在三相AC-DC-AC变频器中,三相逆变电路六个开关器件的开关损耗使变频器的效率降低,同时也使器件温度升高易于损坏。逆变电路通常使用缓冲电路来限制开关时的di/dt和du/dt,缓冲电路同时也起减小开关损耗的作用,但是减小的这部分损耗或在缓冲电阻上消耗,或是暂存在缓冲电容中,之后这部分能量还要通过逆变电路开关释放,逆变电路的总体效率并没有明显的提高。若对各个开关分别采取软开关措施,逆变电路的结构将很复杂,控制的难度增加,也降低了逆变电路的可靠性,因此逆变电路软开关技术的进展晚于DC-DC变换。1986年D.M.Divan(美国)提出了直流环节谐振(Resonant DC Link)的概念,由于其潜在的价值受到广泛的重视,至今三相逆变电路软开关和控制方案都在研究进行中。本节将介绍性能优良的直流环节并联谐振型逆变器(Parallel Resonant DC Link Inverter,PRDCLI)的工作原理。
PRDCLI电路的主要问题是直流环节的谐振电压过高,直流环节电压是一系列正弦脉冲而不是恒定的直流,给PWM调制带来困难。PRDCLI就是针对这个问题而提出的。
直流环节并联谐振型逆变电路如图6-17所示,电路在直流环节中插入了由三个开关VT0、VT1、VT2,三个二极管VD0、VD1、VD2和电感L组成的谐振控制电路,谐振电容由逆变电路三相桥臂开关器件上并联的六个电容器组成,其等效电路如图6-18a所示。电路的工作过程(见图6-18)可分四种模态分析。
图6-17 直流环节并联谐振型逆变电路
首先在t0前,设开关VT0导通,逆变电路由电源E经VT0传输电能,电流为ix。
(1)模态一:t0~t1电流上升阶段
在逆变电路某一开关器件需要通断时,提前在t0时驱动VT1和VT2,电感L上的电流iL上升,如图6-18d所示,因为iL从0上升,VT1和VT2为软开通。因为这时VT0尚在导通中,电容两端电压仍为E。
(2)模态二:t1~t2电压下降阶段(www.xing528.com)
在t1时关断VT0,电感L和电容C开始谐振,电容C放电,到t2时电容电压下降到0,为逆变器开关电路创造零电压开关条件。随电容电压下降到0,电感L上的电流iL上升到峰值ILM,如图6-18d所示。在该阶段中逆变电路电流ix由电容C提供。
图6-18 PRDCLI电路工作过程
(3)模态三:t2~t3零电压阶段
在t2~t3区间因为VT0关断,VT1和VT2尚在导通中,电感上的电流iL要经VD2和VT1、VT2和VD1两条支路续流,不考虑损耗的话iL基本维持在ILM。t2~t3的时间段是可以控制的,VT1和VT2的关断控制了该时间段的长短,并且在该时间段中uC=0,如图6-18e所示。这是PRDCLI电路的重要特点,即当逆变电路PWM控制时,在逆变电路开关器件需要通断时,可以通过VT1、VT2控制直流环节出现零电压,使逆变电路开关能在零电压状态下通或断,将开关损耗降低到最小。
(4)模态四:t3~t5电容C充电阶段
当逆变器开关器件的通断完成后,在t3时刻关断VT1和VT2,谐振电感L储能经VD1、VD2向负载(逆变器)释放,iL下降,同时电容C充电到E(t4)。电容C充电完毕后,电感的剩余能量还可以通过二极管VD0回馈电源E。在t4后,驱动开关VT0恢复电源对逆变电路的供电。到t5时iL下降到0,直流环节零电压控制一个周期结束,到下一次逆变电路需开关时再重复上述过程。
PRDCLI三相软开关电路除直流环节增加的元器件稍多外,谐振电路的开关动作都在零电压条件下进行,所有开关器件的电压应不超过E,并且谐振电感不在主电路通道上,谐振电感仅作保证谐振电压过零的储能元件。另外谐振电容还可以利用逆变电路开关器件自身的寄生电容,更主要的是可以控制零电压发生时刻,适合于PWM调制,是一种很有意义的软开关方案。
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