CN101640497A - 有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电力电子变流器领域，公开了一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器。它包括直流侧正极、负极和零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第一滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤波电容；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器件；在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感。

Description

有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器

技术领域

本发明涉及电力电子变流器领域，具体地说是一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器。

背景技术

近年来，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，对电力电子变流器的性能提出了许多要求，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所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，而过低的开关频率则会带来输出谐波大、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，在开关器件关断时器件上会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。

零电流转换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管动作之前通过辅助电路触发谐振将即将关断的开关管和二极管的电流谐振到零然后，再关断开关管和二极管。零电流转换技术不仅减少了开关管的关断损耗和二极管的反向恢复损耗，也有助于减少开关管的开通损耗，且辅助电路中的开关器件都是在零电流零电压条件下开关，所以采用零电流转换技术可以有效地减少开关损耗，从而提高变流器的效率和开关频率。此外零电流转换软开关技术大大减少了开关过程的电流变化率，消除了器件关断时的电压尖峰，减少了电磁干扰问题。因此，零电流转换软开关技术特别适用于大功率的逆变器和整流器中。

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，其三相逆变器电路如图1所示，其主要的优点有：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，其三相逆变电路如图2所示。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。

已有技术[2]，见IEEE Transactions on Industry Applications杂志2006年第42卷第5期刊登的”A generalized zero-current-transition concept to simplifymultilevel ZCT converters”一文(作者Yong Li等)，该逆变器原理图如图3所示。该技术在公知的二极管中点电压钳位三电平变流器的每相桥臂中加入一组零电流转换软开关辅助电路，该辅助电路只在输出电平转换时工作，将输出相电流从主开关管转移到辅助谐振支路中，使得主开关管在零电流条件下关断，从而减少了主开关管的开关损耗。该拓扑的优点是主开关器件的损耗得到很大的减少，同时所有辅助开关管也是零电压零电流开关，且辅助开关器件的容量远小于主开关器件。但该技术的缺点是辅助电路太复杂，每组辅助电路包含2个辅助开关器件、2个辅助二极管、2个谐振电感、2个谐振电容。

发明内容

针对上述已有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种高效率的结构简单的有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，包括直流侧正极、负极和零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第一滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤波电容；直流侧正极和负极之间连接有并联的两相桥臂或三相桥臂；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器件；其特征在于，在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感；所述第一、第二、第三、第四、第五、第六开关器件和第一、第二辅助开关器件均由电流流向直流侧负极的开关管以及与开关管反并联的二极管组成。

本发明的有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，在每相桥臂增加了一组的零电流转换软开关辅助电路，每组辅助开关电路仅包括2个辅助开关器件、1个谐振电感、1个谐振电容，与已有技术[2]相比每组的辅助开关电路节省了2个辅助二极管，1个谐振电感和1个谐振电容。此外，本发明能够保持已有技术[2]中零电流转换软开关技术的优点，可以实现所有输出电平转换过程中开关管的零电流转换，大大减少了主开关管上的开关损耗，且辅助开关器件容量远小于主开关器件。因此，本发明具有效率高、结构简单、易于模块化设计、可靠性更高，更易于实用化等优点。

附图说明

图1是公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路图。

图2是已有技术[1]的有源中点电压钳位三电平三相逆变器电路图。

图3是已有技术[2]的二极管中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相逆变器电路图。

图4是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关单相逆变器电路图。

图5是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关单相整流器电路图。

图6是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相逆变器电路图。

图7是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相整流器电路图。

图8是本发明的有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关逆变器的单相桥臂电路图。

图9(a)是图8单相桥臂电路在输出相电压的正半周输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号图。

图9(b)是图8单相桥臂电路在输出相电压的正半周输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号图。

图10(a)是图8单相桥臂电路在输出相电压的负半周输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号图。

图10(b)是图8单相桥臂电路在输出相电压的负半周输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动脉冲信号图。

图11为本图8单相桥臂电路在输出相电压的正半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间转换的零电流软开关波形图。

图12(a)～图12(h)为图8单相桥臂电路在输出相电压正半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间零电流转换过程中的各个电路状态图。

图13为图8单相桥臂电路在输出相电压的正半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间转换的零电流软开关波形图。

图14(a)～图14(h)为图8单相桥臂电路在输出相电压正半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与正电平之间零电流转换过程中的各个电路状态图。

图15为图8单相桥臂电路在输出相电压的负半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间转换的零电流软开关波形图。

