[科普中国]-三电平软开关逆变器

简介

相比于传统的两电平逆变器，三电平逆变器具有降低功率器件电压应力、减小电磁干扰和输出电压谐波含量等优点，其越来越多的应用在高压大功率场合。近些年，高压大功率三电平逆变器已成为电力电子领域研究的热点。三电平逆变器应用在高压大功率场合时，其开关器件所承受的阻断电压和流过的电流都比较大，随着开关频率的提高，三电平硬开关逆变器的开关损耗也会显著增加，使逆变器的效率大大降低。三电平逆变器工作在硬开关状态时，较高的电压变化率和电流变化率也将会产生严重的电磁干扰。为了解决三电平硬开关逆变器存在的诸多问题，软开关技术开始被应用到三电平逆变器中，主要是把两电平逆变器的软开关拓扑(谐振极型逆变器和谐振直流环节逆变器)拓展到三电平逆变器中2。

随着世界对光伏及风能需求的不断扩大，作为新能源转换中的核心部件，逆变技术一直是新能源研究的重点。而且现代社会对电网品质要求不断提髙，以及对逆变器小型化、高效化、低谐波污染的要求，简单的两电平逆变器已难以满足送些要求，与其相比H电平逆变器具有输出电压质量高、电流谐波含量少、更加高效，du/dt更低等优点。软开关具有降低开关损耗、减少电磁干扰及工频电磁噪声、提高开关管的可靠性等优势。将H电平与软开关技术结合在一起将有广阔的应用前景。

软开关优势软开关技术的主要思想是通过在回路中加入缓冲电感、电容，通过电感、电容的谐振作用，使功率开关器件两端电压或者电流为零。当功率开关器件在零电流条件下动作时，称为零电流软开关（ZCS）；在零电压条件下动作，称为零电压软开关（ZVS）。由于开关器件在零电流或零电压条件下完成开关动作不存在电流与电压的积分，所以可以近似认为其开关损耗为零。图1.2表示的为软硬开关模式下的电压电流轨迹图。图中轨迹A、B和C、D分别表示硬开关关断、开通和软开关开通、关断的轨迹，虚线部分则为开关管的安全工作区，阴影部分表示开关损耗。

从图中可以看出：

（1）功率开关管器件工作在软开关条件下超出安全工作区的可能性大为减小，使得开关管的工作环境大为改善，系统的安全性可靠性大为提高。

（2）由于开关管的功率损耗P为开关管关断过程中的电压与电流的积分。从图中明显的可以看出软开关条件下的开关损耗要远小于硬开关条件下的开关损耗。

（3）巧于在实际电路设计中不能达到理想情况下，会在主回路中产生各种寄生电感电容，又由于功率开关管器件动作速度极快，这就导致这些寄生参数在开关管上产生过电压或过电流的尖峰。而软开关由于可以将开关管电压或者电流钳位到0，这样可有效地减小开关应力，降低du/dt、di/dt，并且使得电磁干扰（EMI）得到有效的抑制。由于软开关具有上述优点使其在PWM逆变器高频化过程中得到很高的关注，也使得各国学者争相研究各种软开关拓扑结构。

工作状态图为新型H电平软开关逆变器结构图，在原有T型H电平逆变器基础上加入一个缓冲电感L，两个缓冲电容C1、C2，四个二极管Dh1、Dh2、Dh3、Dh4构成了新型H电平软开关逆变器。和现有的硬开关H电平逆变器相比其可在开关管导通、关断过程中实现零电压关断、零电流导通。这样可W有效减小开关损耗进而提高逆变器效率。这种软开关同样可W应用于二极管钳位式H电平逆变器中，本文主要分析其在T型H电平逆变器中的应用。

对H电平软开关逆变器进行一个总体概述，根据开关管导通状态、输出电压及电流方向可以将H电平软开关逆变器工作状态分为以下几类，并列表如图所示。我们规定电流由逆变器流向负载时电流方向为正，反之电流由负载流向逆变器时电流方向为负，缓冲电容左侧电压高于右侧电压为正。下表主要用来说明在不同工况下所涉及的功率开关器件及电容电压变化。从上图可看出H电平软开关逆变器具有四种电平开关变换方式。每种电平以变化方式根据电流方向的不同又可分为两种，但正电平与负电平不能直接变换3。

工作原理图1为三电平软开关逆变器结构。在原有T型三电平逆变器基础上加入1个缓冲电感L；2个缓冲电容C1，C2；4个二极管VDh1—VDh4构成了新型软开关三电平逆变器。与现有的硬开关三电平逆变器相比，其可以在开关管导通、关断过程中实现零电压关断、零电流导通。这样可有效减小开关损耗。进而提高逆变器效率。

下面通过软开关三电平逆变器由1电平换相到0电平过程说明其具体的工作原理：

(1)1电平稳定工作状态说明 1电平稳态时，开关管V1，V3导通，V2，V4关断；L的初始电流iL=0；C1，C2的电压分别为Uc1=0，UC2=-Udc，Udc为直流母线电压；负载电流五方向如图1所示(规定C2电压左正右负为正，L电流方向向右为正)。

(2)换相第1阶段 V2导通V1关断，此时形成了两条换流回路，负母线电压与L-V2-VD2-C2-VDh4形成第1条回路，L-V2-VD2负载形成第2条回路，两条回路重叠。V1电流迅速减小为零，而V1所承受电压为Udc+uc2，由于C2的箝位作用，使V1两端电压上升率受到限制，因此V1关断过程中。大电流和高电压不会同时产生。可实现开关管的零电压关断，因而减少了开关损耗。根据换相过程可列写出以下方程：

放电截止后，由于VD4的箝位作用，使得C2不再被反向充电而通过VD4续流，此后进入下一个换相阶段，该阶段换相时间为

为谐振电路谐振角频率。

(3)换相第2阶段 由于VD4的箝位作用，使C2不会被反向充电，电流经VD4续流，此时负母线电压与L-V2-VD2-VD4形成回路，负母线电压直接加在L两端，iL线性降低，流过VD4的电流也相应降低。当iL正向增大到IL时，VD4电流降为零后截止。实现了零电流自然关断。经计算换相时间为，换相结束后逆变器进入0电平稳定工作状态。

(4)0电平稳定工作状态说明 0电平稳态工作过程时V2，V3导通，V1，V4关断；iL=IL；UC1=0，UC2=0。其他换相过程可类似推导出。图2a给出了换相各过程中iL和uc2的变化。图2b给出了换相过程中uv1，iv1的变化，可以看出V1可实现软关断1。