專利名稱：準方波軟開關雙向變流電路及其應用的變流器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及準方波軟開關雙向變流電路及其應用的變流器。
背景技術：
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，是典型的硬開關半橋電路，其中S1、 S2為功率半導體開關
(例如MOSFEI、 IGBT、 IGCT等)，Dl、 D2為續(xù)流二極管，L0為儲能電感。 儲能電感的一端接半橋的中點K;另一點為整個電路的電感側輸出端A。該電 路能夠實現(xiàn)雙向DC/DC變流器，如圖l (b)所示，也能夠實現(xiàn)雙向DC/AC變 流器，如圖l (c)所示。圖中V1為高壓側電源，V2為低壓側電源；
通常，當S1、 D2參與工作，S2、 Dl不工作時，Sl、 D2就與L0構成了電 能從高壓側送往低壓側的降壓電路；當S3、 Dl參與工作，Sl、 D3不工作時， S3、 Dl就與LO構成了電能從低壓側送往高壓側的升壓電路。
用兩個圖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l(a)，(b)，(c),(d)，(e),(f)的電路都工作于硬開關條件，損耗大，尤其是續(xù)流二 極管的反向恢復損耗往往占據(jù)器件損耗的大部分。己有的對圖1基本電路的軟 開關改進電路主要包括直流側諧振型和負載側諧振型。
改進的直流側諧振型軟開關電路如圖2所示，其直流側母線上增加了諧振 元件Lf、 Cf，實現(xiàn)了零電壓和零電流開關動作，但其缺點是開關的電壓、電流 應力均增加一倍以上，不適用于較大功率應用場合。在此基礎上延伸出一系列 改進型的直流側諧振型軟開關逆變電路，直流側的諧振元件仍有損耗大的問題， 依然不適用于較大功率應用場合。
改進的負載側諧振型軟開關電路如圖3所示，也同樣有開關電流應力增加 的缺點，仍不適用于較大功率應用場合。 發(fā)明內容
本實用新型的目的是提供一種損耗小、適用于較大功率的準方波軟開關雙 向變流電路及其應用的變流器。
本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路，包括電壓型逆變橋和輔助換流 電路，電壓型逆變橋由四個開關管和并聯(lián)于各開關管的續(xù)流二極管組成，輔助
換流電路由兩個換流電感與儲能電感按照星形連接組成，儲能電感的電感值是
兩個換流電感的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個換流電感的端點分
別與電壓型逆變橋的兩個橋臂的中點相連，儲能電感的端點為電流端，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換流電感的電感值可以為零。 應用本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路可以獲得以下幾種形式的變
流器
第一種變流器
將準方波軟開關雙向變流電路的電壓端作為高壓側，并且在高壓側兩端并 聯(lián)濾波電容，電流端與電壓端負端作為低壓側，并且在低壓側兩端并聯(lián)濾波電 容，構成雙向DC/DC變流器。
第二種變流器
將準方波軟開關雙向變流電路的電壓端作為高壓側，并且在高壓側兩端并 聯(lián)由兩個電容串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓電容中點作為低壓側，并且 在低壓側兩端并聯(lián)濾波電容，構成雙向DC/AC變流器。
第三種變流器
將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電路的電壓端并聯(lián)作為高 壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)濾波電容，各電流端為交流相線，構成雙向DC/AC 單相全橋變流器或多相變流器。
第四種變流器
將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電路的電壓端并聯(lián)作為高 壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)由兩個電容串聯(lián)組成的分壓電路，各電流端為交流 相線，分壓電容中點為零線，構成帶零線雙向DC/AC多相變流器。
本實用新型的有益效果在于
準方波軟開關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力并沒有增加。通過準方波的換流 電路實現(xiàn)開關的零電壓開通和續(xù)流二極管的零電流關斷，降低變流器的開關損 耗，尤其解決了續(xù)流二極管反向恢復這一主要損耗來源，可以顯著提高變流器 的效率。本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路與傳統(tǒng)諧振軟開關電路相比， 由于電壓、電流應力不增加，更加適合較大功率變流器的變流效率提升。

圖l是硬開關半橋電路及其應用，其中(a)為硬開關半橋電路，(b)為雙向DC/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是一種直流側諧振型軟開關電路； 圖3是一種負載側諧振型軟開關電路；
圖4是本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路；
圖5是本實用新型實施的一種準方波軟開關雙向DC/DC變換器；
圖6是本實用新型實施的一種準方波軟開關雙向DC/AC變換器；
