恢复和 吸收电路的相互干扰引起较大的器件应力。 ⑥ 硬开关将会导致功率器件工作在较高的开 关频率时，会在音频范围内时引起噪声污染。 ⑦ 硬开关将会导致逆变器电路对输入/输出滤 波器的要求较高。
一种TNPC三电平逆变器的零电流软开关技术
一种TNPC三电平逆变器的零电流软开关技术姚修远;金新民;吴学智;吴跃林;杜宇鹏【摘要】为了改善变流器的谐波含量和效率,多电平拓扑被广泛应用于光伏和储能领域.同时,采用软开关技术能够降低开关损耗.针对T型中点钳位式(TNPC)三相三电平结构,提出了一种新型的零电流软开关变流器拓扑.该软开关拓扑每相仅需要额外使用两个辅助谐振开关器件和一条LC谐振支路,拓扑控制简单,不需要改变传统的PWM调制方法,辅管的开通时间只由LC谐振参数决定.就能保证主桥臂和辅助桥臂的开关器件实现零电流转换(ZCT),提高了系统的效率.通过换流过程方程和状态平面图,对所提出软开关技术的工作原理和控制方法进行了详细的分析和推导.通过半桥样机实验验证了所提出软开关拓扑的可行性.【期刊名称】《北京交通大学学报》【年(卷),期】2015(039)002【总页数】8页(P55-61,68)【关键词】T型中点钳位式;三电平拓扑;零电流软开关;开关损耗【作者】姚修远;金新民;吴学智;吴跃林;杜宇鹏【作者单位】北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044;北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心,北京100044【正文语种】中文【中图分类】TM46随着新能源产业及微电网技术的迅速发展,如何提高变流器设备的效率成为当前研究的热点．多电平技术具备降低开关损耗、提高波形质量、减小电磁干扰等优势而受到了广泛的关注[1]．其中三电平拓扑应用的尤为广泛,自1977年德国学者Holtz提出三电平逆变器主电路及其方案以来,三电平拓扑得到较大的发展,从电路结构上克服了两电平变换器的诸多缺点．三电平拓扑主要包括:中点钳位型拓扑，飞跨电容型拓扑及具有独立直流电压源的级联型拓扑,其中以中点钳位型拓扑应用的最多．T型中点钳位型(TNPC)三电平拓扑由于所用功率器件少,系统成本低,控制简单,功率器件热分布均衡且特别适合应用于直流电压较低的光伏发电系统和储能系统.目前适用于PWM变流器的软开关技术基本上可以归纳为两大类,即直流环节谐振型和谐振极型[2-4]．由于直流环节谐振型软开关技术不能与传统PWM变流器控制策略兼容,因此谐振极型变流器受到更广泛的关注,根据其拓扑设计的不同可分为零电流换流型(ZCT)和零电压换流型(ZVT)．其中，ZCT技术由于可以消除开关器件关断时刻的拖尾电流损耗、辅助开关控制简单等优势而被认为是更好的选择．文献[5-6]介绍了多种零电流软开关技术,分析了软开关技术的换流过程和控制方法．将多电平技术和软开关技术相结合,能够改善变流器效率,进一步提高开关频率,从而优化变流器、滤波器和散热器的设计,减小设备的重量和体积．众多学者对相关领域进行了广泛的研究.文献[7]提出了一种基于二极管中点钳位型(DNPC)三电平拓扑的软开关拓扑,将一台250 kW变流器的开关频率提高至20 kHz．但其要求每一相主桥臂增加4个辅助开关器件和两个LC谐振支路,系统复杂并且成本较高,同时指出,杂散电感可能会导致钳位二极管的意外导通,使得内侧主管不能实现完全的零电流截止.文献[8]将ZCT软开关技术应用于有源中点钳位型(ANPC)三电平拓扑中,每相桥臂仅需增加2个辅助开关器件和1组LC谐振支路．但是该方法要求ANPC 工作在一种固定的换流工况下,使ANPC丧失了平衡热分布的能力．本文作者提出一种新型的基于TNPC三电平结构变流器软开关拓扑,其谐振回路设计简单,并可实现所有开关管的零电流换流,首次将谐振极型零电流软开关技术拓展至TNPC三电平结构．此外,本文作者依据谐振过程方程详细的分析了该软开关拓扑的工作原理和换流过程;通过状态分析图,完成了对辅助开关管控制时序的研究．最后,通过半桥样机的仿真和实验,验证了该拓扑的优点和可行性．图1为提出T型中点钳位三电平零电流软开关变流器的三相拓扑,包括主回路和谐振回路两个部分,谐振回路由LC谐振环节和辅助开关管组成．如图2所示,三电平能够对外输出P、O、N 3种电平,但正常工况下只在临近的两个电平之间转换,即为PO之间或ON之间转换,主管S1和S3,S2和S4保持互补关系．如果考虑到相电流的正负状态,将会有4种换流状态．当三电平拓扑PO电平切换时,S4保持断开,S2保持闭合,S1与S3被互补的驱动信号控制进行斩波,相电流为正(流出桥臂)时, S1与D3进行换流;相电流为负(流入桥臂)时, S3与D1进行换流．