專利名稱：一種極諧振軟開關逆變電路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及型一種開關逆變電路，具體地說是用于開關電源和交流電機變頻驅動的極諧振軟開關逆變電路。
背景技術：
目前國內外絕大多數(shù)電機變頻器和開關電源中的功率逆變器采用硬開關PWM(脈沖寬度調制)技術，由于1)電路中的功率器件是高電壓下導通，大電流下關斷，電應力大，為保證安全，開關器件需降額使用；2)開關器件在高頻時開關損耗急劇增大，導致半導體結溫急劇上升，從而限制了工作頻率的提高，導致逆變器性能無法進一步提升；3)易導致GTR等半導體功率開關器件的二次擊穿；4)產生較大高頻諧波，對周圍設備產生嚴重電磁干擾。5)采用附加緩沖電路雖可以降低開關損耗，但只是把開關器件上的損耗轉移到阻容元件上，系統(tǒng)效率低。所以，人們研究采用諧振軟開關來解決以上問題。所謂“軟開關”，就是讓開關器件在電壓或電流諧振自然過零點時執(zhí)行開關動作，從而大大降低開關損耗。
一個已有技術[1]，見《軟性開關逆變電路及其應用》一書(機械工業(yè)出版社1993.11出版，作者王聰)。該書提出多種諧振軟開關技術拓撲電路，可歸納為直流(DC)環(huán)節(jié)諧振型和極諧振型兩類。DC環(huán)節(jié)諧振型因要采取短路直流母線的操作為電感預充電，短路時間要嚴格控制，否則易造成損壞，故降低了可靠性，且控制復雜。另外在1相諧振過零點時，會在不過零點的另外2相波形上形成缺口，不適于在3相交流電機變頻調速上應用。而一般極諧振逆變電路和類似的拓撲電路每一相都要1套諧振電感、電容或再附加輔助器件(見圖4)，(原書見第57頁圖3-3與第69頁圖3-10)，導致體積、成本增加，控制較復雜，3個電感參數(shù)一致性難以保證，因此較難實用化。
另一已有技術[2]，見《電機與控制學報》2001年4期246-250頁刊登的“一種用于電機驅動的極諧振ZVT-PWM三相逆變器”(作者明正峰等，電原理圖見圖5)。該技術在帶有緩沖電容的公知一般硬開關逆變橋主電路13上附加一套多開關輔助電路12。該輔助電路由1個電感，3個二極管以及一個輔助開關橋14組成，該輔助開關橋14的結構與公知逆變橋主電路13相比，除不帶續(xù)流二極管和緩沖電容外基本一樣，開關器件數(shù)量也相同，但功率較小。輔助開關橋14各橋臂的中點與主逆變橋13各橋臂的中點各相對應連接。通過分時通斷各個輔助開關器件Sr1～Sr6，使電感Lr與主電路的各緩沖電容進行諧振，使得逆變器主電路各主開關器件S1～S6能在諧振至零電壓條件下通斷。電感Lr兩端接的二極管Ds1、Ds2為電感上多余能量提供回饋到電源的通路。該電路既克服傳統(tǒng)硬開關PWM逆變電路開關損耗大的缺點，又使體積較大的電感減少到1個。但該技術仍存在不足其輔助開關器件數(shù)量與主逆變器電路的主開關器件數(shù)量一樣，導致要控制的開關器件數(shù)量增加一倍(以三相交流電機驅動的逆變器為例，要控制的開關器件由6個增到12個)使控制復雜、可靠性降低、成本增加。

發(fā)明內容
針對上述已有技術存在的不足，本發(fā)明的任務在于提供一種新型極諧振軟開關逆變電路。本新型極諧振軟開關逆變電路中只用極少輔助元件，可使體積較大的諧振電感元件減少到1個，同時輔助開關器件數(shù)量也減少到1個；通過僅對1個輔助半導體開關器件的控制，就可分時地與傳統(tǒng)逆變器主電路中各相等效電容(包括緩沖電容與開關器件極間電容)構成諧振，而不必控制多個輔助開關器件通斷；本發(fā)明具有結構和控制都較簡單，功率開關器件損耗低、工作頻率高、成本更進一步降低，可靠性更高，更易于實用化。
