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CN111934576A - 一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器 - Google Patents

一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器 Download PDF

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CN111934576A
CN111934576A CN202010301490.4A CN202010301490A CN111934576A CN 111934576 A CN111934576 A CN 111934576A CN 202010301490 A CN202010301490 A CN 202010301490A CN 111934576 A CN111934576 A CN 111934576A
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Shanxi University
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Abstract

本发明公开了一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术,实现了主开关管的零电压开通的优点,减少了主开关的开关损耗,此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关;并在每个开关周期都可靠地实现了磁化电流复位,有效的减小了变压器的体积;变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管DN1和DN2的过压问题。

Description

一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器
技术领域
本发明涉及电力电子变流技术领域,尤其涉及一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器。
背景技术
电压源型逆变器(VSI),本质上是一个全控型开关半桥构成的同步整流型升降压变换器,广泛应用于各种功率等级的应用中,例如:电机驱动器,有源电力滤波器,不间断电源(UPS),光伏电源系统,燃料电池电源系统和分布式电网等。其研究核心是提高效率和功率密度。
在硬开关条件下,通常通过增加开关频率减小无源元件(例如滤波电感器和电容器)的尺寸和重量来提高功率密度,但增加开关频率会导致开关损耗和高频电磁干扰(EMI)的增加,进而降低逆变器的效率。在VSI 中,电路为一个逆变半桥和连在半桥中点的电感;硬开关时,续流模式之后,将要开通的开关管在开通瞬间反并联二极管和输出电容中储存的能量Qrr,Qoss释放到开关管的沟道中从而产生尖峰电流,开通损耗和高频电磁干扰(EMI)。克服上述问题(开关损耗和EMI)一种方法是开关器件技术进步,另一种方法是软开关拓扑技术。
宽禁带半导体例如SiC和GaN相对于传统的Si功率半导体有更快的开通和关断时间,更低的关断损耗和更低的寄生电容;但更快的开关时间会造成更大的高频电磁干扰(EMI)。另外SiC存在栅极开通和关断条件苛刻,成本高等问题。
软开关拓扑技术可以在高开关频率下降低开关损耗和EMI。软开关拓扑是通过增加辅助电路将开关管的电流和电压的过渡沿去耦的方法来降低开关损耗。在众多软开关逆变器拓扑中,辅助谐振极软开关逆变器由于没有额外增加主回路中开关管的电压和电流应力且辅助回路仅在开关管换流时工作不影响主电路的正常运行而受到普遍认可。
已有技术,见IEEE Transactions on Power Electronics杂志2010年第25卷第4期刊登的“An Improved Zero-Voltage Switching Inverter Using Two CoupledMagnetics in One Resonant Pole”一文,该双耦合电感 (ZVT-2CI)电路可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关并解决了激磁电流不能复位的问题。换流二极管无钳位措施,在谐振电流降至0后会造成换流二极管两端承受电压约为2倍的直流母线电压,且会引起二极管未钳位端电位振荡;已有技术,见IEEE 2013 15th European Conference onPower Electronics and Applications (EPE)的New topology of three phase softswitching inverter using a dual auxiliary circuit一文,可以实现主开关零电压开通和辅助开关零电流开关通过断开激磁电流的续流路径从而复位磁化电流。但二极管串联在大电流回路上会增加额外的损耗。上述两种方法一个耦合电感只能实现一个主开关管的零电压开通,因此需要在一个辅助电路中使用两个耦合电感,因此增加了变压器的体积、成本和漏感损耗。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足,提供一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,实现了主开关和辅助开关的零电压开通;有效提高效率和功率密度,降低成本和EMI。
为实现本发明目的而提供的一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,包括有第一主开关管(S1)第二主开关管(S2)第一换流二极管(Dc1)第二换流二极管(Dc2)第一续流二极管(Dx1)第二续流二极管(Dx2)直流电源(VDC)辅助电源(VAUX)负载(Load)第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2) 谐振电感(Lr1)谐振电感(Lr2)辅助换流变压器原边绕组(T1)辅助换流变压器副边第一绕组(T2)辅助换流变压器副边第二绕组(T3)第一辅助开关管(Sa1)第二辅助开关管(Sa2)第三辅助开关管(Sa3)第四辅助开关管(Sa4)超前桥臂(AC-Lag)滞后桥臂(AC-Lead)激磁电感(Lm),所述1.第一主开关管(S1)的源极、第二主开关管(S2)的漏极相连于O点,这两个开关管构成主开关桥臂;第一主开关管(S1)的漏极,第一换流二极管(Dc1)的负极,第二续流二极管(Dx2)的负极与直流电源(VDC)正极相连;直流电源(VDC)的负极与第二主开关管(S2)的源极,第二换流二极管(Dc2)的正极,第一续流二极管(Dx1)的正极相连;负载(Load) 的一端与主开关桥臂中点O点相连,另一端与第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)的中点相连;谐振电感(Lr1)的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的异名端相连;辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的同名端和第一换流二极管(Dc1)的正极和第一续流二极管(Dx1) 的负极相连;谐振电感(Lr2)的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第二绕组(T3) 的异名端相连;辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端和第二换流二极管(Dc2)的负极和第二续流二极管(Dx2)的正极相连;第一辅助开关管(Sa1)的源极和第二辅助开关管(Sa2)的漏极相连于Q点,这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂(AC-Lag);第三辅助开关管(Sa3)的源极和第四辅助开关管(Sa4)的漏极相连于R点,这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂(AC-Lead);第一辅助开关管(Sa1)的漏极和第三辅助开关管(Sa3)的漏极与辅助电源(VAUX)的正极相连,辅助电源(VAUX)的负极与第二辅助开关管 (Sa2)的源极,第四辅助开关管(Sa4)的源极相连;辅助换流变压器原边绕组(T1)的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连,异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连;激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组(T1)两端;辅助换流变压器副边第一绕组(T2)和第二绕组(T3)的匝数相同,辅助换流变压器原边绕组(T1)的匝数与T2(或T3)的匝数比为1/n,所述第一续流二极管(Dx1)和第二续流二极管(Dx2)的作用是在第一换流二极管(Dc1)和第二换流二极管(Dc2)反向恢复过程中为反向电流提供续流路径,续流路径分别为T2->Lr1->S2->DX1->T2和T3->DX2->S1->Lr2->T3
作为上述方案的进一步改进,当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S2、Sa1、Sa3处于导通状态,S1、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4
Figure RE-GDA0002706804380000021
Sa4导通后延迟DP2,关断S2
Figure RE-GDA0002706804380000022
S2关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000023
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000024
Sa2导通后延迟DP5,导通S1
Figure RE-GDA0002706804380000025
S1导通后延迟Ton,关断S1
S1关断后延迟DP6,导通S2
Figure RE-GDA0002706804380000026
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3
Figure RE-GDA0002706804380000027
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000031
关断Sa2延迟DP9,导通Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000032
当负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S1、Sa1、Sa3处于导通状态,S2、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DN1,导通Sa4
Figure RE-GDA0002706804380000033
Sa4导通后延迟DN2,关断S1
Figure RE-GDA0002706804380000034
S1关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000035
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000036
Sa2导通后延迟DP5,导通S2
Figure RE-GDA0002706804380000037
S2导通后延迟Ton,关断S2
S2关断后延迟DP6,导通S1
Figure RE-GDA0002706804380000038