当三电平拓扑ON电平切换时,S1保持断开,S3保持闭合,S2与S4被互补的驱动信号控制进行斩波,相电流为正(流出桥臂)时, S2与D4进行换流;相电流为负(流入桥臂)时, S4与D2进行换流．由于PO和ON状态切换是完全对偶的,以上4种换流状态也存在对偶关系,具体如表1所示．进一步分析,为了保证三电平输出状态不会受到软开关过程的影响,谐振环节也工作在0.5Vdc电压条件下．PO状态切换时只选择辅管Sp谐振换流;ON切换时只选择辅管Sn谐振换流．由于电流流向不同,参与环流的IGBT不同,因此TNPC软开关拓扑的控制需要有两种控制模式．根据表1中对偶关系,仅以T型中点钳位三电平零电流软开关变流器的A相PO状态切换为例来说明软开关的工作原理,其他模式均与其类似．图2为A相拓扑,主开关管为S1～S4及其反并联二极管D1～D4;辅助开关管为Sp、Sn 及其反并联二极管Dp、Dn;LC谐振环节Lr、Cr,电流正方向均在图上用箭头标出．假设负载电流Ia和直流侧电压Vdc在一个开关周期内认为是恒定的,并且认为中点电位平衡;ir、vr分别代表流过谐振电感Lr的电流、谐振电容Cr两端电压;ism 代表流过主管的电流(m=1～4),isa代表流过辅管的电流(a=p,n),并且以流过IGBT 的电流为正,以流过反并联二极管的电流为负;vsm、vsa分别代表主管和辅管的器件端电压,各变量的正方向如图2所示．分析过程中认为支撑电容C1、C2容量足够大,电压基本恒定．1.1 同相模式的换流过程在谐振过程开始之前,A相输出电压为O电平,负载电流Ia通过二极管D3和S2导通续流,谐振电流ir(t0)为0,谐振电容电压vr(t0)为上次关断时存储的电压vr-off1,不同阶段的谐振换流拓扑如图3所示．S1的换流过程关键波形如图4所示．1)阶段(t0-t1):在t0时刻,为了保证S1管的零电流开通,需要提前开通辅助开关管Sp,此时0.5Vdc、Lr、Cr、Sp、D3和S2组成谐振回路,谐振过程开始,其谐振过程方程为式中为谐振阻抗为谐振角频率为谐振周期．经过1/4个谐振周期,在t1时刻,谐振电流ir(t1)达到最大,其电流峰值为(0.5Vdc-vr-off1)/Z,谐振电容电压vr(t1)为0.5Vdc．理想情况下,ir(t1)应等于负载电流Ia,即负载电流从D3完全换流到谐振支路上,D3自然关断．实际中,谐振电流峰值可能并没有达到负载电流,D3的电流减小至0或接近于0,其损耗同样也会降低．2)阶段(t1-t5):在t1时刻,由于S1开通,Lr、Cr、Sp、S1组成了谐振回路,谐振电流开始减小,在t2时刻,谐振电流ir(t2)降为0,谐振电压vr(t2)达到了最大值,大于0.5Vdc,谐振电流开始反向,辅管Sp的反并联二极管Dp开始续流,此时关断Sp可以满足辅管的零电流关断为经过1/2个谐振周期,谐振电流在t3时刻,减小为0,由于Dp二极管的反向恢复过程,继续谐振,直至Dp在t5时刻完成自然关断．此时S1的开通过程完成,进入PWM控制阶段．3)阶段(t6-t8):,在t6时刻之前,电流通过S1导通,为了关断S1,需要提前开通辅助开关器件Sp,此时谐振回路由S1、Lr、Cr、Sp组成,谐振开始,t7时刻谐振电流大于负载电流,电流开始通过D1导通,S1可以实现零电流关断．1/4个谐振周期后,谐振电流达到最大值,谐振电流开始谐振降低．t8时刻谐振电流第2次等于负载电流,在(t7-t8)时刻即为S1能够实现零电流关断的窗口时间．t8时刻后,D1开始进入反向恢复过程,谐振过程继续．至t9时刻,D1的反向恢复过程结束为4)阶段(t9-t12):在t9时刻,D3和S2支路被强制导通进行续流．新的谐振回路形成:D3、S2、Lr、Cr、Dp、0.5Vdc．在这个过程中谐振电容电压谐振上升．t10时刻,谐振电流减小为0,全部的负载电流都通过D3和S2支路导通,谐振电压达到峰值．此后谐振电流反向,Dp开始导通．经过1/2个谐振周期后,达到t11时刻,此时谐振电流再次谐振为0,在(t10-t11)时刻之间关断Sp就能实现其零电流的关断．t11时刻后,由于二极管的反向恢复作用,谐振继续,直至t12时刻二极管反向恢复过程完成为电路在t12时刻完成了换流的全部过程,负载电流Ia全部通过D3和S2导通,进入PWM控制阶段．此时的谐振电压为vr(t12),为下次S1的导通做准备,即为下次导通的vr-off1．1.2 反相模式的换流过程S3的开关换流过程关键波形如图5所示:负载电流Ia由二极管D1导通续流,谐振电流ir(t0)为0；谐振电容电压vr(t0)为上次关断时存储的电压vr-off2．