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

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910023828.8
• 申請(qǐng)日: 2009-09-08
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101640498A
• 公開(kāi)（公告）日: 2010-02-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李錦;劉進(jìn)軍
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): H02M7/537
• 分類(lèi)號(hào): H02M7/537;H02M7/217
• 代理公司: 西安通大專(zhuān)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(shuō)是一種有源中點(diǎn)電壓鉗位的三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)變流器。

背景技術(shù)

近年來(lái)，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?cè)絹?lái)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(chǎng)合，如不間斷電源、電機(jī)的變頻驅(qū)動(dòng)器以及風(fēng)能、太陽(yáng)能等新能源發(fā)電等，對(duì)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(kāi)關(guān)”的PWM技術(shù)，電力電子功率開(kāi)關(guān)器件需要在高電壓大電流下開(kāi)關(guān)動(dòng)作，每次開(kāi)通與關(guān)斷過(guò)程中所承受的電壓與流過(guò)的電流會(huì)出現(xiàn)相乘不為零的重疊部分，因而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗。電力電子功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)關(guān)損耗又可以細(xì)分為開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗、開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗會(huì)急劇增加，系統(tǒng)效率會(huì)急劇下降，如果開(kāi)關(guān)損耗過(guò)大還會(huì)導(dǎo)致電力電子開(kāi)關(guān)器件結(jié)溫過(guò)高以至損壞器件，而過(guò)低的開(kāi)關(guān)頻率則會(huì)帶來(lái)輸出諧波大、動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、功率密度低等問(wèn)題，因此，開(kāi)關(guān)損耗限制了變流器開(kāi)關(guān)頻率的提高和性能的改善，如果采用無(wú)源緩沖電路，只是把開(kāi)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(kāi)關(guān)過(guò)程不僅產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，還會(huì)引起很大的電流變化率，在開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷時(shí)器件上會(huì)產(chǎn)生很大的電壓尖峰，為了保證安全，開(kāi)關(guān)器件需要降額使用。此外硬開(kāi)關(guān)還產(chǎn)生高頻的電磁干擾，影響周?chē)娮釉O(shè)備的正常運(yùn)行。于是人們研究提出了采用“軟開(kāi)關(guān)”技術(shù)來(lái)解決上面的問(wèn)題，所謂“軟開(kāi)關(guān)”是利用了諧振的原理，在電壓或者電流諧振過(guò)零的時(shí)刻執(zhí)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作，從而大大減少開(kāi)關(guān)損耗。

零電流轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是一種新型的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，其基本的思想是在主開(kāi)關(guān)管動(dòng)作之前通過(guò)輔助電路觸發(fā)諧振將即將關(guān)斷的開(kāi)關(guān)管和二極管的電流諧振到零然后，再關(guān)斷開(kāi)關(guān)管和二極管。零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)不僅減少了開(kāi)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(kāi)關(guān)管的開(kāi)通損耗，且輔助電路中的開(kāi)關(guān)器件都是在零電流零電壓條件下開(kāi)關(guān)，所以采用零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)可以有效地減少開(kāi)關(guān)損耗，從而提高變流器的效率和開(kāi)關(guān)頻率。此外零電流轉(zhuǎn)換軟開(kāi)關(guān)技術(shù)大大減少了開(kāi)關(guān)過(guò)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(wèn)題。因此，零電流轉(zhuǎn)換軟開(kāi)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(lái)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(chǎng)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(kāi)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(jí)較低的開(kāi)關(guān)器件；其輸出的等效開(kāi)關(guān)頻率是器件實(shí)際開(kāi)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(wèn)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(wèn)題。已有技術(shù)[1]，見(jiàn)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(kāi)關(guān)器件替換無(wú)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(wú)論輸出相電流的方向，其輸出零電平的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由一種增加到兩種，這兩種零電平開(kāi)關(guān)狀態(tài)會(huì)在不同的開(kāi)關(guān)管和二極管上產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗，所以通過(guò)選擇合理分配這兩種零電平的開(kāi)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(kāi)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(wèn)題，減少了外側(cè)開(kāi)關(guān)管上的熱應(yīng)力，從而可以提高了開(kāi)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(kāi)關(guān)器件上，并沒(méi)有減少變流器總的開(kāi)關(guān)損耗，系統(tǒng)的效率并沒(méi)有提高。