[發明專利]一種三相無源無損軟開關逆變電路

在審

• 申請號: 202110494598.4
• 申請日: 2021-05-07
• 公開（公告）號: CN113162454A
• 公開（公告）日: 2021-07-23
• 發明（設計）人: 褚恩輝;陳志方;亢云旌;任紹寧;廖偉良
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: H02M7/5387
• 分類號: H02M7/5387;H02M1/08
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李珉

1.一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：包括三相結構相同的無源無損軟開關逆變電路，三相無源無損軟開關逆變電路并聯在正負直流母線間，三相輸出波形的相位互差120°；

所述無源無損軟開關逆變電路包括：第一開關管及其反并聯二極管、第二開關管及其反并聯二極管、第一緩沖電感、第二緩沖電感、第一緩沖電容、第二緩沖電容、第一儲能電容、第二儲能電容、第一饋能電感、第二饋能電感、第一輔助二極管、第二輔助二極管、第三輔助二極管、第四輔助二極管、第五輔助二極管、第六輔助二極管以及第七輔助二極管；

所述第一開關管的集電極與正直流母線相連，第一開關管的發射極與第一緩沖電感的一端相連，第一緩沖電感的另一端連接至第二緩沖電感的一端，第二緩沖電感的另一端與第二開關管的集電極相連，第二開關管的發射極連接至負直流母線，第一緩沖電感與第二緩沖電感的連接點作為逆變橋臂的單相交流電輸出端；第一開關管的反并聯二極管的陰極與正直流母線相連，第一開關管的反并聯二極管的陽極與第一開關管的發射極相連，第二開關管的反并聯二極管的陰極與第二開關管的集電極相連，第二開關管的反并聯二極管的陽極連接至負直流母線；第一緩沖電容的一端與正直流母線相連，第一緩沖電容的另一端與第五輔助二極管的陰極相連，第五輔助二極管的陽極與第二緩沖電容的一端相連，第二緩沖電容的另一端連接至負直流母線；第三輔助二極管的陽極連接至第一緩沖電容與第五輔助二極管的連接點，第三輔助二極管的陰極與第一饋能電感的一端相連，第一饋能電感的另一端與第一輔助二極管的陽極相連，第一輔助二極管的陰極連接至正直流母線，第一儲能電容的一端連接至第三輔助二極管與第一饋能電感的連接點，第一儲能電容的另一端連接至第一開關管與第一緩沖電容的連接點；第四輔助二極管的陰極連接至第二緩沖電容與第五輔助二極管的連接點，第四輔助二極管的陽極與第二饋能電感的一端相連，第二饋能電感的另一端與第二輔助二極管的陰極相連，第二輔助二極管的陽極連接至負直流母線，第二儲能電容的一端連接至第四輔助二極管與第二饋能電感的連接點，第二儲能電容的另一端連接至第二開關管與第二緩沖電容的連接點；第六輔助二極管的陰極連接至正直流母線，第六輔助二極管的陽極連接至第二緩沖電容與第五輔助二極管的連接點；第七輔助二極管的陽極連接至負直流母線，第七輔助二極管的陰極連接至第一緩沖電容與第五輔助二極管的連接點。

2.根據權利要求1所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述第一開關管、第二開關管、第一開關管的反并聯二極管和第二開關管的反并聯二極管構成逆變電路；由所述第一緩沖電感、第二緩沖電感、第一緩沖電容、第二緩沖電容、第一儲能電容、第二儲能電容、第一饋能電感，第二饋能電感、第一輔助二極管、第二輔助二極管、第三輔助二極管、第四輔助二極管、第五輔助二極管、第六輔助二極管及第七輔助二極管構成無源輔助緩沖電路。

3.根據權利要求1所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述各相電路中的第一開關管和第二開關管采用全控開關器件。

4.根據權利要求3所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述全控開關器件為功率晶體管、絕緣柵雙極型晶體管、功率場效應晶體管或智能功率模塊。

