一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑及脉宽调制方法技术

本发明专利技术公开了一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑及脉宽调制方法，属于电力电子功率变换技术领域。所述拓扑包括依次连接的带有箝位电容的推挽正激式高频逆变结构、高频变压器、后级四桥臂矩阵变换器和输出LC型滤波器；所述拓扑通过引入箝位电容来抑制所有开关管的过电压尖峰；所述脉宽调制方法包括SPWM信号生成方式方法、解构复建方法、和第四桥臂独立控制方法，能够实现拓扑中前级开关管的ZCS开通以及ZVS关断、后级开关管的ZVS开通以及ZVS关断，能够降低开关管在高频状态工作时的开关损耗；同时在不平衡工况下，所述拓扑能够输出三相平衡电压。本发明专利技术能够实现两级功率变换，具有电路效率高、控制方法简单等优点。控制方法简单等优点。控制方法简单等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑及脉宽调制方法


[0001]本专利技术涉及电力电子功率变换
，尤其是一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑及脉宽调制方法。

技术介绍

[0002]逆变器是一种把直流电能转换成交流电能的拓扑装置。高频链逆变器采用高频变压器替代工频变压器克服了传统变压器体积大、噪声大、成本高等缺点。高频链矩阵式逆变器的变换过程有DC/HFAC/LFAC三种功率特征，其中，HFAC：高频交流，LFAC：低频交流。可知此类逆变器中出现了DC/AC即直流/交流逆变环节，该环节位于变压器原边，又出现了AC/AC即交流/交流变换环节，该环节也常称为周波变换器或矩阵变换器环节，位于变压器副边。矩阵变换器与传统变换器相比，没有中间储能环节，采用双向开关，可以实现能量的双向流动，结构紧凑、体积小、效率高，且输出电压幅值和频率可以独立控制。
[0003]专利技术专利“一种单相推挽正激式高频链矩阵逆变器拓扑的调制方法”(CN201710821717.6)，提出了单相推挽正激型高频链矩阵式变换器拓扑结构和与之相匹配的调制方案，前级通过一个箝位电容将正激变换器和推挽变换器结合在一起，集合了二者的优点，同时又克服了二者的缺点。但由于拓扑结构的限制，只能应对单相负载。本文提出的软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑后级采用的是三相四桥臂矩阵变换器，故可应对三相不平衡负载。
[0004]为满足实际生活中经常出现的不平衡工况，提出了推挽正激型三相四桥臂高频链矩阵逆变器，通过增加第四桥臂，当系统接入三相不平衡负载时，可以控制第四桥臂的开关管为零序电流提供流通路径，从而输出三相平衡电压。
[0005]由于高频变压器漏感的存在，高频链矩阵式逆变器换流时，在高频变压器副边矩阵变换器的功率管上产生较大的电压过冲，因此高频变压器副边矩阵/周波变换器的安全换流一直是制约高频链逆变器实现大范围推广的技术难点。目前主要有以下几种安全换流策略：
①
通过加入有源箝位来抑制电压过冲，可以实现软开关，但引入的箝位电路增加了成本，增加的可控功率管也使控制更为复杂；
②
单极性和双极性移相控制策略借助周波变换器的换流重叠实现了电感电流的自然换流，并且实现了功率管的ZVS，但存在换流重叠时间不易控制等问题；
③
在前级逆变器引入串联谐振电路来实现功率管的软换流，此时要求功率管切换发生在零电流时刻，且控制输出能量需要判断谐振电路谐振工作状态，使得控制方式复杂。
[0006]然而，上述策略虽然能够实现安全换流，但造成逆变器的调制和控制更为复杂，导致系统可靠性降低以致影响了该类变换器的推广使用。