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3
Figure RE-GDA0002706804380000039
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2
Figure RE-GDA00027068043800000310
关断Sa2延迟DN9,导通Sa1;
Figure RE-GDA0002706804380000041
其中以下参数均为输入量:VDC为直流母线电压;VAUX为辅助电源电压;T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间; T3B为S1(S2)最短开通时间;Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分;Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容: Cm_oss=C1=C2;Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss=Ca1=Ca2=Ca3=Ca4;以下参数均可根据输入量约束表达;VA'UX为变压器副边电压;Lr为换流电感;Lm为激磁电感;
Figure RE-GDA0002706804380000046
为辅助开关换流前的激磁电流值,与每个开关周期中的负载电流值成正相关;
Figure RE-GDA0002706804380000042
Figure RE-GDA0002706804380000043
Figure RE-GDA0002706804380000044
Figure RE-GDA0002706804380000045
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后,将iLoad=0代入,之和所得的t1-t3的时间间隔;T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
作为上述方案的进一步改进,当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S2处于导通状态;负载电流ILoad通过S2续流;Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-GDA0002706804380000047
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-GDA00027068043800000410
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000048
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-GDA0002706804380000049
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000051
Figure RE-GDA0002706804380000052
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-GDA00027068043800000511
和换流电流
Figure RE-GDA00027068043800000512
Figure RE-GDA0002706804380000053
Figure RE-GDA0002706804380000054
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-GDA0002706804380000055
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000056
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000057
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000058
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为:
Figure RE-GDA0002706804380000059
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-GDA00027068043800000510
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000068
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000069
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000061
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为:
Figure RE-GDA0002706804380000062
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S2关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电,O点的电位开始谐振上升;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000063
Figure RE-GDA0002706804380000064
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000065
t3时刻,O点电位上升至VDC-VA'UX;本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000066
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000067
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为:
DP3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位升至VDC-VA'UX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA00027068043800000610
激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800000611
对Ca1充电 Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000071
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为:
DP4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D1自然导通,S1符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S1换流时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000072
由,得:S1 ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000073
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为:
Figure RE-GDA0002706804380000074
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S1,负载电流iLoad对C1充电,C2放电,O点电位线性下降;t7时刻,O点电位降至0,二极管D2自然导通;S2可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000075
S1关断到S2导通时间间隔DP6为:
DP6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000079
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00027068043800000710
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000076
Figure RE-GDA0002706804380000077
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000078
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000081
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUX,Da3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000082
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000083
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为:
Figure RE-GDA0002706804380000084
t10时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000088
增至
Figure RE-GDA0002706804380000089
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000085
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为:
Figure RE-GDA0002706804380000086
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800000810
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000087
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为:
DP9=T10-11 \公式(59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S1处于导通状态;负载电流ILoad通过S1续流,Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-GDA00027068043800000811
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-GDA00027068043800000812
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800000813
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-GDA00027068043800000814
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000091
Figure RE-GDA0002706804380000092
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-GDA00027068043800000910
和换流电流
Figure RE-GDA00027068043800000911