公知的硬開關PWM逆變器電路包括一個整流電路(把交流電整流為直流電作為主逆變橋電源)；一個主逆變橋(把直流電轉換成電壓和頻率都可調的交流電)、及負載(可等效為電阻與電感串聯(lián))；如主逆變橋帶緩沖電容，則各緩沖電容并聯(lián)在主逆變橋各主開關器件上，負載接入點接在各橋臂串聯(lián)主開關器件的中間連接點。
雖然本發(fā)明也是在公知的帶緩沖電容的硬開關PWM逆變器電路上加上一輔助電路，緩沖電容也是在輔助電路工作期間兼作諧振電容，但本發(fā)明的輔助電路與己有技術[2]不同，其特征在于本發(fā)明有一個單開關輔助電路，該輔助電路由1個輔助諧振電感Lr、1個半導體輔助開關器件Sr和1個輔助整流橋組成；輔助整流橋的整流橋臂數(shù)量與主逆變橋的開關橋臂數(shù)量一致(例如，單相應用時，整流橋臂與主逆變開關橋臂皆為2個，三相應用時皆為3個，見圖1、圖2)；各輔助整流橋臂均由2個二極管同向串聯(lián)組成，上邊各二極管的負極與負極相連成為整流橋的負極，下邊各二極管的正極與正極相連組成輔助整流橋正極；各輔助整流橋臂的中點(串聯(lián)二極管的連接點)分別與主逆變橋各主開關橋臂中點相連接；輔助整流橋直流端的正負兩極與電感Lr兩端以及輔助開關器件Sr輸出兩端連接形成閉合串聯(lián)關系；輔助開關器件Sr接在電感Lr一端A與輔助整流橋負極之間，電感Lr另一端B則接輔助整流橋正極。輔助開關器件Sr也可以接在電感Lr另一端B與輔助整流橋正極之間，此時電感Lr的A端接輔助整流橋負極。
當主逆變橋臂上某橋臂要從一種開關狀態(tài)轉換到另一狀態(tài)時，提前導通輔助開關器件Sr為電感Lr充電，輔助電路工作結束后，電感Lr上的多余能量能通過接在電感兩端的二極管回饋到直流母線。(詳細工作原理見實施例一)。
增加主逆變橋的主開關橋臂和同等數(shù)量的輔助二極管整流橋臂，可構成單相以上多相極諧振軟開關逆變器。
本發(fā)明與上述已有技術[1]的電路相比，體積較大的電感元件數(shù)量減少到1個，消除了多個電感不易平衡匹配的困難，也大大減少了電感上的電能損耗，減少了體積與成本。
本發(fā)明與上述已有技術[2]的電路相比，已有技術[2]存在如下不足1)已有技術[2]的輔助開關器件數(shù)量與公知主逆變器的主開關器件數(shù)量相等，即要控制的開關器件數(shù)量增加一倍。要使不同的開關器件在不同時刻，導通不同的持續(xù)時間，不僅控制復雜，降低了可靠性且成本增加。
2)已有技術[2]因輔助開關多，輔助開關器件Sr導通的時間Tc(見附圖3)取固定值為電感預充電，以降低控制難度。為避免充電不足而無法為電壓諧振過零點提供足夠能量，Tc按最大負載電流計算。當負載電流減小時，就造成電感過充電浪費能源，所以，圖5中要添加二極管Ds1、Ds2為電感中多余能量回饋到電源提供通路。
與此對比，本發(fā)明的輔助開關器件減少到1個，僅通過對1個輔助開關器件的控制，就可分時地與傳統(tǒng)逆變器主電路中各相等效電容構成諧振，而不必控制多個輔助開關器件通斷。這樣不僅簡化控制，大大降低了成本，提高了可靠性，而且更易于準確控制輔助開關器件Sr導通時間Tc的最佳值，使之與負載電流變化相適應，達到最佳的電感預充電效果，這時就可省掉二極管D7、D8(對應于圖5的二極管Ds1、Ds2)?？傊?，本發(fā)明具有開關器件損耗低、工作頻率高、控制更簡單、成本更低，可靠性更高、更易于實用化的優(yōu)點，可用于交流電機調速，開關電源等，具有較大的潛在經濟效益。