图16(a)～图16(h)为图8单相桥臂电路在输出相电压负半周输出相电流方向为正时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间零电流转换过程中的各个电路状态图。

图17为图8单相桥臂电路在输出相电压的负半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间转换的零电流软开关波形图。

图18(a)～图18(h)为图8单相桥臂电路在输出相电压负半周输出相电流方向为负时，一个PWM开关周期中输出电平在零电平与负电平之间零电流转换过程中的各个电路状态图。

具体实施方式

参照图1，为公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路，在直流侧正极P和零电平0之间连接第一滤波电容C1，负极N和零电平0之间连接第二滤波电容C2；直流侧正极P和负极N之间连接并联三相桥臂；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件Q1、Q2、Q3、Q4，连接在第一、第二开关器件Q1、Q2公共节点和零电平0之间的第一二极管，以及连接在第三、第四开关器件Q3、Q4公共节点和零电平0之间的第一二极管。每相桥臂的第二、第三开关器件Q2、Q3公共节点作为该相输出。

参照图2，是已有技术[1]的有源中点电压钳位三电平三相逆变器电路，与公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路的区别在于，每个桥臂的第一、第二二极管分别由第五、第六开关器件Q5、Q6代替。

参照图3，是已有技术[2]的二极管中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相逆变器电路，与公知技术二极管中点电压钳位三电平三相逆变器电路的的区别在于，每个桥臂设置有包含2个辅助开关器件、2个辅助二极管、2个谐振电感、2个谐振电容辅助电路。

参照图4、图5，是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关单相逆变器电路和整流器电路，参照图6、图7，是本发明的有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关三相相逆变器电路和整流器电路，它们的每个桥臂的电路结构相同。与已有技术[1]的有源中点电压钳位三电平三相逆变器电路的区别在于，每个桥臂中，在第一、第二开关器件Q1、Q2公共节点和第三、第四开关器件Q3、Q4公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件Qx1、Qx2，在第一、第二辅助开关器件Qx1、Qx2的公共节点和第二、第三开关器件Q2、Q3公共节点之间连接有依次串联有谐振电容和谐振电感，并且第一、第二、第三、第四、第五、第六开关器件Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6和第一、第二辅助开关器件Qx1、Qx2均由电流流向直流侧负极的开关管以及与开关管反并联的二极管组成。

本发明中，变流器包括逆变器与整流器，并且逆变器与整流器具有相同的电路结构，以下以逆变器为对象分析本发明电路的工作原理，其分析同样适用于整流器。因每相桥臂的软开关辅助电路是独立工作的，现以一相桥臂为例说明输出电平转换过程中电路工作的各个状态。

参照图8，为本发明的有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关逆变器的单相桥臂电路，其中T1，T2，T3，T4，Tp，Tn是主电路桥臂的开关管，D1，D2，D3，D4，Dp，Dn为相应开关管的反并联二极管；Tx，Ty为辅助电路的辅助开关管，Dx和Dy为相应的反并联二极管；Lr和Cr为辅助电路的谐振电感和谐振电容，Lr和Cr组成谐振电路，连接在主开关管T2、T3的公共节点(中点)与辅助开关管Tx、Ty的公共节点(中点)之间。

根据中点电压钳位三电平逆变器的PWM调制原理，当输出相电压为正半周期时，逆变桥的输出电平在正电平与零电平之间转换；当输出相电压负半周期时，逆变桥的输出电平在负电平与零电平之间转换。两类转换需要开通关断的开关器件是不同的：

(1)、输出电平在正电平与零电平之间转换。当有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关逆变桥输出正电平时，主开关管T1、T2、Tn开通，主开关管T3、T4、Tp关断；当输出零电平时，主开关管T1、T3和Tn开通，主开关管T2、T4、Tp关断。输出电平在零电平与正电平之间转换过程中，当输出相电流为正时(流出逆变桥臂)开关损耗出现在T2、D3，当输出相电流为负(流入逆变桥臂)时开关损耗出现在T3、D2。

(2)、输出电平在负电平与零电平之间转换。当有源中点电压钳位三电平零电流转换软开关逆变桥输出负电平时，主开关管T3、T4、Tp开通，主开关管T1、T2、Tn关断；当输出零电平时，主开关管T2、T4和Tp开通，主开关管T1、T3、Tn关断。输出电平在零电平与负电平之间转换过程中，当输出相电流为正时(流出逆变桥臂)开关损耗出现在T2、D3，当输出相电流为负(流入逆变桥臂)时开关损耗出现在T3、D2，因而，输出负电平与零电平转换过程中开关损耗只出现在T2、T3两个开关管及其反并联二极管D2、D3上。