Figure RE-GDA0002706804380000093
Figure RE-GDA0002706804380000094
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-GDA0002706804380000095
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000096
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7为本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000097
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000098
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:;
Figure RE-GDA0002706804380000099
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000101
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000109
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-GDA00027068043800001010
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000102
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为:
Figure RE-GDA0002706804380000103
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S1关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电,O点的电位开始谐振下降;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000104
Figure RE-GDA0002706804380000105
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000106
t3时刻,O点电位下降至V'AUX;本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000107
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000108
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为:
DN3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位降至V'AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA00027068043800001011
激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800001012
对Ca1充电Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000111
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为:
DN4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D2自然导通,S2符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S2换流时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000112
由,得:S2ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000113
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为:
Figure RE-GDA0002706804380000114
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S2,负载电流iLoad对C2充电,C1放电,O点电位线性上升;t7时刻,O点电位升至VDC,二极管D1自然导通;S1可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000115
S1关断到S2导通时间间隔DN6为:
DN6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000119
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00027068043800001110
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000116
Figure RE-GDA0002706804380000117
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000118
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000121
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUXDa3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000122
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000123
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为:
Figure RE-GDA0002706804380000124
t10时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000127
增至
Figure RE-GDA0002706804380000128
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000125
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为:
Figure RE-GDA0002706804380000126
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000129
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA00027068043800001210
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为:
DN9=T10-11 \公式(59)。
作为上述方案的进一步改进,由以上电路结构和工作原理的分析可知,主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容;辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感;
以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析):
当V'AUX小于VDC/2时,在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流;且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13],因此S2的关断电流在满足式时,主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10):
Figure RE-GDA00027068043800001211
其中ILoad_rms为负载电流有效值;
在实际的电路运行过程中,负载电流检测存在误差,导致Ir的误差,影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B,式和求和之后对Ir求导,当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值;
Figure RE-GDA0002706804380000131
联立:
Figure RE-GDA0002706804380000132
由,得:
Figure RE-GDA0002706804380000133
其中由和有解可得β的取值范围为:
Figure RE-GDA0002706804380000134
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间,联立,,得:
Figure RE-GDA0002706804380000135
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t=t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t=t1)大小相等,方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化):
Figure RE-GDA0002706804380000136
其中T13为负载不同时式,之和所得的t1-t3的时间间隔,因此每个开关周期的
Figure RE-GDA0002706804380000137
不同;由和可看出当负载电流为0时,
Figure RE-GDA0002706804380000138
和T1A值最小,在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得 ZVS开通时间的要求;
将iLoad=0代入式,之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13=T13_min \公式(104)
联立:
Figure RE-GDA0002706804380000141
其中T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
本发明的有益效果是:
与现有技术相比,本发明的电路利用相位关联法保持了已有技术,实现了主开关管的零电压开通的优点,减少了主开关的开关损耗,此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关;并在每个开关周期都可靠地实现了磁化电流复位,有效的减小了变压器的体积;变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管DN1和DN2的过压问题。
附图说明
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明,其中:
图1是已有技术[12]的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路;
图2是已有技术[11]的辅助回路使用两个变压器的软开关逆变器电路;
图3是本发明的相位关联磁化电流双向复位的辅助谐振换流极逆变器电路;
图4是第一换流二极管(DC1)反向恢复电流的续流路径;
图5是第二换流二极管(DC2)反向恢复电流的续流路径;
图6为本发明电路在输出电流为正时,一个PWM开关周期内各模式电路状态图;
图7为本发明电路在输出电流为负时,一个PWM开关周期内各模式电路状态图;
