[發(fā)明專利]有源中點(diǎn)電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910023827.3
• 申請日: 2009-09-08
• 公開（公告）號: CN101640497A
• 公開（公告）日: 2010-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李錦;劉進(jìn)軍
• 申請（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號: H02M7/537
• 分類號: H02M7/537;H02M7/217
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 惠文軒

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及電力電子變流器領(lǐng)域，具體地說是一種有源中點(diǎn)電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器。

背景技術(shù)

近年來，以逆變器(將直流電變換為交流電的裝置)和整流器(將交流電變換為直流電的裝置)為主要代表的三相和單相電力電子變流器得到了人們越來越多的重視和廣泛應(yīng)用。在電力電子變流器的典型應(yīng)用場合，如不間斷電源、電機(jī)的變頻驅(qū)動器以及風(fēng)能、太陽能等新能源發(fā)電等，對電力電子變流器的性能提出了許多要求，如：高運(yùn)行效率、高功率密度、低輸出諧波、低電磁干擾等。目前電力電子變流器大多都采用“硬開關(guān)”的PWM技術(shù)，電力電子功率開關(guān)器件需要在高電壓大電流下開關(guān)動作，每次開通與關(guān)斷過程中所承受的電壓與流過的電流會出現(xiàn)相乘不為零的重疊部分，因而產(chǎn)生開關(guān)損耗。電力電子功率開關(guān)器件的開關(guān)損耗又可以細(xì)分為開關(guān)管的開通損耗、開關(guān)管的關(guān)斷損耗以及二極管的反向恢復(fù)損耗。隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗會急劇增加，系統(tǒng)效率會急劇下降，如果開關(guān)損耗過大還會導(dǎo)致電力電子開關(guān)器件結(jié)溫過高以至損壞器件，而過低的開關(guān)頻率則會帶來輸出諧波大、動態(tài)響應(yīng)慢、功率密度低等問題，因此，開關(guān)損耗限制了變流器開關(guān)頻率的提高和性能的改善，如果采用無源緩沖電路，只是把開關(guān)損耗轉(zhuǎn)移到電阻電容上，系統(tǒng)的效率仍然不高。硬開關(guān)過程不僅產(chǎn)生開關(guān)損耗，還會引起很大的電流變化率，在開關(guān)器件關(guān)斷時(shí)器件上會產(chǎn)生很大的電壓尖峰，為了保證安全，開關(guān)器件需要降額使用。此外硬開關(guān)還產(chǎn)生高頻的電磁干擾，影響周圍電子設(shè)備的正常運(yùn)行。于是人們研究提出了采用“軟開關(guān)”技術(shù)來解決上面的問題，所謂“軟開關(guān)”是利用了諧振的原理，在電壓或者電流諧振過零的時(shí)刻執(zhí)行開關(guān)動作，從而大大減少開關(guān)損耗。

零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)是一種新型的軟開關(guān)技術(shù)，其基本的思想是在主開關(guān)管動作之前通過輔助電路觸發(fā)諧振將即將關(guān)斷的開關(guān)管和二極管的電流諧振到零然后，再關(guān)斷開關(guān)管和二極管。零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅減少了開關(guān)管的關(guān)斷損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗，也有助于減少開關(guān)管的開通損耗，且輔助電路中的開關(guān)器件都是在零電流零電壓條件下開關(guān)，所以采用零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)可以有效地減少開關(guān)損耗，從而提高變流器的效率和開關(guān)頻?率。此外零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)大大減少了開關(guān)過程的電流變化率，消除了器件關(guān)斷時(shí)的電壓尖峰，減少了電磁干擾問題。因此，零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)特別適用于大功率的逆變器和整流器中。

多電平的變流器與兩電平變流器相比有許多優(yōu)點(diǎn)，從上個(gè)世紀(jì)80年代以來一直是研究的熱點(diǎn)之一。目前二極管中點(diǎn)電壓鉗位三電平變流器應(yīng)用比較廣泛，在市場中占有較大的份額，其三相逆變器電路如圖1所示，其主要的優(yōu)點(diǎn)有：開關(guān)器件只承受一半的直流電壓應(yīng)力，因而可以選擇電壓等級較低的開關(guān)器件；其輸出的等效開關(guān)頻率是器件實(shí)際開關(guān)頻率的兩倍，因而減少了濾波器的體積和重量，提高了系統(tǒng)的功率密度；其電壓電流的變化率也為兩電平的一半，因而電磁干擾問題有所緩解。

如何進(jìn)一步減少中點(diǎn)電壓鉗位三電平變流器的損耗、提高其性能是人們研究比較多的一個(gè)問題。已有技術(shù)[1]，見IEEE?Transaction?on?industrial?electronics雜志2005年第52卷第三期刊登的”The?Active?NPC?Converter?and?Its?Loss-balancing?Control”一文(作者Thomas?Brückner等)，該技術(shù)采用有源的電力電子開關(guān)替換無源的二極管作為中點(diǎn)電壓鉗位的器件，其三相逆變電路如圖2所示。采用有源中點(diǎn)電壓鉗位的三電平變流器具有以下特點(diǎn)：無論輸出相電流的方向，其輸出零電平的開關(guān)狀態(tài)由一種增加到兩種，這兩種零電平開關(guān)狀態(tài)會在不同的開關(guān)管和二極管上產(chǎn)生開關(guān)損耗，所以通過選擇合理分配這兩種零電平的開關(guān)狀態(tài)，可以將損耗平均地分布在內(nèi)側(cè)和外側(cè)的開關(guān)器件上，克服了采用二極管鉗位中點(diǎn)電壓鉗位三電平變流器損耗分布不平均的問題，減少了外側(cè)開關(guān)管上的熱應(yīng)力，從而可以提高了開關(guān)頻率和系統(tǒng)性能。但該技術(shù)只是把損耗均勻地分布在不同的開關(guān)器件上，并沒有減少變流器總的開關(guān)損耗，系統(tǒng)的效率并沒有提高。