不同阶段的谐振换流拓扑如图6所示．1)阶段(t0-t2):在t0时刻,为了保证S3的零电流开通,需要提前开通辅助开关管Sp,此时Lr、Cr、Sp、D1组成谐振回路,谐振过程开始经过1/2个谐振周期,在t1时刻,谐振电流ir(t1)为零并且开始负向增大,谐振电容电压vr(t1)达到正向峰值．负载电流开始向谐振支路换流,再经过1/4个谐振周期，即t2时刻,谐振电流达到峰值．理想情况下,ir(t2)应等于负载电流Ia,即负载电流从D1完全换流到谐振支路上,D1自然关断．实际中,谐振电流峰值可能并没有达到负载电流,D1中仍有电流流过．但是由于流过D1电流较小损耗也会显著降低．2)阶段(t2-t5):在t2时刻,由于S3的开通,Lr、Cr、S3、D2、Dp、0.5Vdc构成了谐振回路．谐振电流ir(t)迅速减小,负载电流开始向S3换流为在t3时刻,谐振电流ir(t3)谐振至零并反向,由于二极管Dp的反向恢复过程,继续谐振,直至Dp在t5时刻完成自然关断,S3的开通过程完成．3)阶段(t6-t11):在t6时刻之前,电流通过S3、D2导通,此时打开辅助开关器件Sp、0.5Vdc、S3、D2、Lr、Cr、Sp、0.5Vdc构成谐振回路．在此阶段有谐振电流ir(t6)为0,谐振电容电压vr(t6)为t5时刻电容上积累的电压为经过1/2个谐振周期后,在t7时刻,谐振电流ir(t)为零,谐振电容电压达到正的最大值,Dp开始导通．负载电流逐渐换流至谐振支路．t8时刻,谐振电流ir(t)恰好与负载电流Ia相等,S3中的电流减小为零．随着谐振的继续，D3和S2开始续流,直至t9时刻,谐振电流达到了谐振峰值(0.5Vdc+vr(t6))/Z,随着谐振的继续,t10时刻谐振电流再次与负载电流相等．在(t8-t10)时刻之间即为S3能够零电流关断的窗口时间．由于S3关断,D3开始反向恢复,谐振继续,至t11时刻D3反向恢复过程结束．4)阶段(t11-t14):在t11时刻,D3的反向恢复过程结束,主管D1被强制导通进行续流．D1、Lr、Cr、Dp组成新的谐振回路,负载电流开始向D1换流为在t12时刻,谐振电流减小至0,负载电流完全通过D1导通,谐振电压达到正向的最大值．但是由于Dp的反向恢复作用,导致了谐振将会继续,至t14时刻完成了S3关断的全部换流过程,进入PWM控制阶段．此时的谐振电压为vr(t14),为下次S3的导通做准备,即为下次导通的vr-off2．根据上述分析,TNPC软开关的基本原理是在主开关管开通或者关断前,通过辅管的动作通过LC回路引起谐振,将负载电流从主开关器件转移到谐振支路,从而实现主开关器件的软开通和关断．辅管的控制时序和谐振支路的参数选择是TNPC软开关变流器的关键问题．通过不同阶段的得到的谐振方程式(1)～式(8),将电压和电流方程作如下处理[9]式中,a、b、r为不同谐振工况下的特定参数；Z为谐振阻抗.可以得到两种换流模式的状态分析图如图7所示,状态分析图能够清晰的表示一个软开关换流过程中的关键参数．图7中,纵坐标为ir(t)Z,横坐标为vr(t)．为了保证主开关管和辅助开关管都工作在零电流的条件下,就必须要对控制时序进行准确的分析．1)同相模式:根据图7(a)的分析,在S1的开通阶段,需要在谐振电流达到峰值时开通S1,因此Sp管要提前开通(1/4)T时间,即Ton1a=(1/4)T;为了保证Sp的零电流关断,需在其反并联二极管续流时刻(t2-t3)之间关断,根据状态分析图方程为式中,α为(t1-t2)之间的弧度,α∈(0,π/4)．因此可以得出在不同负载电流条件下,Sp 管的开通时间Ton1=(3/8)T～(7/8)T,为了方便控制系统的设计可以固定Ton1=0.5T．在S1的关断阶段,Sp在t6时刻开通,为了保证S1电流全部换流至谐振支路,只需要保证Toff1a=(1/4)T即可．为了保证Sp的零电流关断,需要在其反并联二极管续流时刻(t10-t11)之间关断,根据状态分析图方程如下,其中β为S1关断至t8时刻的角度值,为了方便计算,对整个谐振过程计算进行化简,认为可以判断(t6-t10)=(1/2)T ～(3/4)T,为了简化控制过程,可令Toff1≈(t6-t10)+(1/4)T≈T．实际测试中由于系统杂散参数及二极管反向恢复的影响可能需要对相应的控制时间进行微调．2)反相模式:根据图7(b)的分析,在S3开通时,负载电流需要全部换流至谐振回路,同时，正处于Dp导通续流的阶段,选择谐振电流为反向峰值时刻关断Sp最为合适:Ton2=(3/4)T;同理,对与S3的关断阶段,采用相同的控制方法Toff2=(3/4)T,就可以实现S3和Sp管的零电流工况．