抑制软开关逆变器地电流的调制方式研究

制软开关逆变器地电流的调制方式研究 习江北，陈 敏，陈烨楠，徐德鸿 (浙江大学，电力电子技术研究所，浙江杭州 310027) 摘要：全桥硬开关电路采用双极性调制方式时，其并网地电流能够得到有效抑制，但硬开关电路开关频率较 低，不利于提升功率密度。此处分析了单相复合有源箝位逆变器采用双极性调制时的软开关条件。为实现所有 功率器件的零电压开关(行，设计了双极性软开关脉宽调制(式。采用软开关技术后功率器件 开关频率得到提升。最后在一个3 键词：逆变器：双极性调制：软开关 中图分类号：献标识码：A 文章编号：1000100X(2015)113 U 10027，he of is by is in he of by n to VS)on of WM is he is by he of is in a 3 kW 63 oo51277163) 1 引 言 由于常使用 下。硬开关电路中其开关过程会有很大的电流、电压 变化率，不利于开关频率的提升。软开关技术能解 决此问题，从而提升单相逆变器效率和功率密度。 文献【1】提出一种带有源箝位支路的全桥逆变器， 主管和辅助管均能献2】在此基础上提出 一种倍频软开关根据负载情况调 节谐振回路中的能量，能有效提升逆变器轻载运 行效率但倍频调制会带来较大的并网共模电流。 单相全桥逆变器采用双极性调制时并网地电流性 基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)项目 (国家自然科学基金 (51277163) 定稿日期：20150209 作者简介：习江北(1991一)，男，江西吉安人，硕士研究生， 研究方向为单相逆变器软开关技术。 4 能较好3】，逆变器开关动作多，开关损耗大。此处 介绍了双极性软开关脉宽调制方式下逆变器的工 作原理，分析了电路运行的软开关条件设计了软 开关调制方式。最后搭建了3 现 了所有功率器件的2原理与设计 21 逆变器拓扑及工作原理 图1示出单相复合有源箝位逆变器拓扑，主 管v v 构成了全桥桥臂。在桥臂与直流母线间 增加一个由辅助管V 、箝位电容成的辅助谐振支路。图2示出双极性动脉冲序列，调制波 。正半周，V 驱动信号 西关断时刻由 与锯齿载波 比较 产生。在L 负半周，M 关断时刻由 与锯齿载 波 比较产生。“盘与 互补，且 持续时问 与软开关条件有关。驱动信号 ， =u 且 关断时刻通过 神与三角载波 比较产生。最终 软开关 为低电平期 间，V。V 驱动脉冲上叠加了短路脉冲信号 抑制软开关逆变器地电流的调制方式研究 图1 单相复合有源箝位逆变器拓扑 of tt2双极性 of 简化分析，假定电路工作于稳态且一个开 关周期中箝位电容电压 保持不变，负载电流i 在一个开关周期中基本保持 不变。图3为双极 性调制i为谐振电感电流。 I l ： 一 j广一f I： ；：! I lI 、 一 i、i l a l b I c l d I e hl iI i I I t2 t3 fd 3开关波形 面以输出电流正半周为例介绍工作原理： 阶段a( 驱动为高 电平。V。，V，导通，直流母线通过V。，V，向负载传 递能量。V 导通，。两端电压被箝位至一 ，i线 性下降。此阶段持续到t 时刻 和 由高电平 变为低电平时结束。 阶段b(t 一t )t。时刻， 对放电， 也 ，M上升， ，“ 下降。V 保持导通， 。两端电压不变，i线性下降。 越， 下降至零 时，此阶段结束 阶段c()t 时刻，V ，V 体二极管导通， 将“越，M 箝位至零，为V：，V 的。 通过馈至直流母线。谐振电感 电压不变， 线性下降。“ ， 由低电平变为高 电平时此阶段结束。 阶段d(t。时刻，V ，由V：，V 回馈至直流母线。 。电压仍为一 ， 线 性下降。 ， ， 由高电平变为低电平时，这个 阶段结束。 阶段e( 5)2，V 体二极管续流。 翊5由高电平变为低电平，V 关断。C ，C ， 谐振。i对C 充电，对C ，C，放电。u 上升而“ 下降。当 为零时，此阶段结束。 阶段f(t5也3在1， V 的体二极管续流。位至直流母线电压 ， 线性上升。此阶段在 由低电平变为高电平时结束。 阶段g(t6t7) 通过V V 对 继续充磁，L。储能。此阶段一直 持续到u ，u 由高电平变为低电平时结束。 阶段h(t7t8)2，V 关断，C2，c4， 。谐振。 电流对电容C ， 充电，对C 放电。 越， 上升， 下降。当u 下降到零时此谐振 阶段结束。 阶段i(通创造条件，电路通过V ，V，向负载传递能量。 。电压通过箝位至一 ，当 由低电平变 为高电平时此阶段结束。 阶段j()5 0的电 压不变， 继续线性下降，电路通过V ，V 向负载 传递能量 至此，电路工作状态与阶段个开关 周期内的换流过程结束。 22 据电路工作阶段分析， 可通过一个开关 周期中 。伏秒平衡近似求得： 一 (1o (1) 式中：D 为V 在一个开关周期的占空比。 C =C ：C，= =c 。阶段，根据阶段分析可得相应的谐振方程。阶段条件 ( )= ， ( )= ( )= + ，可得该 阶段谐振方程的解： t)= 由3( )= + t ：一 x r 一“ + )=一( + )2+( ) 一 4)一2中： =X2Q+Iv(2s) l= ( +，g)； z=(，c+ ) 】。 5 3 5 0、， 2015年1 1月015 阶段f，)= ， (t )= ( )= 0，则该阶段谐振方程的解： I 越()= 拟(t)= + 、一，g) t )一 (3) 【t)=(1+(U, ( 一 4+ 式中：仍=JZ,(I；4=ar(g) 。 电路运行时谐振过程实现需要满足一定条 件，对于阶段e，谐振结束时 ，由式(2)可得： 、弦 ，即 一xu2一 ，对于阶段h，谐振结束时， 越， u 能够谐振到U+：、 ，设计 ，则前式恒成立。故谐振阶段需 要满足的软开关条件为： 一、 一 。 由式(3)，可得一个开关周期中 最大值为： = (、( )2+( ) + (4) 下面根据软开关条件计算任意相位角处的直 通时间。一个开关周期中箝位电容电压不变，平均 电流为零。 近似为锯齿波，则有谐振电感平均电 流近似等于直流母线电流的平均值： ，加(0)一 (0)+ (0)12=、2 m5) 此处豫为电压调制比， 为输出电流有效 值，0为输出电流相位角。由 一、 及式(4)，(5)并考虑 做适当简化，可得： r r=一 f )2 mr，( 1 、2 ml I (6) (0)=、2 I中： ( )为一个工频周期负载电流，其值随相位角变化； ( )被定义为阶段的电流。 23 双极性计时假定一个开关周期筘位电容电压基本 不变，则的取值需满足： 2r、 0 (7) 式中： 为逆变器运行时的开关周期。 阶段保证谐振过 程完全实现： 8o2C,+2 (8) 式中： 为谐振阶段的谐振周期。 阶段 充磁，设计认为此阶段从 加=0时开始，则有：io 。由图2，3可 知双极性时间由调制波和载波的比较值确定。 3 实 验 实验平台相关元件参数： =380 V， 6 t(2 )t(5 1 (c)一个工频周期i d)3 4实验波形 结 论 分析了双极性软开关调制方式的工作原理， 计算了双极性调制下逆变器的软开关条件设