附圖1是本發(fā)明極諧振軟開關的單相逆變器電路圖。
附圖2是本發(fā)明諧振軟開關的三相逆變器電路圖。
附圖3是本發(fā)明工作原理的單相波形圖。
附圖4是已有技術[1]的三相極諧振軟開關逆變器電路。
附圖5是已有技術[2]的單相極諧振軟開關逆變器電路。
附圖中數(shù)字、符號說明1--整流電路，2--單開關輔助電路，3--公知的帶緩沖電容單相主逆變橋，4--輔助整流橋，5-負載，6--整流電路，7--單開關輔助電路，8--公知的帶緩沖電容三相主逆變橋，9—三相整流電路，10--三相主逆變橋，11--三相諧振電感電容，12--多開關器件輔助電路，13--公知的帶緩沖電容單相逆變橋，14--輔助開關橋，15--負載，Vs—整流后的直流電源電壓，Tc---輔助開關器件Sr導通時間，S1～S6—主逆變橋主開關器件，C1～C6—主逆變橋緩沖電容，D1～D6—主逆變橋續(xù)流二極管，Ds1、Ds2--已有技術[2]電感放電二極管，D7、D8—本實用新型電感放電二極管。
具體實施例方式
下面結合所提供具體實施例附圖，對本發(fā)明的技術方案作進一步描述。(但不是對本實用新型的限制)。
實施例一根據(jù)本發(fā)明原理的一個具體實施例，如圖1所示，是一種新型極諧振軟開關單相逆變器?？捎糜陂_關電源，電焊機等領域。為便于說明原理，以開關圖形符號和字母Si(i為1、2、3...)代表具體的半導體功率主開關器件。
公知的帶緩沖電容的硬開關PWM單相主逆變器電路包括整流電路1，帶緩沖電容的單相主逆變橋3，以及負載5。其中單相主逆變橋3由兩對串聯(lián)的逆變主開關橋臂組成，兩主開關橋臂分別由主開關器件S1與S4串聯(lián)及S3與S6串聯(lián)組成。各開關器件上對應并聯(lián)有續(xù)流二極管D1、D4和D3、D6及電容C1、C4和C3、C6，各并聯(lián)電容在主開關關斷時作為緩沖吸收電容，在輔助電路工作時作為諧振電容。負載5(由一個電阻和一個電感串聯(lián)等效表示)的兩端分別接在兩橋臂串聯(lián)主開關器件的中間連接點d、e上。兩主開關橋臂的兩端分別接在整流電路輸出的正負直流母線上(如圖1)。
實施例一的本發(fā)明包括一個上述單相主逆變器電路以及本發(fā)明之單開關輔助電路2。所述的單開關輔助電路2包括1個電感元件Lr，1個輔助半導體開關器件Sr，1個輔助整流橋4。其中輔助整流橋4包括Df1、Df4同向串聯(lián)以及Df3與Df6同向串聯(lián)組成的2個整流橋臂，Df1的正極與Df3正極連接，Df4負極與Df6負極連接，成為該輔助整流橋4的正、負極。該輔助電路整流橋的橋臂數(shù)量與主逆變橋橋臂數(shù)量一致。2個輔助整流橋臂的中點a、b分別接主逆變開關橋臂的中點d、e。輔助開關器件Sr可以接在電感Lr一端A與輔助整流橋負極之間，電感Lr另一端B則接輔助整流橋4正極。輔助開關器件Sr也可以接在電感Lr另一端B與輔助整流橋正極之間，此時電感的一端A接輔助整流橋4負極，具體情況視半導體開關器件類型和極性而定。
如輔助開關器件Sr導通時間Tc(見圖3)取固定值時，也可在上述電路中接入電感放電二極管D7與D8，為輔助電感上的剩余能量提供回饋到電源的通路，以提高進一步效率；其接法二極管D7負極接直流母線正極，二極管D7正極接電感Lr的一端B，二極管D8正極接直流母線負極，二極管D8負極接電感Lr的另一端A。