可见对于有源中点电压钳位三电平逆变器按以上所述选择开通或关断的开关器件，就可以使得不论是输出电平在零电平和正电平之间转换还是零电平和负电平之间转换，开关损耗都只出现在主开关管T2、T3及其反并联二极管D2、D3上。

为了减少T2、T3、D2、D3的开关损耗，本发明软开关辅助电路通过对辅助开关管Tx和Ty的控制来协助主开关管及其反并联二极管实现零电流转换。在本发明提出的控制方法中，当输出相电流为正时是辅助开关管Ty协助主开关管T2开通和主二极管D3关断，而辅助开关管Tx协助主开关管T2关断和主二极管D3开通；而当输出相电流为负时，由辅助开关管Tx协助主开关T3开通和主二极管D2关断，而辅助开关管Ty协助主开关T3关断和主二极管D2开通。当输出相电压正半周时输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号参见图9(a)；当输出相电压正半周时输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号参见图9(b)。当输出相电压负半周时输出相电流为正时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号参见图10(a)；当输出相电压负半周时输出相电流为负时，一个PWM开关周期中各个开关管的驱动逻辑信号参见图10(b)。

以下分别对输出相电压正半周而输出电流为正和为负，以及输出相电压负半周而输出相电流为正和为负四种情况进行分析。由于一个PWM开关周期与逆变器的输出相电压周期相比很小，而接感性负载和接电网时逆变器的输出是一个电流源的特性，所以为了分析方便，就可以认为在一个PWM开关周期中输出相电流是恒定不变的一个值。

(1)输出相电压正半周且输出相电流为正时

当输出相电流大于零即流出逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管分别是T2和D3。图11所示为一个PWM开关周期中，辅助开关管协助主开关管T2开通关断过程零电流转换的各驱动信号以及谐振支路电压电流波形。根据时间顺序可以将一个PWM开关周期的整个过程分为八个不同的电路状态，参见图12。

1)t0～t2时间段电路状态参见图12(a)。t0时刻之前，输出零电平，输出相电流完全经Tn、D3流通。t0时刻开通辅助开关管Ty，形成了一个包含Ty、D3、Lr、Cr的谐振回路，根据图中所示电流参考方向，谐振电流Ir开始正向增加，经过半个谐振周期，谐振电流在t1时刻过零，然后反向增加并通过辅助开关管Ty的反并联二极管Dy流通。

2)t2～t3时间段电路状态参见图12(b)。谐振电流Ir在t2时刻达到输出相电流大小，D3随即自然关断没有反向恢复损耗，由于T2还未开通而D2承受反向电压不能开通，因而t2～t3时间段，谐振支路电流即为输出相电流。

3)t3～t4时间段电路状态参见图12(c)。主开关管T2在t3时刻开通，形成一个新的谐振回路，包含T1、T2、Lr、Cr、Dy、Tn以及上半直流电容。T2开通过程其电流是以谐振电流的速率上升，损耗得到了一定减少。随着T1、T2支路电流的增加，谐振支路电流Ir开始下降，到达t4时刻谐振电流Ir降为零，Dy自然关断。由于Ty已经在t3时刻关断所以谐振电流不能反向流通，谐振过程结束。

4)t4～t5时间段电路状态参见图12(d)。谐振过程结束后，全部的输出相电流通过T1、T2流通，从零电平到正电平的零电流转换过程结束。

5)t5～t7时间段电路状态参见图12(e)。正电平到零电平的零电流转换过程从t5时刻开通辅助开关管Tx开始。Tx的开通形成了一个包含T2、Tx、Lr、Cr的谐振回路，谐振电流Ir开始负向增加，经过1/4个谐振周期后，谐振电流达到负的峰值且该值大于输出相电流。谐振电流大于输出相电流的部分通过T2的反并联二极管D2流通，在t6时刻关断T2就实现了零电流且零电压关断。在t6时刻之后，谐振电流开始下降，并在t7时刻降为输出相电流大小。

6)t7～t8时间段电路状态参见图12(f)。在t7时刻谐振电流降为输出相电流大小，由于此时T2已经关断，而二极管D3还承受反向电压不能开通，所以输出相电流只能通过谐振支路流通，同时给谐振电容Cr线性充电。

