專利名稱：準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路及其應(yīng)用，尤其是在雙向直流/直流 變流器，單相逆變器及多相逆變器應(yīng)用的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路。
技術(shù)背景目前，用于雙向直流/直流變流器，單相逆變器及多相逆變器的雙向變流電路，如圖l(a)所示，是典型的硬開關(guān)半橋電路，其中S1、 S2為功率半導(dǎo)體開關(guān)(例如MOSFEI、 IGBT、 IGCT等)，Dl、 D2為續(xù)流二極管，L0為儲(chǔ)能電感。 儲(chǔ)能電感的一端接半橋的中點(diǎn)K;另一點(diǎn)為整個(gè)電路的電感側(cè)輸出端A。該電 路能夠?qū)崿F(xiàn)雙向DC/DC變流器，如圖l (b)所示，也能夠?qū)崿F(xiàn)雙向DC/AC變 流器，如圖l (c)所示。圖中V1為高壓側(cè)電源，V2為低壓側(cè)電源；通常，當(dāng)S1、 D2參與工作，S2、 Dl不工作時(shí)，Sl、 D2就與L0構(gòu)成了電 能從高壓側(cè)送往低壓側(cè)的降壓電路；當(dāng)S3、 Dl參與工作，Sl、 D3不工作時(shí)， S3、 Dl就與LO構(gòu)成了電能從低壓側(cè)送往高壓側(cè)的升壓電路。用兩個(gè)圖l(a)的半橋電路可以組成如圖l(d)所示全橋單相DC/AC變流器， 如圖1(e)所示三相或多相DC/AC變流器,如圖1(f)所示三相或多相帶零線DC/AC 變流器。圖1 (a)，(b)，(c),(d),(e),(f)的電路都工作于硬開關(guān)條件，損耗大，尤其是續(xù)流二 極管的反向恢復(fù)損耗往往占據(jù)器件損耗的大部分。已有的對圖1基本電路的軟 開關(guān)改進(jìn)電路主要包括直流側(cè)諧振型和負(fù)載側(cè)諧振型。改進(jìn)的直流側(cè)諧振型軟開關(guān)電路如圖2所示，其直流側(cè)母線上增加了諧振 元件Lf、 Cf，實(shí)現(xiàn)了零電壓和零電流開關(guān)動(dòng)作，但其缺點(diǎn)是開關(guān)的電壓、電流 應(yīng)力均增加一倍以上，不適用于較大功率應(yīng)用場合。在此基礎(chǔ)上延伸出一系列 改進(jìn)型的直流側(cè)諧振型軟開關(guān)逆變電路，直流側(cè)的諧振元件仍有損耗大的問題， 依然不適用于較大功率應(yīng)用場合。改進(jìn)的負(fù)載側(cè)諧振型軟開關(guān)電路如圖3所示，也同樣有開關(guān)電流應(yīng)力增加 的缺點(diǎn)，仍不適用于較大功率應(yīng)用場合。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種損耗小、適用于較大功率的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變 流電路及其應(yīng)用。本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路，包括電壓型逆變橋和輔助換流電路，電壓型逆變橋由四個(gè)開關(guān)管和并聯(lián)于各開關(guān)管的續(xù)流二極管組成，輔助換流電 路由兩個(gè)換流電感與儲(chǔ)能電感按照星形連接組成，儲(chǔ)能電感的電感值是兩個(gè)換流電感的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個(gè)換流電感的端點(diǎn)分別與電 壓型逆變橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)相連，儲(chǔ)能電感的端點(diǎn)為電流端，電壓型逆變橋 橋臂兩端為電壓端。上述輔助換流電路中的其中一個(gè)換流電感的電感值可以為零。本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路有以下幾種應(yīng)用方式 方式l將準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端作為高壓側(cè)，并且在高壓側(cè)兩端并 聯(lián)濾波電容，電流端與電壓端負(fù)端作為低壓側(cè)，并且在低壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容，構(gòu)成雙向DC/DC變流器。 方式2將準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端作為高壓側(cè)，并且在高壓側(cè)兩端并 聯(lián)由兩個(gè)電容串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓電容中點(diǎn)作為低壓側(cè)，并且 在低壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容，構(gòu)成雙向DC/AC變流器。方式3將兩套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端并聯(lián)作為高 壓側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容，各電流端為交流相線，構(gòu)成雙向DC/AC 單相全橋變流器或多相變流器。方式4將兩套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端并聯(lián)作為高 壓側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)由兩個(gè)電容串聯(lián)組成的分壓電路，各電流端為交流 相線，分壓電容中點(diǎn)為零線，構(gòu)成帶零線雙向DC/AC多相變流器。