基于多电平逆变器的有源软开关技术研究分析

引言

多电平变换技术由于具有诸如减少了器件的电压应力，勿须器件串联而无均压问题，减少了输出电压的谐波含量，减少了由于dv/dt和di/dt所造成的电磁干扰等优点，因此受到了更多关注，它的出现为高压大功率变换器的研制开辟了一条新思路。经过多年的研究和发展，多电平变换器主要有三种拓扑结构：

1)二极管箝位式(Diode?Clamped)；

2)电容箝位式(Flying?Capacitors)；

3)具有独立直流电源的级联式逆变器

(Cascaded?InverterswithSeparatedDCSources)。

多电平变换技术已经成为电力电子领域中高压大功率变换方面最活跃的分支。多电平变换器主要应用在高压大功率场合，其开关器件所承受的电压应力和电流应力都比较大，因此，随着开关频率的上升，多电平变换器由于硬开关造成的开关损耗相当可观，使电路的效率大大降低，处理功率的能力大幅度下降；同时，多电平变换器由于工作在硬开关状态下造成的过高的dv/dt和di/dt将会产生更为严重的电磁干扰。为了解决多电平变换器高频化和由硬开关所引起的诸多问题，近年来，把有源软开关技术应用到多电平变换器的文献屡有报道，并取得了较好的效果。本文将对见诸于文献的多电平变换器的各种有源软开关技术进行分析和比较，并指出各自的优缺点以及应用前景。

二极管箝位型多电平逆变器的有源软开关技术

经过研究者们多年的努力，已提出了二电平逆变器的的多种有源软开关拓扑，主要集中在直流环节谐振型逆变器和极谐振型逆变器。到目前为止，有关多电平逆变器的有源软开关技术的研究也主要是把直流环节谐振型逆变器和极谐振型逆变器两种软开关拓扑拓展到多电平电路中。

1、模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器

模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器的结构如图1所示。Cr1和Cr2是谐振电容

图1模块化箝位型直流环节三电平软开关逆变器

图2模块化箝位型直流环节三电平软开关变换

谐振电容、谐振电感和辅助开关组成了直流环节的软开关变换模块。Cr1=Cr2、Lr1=Lr2，所以两个准谐振槽路在直流环节上组成了一个镜像对称的模块，如图中虚线部分所示。

在开关切换期间，箝位开关S1′和S2′处于关断状态，把逆变器的母线电压从直流环节中释放出来，以使P点和M点的电压通过谐振降到零，为软开关的实现提供条件。此时，三电平逆变器的主开关器件在零电压条件下可实现软开关操作。当开关完成切换后，通过开通箝位开关S1′和S2′，结束谐振过程，把直流环节的电压加到母线的正极和负极之间。因为上部谐振槽路和下部谐振槽路是镜像对称的，所以它们的工作原理是相同的。但是，在实际的系统中，上部谐振槽路的变换电流Io1和下部谐振槽路变换电流Io2由于中点电流IN的作用而可能不相等，所以逆变器的正极母线电压和负极母线电压谐振到中点电压所需要的时间可能不相等，这样会影响零电压的开关条件。为了保证实现零电压的条件，需要用同步逻辑来同步上部谐振槽路和下部谐振槽路。为了以适当的次序触发上部谐振槽路和下部谐振槽路的谐振，定义触发上部谐振槽路和触发下部谐振槽路之间的延迟时间为td，它正比于中点电流IN，td==。中点电流的方向决定哪个谐振槽路的谐振过程被延迟触发，如图1所示，如果中点电流是正极性，即IN>0，上部谐振槽路的谐振过程被延迟td后再触发，否则，下部谐振槽路的谐振过程将被延迟td后触发。

图2是谐振槽路的简化控制逻辑框图，软开关变换模块从逆变器的控制器接受PWM模式。当PWM模式有变化时，检测电路将产生一个信号来触发零电压变换过程。同步电路用来保证上部谐振槽路和下部谐振槽路同时达到零电压。一旦零电压条件建立了，主开关则可以在零电压下开关，PWM重新安排模块紧接着发出新的PWM模式到门极电路。

该电路的优点是：

1)模块化设计。辅助变换电路中所用的元器件较少。

2)主开关器件所承受的电压和电流应力和硬开关逆变器所承受的电压和电流应力相等。

3)逆变器的主开关器件和辅助电路的箝位开关是零电压开通;辅助电路中的辅助开关是零电流关断。 该电路的缺点是：

由于中点电流的影响，逆变器的正极母线电压和负极母线电压谐振到中点电压所需要的时间可能不相等，需要外加控制逻辑来使两者同步，增加了电路的复杂性，降低了电路的可靠性。2、二极管