5.根據權利要求1所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述各相無源無損軟開關逆變電路中的第一開關管的反并聯二極管、第二開關管的反并聯二極管、第一輔助二極管、第二輔助二極管、第三輔助二極管、第四輔助二極管、第五輔助二極管、第六輔助二極管及第七二極管采用快速恢復二極管或高頻二極管。

6.根據權利要求1所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述各相電路中的第一開關管和第二開關管按照正弦脈寬調制、相位差為180°互補開通方式工作。

7.根據權利要求1所述的一種三相無源無損軟開關逆變電路，其特征在于：所述三相無源無損軟開關逆變電路的各相電路的工作模式包括：

模式a：第一開關管處于開通狀態，第二開關管處于關斷狀態，電路處于直流電源向負載供電的狀態；

模式b：第一開關管關斷，第二開關管開通，第二輔助二極管、第三輔助二極管和第五輔助二極管導通，負載電流立即換流至第一緩沖電容、第二緩沖電容和第一儲能電容；同時，第一緩沖電容、第二緩沖電容、第一儲能電容與第一緩沖電感、第二緩沖電感開始諧振，第一緩沖電容開始充電，第二緩沖電容和第一儲能電容開始放電，第一緩沖電感的電流從負載電流開始諧振上升，第二緩沖電感中的電流從零開始諧振上升，與此同時，第二儲能電容和第二饋能電感開始諧振，第二儲能電容開始放電，第二饋能電感的電流從零開始諧振上升，在第一緩沖電容、第二緩沖電容和第一儲能電容的作用下，第一開關管實現零電壓關斷，在第一緩沖電感和第二緩沖電感的作用下，第二開關管實現零電流開通；

模式c：當第二緩沖電容的電壓下降至零時，第七輔助二極管導通，第五輔助二極管自然關斷，此時，第一儲能電容與第一緩沖電感、第二緩沖電感開始諧振，第一儲能電容繼續放電，第一緩沖電感和第二緩沖電感中的電流繼續諧振上升；當第一儲能電容的電壓下降至零時，第一緩沖電感和第二緩沖電感中的電流達到峰值，此后，第一儲能電容開始反向充電，第一緩沖電感和第二緩沖電感中的電流開始諧振下降，當第一緩沖電感中的電流下降至負載電流時，第二緩沖電感中的電流下降至零，此后，第一緩沖電感中的電流從負載電流繼續諧振下降，第二緩沖電感中的電流從零開始反向諧振上升，即負載電流開始從第一緩沖電感向第二緩沖電感換流，在此期間，第二儲能電容和第二饋能電感繼續諧振，第二儲能電容繼續放電，第二饋能電感的電流繼續諧振上升；

模式d：當第二緩沖電感的電流值反向上升至第二饋能電感的電流值，第二開關管的反并聯二極管開通，此時，第一儲能電容與第一緩沖電感、第二緩沖電感繼續諧振，第一儲能電容繼續反向充電，第一緩沖電感中的電流繼續諧振下降，第二緩沖電感中的電流繼續反向諧振上升，即負載電流繼續從第一緩沖電感向第二緩沖電感換流，在此期間，第二儲能電容與第二饋能電感繼續諧振，第二儲能電容繼續放電，第二饋能電感的電流繼續諧振上升；

模式e：當第一緩沖電感中的電流諧振下降至零，第二緩沖電感中的電流諧振上升至負載電流，即負載電流完全從第一緩沖電感換流至第二緩沖電感，第三輔助二極管、第七輔助二極管自然關斷，此時，第二儲能電容與第二饋能電感繼續諧振，第二儲能電容繼續放電，第二饋能電感的電流繼續諧振上升，由于第二緩沖電感的電流保持為負載電流，故第二開關管的反并聯二極管的電流諧振下降；