图8是本发明中,一个PWM开关周期内模式2等效电路图;
图9是本发明中,一个PWM开关周期内模式3等效电路图;
图10是本发明中,一个PWM开关周期内模式4等效电路图;
图11是本发明中,一个PWM开关周期内模式8等效电路图;
图12为本发明电路在输出电流为正时,一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形图;
图13本发明电路在输出电流为负时,一个PWM开关周期内各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和电流的波形图。
具体实施方式
如图1-图13所示,本发明提供的一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,包括有第一主开关管S1第二主开关管S2第一换流二极管Dc1第二换流二极管Dc2第一续流二极管Dx1第二续流二极管Dx2 直流电源VDC辅助电源VAUX负载Load第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2谐振电感Lr1谐振电感Lr2辅助换流变压器原边绕组T1辅助换流变压器副边第一绕组T2辅助换流变压器副边第二绕组T3第一辅助开关管 Sa1第二辅助开关管Sa2第三辅助开关管Sa3第四辅助开关管Sa4超前桥臂AC-Lag滞后桥臂AC-Lead激磁电感Lm,所述1.第一主开关管S1的源极、第二主开关管S2的漏极相连于O点,这两个开关管构成主开关桥臂;第一主开关管S1的漏极,第一换流二极管Dc1的负极,第二续流二极管Dx2的负极与直流电源VDC正极相连;直流电源VDC的负极与第二主开关管S2的源极,第二换流二极管Dc2的正极,第一续流二极管Dx1的正极相连;负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连,另一端与第一分压电容Cd1和第二分压电容Cd2的中点相连;谐振电感Lr1的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T2的异名端相连;辅助换流变压器副边第一绕组T2的同名端和第一换流二极管Dc1的正极和第一续流二极管Dx1的负极相连;谐振电感Lr2的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第二绕组T3的异名端相连;辅助换流变压器副边第二绕组T3的同名端和第二换流二极管Dc2的负极和第二续流二极管Dx2的正极相连;第一辅助开关管Sa1的源极和第二辅助开关管Sa2的漏极相连于Q点,这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lag;第三辅助开关管Sa3的源极和第四辅助开关管Sa4的漏极相连于R点,这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lead;第一辅助开关管Sa1的漏极和第三辅助开关管Sa3的漏极与辅助电源VAUX的正极相连,辅助电源VAUX的负极与第二辅助开关管Sa2的源极,第四辅助开关管Sa4的源极相连;辅助换流变压器原边绕组T1的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连,异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连;激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组T1两端;辅助换流变压器副边第一绕组T2和第二绕组T3的匝数相同,辅助换流变压器原边绕组T1的匝数与T2或T3的匝数比为1/n,所述第一续流二极管Dx1和第二续流二极管Dx2的作用是在第一换流二极管Dc1和第二换流二极管Dc2反向恢复过程中为反向电流提供续流路径,续流路径分别为T2->Lr1->S2->DX1->T2和T3->DX2->S1->Lr2->T3
作为上述方案的进一步改进,当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S2、Sa1、Sa3处于导通状态,S1、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4
Figure RE-GDA0002706804380000151
Sa4导通后延迟DP2,关断S2
Figure RE-GDA0002706804380000152
S2关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000153
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000154
Sa2导通后延迟DP5,导通S1
Figure RE-GDA0002706804380000155
S1导通后延迟Ton,关断S1
S1关断后延迟DP6,导通S2
Figure RE-GDA0002706804380000156
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3
Figure RE-GDA0002706804380000157
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000161
关断Sa2延迟DP9,导通Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000162
当负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S1、Sa1、Sa3处于导通状态,S2、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DN1,导通Sa4
Figure RE-GDA0002706804380000163
Sa4导通后延迟DN2,关断S1
Figure RE-GDA0002706804380000164
S1关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-GDA0002706804380000165
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-GDA0002706804380000166
Sa2导通后延迟DP5,导通S2
Figure RE-GDA0002706804380000167
S2导通后延迟Ton,关断S2
S2关断后延迟DP6,导通S1
Figure RE-GDA0002706804380000168
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3
Figure RE-GDA0002706804380000169
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2
Figure RE-GDA00027068043800001610
关断Sa2延迟DN9,导通Sa1;
Figure RE-GDA0002706804380000171
其中以下参数均为输入量:VDC为直流母线电压;VAUX为辅助电源电压;T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间; T3B为S1(S2)最短开通时间;Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分;Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容: Cm_oss=C1=C2;Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss=Ca1=Ca2=Ca3=Ca4;以下参数均可根据输入量约束表达;VA'UX为变压器副边电压;Lr为换流电感;Lm为激磁电感;
Figure RE-GDA0002706804380000176
为辅助开关换流前的激磁电流值,与每个开关周期中的负载电流值成正相关;
Figure RE-GDA0002706804380000172
Figure RE-GDA0002706804380000173
Figure RE-GDA0002706804380000174
Figure RE-GDA0002706804380000175
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后,将iLoad=0代入,之和所得的t1-t3的时间间隔;T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
作为上述方案的进一步改进,当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S2处于导通状态;负载电流ILoad通过S2续流;Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-GDA0002706804380000177
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-GDA0002706804380000178
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000179
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-GDA00027068043800001710
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000181
Figure RE-GDA0002706804380000182
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-GDA00027068043800001811
和换流电流
Figure RE-GDA00027068043800001812
Figure RE-GDA0002706804380000183
Figure RE-GDA0002706804380000184
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-GDA0002706804380000185
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000186
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000187
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000188
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为:
Figure RE-GDA0002706804380000189
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-GDA00027068043800001810
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000198
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000199
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000191
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为:
Figure RE-GDA0002706804380000192