如Tc隨負載電流變化取對應最佳值，可省去二極管D7、D8。
上述的主逆變器主開關器件S1～S6以及輔助開關器件Sr為半導體器件可以是GTR(大功率晶體管)，或IGBT(場控晶體管)，或MOSFET(絕緣柵場效應管)，或GTO(可關斷可控硅)，也可以為IPM(智能功率模塊)或其它半導體器件。
上述的電感元件Lr可以是用由多股細漆包線編織或絞合在一起的多股線(又稱“里茨線”)繞制而成的。
上述的二極管可以是是高頻二極管或快恢復二極管。
本發(fā)明的工作原理是半導體輔助開關器件Sr在一個開關周期的絕大部分時間內處于關斷狀態(tài)，輔助整流橋此時也都處于阻斷狀態(tài)，輔助電路和輔助電感中均沒有電流，所以該逆變器的輔助電路消耗能量很少。只有當主逆變橋上的某個橋臂需要從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)時，輔助電路中的輔助開關器件Sr提前開通，諧振電感中的電流從零開始線性增加，開始儲存能量。由于主開關器件兩端跨接緩沖電容的存在，逆變橋中的主開關器件在很小的dv/dt下關斷，同一橋臂上下兩主開關器件導通時刻之間存在一個死區(qū)時間，所以該橋臂上的另一個開關延遲開通，此時續(xù)流二極管進行續(xù)流，諧振電感繼續(xù)存儲能量使得二極管中的電流慢慢減小到零，從而為橋臂上的續(xù)流二極管提供一個零電流關斷條件。然后，存儲在諧振電感中的能量和主逆變橋上的等效電容(包括緩沖電容以及主開關器件的極間電容等)進行充放電的諧振，使得逆變主橋臂中點的電位在零和電源電壓之間振蕩，從而為該橋臂上的另一個主開關器件提供了一個零電壓的開通條件。在完成了過渡過程之后，輔助開關在零電流條件下關斷，輔助電路工作停止，諧振電感中如有殘留能量則通過兩個二極管D7和D8回饋給直流母線。本發(fā)明的工作原理的單相波形圖如圖3所示。
實施例二根據(jù)本發(fā)明原理的另一個具體實施例，如圖2所示，該方案是提供一種新型極諧振軟開關三相逆變器主電路，可用于三相交流異步電機變頻調速、三相交流伺服電機驅動等。實施例二之本發(fā)明包括一個整流電路6(三相整流)，一個本發(fā)明單開關輔助電路7，一個公知的帶緩沖電容的三相主逆變橋8。本實施例二是在實施例一的基礎上，在主逆變橋中增加了一個主逆變開關橋臂，在單開關輔助電路中也增加一個輔助整流橋臂。增加的主逆變開關橋臂由主開關器件S5和S2串聯(lián)組成，并聯(lián)有相應的續(xù)流二極管D5、D2及緩沖電容C5、C2。增加的輔助整流橋臂由二極管Df5和Df2同向串聯(lián)組成，從而構成了本諧振軟開關三相逆變電路。三個輔助整流橋臂的中點a、b、c分別與三相主逆變開關橋臂的中點d、e、f相連接。電感Lr，輔助開關器件Sr與輔助整流橋的接法以及其余部分接法均與圖1相同。(在此不重復敘述)。三相主逆變橋的輸出點U、V、W接三相普通或伺服交流電機(未畫出)。三相整流電源輸入端為R、S、T。
權利要求