圖7是本實用新型實施的一種準方波軟開關單相全橋雙向DC/AC變換器；
圖8是本實用新型實施的一種準方波軟開關三相帶零線雙向DC/AC變換
器；
圖9是準方波軟開關逆變線路能量從高壓側流向低壓側的工作波形；
圖10是準方波軟開關逆變線路能量從低壓側流向高壓側的工作波形。
具體實施方式
參見圖4，本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路，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開關管S1、 S2、 S3、 S4和并聯(lián)于各開 關管的續(xù)流二極管D1、 D2、 D3、 D4組成，輔助換流電路110由兩個換流電感 Ll、 L2與儲能電感L0按照星形連接組成，儲能電感LO的電感值是兩個換流電 感L1、 L2的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個換流電感L1、 L2的端 點分別與電壓型逆變橋的兩個橋臂的中點相連，儲能電感LO的端點為電流端 A，電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端V1。
上述輔助換流電路110中的其中一個換流電感的電感值可以為零。
準方波軟開關雙向變流電路中的兩個電壓型橋臂交替工作，工作脈寬可以 相同，也可以不相同。作為脈寬不同時的極限，其中一組半橋(Sl、 S2或S3、 S4)工作脈寬遠小于另一組半橋(S3、 S4或Sl、 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換流用。
兩路半橋的脈寬相等可以充分利用器件的導通能力，分擔平均工作電流。 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) 電壓降較大但開關速度高的器件。
在同一半橋的上下兩個開關管換流時，橋臂中點電位發(fā)生跳變，此時另一 半橋的中點電位隨之跳變，引起橋臂開關管的結電容與換流電感諧振，會破壞 軟開關條件。因此，電壓型逆變橋在換流過程中，當其中一個半橋的一個開關 管關斷時，另一半橋中的互補開關管瞬時導通對結電容放電，導通持續(xù)時間控
制在大于開關管關斷時間、少于換流時間范圍內。
應用本實用新型的準方波軟開關雙向變流電路可以獲得以下幾種形式的變
流器，參見圖5 圖8，其中圖6，圖7，圖8中的名為"準方波軟開關雙向變 流電路"的方框表示本實用新型的如圖4所示的"準方波軟開關雙向變流電路"。 第一種，如圖5所示，準方波軟開關雙向變流電路的電壓端VI作為高壓 側，并且在高壓側兩端并聯(lián)濾波電容C1，電流端與電壓負端作為低壓側V2，并 且在低壓側兩端并聯(lián)濾波電容C2，構成雙向DC/DC變流器。 其工作原理如下
假設電路己經(jīng)工作到穩(wěn)定狀態(tài)，儲能電感LO的電流I。保持不變，有兩種工 作情況
情況l:當能量從高壓側流向低壓側時，四個開關管按照S1， S2， S3， S4 的順序依次導通，電路工作情況如圖9，圖中Gs,、 GS2、 GS3、 Gs4分別表示開關 管S1、 S2、 S3、 S4的門極驅動信號，IS1、 Is3分別表示流過開關管Sl、 S3的電 流，Im、 id4分別表示流過續(xù)流二極管D2、 D4的電流，Uw表示開關管Sl兩 端的電壓。 一個周期的工作原理描述如下-
第一階段，從tl-t2， Sl導通。電流從高壓側V1，經(jīng)開關管S1、換流電感 Ll、儲能電感L0到低壓側V2。
第二階段，t2時刻，Sl關斷、S2開通、S4瞬時導通。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、儲能 電感LO、低壓側V2續(xù)流。
第四階段，從t3-t4， S2關斷，S3開通。通過續(xù)流二極管D2的電流經(jīng)換流 電感L1和L2逐漸換流到開關管S3。 D2零電流關斷，S3零電壓開通。
第五階段，從t4-t5， S3開通。電流從高壓側V1，經(jīng)開關管S3、換流電感 L2、儲能電感LO到低壓側V2。
第六階段，t5時刻，S3關斷、S4開通、S2瞬時開通。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、儲能 電感LO、低壓側V2續(xù)流。
第八階段，從t6-t7， S4關斷，Sl開通。通過D4的電流通過換流電感L2 和L1逐漸換流到開關管S1。 D4零電流關斷，Sl零電壓開通。
情況2:當能量從低壓側流向高壓側時，開關管按S2， Sl， S4， S3的次序
開通，電路工作情況如圖10，圖中Gw、 GS2、 GS3、 Gs4分別表示開關管Sl、 S2、 S3、 S4的門極驅動信號，IS2、 Is4分別表示流過開關管S2、 S4的電流，ID1、 ID3 分別表示流過續(xù)流二極管D1、 D3的電流，Us!表示開關管Sl兩端的電壓。 一個周期的工作原理描述如下
第一階段，從tl-t2， S2導通。電流經(jīng)低壓側V2、儲能電感L0，換流電感 Ll，開關管S2流通。
第二階段，t2時刻，S2關斷、Sl開通，S3瞬時開通。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V2，經(jīng)儲能電感L0，換流電 感L1，續(xù)流二極管D1，到高壓側V1。
第四階段，從t3-t4， Sl關斷，S4開通。通過續(xù)流二極管D1的電流通過換 流電感L1和儲能L2逐漸換流到開關管S4。 Dl零電流關斷，S4零電壓開通。
第五階段，從t4-t5， S4開通。電流從經(jīng)壓側V2、儲能電感L0，換流電感 L2，開關管S4流通。