技术实现思路

[0007]本专利技术需要解决的技术问题是提供一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑及脉宽调制方法，能够实现拓扑中所有开关管的软开关，减小逆变器输出共模电压，降低开关
管损耗，提高变换器的效率，通过第四桥臂实现不平衡工况条件下三相输出电压的平衡，并且使调制过程更加简单，使高频变压器更易于推广使用。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案是：
[0009]一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑，包括依次连接的带有箝位电容的推挽正激式高频逆变结构、高频变压器、三相四桥臂矩阵变换器、输出LC型滤波器和三相不平衡负载；
[0010]所述带有箝位电容的推挽正激式高频逆变结构包括直流输入电压Vdc、可控开关管S1、可控开关管S2和电容Cs；
[0011]高频变压器T包括原边和副边，原边包括线圈N11和线圈N12，副边包括线圈N2；
[0012]所述三相四桥臂矩阵变换器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，应对不平衡工况的第四桥臂；
[0013]第一桥臂包括可控开关管Sa1、可控开关管Sa4、可控开关管Sa2和可控开关管Sa3，第二桥臂包括可控开关管Sb1、可控开关管Sb4、可控开关管Sb2和可控开关管Sb3，第三桥臂包括可控开关管Sc1、可控开关管Sc4、可控开关管Sc2和可控开关管Sc3构成，第四桥臂包括可控开关管Sd1、可控开关管Sd4、可控开关管Sd2和可控开关管Sd3；
[0014]所述LC型滤波器包括第一电感La、第二电感Lb、第三电感Lc、第四电感Ld、第一电容Ca、第二电容Cb和第三电容Cc；
[0015]所述三相不平衡负载包括负载Ra、负载Rb和负载Rc，负载参数不同。
[0016]本专利技术技术方案的进一步改进在于：直流输入电压Vdc的正极分别与可控开关管S1的集电极、线圈N12一端相连，直流输入电压Vdc的负极分别与可控开关管S2的发射极、线圈N11一端相连；可控开关管S1的发射极分别与箝位电容Cs一端、线圈N11另一端相连；可控开关管S2的集电极分别与箝位电容Cs另一端、线圈N12另一端相连；
[0017]高频变压器T副边N2的一端分别与可控开关管Sa1的集电极、可控开关管Sb1的集电极、可控开关管Sc1的集电极、可控开关管Sd1的集电极相连，高频变压器T副边N2的另一端分别与可控开关管Sa3的集电极、可控开关管Sb3的集电极、可控开关管Sc3的集电极、可控开关管Sd3的集电极相连；可控开关管Sa1的发射极与可控开关管Sa4的发射极相连，可控开关管Sb1的发射极与可控开关管Sb4的发射极相连，可控开关管Sc1的发射极与可控开关管Sc4的发射极相连，可控开关管Sd1的发射极与可控开关管Sd4的发射极相连；
[0018]可控开关管Sa2的发射极与可控开关管Sa3的发射极相连，可控开关管Sb2的发射极与可控开关管Sb3的发射极相连，可控开关管Sc2的发射极与可控开关管Sc3的发射极相连，可控开关管Sd2的发射极与可控开关管Sd3的发射极相连；
[0019]可控开关管Sa4的集电极与可控开关管Sa2的集电极相连后与第一电感La一端相连，第一电感La另一端与第一电容Ca一端、负载Ra一端相连，负载Ra另一端分别与负载Rb、负载Rc另一端相连；第一电容Ca另一端分别与第二电容Cb、第三电容Cc另一端相连；负载Ra、负载Rb、负载Rc中性点和第一电容Ca、第二电容Cb、第三电容Cc中性点相连；
[0020]可控开关管Sb4的集电极与可控开关管Sb2的集电极相连后与第二电感Lb一端相连，第二电感Lb另一端与第二电容Cb、负载Rb一端相连；
[0021]可控开关管Sc4的集电极与可控开关管Sc2的集电极相连后与第三电感Lc一端相连，第三电感Lc另一端与第三电容Cc、负载Rc一端相连；
[0022]可控开关管Sd4的集电极与可控开关管Sd2的集电极相连后与第四电感Ld一端相连，第四电感Ld另一端与第一电容Ca、第二电容Cb、第三电容Cc、负载Ra、负载Rb、负载Rc另一端相连。