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S2关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电,O点的电位开始谐振上升;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000193
Figure RE-GDA0002706804380000194
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000195
t3时刻,O点电位上升至VDC-V'AUX;本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000196
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000197
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为:
DP3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位升至VDC-V'AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA00027068043800001910
激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800001911
对Ca1充电 Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000201
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为:
DP4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D1自然导通,S1符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S1换流时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000202
由,得:S1 ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000203
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为:
Figure RE-GDA0002706804380000204
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S1,负载电流iLoad对C1充电,C2放电,O点电位线性下降;t7时刻,O点电位降至0,二极管D2自然导通;S2可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000205
S1关断到S2导通时间间隔DP6为:
DP6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000209
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00027068043800002010
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000206
Figure RE-GDA0002706804380000207
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000208
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000211
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUX,Da3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000212
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000213
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为:
Figure RE-GDA0002706804380000214
t10时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000218
增至
Figure RE-GDA0002706804380000219
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000215
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为:
Figure RE-GDA0002706804380000216
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800002110
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000217
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为:
DP9=T10-11 \公式(59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S1处于导通状态;负载电流ILoad通过S1续流,Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-GDA00027068043800002111
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-GDA00027068043800002112
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800002113
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-GDA00027068043800002114
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000221
Figure RE-GDA0002706804380000222
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-GDA00027068043800002210
和换流电流
Figure RE-GDA00027068043800002211
Figure RE-GDA0002706804380000223
Figure RE-GDA0002706804380000224
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-GDA0002706804380000225
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000226
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7为本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000227
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000228
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:;
Figure RE-GDA0002706804380000229
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000231
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-GDA0002706804380000239
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-GDA00027068043800002310
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000232
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为:
Figure RE-GDA0002706804380000233
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S1关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电,O点的电位开始谐振下降;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000234
Figure RE-GDA0002706804380000235
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000236
t3时刻,O点电位下降至V'AUX;本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000237
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000238
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为:
DN3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位降至V'AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-GDA00027068043800002311
激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800002312
对Ca1充电Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000241
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为:
DN4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D2自然导通,S2符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S2换流时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000242
由,得:S2ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000243
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为:
Figure RE-GDA0002706804380000244
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S2,负载电流iLoad对C2充电,C1放电,O点电位线性上升;t7时刻,O点电位升至VDC,二极管D1自然导通;S1可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000245
S1关断到S2导通时间间隔DN6为:
DN6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000249
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-GDA00027068043800002410