本發(fā)明的有益效果在于-準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路比目前常用的半橋電路增加一組橋臂，器件的 數(shù)量有所增加，但器件承受的電壓和電流應(yīng)力并沒有增加。通過準(zhǔn)方波的換流 電路實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電壓開通和續(xù)流二極管的零電流關(guān)斷，降低變流器的開關(guān)損 耗，尤其解決了續(xù)流二極管反向恢復(fù)這一主要損耗來源，可以顯著提高變流器 的效率。本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路與傳統(tǒng)諧振軟開關(guān)電路相比，由 于電壓、電流應(yīng)力不增加，更加適合較大功率變流器的變流效率提升。


圖l是硬開關(guān)半橋電路及其應(yīng)用，其中(a)為硬開關(guān)半橋電路，(b)為雙向4DC/DC變流器，(c)為雙向DC/AC變流器，(d)為全橋單相DC/AC變流器， (e)為三相或多相DC/AC變流器，(f)為三相或多相帶零線DC/AC變流器； 圖2是一種直流側(cè)諧振型軟開關(guān)電路； 圖3是一種負(fù)載側(cè)諧振型軟開關(guān)電路； 圖4是本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路； 圖5是本發(fā)明實(shí)施的一種準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向DC/DC變換器； 圖6是本發(fā)明實(shí)施的一種準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向DC/AC變換器； 圖7是本發(fā)明實(shí)施的一種準(zhǔn)方波軟開關(guān)單相全橋雙向DC/AC變換器； 圖8是本發(fā)明實(shí)施的一種準(zhǔn)方波軟開關(guān)三相帶零線雙向DC/AC變換器； 圖9是準(zhǔn)方波軟開關(guān)逆變線路能量從高壓側(cè)流向低壓側(cè)的工作波形； 圖10是準(zhǔn)方波軟開關(guān)逆變線路能量從低壓側(cè)流向高壓側(cè)的工作波形。
具體實(shí)施方式
參見圖4，本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路，包括電壓型逆變橋和輔助 換流電路110，電壓型逆變橋由四個(gè)開關(guān)管S1、 S2、 S3、 S4和并聯(lián)于各開關(guān)管 的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4組成，輔助換流電路110由兩個(gè)換流電感Ll、 L2與儲(chǔ)能電感LO按照星形連接組成，儲(chǔ)能電感LO的電感值是兩個(gè)換流電感 Ll、 L2的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個(gè)換流電感L1、 L2的端點(diǎn) 分別與電壓型逆變橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)相連，儲(chǔ)能電感L0的端點(diǎn)為電流端A， 電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端VI 。上述輔助換流電路110中的其中一個(gè)換流電感的電感值可以為零。準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路中的兩個(gè)電壓型橋臂交替工作，工作脈寬可以 相同，也可以不相同。作為脈寬不同時(shí)的極限，其中一組半橋(Sl、 S2或S3、 S4)工作脈寬遠(yuǎn)小于另一組半橋(S3、 S4或S1、 S2)，例如比例是1/5以下， 工作脈寬窄的一路可以看作是僅僅用于軟開關(guān)換流用。兩路半橋的脈寬相等可以充分利用器件的導(dǎo)通能力，分擔(dān)平均工作電流。 對于不相等的情況則可以使用不同的器件。例如用于換流的器件可以使用通態(tài) 電壓降較大但開關(guān)速度高的器件。在同一半橋的上下兩個(gè)開關(guān)管換流時(shí)，橋臂中點(diǎn)電位發(fā)生跳變，此時(shí)另一 半橋的中點(diǎn)電位隨之跳變，引起橋臂開關(guān)管的結(jié)電容與換流電感諧振，會(huì)破壞 軟開關(guān)條件。因此，電壓型逆變橋在換流過程中，當(dāng)其中一個(gè)半橋的一個(gè)開關(guān) 管關(guān)斷時(shí)，另一半橋中的互補(bǔ)開關(guān)管瞬時(shí)導(dǎo)通對結(jié)電容放電，導(dǎo)通持續(xù)時(shí)間控 制在大于開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間、少于換流時(shí)間范圍內(nèi)。本發(fā)明的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路有以下幾種應(yīng)用方式，參見圖5 圖8， 其中圖6，圖7,圖8中的名為"準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路"的方框表示本發(fā) 明的如圖4所示的"準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路"。