根据上述分析,TNPC软开关控制方法时序固定,易于数字编程实现．S2和S4的换流过程与上述过程有对偶关系,因此不再敷述．同时,采用本文方法,TNPC三电平软开关拓扑在谐振过程中的电压激励源最大为0.5Vdc,防止了谐振电流过大的情况,并且不会影响三电平变流器的输出电位,能够在不影响PWM调制的前提下实现软开关效果．为了验证理论分析的正确性,搭建了50 kW TNPC三电平软开关变流器半桥样机，如图8所示．其中，主开关竖桥臂和辅助开关桥臂选用三菱CM200DY-24A模块;主开关横桥臂采用三菱CM400C1Y-24S模块;谐振电感为空心电感,感抗Lr=4.8 μH;谐振电容Cr=1.5 μF;负载电感为375 μH．半桥样机通过控制PO和ON的脉冲数目和宽度,可以测试变流器在不同象限和电流条件下的开关换流特性．分别对样机在硬开关和软开关的开通和关断过程进行了测试,其中间直流电压650 V,负载电流为110 A．硬开关条件下的波形如图9所示,其二极管反向恢复过程明显,导致主开关管上的尖峰电流较大,导通损耗较大．在关断过程中,开关管的拖尾电流关断过压尖峰也会造成较大的关断损耗;软开关换流过程的波形如图10所示. 图10(a)、图10(b)为同相模式和反相模式的软开关换流过程,与理论分析过程一致,在主管IGBT导通的时刻,负载电流将会向谐振支路换流,与理论工况不同的是,实际中由于二极管反向恢复和线路损耗的原因,导致了谐振能量不足,负载电流不能完全换流至谐振支路．尽管如此,由于谐振电路的分流作用,也降低了二极管反向恢复的电流,主开关管的导通过程损耗也得到了很大的减少;在主开关的关断过程中,负载电流被完全转移到谐振电路中,主开关管的反并联二极管开始续流,这样主开关管就能实现完全的零电流关断,不会出现拖尾电流的情况,但是却增加了一个反向恢复过程的损耗．同时通过对比可知,硬开关关断过程中由于杂散电感引起的过电压尖峰也得到了较大的改善,在负载电流110 A的情况下硬开关的关断过电压为90 V;软开关的关断过程由于杂散电感成为了谐振电感的一部分,电流谐振变化,而非突变,大大改善了关断过电压,软开关的关断过电压仅为20 V左右．图11为主开关管在软开关和硬开关条件下的损耗对比．由于杂散参数的影响,尽管开通过程中谐振电流不能达到负载电流,但是采用软开关技术仍能够有效的降低主开关器件在开通和关断过程中的损耗,在110 A条件下S1、S3的软开关导通损耗分别减小至硬开通损耗的27%、30%左右;S1、S3的软开关关断损耗分别减小至硬开关关断损耗的35%、21%左右．负载电流越大,软开关的作用越明显．实验结果证实了提出的三电平软开关技术的正确性和可行性,使用该拓扑能够大幅度减小主开关器件的开通和关断损耗．为了提高TNPC三电平拓扑的效率,本文作者提出了一种新型的T型三电平零电流软开关拓扑．该拓扑简单易行,每相只需增加两个辅助开关和一组LC谐振支路,就可以实现所有开关器件的零电流关断和主开关器件的近似零电流开通,使主开关器件的开关损耗降低至硬开关损耗的35%以下;通过状态分析,简化了辅助开关的控制方法,将谐振过程时序设定为常数,大大节省了计算量．并且通过实验验证了该TNPC三电平ZCT软开关拓扑的可行性和理论分析的正确性．【相关文献】[1] 吴学智,谢路耀,尹靖元,等.一种可实现两组串联光伏池板独立MPPT控制的三电平并网逆变器[J]. 电工技术学报, 2013,28(11): 202-208. WU Xuezhi, XIE Luyao, YIN Jingyuan, et al. A three-level PV inverter with independent MPPT control for two sets of photovoltaic cells in series connection[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2013,28(11): 202-208. (in Chinese)[2] 王强,王天施,孙海军,等.新型高效率并联谐振直流环节软开关逆变器[J].电工技术学报,2013,28(5):219-226.WANG Qiang, WANG Tianshi, SUN Haijun, et al. Novel high efficiency parallel resonant DC link soft-switching inverter[J]. Transactions of China ElectrotechnicalSociety,2013,28(5):219-226.