表达式为:
Figure RE-GDA0002706804380000246
Figure RE-GDA0002706804380000247
其中:
Figure RE-GDA0002706804380000248
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000251
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUXDa3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-GDA0002706804380000252
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000253
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为:
Figure RE-GDA0002706804380000254
t10时刻,励磁电流
Figure RE-GDA0002706804380000259
增至
Figure RE-GDA00027068043800002510
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000255
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为:
Figure RE-GDA0002706804380000256
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-GDA00027068043800002511
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-GDA0002706804380000257
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为:
DN9=T10-11 \公式(59)。
作为上述方案的进一步改进,由以上电路结构和工作原理的分析可知,主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容;辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感;
以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析):
当V'AUX小于VDC/2时,在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流;且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13],因此S2的关断电流在满足式时,主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10):
Figure RE-GDA0002706804380000258
其中ILoad_rms为负载电流有效值;
在实际的电路运行过程中,负载电流检测存在误差,导致Ir的误差,影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B,式和求和之后对Ir求导,当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值;
Figure RE-GDA0002706804380000261
联立:
Figure RE-GDA0002706804380000262
由,得:
Figure RE-GDA0002706804380000263
其中由和有解可得β的取值范围为:
Figure RE-GDA0002706804380000264
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间,联立,,得:
Figure RE-GDA0002706804380000265
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t=t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t=t1)大小相等,方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化):
Figure RE-GDA0002706804380000266
其中T13为负载不同时式,之和所得的t1-t3的时间间隔,因此每个开关周期的
Figure RE-GDA0002706804380000267
不同;由和可看出当负载电流为0时,
Figure RE-GDA0002706804380000268
和T1A值最小,在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得 ZVS开通时间的要求;
将iLoad=0代入式,之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13=T13_min \公式(104)
联立:
Figure RE-GDA0002706804380000271
其中T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
辅助换流变压器TX由一个原边绕组T1(绕组匝数为N1),两个副边绕组T2、T3(绕组匝数为N2、N3)的理想变压器(其匝比n=N2/N1=N3/N1)和励磁电感Lm组成;
当输出电流为正时,一个PWM开关周期内各模式电路状态图如图4所示,各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形见图10。当输出电流为负时,一个PWM开关周期内各模式电路状态图如图5 所示,各个开关管的驱动脉冲信号和主要结点电压和支路电流的波形见图11。
以下分别对输出电流为正和为负两种情况进行分析。由于负载电感足够大,所以认为在一个PWM开关周期内负载电流恒定不变。
回路中各电气变量参考正方向与图3中箭头方向一致。
输入参数如表1所示:
输入DC电压(V<sub>DC</sub>) 400V
辅助电压(V<sub>AUX</sub>) 20V
开关频率(f<sub>sw</sub>) 20KHz
C<sub>m_oss</sub> 100pF
C<sub>a_oss</sub> 1000pF
I<sub>r</sub> 2A
T<sub>1A</sub> 10ns
T<sub>3B</sub> 10ns
表1输入参数
根据输入参数的约束计算出的电感和变压器具体值如表2
换流电感(L<sub>r</sub>) 4.21uH
激磁电感(L<sub>m</sub>) 954nH
变压器副边电压(V<sub>A</sub>'<sub>UX</sub>) 60V
表2
各持续时间和
Figure RE-GDA0002706804380000275
与负载电流的关系如下:
Figure RE-GDA0002706804380000272
Figure RE-GDA0002706804380000273
Figure RE-GDA0002706804380000274
DP3=DN3=T2-3=23.5ns \公式(109)
Figure RE-GDA0002706804380000281
Figure RE-GDA0002706804380000282
Figure RE-GDA0002706804380000283
Figure RE-GDA0002706804380000284
Figure RE-GDA0002706804380000285
Figure RE-GDA0002706804380000286
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案,实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制,凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,其特征在于:包括有第一主开关管(S1)第二主开关管(S2)第一换流二极管(Dc1)第二换流二极管(Dc2)第一续流二极管(Dx1)第二续流二极管(Dx2)直流电源(VDC)辅助电源(VAUX)负载(Load)、第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)谐振电感(Lr1)谐振电感(Lr2)辅助换流变压器原边绕组(T1)辅助换流变压器副边第一绕组(T2)辅助换流变压器副边第二绕组(T3)第一辅助开关管(Sa1)第二辅助开关管(Sa2)第三辅助开关管(Sa3)第四辅助开关管(Sa4)超前桥臂(AC-Lag)滞后桥臂(AC-Lead)激磁电感(Lm),所述1.第一主开关管(S1)的源极、第二主开关管(S2)的漏极相连于O点,这两个开关管构成主开关桥臂;第一主开关管(S1)的漏极,第一换流二极管(Dc1)的负极,第二续流二极管(Dx2)的负极与直流电源(VDC)正极相连;直流电源(VDC)的负极与第二主开关管(S2)的源极,第二换流二极管(Dc2)的正极,第一续流二极管(Dx1)的正极相连;负载(Load)的一端与主开关桥臂中点O点相连,另一端与第一分压电容(Cd1)和第二分压电容(Cd2)的中点相连;谐振电感(Lr1)的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的异名端相连;辅助换流变压器副边第一绕组(T2)的同名端和第一换流二极管(Dc1)的正极和第一续流二极管(Dx1)的负极相连;谐振电感(Lr2)的一端和主开关桥臂的中点O点相连,另一端和辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的异名端相连;辅助换流变压器副边第二绕组(T3)的同名端和第二换流二极管(Dc2)的负极和第二续流二极管(Dx2)的正极相连;第一辅助开关管(Sa1)的源极和第二辅助开关管(Sa2)的漏极相连于Q点,这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂(AC-Lag);第三辅助开关管(Sa3)的源极和第四辅助开关管(Sa4)的漏极相连于R点,这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂(AC-Lead);第一辅助开关管(Sa1)的漏极和第三辅助开关管(Sa3)的漏极与辅助电源(VAUX)的正极相连,辅助电源(VAUX)的负极与第二辅助开关管(Sa2)的源极,第四辅助开关管(Sa4)的源极相连;辅助换流变压器原边绕组(T1)的同名端与超前辅助开关桥臂的中点Q点相连,异名端与滞后辅助开关桥臂的中点R点相连;激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组(T1)两端;辅助换流变压器副边第一绕组(T2)和第二绕组(T3)的匝数相同,辅助换流变压器原边绕组(T1)的匝数与T2(或T3)的匝数比为1/n,所述第一续流二极管(Dx1)和第二续流二极管(Dx2)的作用是在第一换流二极管(Dc1)和第二换流二极管(Dc2)反向恢复过程中为反向电流提供续流路径,续流路径分别为T2->Lr1->S2->DX1->T2和T3->DX2->S1->Lr2->T3
2.根据权利要求1所述的一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,其特征在于:
当负载电流为正时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S2、Sa1、Sa3处于导通状态,S1、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DP1,导通Sa4
Figure RE-FDA0002706804370000011