方式1,如圖5所示，準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端VI作為高壓 側(cè)，并且在高壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容C1，電流端與電壓負(fù)端作為低壓側(cè)V2，并 且在低壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容C2，構(gòu)成雙向DC/DC變流器。其工作原理如下假設(shè)電路已經(jīng)工作到穩(wěn)定狀態(tài)，儲(chǔ)能電感LO的電流I。保持不變，有兩種工 作情況-情況l:當(dāng)能量從高壓側(cè)流向低壓側(cè)時(shí)，四個(gè)開關(guān)管按照S1， S2， S3, S4 的順序依次導(dǎo)通，電路工作情況如圖9，圖中Gs,、 GS2、 GS3、 Gs4分別表示開關(guān) 管S1、 S2、 S3、 S4的門極驅(qū)動(dòng)信號，IS1、 Is3分別表示流過開關(guān)管Sl、 S3的電 流，Im、 ID4分別表示流過續(xù)流二極管D2、 D4的電流，Usi表示開關(guān)管Sl兩 端的電壓。 一個(gè)周期的工作原理描述如下第一階段，從tl-t2， Sl導(dǎo)通。電流從高壓側(cè)V1，經(jīng)開關(guān)管S1、換流電感 Ll、儲(chǔ)能電感LO到低壓側(cè)V2。第二階段，t2時(shí)刻，Sl關(guān)斷、S2開通、S4瞬時(shí)導(dǎo)通。通過S1的電流換流 到續(xù)流二極管D2續(xù)流。第三階段，從t2-t3， S2開通。電流經(jīng)續(xù)流二極管D2、換流電感L1、儲(chǔ)能 電感LO、低壓側(cè)V2續(xù)流。第四階段，從t3-t4, S2關(guān)斷，S3開通。通過續(xù)流二極管D2的電流經(jīng)換流 電感L1和L2逐漸換流到開關(guān)管S3。 D2零電流關(guān)斷，S3零電壓開通。第五階段，從t4-t5， S3開通。電流從高壓側(cè)V1，經(jīng)開關(guān)管S3、換流電感 L2、儲(chǔ)能電感L0到低壓側(cè)V2。第六階段，t5時(shí)刻，S3關(guān)斷、S4開通、S2瞬時(shí)開通。通過S3的電流換流 到續(xù)流二極管D4續(xù)流。第七階段，從t5-t6， S4開通。電流經(jīng)續(xù)流二極管D4、換流電感L2、儲(chǔ)能 電感LO、低壓側(cè)V2續(xù)流。第八階段，從t6-t7， S4關(guān)斷，Sl開通。通過D4的電流通過換流電感L2 和Ll逐漸換流到開關(guān)管Sl。 D4零電流關(guān)斷，Sl零電壓開通。情況2:當(dāng)能量從低壓側(cè)流向高壓側(cè)時(shí)，開關(guān)管按S2， Sl， S4， S3的次序 開通，電路工作情況如圖10，圖中Gs!、 GS2、 GS3、 Gs4分別表示開關(guān)管Sl、 S2、S3、 S4的門極驅(qū)動(dòng)信號，IS2、 Is4分別表示流過開關(guān)管S2、 S4的電流，ID1、 ID3 分別表示流過續(xù)流二極管D1、 D3的電流，U^表示開關(guān)管Sl兩端的電壓。 一個(gè)周期的工作原理描述如下第一階段，從tl-t2， S2導(dǎo)通。電流經(jīng)低壓側(cè)V2、儲(chǔ)能電感L0，換流電感 Ll，開關(guān)管S2流通。第二階段，t2時(shí)刻，S2關(guān)斷、Sl開通，S3瞬時(shí)開通。通過S2的電流換流 到續(xù)流二極管D1續(xù)流。第三階段，從t2-t3， Sl開通。電流從低壓側(cè)V2，經(jīng)儲(chǔ)能電感L0，換流電 感L1，續(xù)流二極管D1，到高壓側(cè)V1。第四階段，從t3-t4， Sl關(guān)斷，S4開通。通過續(xù)流二極管D1的電流通過換 流電感L1和儲(chǔ)能L2逐漸換流到開關(guān)管S4。 Dl零電流關(guān)斷，S4零電壓開通。第五階段，從t4-t5， S4開通。電流從經(jīng)壓側(cè)V2、儲(chǔ)能電感L0，換流電感 L2,開關(guān)管S4流通。第六階段，t5時(shí)刻，S4關(guān)斷、S3開通、Sl瞬時(shí)開通。通過S4的電流換流 到續(xù)流二極管D3續(xù)流。第七階段，從t5-t6， S3開通。電流從低壓側(cè)V2，經(jīng)儲(chǔ)能電感L0，換流電 感L2，續(xù)流二極管D3，到高壓側(cè)V1。第八階段，從t6-t7， S3關(guān)斷，S2開通。通過續(xù)流二極管D3的電流通過換 流電感L2和Ll逐漸換流到開關(guān)管S2。 D3零電流關(guān)斷，S2零電壓開通。方式2，如圖6所示，準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端VI作為高壓側(cè)， 并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)由兩個(gè)電容CH， C12串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓 電容中點(diǎn)作為低壓側(cè)，并且在低壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容C2，構(gòu)成雙向DC/AC 變流器。變流器的工作原理與方式1雙向DC/DC變流器類似。方式3，如圖7所示，將兩套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路 的電壓端VI并聯(lián)作為高壓側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容C1，各電流端A 為交流相線，構(gòu)成雙向DC/AC單相全橋變流器或多相變流器。變流器的工作原 理與方式1雙向DC/DC變流器類似。方式4，如圖8所示，將兩套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路 的電壓端V1并聯(lián)作為高壓側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)由兩個(gè)電容Cll， C12串聯(lián) 組成的分壓電路，各電流端A為交流相線，分壓電容中點(diǎn)N為零線，構(gòu)成帶零 線雙向DC/AC多相變流器。變流器的工作原理與方式1雙向DC/DC變流器類 似。