模式f：當第二儲能電容的電壓下降至零，第四輔助二極管、第五輔助二極管導通，此時，第一緩沖電容、第二緩沖電容、第二儲能電容與第二饋能電感開始諧振，第一緩沖電容開始放電，第二緩沖電容與第二儲能電容開始充電，第二饋能電感中的電流從峰值開始諧振下降，第二開關管的反并聯二極管中的電流開始諧振上升，在此過程中，第二饋能電感中儲存的一部分能量向第二儲能電容轉移，另一部分能量通過第四輔助二極管、第五輔助二極管向直流電源回饋；

模式g：當第二饋能電感中的電流下降至零，第二開關管的反并聯二極管中的電流上升至負載電流，第二輔助二極管、第四輔助二極管、第五輔助二極管自然關斷，此時，電路進入穩定環流狀態；

模式h：當第一開關管開通，第一輔助二極管開通，由于直流電源電壓直接加在了第一緩沖電感與第二緩沖電感上，第一緩沖電感中的電流從零開始線性上升，第二緩沖電感中的電流從負載電流開始線性下降，負載電流開始從第二緩沖電感向第一緩沖電感換流；同時，第一儲能電容與第一饋能電感開始諧振，第一儲能電容開始放電，第一饋能電感的電流從零開始諧振上升，在第一緩沖電感與第二緩沖電感的作用下，第一開關管中的電流從零開始線性上升，故第一開關管實現零電流開通；

模式i：當第二緩沖電感中的電流下降至零，第一緩沖電感中的電流上升至負載電流，即負載電流完全從第二緩沖電感換流至第一緩沖電感時，第二開關管的反并聯二極管自然關斷，第四輔助二極管、第五輔助二極管導通，此時，第一緩沖電容、第二緩沖電容、第二儲能電容與第一緩沖電感、第二緩沖電感開始諧振，第二緩沖電容開始充電，第一緩沖電容和第二儲能電容開始放電，第一緩沖電感的電流從負載電流開始諧振上升，第二緩沖電感的電流從零開始諧振上升，在此期間，第一儲能電容與第一饋能電感繼續諧振，第一儲能電容繼續放電，第一饋能電感的電流繼續諧振上升；

模式j：當第二緩沖電容的電壓上升至直流電源電壓，第一緩沖電容的電壓下降至零，第六輔助二極管導通，第五輔助二極管自然關斷，此時，第二儲能電容與第一緩沖電感、第二緩沖電感開始諧振，第二儲能電容繼續放電，第一緩沖電感、第二緩沖電感的電流繼續諧振上升，當第二儲能電容的電壓下降至零時，第一緩沖電感中的電流達到峰值；此后，第二儲能電容開始正向充電，第一緩沖電感與第二緩沖電感中的電流開始諧振下降；在此期間，第一儲能電容與第一饋能電感繼續諧振，第一儲能電容繼續放電，第一饋能電感的電流繼續諧振上升；

模式k：當第一緩沖電感中的電流下降至負載電流，第二緩沖電感中的電流下降至零，第四輔助二極管、第六輔助二極管自然關斷；此時，第一儲能電容與第一饋能電感繼續諧振，第一儲能電容繼續放電，第一饋能電感的電流繼續諧振上升；

模式l：當第一儲能電容的電壓下降至零，第三輔助二極管、第五輔助二極管導通，此時，第一緩沖電容、第二緩沖電容、第一儲能電容與第一饋能電感開始諧振，第二緩沖電容開始放電，第一緩沖電容與第一儲能電容開始充電，第一饋能電感中的電流開始諧振下降，在此過程中，第一饋能電感中儲存的一部分能量向第一儲能電容轉移，另一部分能量通過第一輔助二極管、第三輔助二極管和第五輔助二極管向直流電源回饋；

當第一饋能電感中的電流下降至零時，第一輔助二極管、第三輔助二極管和第五輔助二極管自然關斷，此時，回路工作模式回到模式a。