Sa4导通后延迟DP2,关断S2
Figure RE-FDA0002706804370000012
S2关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-FDA0002706804370000013
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-FDA0002706804370000014
Sa2导通后延迟DP5,导通S1
Figure RE-FDA0002706804370000021
S1导通后延迟Ton,关断S1
S1关断后延迟DP6,导通S2
Figure RE-FDA0002706804370000022
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DP7,导通Sa3
Figure RE-FDA0002706804370000023
Sa3导通后延迟DP8,关断Sa2
Figure RE-FDA0002706804370000024
关断Sa2延迟DP9,导通Sa1
Figure RE-FDA0002706804370000025
当负载电流为负时工作模式及切换时间间隔为:
电路处于稳定状态,S1、Sa1、Sa3处于导通状态,S2、Sa2、Sa4处于关断状态;换流二极管DN1、DN2、续流二极管Dx1、Dx2、稳压二极管Dz1、Dz2和开关管的反并联二极管处于关断状态;
t0时刻,关断Sa3
Sa3关断后延迟DN1,导通Sa4
Figure RE-FDA0002706804370000026
Sa4导通后延迟DN2,关断S1
Figure RE-FDA0002706804370000027
S1关断后延迟DP3,关断Sa1
Figure RE-FDA0002706804370000028
Sa1关断后延迟DP4,导通Sa2
Figure RE-FDA0002706804370000029
Sa2导通后延迟DP5,导通S2
Figure RE-FDA0002706804370000031
S2导通后延迟Ton,关断S2
S2关断后延迟DP6,导通S1
Figure RE-FDA0002706804370000032
在t0时刻即Sa3关断后延迟TSW/2,关断Sa4
Sa4关断后延迟DN7,导通Sa3
Figure RE-FDA0002706804370000033
Sa3导通后延迟DN8,关断Sa2
Figure RE-FDA0002706804370000034
关断Sa2延迟DN9,导通Sa1;
Figure RE-FDA0002706804370000035
其中以下参数均为输入量:VDC为直流母线电压;VAUX为辅助电源电压;T1A_min为Sa4最短ZVS开通时间;T3B为S1(S2)最短开通时间;Ir为换流电流峰值中超过负载电流的部分;Cm_oss为主开关管S1-S2并联吸收电容:Cm_oss=C1=C2;Ca_oss为辅助开关管Sa1-Sa4并联吸收电容:Ca_oss=Ca1=Ca2=Ca3=Ca4;以下参数均可根据输入量约束表达;V′AUX为变压器副边电压;Lr为换流电感;Lm为激磁电感;
Figure RE-FDA0002706804370000036
为辅助开关换流前的激磁电流值,与每个开关周期中的负载电流值成正相关;
Figure RE-FDA0002706804370000037
Figure RE-FDA0002706804370000038
Figure RE-FDA0002706804370000039
Figure RE-FDA0002706804370000041
其中T13_min为忽略换流电流充电前的电流变化后,将iLoad=0代入,之和所得的t1-t3的时间间隔;T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
3.根据权利要求2所述的一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,其特征在于:
当输出电流为正时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S2处于导通状态;负载电流ILoad通过S2续流;Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-FDA0002706804370000042
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-FDA0002706804370000043
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000044
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-FDA0002706804370000045
表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000046
Figure RE-FDA0002706804370000047
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-FDA0002706804370000048
和换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000049
Figure RE-FDA00027068043700000410
Figure RE-FDA00027068043700000411
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-FDA00027068043700000412
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-FDA00027068043700000413
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000051
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000052
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DP1为:
Figure RE-FDA0002706804370000053
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000054
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000055
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000056
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000057
Sa4导通到S2关断时间间隔DP2为:
Figure RE-FDA0002706804370000058
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S2关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电,O点的电位开始谐振上升;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000059
Figure RE-FDA00027068043700000510
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000061
t3时刻,O点电位上升至VDC-V′AUX;本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000062
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000063
S1导通到Sa1关断时间间隔DP3为:
DP3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位升至VDC-V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-FDA0002706804370000064
激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000065
对Ca1充电Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000066
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP4为:
DP4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D1自然导通,S1符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S1可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S1换流时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000067
由,得:S1 ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000068
Sa2导通到S1导通时间间隔DP5为:
Figure RE-FDA0002706804370000069
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S1,负载电流iLoad对C1充电,C2放电,O点电位线性下降;t7时刻,O点电位降至0,二极管D2自然导通;S2可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-FDA00027068043700000610
S1关断到S2导通时间间隔DP6为:
DP6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000071
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002706804370000072
表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000073
Figure RE-FDA0002706804370000074
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000075
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000076
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUX,Da3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000077
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000078
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP7为:
Figure RE-FDA0002706804370000079
t10时刻,励磁电流
Figure RE-FDA00027068043700000710
增至
Figure RE-FDA00027068043700000711
本模式持续时间为:
Figure RE-FDA00027068043700000712
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP8为:
Figure RE-FDA00027068043700000713
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-FDA00027068043700000714
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000081
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DP9为:
DP9=T10-11 \公式(59)
当输出电流为负时各模式具体描述和间隔时间的计算过程为:
模式1(t<t0):电路处于稳定状态,S1处于导通状态;负载电流ILoad通过S1续流,Sa1、Sa3导通,激磁电流iLm通过Sa1、Sa3续流,其值为
Figure RE-FDA0002706804370000082
模式2(t0-t1):t0时刻,关断Sa3;换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca3、Ca4发生谐振,R点电位下降,等效电路图如图6所示;换流电感电流
Figure RE-FDA0002706804370000083
从零开始增加;激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000084
向正方向变化;
本模式Sa3两端电压vSa3和原边绕组电流
Figure RE-FDA0002706804370000085
表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000086
Figure RE-FDA0002706804370000087
根据电感电流瞬时值与端电压积分和电流初值的关系,激磁电感电流
Figure RE-FDA0002706804370000088
和换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000089
Figure RE-FDA00027068043700000810
Figure RE-FDA00027068043700000811
其中ωa为谐振角频率:
Figure RE-FDA00027068043700000812
在t1时刻,Sa3两端电压谐振到VAUX,根据本谐振模式的时间为:
Figure RE-FDA00027068043700000813
模式3(t1-t2):t1时刻,R点电位降至0,Da4自然导通,Sa4达到ZVS换流条件,图7为本模式的等效电路图;激磁电感两端电压与电流方向反向,激磁电流大小线性减少;换流电感电流线性增加;tA时刻,原边绕组电流减少至零,Sa4可在时间段t1-tA之间控制导通为ZVS导通;
本模式原边绕组电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000091
辅助管Sa4的软开通时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000092
Sa3关断到Sa4导通时间间隔DN1为:;
Figure RE-FDA0002706804370000093
充电模式(t1-t2)换流电感电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000094
其中:V'AUX为变压器副边电压;
t2时刻,换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000095
的值增至最大值:
iLr(t2)=Ir+iLoad \公式(33)
其中:Ir为换流电流
Figure RE-FDA0002706804370000096
中超过负载电流的部分
联立、,充电模式(T1-2)的持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000097
Sa4导通到S1关断时间间隔DN2为:
Figure RE-FDA0002706804370000098
模式4(t2-t3):t2时刻,主开关S1关断,图8为本模式的等效电路图;换流电感电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C2放电C1充电,O点的电位开始谐振下降;
O点电位vO和换流电流iLr表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000099
Figure RE-FDA00027068043700000910
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000101
t3时刻,O点电位下降至V′AUX;本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000102
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000103
S1导通到Sa1关断时间间隔DN3为:
DN3=T2-3 \公式(46)
模式5(t3-t5):t3时刻,O点电位降至V′AUX,关断Sa1,激磁电流iLm增至
Figure RE-FDA0002706804370000104
激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000105
对Ca1充电Ca2放电,Q点电位开始近似线性下降;t4时刻,Q点电位降到0,Da2自然导通;
t3-t4持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000106
Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN4为:
DN4=T3-4 \公式(42)
模式6(t5-t6):在t5时刻,D2自然导通,S2符合ZVS换流条件;换流电感电流iLr线性下降,tB时刻,换流电感电流iLr降至负载电流iLoad;主开关管S2可在时间段t5-tB之间控制导通实现ZVS导通;
t5时刻,O点电位上升至VDC;S2换流时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000107
由,得:S2ZVS开通模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000108
Sa2导通到S1导通时间间隔DN5为:
Figure RE-FDA0002706804370000109
模式7(t6-t8):tB-t6由PWM控制需要确定,t6时刻,关断S2,负载电流iLoad对C2充电,C1放电,O点电位线性上升;t7时刻,O点电位升至VDC,二极管D1自然导通;S1可在t7之后控制导通;
t6-t7持续时间为:
Figure RE-FDA00027068043700001010
S1关断到S2导通时间间隔DN6为:
DN6=T6-7 \公式(48)
模式8(t8-t9):t8时刻,关断Sa4,本模式的等效电路图如图9所示,激磁电流
Figure RE-FDA0002706804370000111
对Ca4充电Ca3放电,R点电位开始上升;
R点电位vR和电流
Figure RE-FDA0002706804370000112
表达式为:
Figure RE-FDA0002706804370000113
Figure RE-FDA0002706804370000114
其中:
Figure RE-FDA0002706804370000115
在t9时刻,R点电位谐振至VAUX,本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000116
模式9(t9-t10):t9时刻,R点电位升至VAUXDa3自然导通,Sa3达到ZVS换流条件,tC时刻,激磁电流减少至零;Sa3可在时间段T9C之间控制导通;
本模式励磁电流为:
Figure RE-FDA0002706804370000117
Sa3的软开通时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000118
Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN7为:
Figure RE-FDA0002706804370000119
t10时刻,励磁电流
Figure RE-FDA00027068043700001110
增至
Figure RE-FDA00027068043700001111
本模式持续时间为:
Figure RE-FDA00027068043700001112
Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN8为:
Figure RE-FDA00027068043700001113
模式10(t10-t11):t10时刻,关断Sa2;辅助换流变压器激磁电流
Figure RE-FDA00027068043700001114
对Ca2充电Ca1放电,Q点电位近似线性上升;t11时刻,P点电位升至VAUX,Da1自然导通;在下一个开关周期之前控制导通Sa1
本模式持续时间为:
Figure RE-FDA0002706804370000121
Sa2关断到Sa1导通时间间隔DN9为:
DN9=T10-11 \公式(59)。
4.根据权利要求3所述的一种相位关联磁化电流对称复位的辅助谐振换流极逆变器,其特征在于:由以上电路结构和工作原理的分析可知,主开关完成零电压换流需要设计换流电感、变压器匝比、开关并联吸收电容;辅助开关完成零电压换流需要设计激磁电感;
以上各元件参数的设计将在以下完成(以输出电流为正时分析):
当V′AUX小于VDC/2时,在换流电流大于负载电流一定值的条件下关断S2保证开关管可靠完成换流;且主开关的关断损耗与关断时刻的沟道电流的平方成正比[8,13],因此S2的关断电流在满足式时,主开关的关断损耗可近似忽略(关断损耗小于1/10):
Figure RE-FDA0002706804370000122
其中ILoad_rms为负载电流有效值;
在实际的电路运行过程中,负载电流检测存在误差,导致Ir的误差,影响换流时间T2-5和ZVT开通时间T5B,式和求和之后对Ir求导,当Ir满足公式的时主开关的死区时间可以为一固定值;
Figure RE-FDA0002706804370000123
联立:
Figure RE-FDA0002706804370000124
由,得:
Figure RE-FDA0002706804370000125
其中由和有解可得β的取值范围为:
Figure RE-FDA0002706804370000126
为保证滞后臂能可靠换流且Sa4有足够得ZVS开通时间,联立,,得:
Figure RE-FDA0002706804370000131
为保证磁化电流在换流电感Lr线性放电阶段后(t=t4)与谐振电感Lr线性充电阶段前(t=t1)大小相等,方向相反(忽略原边滞后臂谐振换流阶段磁化电流的变化):
Figure RE-FDA0002706804370000132
其中T13为负载不同时式,之和所得的t1-t3的时间间隔,因此每个开关周期的
Figure RE-FDA0002706804370000133
不同;由和可看出当负载电流为0时,
Figure RE-FDA0002706804370000134
和T1A值最小,在此条件下计算出的Lm符合任何负载电流大于0时Sa4有足够得ZVS开通时间的要求;
将iLoad=0代入式,之和所得的t1-t3的时间间隔:
T13=T13_min \公式(104)
联立:
Figure RE-FDA0002706804370000135
其中T1A_min为负载电流为0时,Sa4 ZVS开通时间T1A的值。
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