7)t8～t10时间段电路状态参见图12(g)。在t8时刻谐振电容上的电压Vr充到负的二分之一输入直流电压，此时D3开始承受正向电压开通，形成一个新的谐振回路，包括T1、Tx、Cr、Lr、D3、Tn以及上半直流电压。谐振支路电流Ir开始减少，Tn、D3支路的电流开始增加，达到t9时刻时谐振电流Ir降为零，输出相电流全部通过Tn、D3流通。t9时刻之后，谐振电流反向通过辅助开关管Tx的反并联二极管Dx流通，此时可以零电压零电流关断Tx，再经过半个谐振周期达到t10时，谐振电流Ir再次过零，Dx自然关断，又因Tx已于t9时刻关断，谐振电流不能再反向流通，谐振结束。

8)t10时刻以后电路状态参见图12(h)。全部的输出相电流通过Tn、D3流通，辅助谐振电路不工作，从正电平转换到零电平的零电流转换过程结束。

(2)输出相电压正半周且输出相电流为负时

输出相电流小于零，即输出相电流流入逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管是T3和D2。图13所示为一个PWM开关周期中辅助开关管协助主开关管T3开通关断过程零电流转换的各驱动信号以及谐振支路电压电流波形。根据时间顺序也可以将一个PWM开关周期的整个过程分为八个不同的电路状态，参见图14。

1)t0～t2时间段电路状态参见图14(a)。t0时刻之前电路的初始状态为逆变桥臂输出正电平，输出相电流全部通过二极管D1和D2流通。在t0时刻，将辅助开关管Tx开通，形成包括Tx、Cr、Lr、D2的谐振回路，根据图中所示电流参考方向，谐振电流Ir开始负向增大。经过半个谐振周期到达t1时刻，谐振电流降为零，然后反向通过Tx的反并联二极管Dx流通，谐振电流开始正向增大，到达t2时刻谐振电流值达到此刻的输出相电流大小。

2)t2～t3时间段电路状态参见图14(b)。当t2时刻谐振电流Ir达到输出相电流大小，输出相电流全部通过谐振之路流通，二极管D2自然关断没有关断损耗，t2～t3这段时间输出相电流对谐振电容Cr进行线性充电。当t3时刻谐振电容电压Vr的大小达到直流电压的一半，开关管T3承受的电压为零，此时开通T3就可以实现T3的零电压开通。而此刻关断辅助开关管Tx也是在零电流零电压条件下。

3)t3～t4时间段电路状态参见图14(c)。T3开通以后形成了一个包含D1、D2、Cr、Lr、T3、Dn以及上半直流电容的谐振回路，由于谐振电流方向与谐振回路中上半直流电容电压的方向相反，所以谐振电流减少并在t4时刻减少为零，由于Tx已经关断，谐振电流不能反向流通，谐振过程结束。

4)t4～t5时间段电路状态参见图14(d)。t4时刻谐振停止，输出相电流完全通过T3、Dn流通，输出电平从正电平到零电平的零电流转换过程结束。

5)t5～t7时间段电路状态参见图14(e)。零电平到正电平的零电流转换过程从t5时刻开通Ty开始。Ty开通后形成了一个包含Ty、Cr、Lr、T3的谐振回路，谐振电流开始正向增大，在t6时刻达到峰值并超过输出相电流，因而谐阵电流超过输出相电流的部分通过二极管D3流通，此刻关断T3就实现了零电流和零电压关断。t6时刻以后谐振电流开始下降并在t7时刻降为输出相电流大小。

6)t7～t8时间段电路状态参见图14(f)。由于T3已经在t6时刻关断，而D2承受反压不能开通，输出相电流只能通过谐振支路流通，谐振电流在这段时间对谐振电容Cr线性充电，直到t8时刻谐振电容电压Vr大小达到直流电压的一半Vdc/2。

7)t8～t10时间段电路状态参见图14(g)。当t8时刻谐振电容电压Vr达到Vdc/2，二极管D2开始承受正向电压导通，形成了一个新的谐振回路包含Tn、Ty、Cr、Lr、D2、D1以及上半直流电容，谐振支路中电流Ir开始减少，而D1、D2的电流开始增加，达到t9时刻谐振支路电流Ir减少为零然后开始反向通过Ty的二极管Dy流通，此刻关断Ty实现零电压零电流关断，再经过半个谐振周期谐振电流再次过零Dy自然关断没有关断损耗，而Ty已经关断电流不能反向流通，谐振停止。