[0023]本专利技术技术方案的进一步改进在于：包括SPWM信号生成方法、解构复建方法和第四桥臂独立控制方法。
[0024]本专利技术技术方案的进一步改进在于：SPWM信号生成方法生成6路脉宽调制信号SPWM1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑，其特征在于：包括依次连接的带有箝位电容的推挽正激式高频逆变结构、高频变压器、三相四桥臂矩阵变换器、输出LC型滤波器和三相不平衡负载；所述带有箝位电容的推挽正激式高频逆变结构包括直流输入电压V
dc
、可控开关管S1、可控开关管S2和电容C
s
；高频变压器T包括原边和副边，原边包括线圈N
11
和线圈N
12
，副边包括线圈N2；所述三相四桥臂矩阵变换器包括第一桥臂、第二桥臂和第三桥臂，应对不平衡工况的第四桥臂；第一桥臂包括可控开关管S
a1
、可控开关管S
a4
、可控开关管S
a2
和可控开关管S
a3
，第二桥臂包括可控开关管S
b1
、可控开关管S
b4
、可控开关管S
b2
和可控开关管S
b3
，第三桥臂包括可控开关管S
c1
、可控开关管S
c4
、可控开关管S
c2
和可控开关管S
c3
构成，第四桥臂包括可控开关管S
d1
、可控开关管S
d4
、可控开关管S
d2
和可控开关管S
d3
；所述LC型滤波器包括第一电感L
a
、第二电感L
b
、第三电感L
c
、第四电感L
d
、第一电容C
a
、第二电容C
b
和第三电容C
c
；所述三相不平衡负载包括负载R
a
、负载R
b
和负载R
c
，负载参数不同。2.根据权利要求1所述的一种软开关高频链四桥臂矩阵逆变器拓扑，其特征在于：直流输入电压V
dc
的正极分别与可控开关管S1的集电极、线圈N
12
一端相连，直流输入电压V
dc
的负极分别与可控开关管S2的发射极、线圈N
11
一端相连；可控开关管S1的发射极分别与箝位电容C
s
一端、线圈N
11
另一端相连；可控开关管S2的集电极分别与箝位电容C
s
另一端、线圈N
12
另一端相连；高频变压器T副边N2的一端分别与可控开关管S
a1
的集电极、可控开关管S
b1
的集电极、可控开关管S
c1
的集电极、可控开关管S
d1
的集电极相连，高频变压器T副边N2的另一端分别与可控开关管S
a3
的集电极、可控开关管S
b3
的集电极、可控开关管S
c3
的集电极、可控开关管S
d3
的集电极相连；可控开关管S
a1
的发射极与可控开关管S
a4
的发射极相连，可控开关管S
b1
的发射极与可控开关管S
b4
的发射极相连，可控开关管S
c1
的发射极与可控开关管S
c4
的发射极相连，可控开关管S
d1
的发射极与可控开关管S
d4
的发射极相连；可控开关管S
a2
的发射极与可控开关管S
a3
的发射极相连，可控开关管S
b2
的发射极与可控开关管S
b3
的发射极相连，可控开关管S
c2
的发射极与可控开关管S
c3
的发射极相连，可控开关管S
d2
的发射极与可控开关管S
d3
的发射极相连；可控开关管S
a4
的集电极与可控开关管S
a2
的集电极相连后与第一电感L
a
一端相连，第一电感L
a
另一端与第一电容C
a
一端、负载R
a
一端相连，负载R
a
另一端分别与负载R
b
、负载R
c
另一端相连；第一电容C
a
另一端分别与第二电容C
b
、第三电容C
c
另一端相连；负载R
a
、负载R
b
、负载R
c
中性点和第一电容C
a
、第二电容C
b
、第三电容C
c
中性点相连；可控开关管S
b4
的集电极与可控开关管S
b2
的集电极相连后与第二电感L
b
一端相连，第二电感L
b
另一端与第二电容C
b
、负载R
b
一端相连；可控开关管S
c4
的集电极与可控开关管S
c2
的集电极相连后与第三电感L
c
一端相连，第三电感L
c
另一端与第三电容C
c
、负载R
c
一端相连；可控开关管S
d4
的集电极与可控开关管S
d2
的集电极相连后与第四电感L
d
一端相连，第四电感L
d
另一端与第一电容C...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫朝阳，赵成山，赵丁选，张祝新，庞建霞，魏尧，贾正阳，杨丽君，
申请(专利权)人：燕山大学，
类型：发明
国别省市：