(in Chinese)[3] 秦岭,王亚芳,张振娟,等.低通态损耗的ZCS-PWM变换器族[J].电工技术学报,2009,24(11):96-101. QIN Ling, WANG Yafang, ZHANG Zhenjuan, et al. A novel family of ZCS-PWM converters with reduced conduction loss[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2009,24(11):96-101. (in Chinese)[4] 贺虎成,刘卫国,李榕,等.电机驱动用新型谐振直流环节电压源逆变器[J].中国电机工程学报,2008,28(12):60-65. HE Hucheng, LIU Weiguo, LI Rong, et al. A novel resonant DC link voltage source inverter for motor drives[J]. Proceedings of the CSEE, 2008,28(12):60-65. (in Chinese)[5] Jia W, Lee F C, Boroyevich D, et al. A 100 kW high-performance PWM rectifier with a ZCT soft-switching technique[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2003,18(6): 1302-1308.[6] Li Y P, Lee F C, Boroyevich D. IGBT device application aspects for 50 kW zero-current-transition inverters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2004, 40(4): 1039-1048.[7] Li Y, Lee F C. A generalized zero-current-transition concept to simplify multilevel ZCT converters[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(5): 1310-1320.[8] Li J, Liu J, Boroyevich D, et al. Three-level active neutral-point-clamped zero-current-transition converter for sustainable energy systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011,26(12):3680-3693.[9] Oruganti R, Lee F C. Resonant power processors: Part I-state plane analysis[J]. IEEE Industry Applications Society, 1984:860-867.。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
三相逆变器中应用的软开关技术主要涉及零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。
软开关技术通过在电路中加入缓冲电感、电容，利用电感、电容的谐振作用，使功率开关器件两端电压或电流为零，从而降低开关损耗和电磁干扰。
此外，软开关技术还可以提高电力电子变换器的效率，降低电磁干扰和工频电磁噪声，提高开关管的可靠性。
软开关拓扑结构随着微型逆变器在商业应用中不断增加而不断发展，其中三相微型逆变器克服了单相微型逆变器的缺点，如三相功率不平衡，需采用电解电容来实现功率解耦等。
在三相逆变器中应用软开关技术，主要是将两电平逆变器的软开关拓扑（谐振极型逆变器和谐振直流环节逆变器）拓展到三电平逆变器中。
软开关技术的优点使其成为新能源转换中的核心部件，逆变技术一直是新能源研究的重点。
现代社会对电网品质要求不断提高，以及对逆变器小型化、高效化、低谐波污染的要求，简单的两电平逆变器已难以满足这些要求。
而采用H电平逆变器具有输出电压质量高、电流谐波含量少、更加高效等优点。
如需了解更多关于三相逆变器和软开关技术的信息，建议查阅电力电子和电力传动领域的权威期刊，或者咨询相关研究专家。