8)t10时间以后电路状态参见图14(h)。t10时刻谐振停止以后，输出相电流完全通过D1、D2流通，从零电平到正电平的零电流转换过程结束。

(3)输出相电压负半周且输出相电流为正时

当输出相电流大于零即流出逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管分别是T2和D3。图15所示为一个PWM开关周期中，辅助开关管协助主开关管T2开通关断过程零电流转换的各驱动信号以及谐振支路电压电流波形。根据时间顺序可以将一个PWM开关周期的整个过程分为八个不同的电路状态，参见图16。

1)t0～t2时间段电路状态参见图16(a)。t0时刻之前，输出负电平，输出相电流完全经D3、D4流通。t0时刻开通辅助开关管Ty，形成了一个包含Ty、D3、Lr、Cr的谐振回路，根据图中所示电流参考方向，谐振电流Ir开始正向增加，经过半个谐振周期，谐振电流在t1时刻过零，然后反向增加并通过辅助开关管Ty的反并联二极管Dy流通。

2)t2～t3时间段电路状态参见图16(b)。谐振电流Ir在t2时刻达到输出相电流大小，D3随即自然关断没有反向恢复损耗，由于T2还未开通而D2承受反向电压不能开通，因而t2～t3时间段，输出相电流只能通过谐振支路流通。

3)t3～t4时间段电路状态参见图16(c)。主开关管T2在t3时刻开通，形成一个新的谐振回路，包含Dp、T2、Lr、Cr、Dy、T4以及下半直流电容。T2开通过程其电流是以谐振电流的速率上升，损耗得到了一定减少。随着Dp、T2支路电流的增加，谐振支路电流Ir开始下降，到达t4时刻谐振电流Ir降为零，Dy自然关断。由于Ty已经在t3时刻关断所以谐振电流不能反向流通，谐振过程结束。

4)t4～t5时间段电路状态参见图16(d)。谐振过程结束后，全部的输出相电流通过Dp、T2流通，从零电平到正电平的零电流转换过程结束。

5)t5～t7时间段电路状态参见图16(e)。正电平到零电平的零电流转换过程从t5时刻开通辅助开关管Tx开始。Tx的开通形成了一个包含T2、Tx、Lr、Cr的谐振回路，谐振电流Ir开始负向增加，经过1/4个谐振周期后，谐振电流达到负的峰值且该值大于输出相电流。谐振电流大于输出相电流的部分通过T2的反并联二极管D2流通，在t6时刻关断T2就实现了零电流且零电压关断。在t6时刻之后，谐振电流开始下降，并在t7时刻降为输出相电流大小。

6)t7～t8时间段电路状态参见图16(f)。在t7时刻谐振电流降为输出相电流大小，由于此时T2已经关断，而二极管D3还承受反向电压不能开通，所以输出相电流只能通过谐振支路流通，同时给谐振电容Cr线性充电。

7)t8～t10时间段电路状态参见图16(g)。在t8时刻谐振电容上的电压Vr被充大小到二分之一输入直流电压Vdc/2，此时D3开始承受正向电压开通，形成一个新的谐振回路，包括Tp、Tx、Cr、Lr、D3、D4以及下半直流电压。谐振支路电流Ir开始减少，D3、D4支路的电流开始增加，达到t9时刻时谐振电流Ir降为零，输出相电流全部通过D3、D4流通。t9时刻之后，谐振电流反向通过辅助开关管Tx的反并联二极管Dx流通，此时可以零电压零电流关断Tx，再经过半个谐振周期达到t10时，谐振电流Ir再次过零，Dx自然关断，又因Tx已于t9时刻关断，谐振电流不能再反向流通，谐振结束。

8)t10时刻以后电路状态参见图16(h)。全部的输出相电流通过D3、D4流通，辅助谐振电路不工作，从正电平转换到零电平的零电流转换过程结束。

(4)输出相电压负半周且输出相电流为负时

输出相电流小于零，即输出相电流流入逆变桥臂时，转换过程需要换流的开关管和二极管是T3和D2。图17所示为一个PWM开关周期中辅助开关管协助主开关管T3开通关断过程零电流转换的各驱动信号以及谐振支路电压电流波形。根据时间顺序也可以将一个PWM开关周期的整个过程分为八个不同的电路状态，参见图18。