權(quán)利要求
1. 準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路，其特征是包括電壓型逆變橋和輔助換流電路(110)，電壓型逆變橋由四個(gè)開關(guān)管(S1、S2、S3、S4)和并聯(lián)于各開關(guān)管的續(xù)流二極管(D1、D2、D3、D4)組成，輔助換流電路(110)由兩個(gè)換流電感(L1、L2)與儲(chǔ)能電感(L0)按照星形連接組成，儲(chǔ)能電感(L0)的電感值是兩個(gè)換流電感(L1、L2)的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個(gè)換流電感(L1、L2)的端點(diǎn)分別與電壓型逆變橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)相連，儲(chǔ)能電感(L0)的端點(diǎn)為電流端(A)，電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端(V1)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路，其特征在于輔助換流 電路(110)中的其中一個(gè)換流電感的電感值為零。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的應(yīng)用，其特征是將準(zhǔn) 方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端(VI)作為高壓側(cè)，并且在高壓側(cè)兩端并聯(lián) 濾波電容(Cl)，電流端與電壓端負(fù)端作為低壓側(cè)(V2)，并且在低壓側(cè)兩端并 聯(lián)濾波電容(C2)，構(gòu)成雙向DC/DC變流器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的應(yīng)用，其特征是將準(zhǔn) 方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端(VI)作為高壓側(cè)，并且在高壓側(cè)兩端并聯(lián) 由兩個(gè)電容(Cll， C12)串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓電容中點(diǎn)作為低 壓側(cè)(V2)，并且在低壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容(C2)，構(gòu)成雙向DC/AC變流器。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的應(yīng)用，其特征是將兩 套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端(VI)并聯(lián)作為高壓 側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)濾波電容(Cl)，各電流端(A)為交流相線，構(gòu)成雙 向DC/AC單相全橋變流器或多相變流器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的應(yīng)用，其特征是將兩 套或兩套以上所說的準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路的電壓端(VI)并聯(lián)作為高壓 側(cè)，并在高壓側(cè)兩端并聯(lián)由兩個(gè)電容(Cll， C12)串聯(lián)組成的分壓電路，各電 流端(A)為交流相線，分壓電容中點(diǎn)(N)為零線，構(gòu)成帶零線雙向DC/AC 多相變流器。
全文摘要
本發(fā)明公開了準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路及其應(yīng)用，準(zhǔn)方波軟開關(guān)雙向變流電路包括電壓型逆變橋和輔助換流電路，電壓型逆變橋由四個(gè)開關(guān)管和并聯(lián)于各開關(guān)管的續(xù)流二極管組成，輔助換流電路由兩個(gè)換流電感與儲(chǔ)能電感按照星形連接組成，電路中的兩個(gè)換流電感的端點(diǎn)分別與電壓型逆變橋的兩個(gè)橋臂的中點(diǎn)相連，儲(chǔ)能電感的端點(diǎn)為電流端，電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端。該電路通過兩個(gè)橋臂輪流工作，實(shí)現(xiàn)開關(guān)的零電壓開通和續(xù)流二極管的零電流關(guān)斷。與傳統(tǒng)硬開關(guān)電路相比可以降低開關(guān)的開通損耗和二極管的關(guān)斷損耗，可用于雙向直流/直流變流器，單相或多相直流/交流變流器，更加適合較大功率變流器的變流效率提升。
文檔編號H02M7/5387GK101262179SQ200810060650
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月15日
發(fā)明者呂征宇, 姚文熙 申請人:浙江大學(xué)