[发明专利]使用耦合电感的有源钳位三电平零电压软开关变流器

说明书

技术领域

本发明所涉及的是一种电能变换装置，具体地说是使用耦合电感的有源中点电压钳位三电平零电压软开关变流器。

背景技术

近年来随着可持续发展战略的实施和节能减排工程的推进，以逆变器(将直流电变换为交流电的装置)和整流器(将交流电变换为直流电的装置)为主要代表的三相和单相电力电子变流器得到了人们越来越多的重视和广泛应用。在电力电子变流器的典型应用场合如不间断电源、电机的变频驱动器以及风能、太阳能等新能源发电等中对电力电子变流器的性能提出了许多的要求，如高运行效率、高功率密度、低输出谐波、低电磁干扰等。目前电力电子变流器大多都采用“硬开关”的PWM技术，电力电子功率开关器件需要在高电压大电流下开关动作，每次开通与关断过程中其承受的电压与流过的电流会出现相乘不为零的重叠部分，因而产生开关损耗，电力电子功率开关器件的开关损耗又可以细分为开关管的开通损耗、开关管的关断损耗以及二极管的反向恢复损耗。随着开关频率的提高，开关损耗会急剧增加，系统效率会急剧下降，如果开关损耗过大还会导致电力电子开关器件结温过高以至损坏器件，而过低的开关频率带来输出谐波大、动态响应慢、功率密度低等问题。因此开关损耗限制了变流器开关频率的提高和性能的改善，如果采用无源缓冲电路只是把开关损耗转移到电阻电容上，系统的效率仍然不高。硬开关过程不仅产生开关损耗，还会引起很大的电流变化率，在开关器件关断时在器件上产生很大的电压尖峰，为了保证安全，开关器件需要降额使用。此外硬开关还产生高频的电磁干扰，影响周围电子设备的正常运行。于是人们研究提出了采用“软开关”技术来解决上面的问题，所谓“软开关”是利用了谐振的原理，在电压或者电流谐振过零的时刻执行开关动作，从而大大减少开关损耗。

使用耦合电感的零电压软开关技术是一种新型的软开关技术，其基本的思想是在主开关开通过程中，通过辅助开关器件触发耦合电感与主开关管的并联电容的谐振，使得主开关管的电压谐振到零以后再开通，从而实现主开关器件的零电压开通，消除了开通损耗。在关断过程中，则通过主开关并联电容的作用，减缓主开关的电压变化速度，使得其电流先降为零电压才上升，从而减少电压电流的重叠部分实现关断损耗的减少。

多电平的变流器与两电平变流器相比有许多优点，从上个世纪80年代以来一直是研究的热点之一。目前二极管中点电压钳位三电平变流器应用比较广泛，在市场中占有较大的份额，其三相逆变器电路见图1，其主要的优点有：其开关器件只承受一半的直流电压应力，因而可以选择电压等级较低的开关器件；其输出的等效开关频率是器件实际开关频率的两倍，因而减少了滤波器的体积和重量，提高了系统的功率密度；其电压电流的变化率也为两电平的一半，因而电磁干扰问题有所缓解。

如何进一步减少中点电压钳位三电平变流器的损耗提高其性能是人们研究比较多的一个问题。已有技术[1]，见IEEE Transaction on industrial electronics杂志2005年第52卷第三期刊登的”The Active NPC Converter and Its Loss-balancing Control”一文(作者Thomas Brückner等)，该技术采用有源的电力电子开关替换无源的二极管作为中点电压钳位的器件，其三相逆变电路见图2。采用有源中点电压钳位的三电平变流器具有以下特点：无论输出相电流的方向，其输出零电平的开关状态由一种增加到两种，这两种零电平开关状态会在不同的开关管和二极管上产生开关损耗，所以通过选择合理分配这两种零电平的开关状态，可以将损耗平均地分布在内侧和外侧的开关器件上，克服了采用二极管钳位中点电压钳位三电平变流器损耗分布不平均的问题，减少了外侧开关管上的热应力，从而可以提高了开关频率和系统性能。但该技术只是把损耗均匀地分布在不同的开关器件上，并没有减少变流器总的开关损耗，系统的效率并没有提高。