1)t0～t2时间段电路状态参见图18(a)。t0时刻之前电路的初始状态为逆变桥臂输出正电平，输出相电流全部通过二极管D2和Tp流通。在t0时刻，将辅助开关管Tx开通，形成包括Tx、Cr、Lr、D2的谐振回路，根据图中所示电流参考方向，谐振电流Ir开始负向增大。经过半个谐振周期到达t1时刻，谐振电流降为零，然后反向通过Tx的反并联二极管Dx流通，谐振电流开始正向增大，到达t2时刻谐振电流值达到此刻的输出相电流大小。

2)t2～t3时间段电路状态参见图18(b)。当t2时刻谐振电流Ir达到输出相电流大小，输出相电流全部通过谐振之路流通，二极管D2自然关断没有关断损耗，t2～t3这段时间输出相电流对谐振电容Cr进行线性充电。当t3时刻谐振电容电压Vr的大小达到直流电压的一半Vdc/2，开关管T3承受的电压为零，此时开通T3就可以实现T3的零电压开通。而此刻关断辅助开关管Tx也是在零电流零电压条件下。

3)t3～t4时间段电路状态参见图18(c)。T3开通以后形成了一个包含Tp、D2、Cr、Lr、T3、T4以及下半直流电容的谐振回路，由于谐振电流方向与谐振回路中上半直流电容电压的方向相反，所以谐振电流减少并在t4时刻减少为零，由于Tx已经关断，谐振电流不能反向流通，谐振过程结束。

4)t4～t5时间段电路状态参见图18(d)。t4时刻谐振停止，输出相电流完全通过T3、T4流通，输出电平从正电平到零电平的零电流转换过程结束。

5)t5～t7时间段电路状态参见图18(e)。零电平到正电平的零电流转换过程从t5时刻开通Ty开始。Ty开通后形成了一个包含Ty、Cr、Lr、T3的谐振回路，谐振电流开始正向增大，在t6时刻达到峰值并超过输出相电流，因而谐阵电流超过输出相电流的部分通过二极管D3流通，此刻关断T3就实现了零电流和零电压关断。t6时刻以后谐振电流开始下降并在t7时刻降为输出相电流大小。

6)t7～t8时间段电路状态参见图18(f)。由于T3已经在t6时刻关断，而D2承受反压不能开通，输出相电流只能通过谐振支路流通，谐振电流在这段时间对谐振电容Cr线性充电，直到t8时刻谐振电容电压Vr大小达到直流电压的一半Vdc/2。

7)t8～t10时间段电路状态参见图18(g)。当t8时刻谐振电容电压Vr达到Vdc/2，二极管D2开始承受正向电压导通，形成了一个新的谐振回路包含T4、Ty、Cr、Lr、D2、Tp以及上半直流电容，谐振支路中电流Ir开始减少，而Tp、D2的电流开始增加，达到t9时刻谐振支路电流Ir减少为零然后开始反向通过Ty的二极管Dy流通，此刻关断Ty实现零电压零电流关断，再经过半个谐振周期谐振电流再次过零Dy自然关断没有关断损耗，而Ty已经关断电流不能反向流通，谐振停止。

8)t10时间以后电路状态参见图18(h)。t10时刻谐振停止以后，输出相电流完全通过Tp、D2流通，从零电平到正电平的零电流转换过程结束。

Claims (1)

1、一种有源中点电压钳位的三电平零电流转换软开关变流器，包括直流侧正极、负极和零电平，直流侧正极和零电平之间连接有第一滤波电容，负极和零电平之间连接有第二滤波电容；直流侧正极和负极之间连接有并联的两相桥臂或三相桥臂；每相桥臂包含依次串联的第一、第二、第三、第四开关器件，连接在第一、第二开关器件公共节点和零电平之间的第五开关器件，以及连接在第三、第四开关器件公共节点和零电平之间的第六开关器件；其特征在于，在第一、第二开关器件公共节点和第三、第四开关器件公共节点之间连接有依次串联的第一、第二辅助开关器件，在第一、第二辅助开关器件的公共节点和第二、第三开关器件公共节点之间连接有依次串联的谐振电容和谐振电感；所述第一、第二、第三、第四、第五、第六开关器件和第一、第二辅助开关器件均由电流流向直流侧负极的开关管以及与开关管反并联的二极管组成。

Images