1.一種極諧振軟開關逆變電路，包括一個整流電路，把交流電整流為直流電作為主逆變橋電源；一個主逆變橋，把直流電轉換成電壓和頻率可調的交流電；主逆變橋各主開關器件上均并聯(lián)一個電容；負載接入點分別接在各橋臂串聯(lián)主開關器件的中間連接點；其特征在于所述的極諧振軟開關逆變電路有一個單開關輔助電路，該輔助電路由1個輔助諧振電感(Lr)、1個輔助開關器件(Sr)和1個輔助整流橋組成；輔助整流橋的整流橋臂數(shù)量與主逆變橋的主開關橋臂數(shù)量一致；各輔助整流橋臂均由2個二極管同向串聯(lián)組成，上邊各二極管的負極與負極相連成為整流橋的負極，下邊各二極管的正極與正極相連組成輔助整流橋正極，各輔助整流橋臂的中點(串聯(lián)二極管的連接點)分別與主逆變橋各開關橋臂中點相連接；輔助整流橋直流端的正負兩極與電感(Lr)兩端以及輔助開關器件(Sr)輸出兩端連接形成閉合串聯(lián)關系；輔助開關器件(Sr)接在電感端(A)與輔助整流橋負極之間，電感(Lr)另一端(B)則接輔助整流橋正極。
2.根據(jù)權利要求1所述的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于所述的極諧振軟開關逆變電路增加主逆變橋的主開關橋臂和同等數(shù)量的輔助二極管整流橋臂，可構成單相以上多相極諧振軟開關逆變電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于，所述的輔助開關器件(Sr)可以接在電感(Lr)另一端(B)與輔助整流橋正極之間，此時電感(Lr)的(A)端接輔助整流橋負極。
4.根據(jù)權利要求1所述的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于，所述的輔助開關器件(Sr)導通時間(Tc)取固定值時，在所述電路中接入電感放電二極管(D7)與(D8)二極管(D7)負極接直流母線正極，二極管(D7)正極接電感(Lr)的一端(B)；二極管(D8)正極接直流母線負極，二極管(D8)負極接電感(Lr)的另一端(A)。
5.根據(jù)權利要求1所述的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于，所述的主逆變器主開關器件以及輔助開關器件Sr為半導體器件，可以是GTR(大功率晶體管)，或IGBT(場控晶體管)，或MOSFET(絕緣柵場效應管)，或GTO(可關斷可控硅)，也可以為IPM(智能功率模塊)。
6.根據(jù)權利要求1的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于，所述的電感元件(Lr)是用由多股細漆包線編織或絞合在一起的多股線繞制而成的。
7.根據(jù)權利要求1的極諧振軟開關逆變電路，其特征在于，其所述的輔助電路中的二極管是高頻二極管或快恢復二極管。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于開關電源和電機變頻驅動的極諧振軟開關逆變電路，它包括整流電源、公知帶緩沖電容的硬開關PWM主逆變橋，以及本發(fā)明的輔助電路。該輔助電路由1個諧振電感Lr、1個輔助開關器件Sr、一個輔助整流橋組成；其中輔助整流橋的整流橋臂與主逆變橋開關橋臂的數(shù)量相等，各相輔助整流橋臂的中點分別與主逆變橋開關橋臂中點對應連接；輔助整流橋的正負極兩極與電感Lr以及輔助開關器件Sr輸出兩端形成閉合串聯(lián)關系。本發(fā)明通過僅對1個輔助開關器件Sr的開關控制，就可分時地與逆變器主電路中各相等效電容構成諧振，為主逆變開關器件提供零電壓軟開關過渡條件。
文檔編號H02P27/06GK1770614SQ20041003620
公開日2006年5月10日 申請日期2004年11月1日 優(yōu)先權日2004年11月1日
發(fā)明者薛昭武, 張海光 申請人:福州大學