第六階段，t5時刻，S4關斷、S3開通、Sl瞬時開通。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V2，經(jīng)儲能電感L0，換流電 感L2，續(xù)流二極管D3，到高壓側V1。
第八階段，從t6-t7， S3關斷，S2開通。通過續(xù)流二極管D3的電流通過換 流電感L2和L1逐漸換流到開關管S2。 D3零電流關斷，S2零電壓開通。
第二種，如圖6所示，準方波軟開關雙向變流電路的電壓端VI作為高壓側， 并在高壓側兩端并聯(lián)由兩個電容Cll， C12串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓 電容中點作為低壓側，并且在低壓側兩端并聯(lián)濾波電容C2，構成雙向DC/AC 變流器。變流器的工作原理與第一種雙向DC/DC變流器類似。
第三種，如圖7所示，將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電 路的電壓端VI并聯(lián)作為高壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)濾波電容C1，各電流端 A為交流相線，構成雙向DC/AC單相全橋變流器或多相變流器。變流器的工作 原理與第一種雙向DC/DC變流器類似。
第四種，如圖8所示，將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電 路的電壓端V1并聯(lián)作為高壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)由兩個電容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N為零線，構成帶 零線雙向DC/AC多相變流器。變流器的工作原理與第一種""雙向DC/DC變 流器類似。
權利要求1.準方波軟開關雙向變流電路，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開關管(S1、S2、S3、S4)和并聯(lián)于各開關管的續(xù)流二極管(D1、D2、D3、D4)組成，輔助換流電路(110)由兩個換流電感(L1、L2)與儲能電感(L0)按照星形連接組成，儲能電感(L0)的電感值是兩個換流電感(L1、L2)的電感值之和的至少5倍，星形電路中的兩個換流電感(L1、L2)的端點分別與電壓型逆變橋的兩個橋臂的中點相連，儲能電感(L0)的端點為電流端(A)，電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端(V1)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的準方波軟開關雙向變流電路，其特征在于輔助換流 電路(110)中的其中一個換流電感的電感值為零。
3. 根據(jù)權利要求1所述的準方波軟開關雙向變流電路應用的變流器，其特征 是將準方波軟開關雙向變流電路的電壓端(VI)作為高壓側，并且在高壓側兩 端并聯(lián)濾波電容(Cl)，電流端與電壓端負端作為低壓側(V2)，并且在低壓側 兩端并聯(lián)濾波電容(C2)，構成雙向DC/DC變流器。
4. 根據(jù)權利要求1所述的準方波軟開關雙向變流電路應用的變流器，其特征 是將準方波軟開關雙向變流電路的電壓端(VI)作為高壓側，并且在高壓側兩 端并聯(lián)由兩個電容(C11, C12)串聯(lián)組成的分壓電路，電流端與分壓電容中點 作為低壓側(V2)，并且在低壓側兩端并聯(lián)濾波電容(C2)，構成雙向DC/AC 變流器。
5. 根據(jù)權利要求1所述的準方波軟開關雙向變流電路應用的變流器，其特征 是將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電路的電壓端(VI)并聯(lián)作 為高壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)濾波電容(Cl)，各電流端(A)為交流相線， 構成雙向DC/AC單相全橋變流器或多相變流器。
6. 根據(jù)權利要求1所述的準方波軟開關雙向變流電路應用的變流器，其特征 是將兩套或兩套以上所說的準方波軟開關雙向變流電路的電壓端(VI)并聯(lián)作 為高壓側，并在高壓側兩端并聯(lián)由兩個電容(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(N)為零線，構成帶零線雙向DC/AC 多相變流器。
專利摘要本實用新型公開了準方波軟開關雙向變流電路及其應用的變流器，準方波軟開關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開關管和并聯(lián)于各開關管的續(xù)流二極管組成，輔助換流電路由兩個換流電感與儲能電感按照星形連接組成，電路中的兩個換流電感的端點分別與電壓型逆變橋的兩個橋臂的中點相連，儲能電感的端點為電流端，電壓型逆變橋橋臂兩端為電壓端。該電路通過兩個橋臂輪流工作，實現(xiàn)開關的零電壓開通和續(xù)流二極管的零電流關斷。與傳統(tǒng)硬開關電路相比可以降低開關的開通損耗和二極管的關斷損耗，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H02M7/66GK201185397SQ20082008554
公開日2009年1月21日 申請日期2008年4月15日 優(yōu)先權日2008年4月15日
發(fā)明者呂征宇, 姚文熙 申請人:浙江大學