无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器及调制方法

摘要

本发明提供了一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器及调制方法，包括直流侧蓄电池，直流侧分压电容，交流侧滤波电感，由两个有反并联二极管的全控主开关构成的单相桥臂，在分压电容和单相桥臂直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关，主开关和辅助开关两端并联电容，辅助开关两端跨接由谐振电感与箝位电容串联的谐振支路。本发明带负载独立运行或者并网运行。主开关采用正弦波脉宽调制方法，辅助开关调制信号与主开关同步。每一开关周期中辅助开关只动作一次就能实现所有主开关零电压开通，主开关反并联二极管反向恢复电流得到抑制，开关电压应力等于逆变器直流侧电压，开关损耗小，电路效率高，有利于提高工作频率，进而提高功率密度。

主权项

一种无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器的调制方法，其特征在于：所述无附加电压零电压开关储能半桥式逆变器包括逆变器直流侧蓄电池，直流侧分压电容(C₁、C₂)，由两个有反并联二极管的全控主开关构成的单相桥臂，接在桥臂中点与输出负载正端或者交流电网相线之间的输出滤波电感(L)；单相桥臂的两个主开关即第一主开关(S₁)、第二主开关(S₂)分别并联第一电容(C_r1)、第二电容(C_r2)，在逆变器直流分压电容(C₁、C₂)和单相桥臂的直流母线之间接入有反并联二极管的辅助开关(S₃)，辅助开关(S₃)的两端并联第三电容(C_r3)，并在辅助开关(S₃)两端跨接由谐振电感(L_r)与箝位电容(C_c)相串联的谐振支路；所述辅助开关(S₃)集电极与逆变器直流侧蓄电池正端相连，发射极与单相桥臂正母线相连，谐振电感(L_r)与单相桥臂正母线相连，箝位电容(C_c)与逆变器直流侧蓄电池正端相连；直流侧分压电容(C₁、C₂)的中点与交流电网零线或交流负载负端连接；所述主开关采用双极性正弦脉宽调制方法，辅助开关调制信号与主开关调制信号同步；辅助开关在主开关从二极管换流到全控开关之前关断，为主开关创造零电压开通条件；当逆变器直流母线电流由交流侧流向直流侧时，在辅助开关关断的短暂时间内，主开关桥臂上下两开关直通给谐振电感提供续流通路，使谐振电感存储能量足以实现逆变器软开关；逆变器零电压开关在逆变器交流侧电流全功率因数角范围内均可以实现；设正弦调制电压为u_ref＝msin(ωt)，当采用双极性调制时，第一主开关(S₁)占空比$D=\frac{1}{2}[1+m\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)],$第二主开关S₂占空比$D=\frac{1}{2}[1-m\sin \left(\mathrm{\omega t}\right)];$其中m为逆变器调制比，等于逆变器输出正弦波电压峰峰值与逆变器直流电压之比；对于无附加电压零电压开关半桥逆变器，在所述逆变器直流侧母线电流方向不同时，逆变器控制是不同的：在直流母线电流由直流侧流向交流侧时逆变器的开关脉冲控制时序，在一个开关工作周期内，所述逆变器共有8个工作状态：阶段1(t₀‑t₁)：第二主开关(S₂)和辅助开关(S₃)处于导通状态，第一主开关(S₁)关闭，负载电流经第二主开关(S₂)反并联二极管续流；阶段2(t₁‑t₂)：t₁时刻关断辅助开关(S₃)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第一电容(C_r1)谐振，第三电容(C_r3)两端电压增大，第一电容(C_r1)两端电压减小；阶段3(t₂‑t₃)：t₂时刻，第一电容(C_r1)电压减小到零，第一主开关(S₁)反向二极管导通，谐振结束；阶段4(t₃‑t₄)：t₃时刻，第一主开关(S₁)零电压开通，第一主开关(S₁)与第二主开关(S₂)反并联二极管换流，由于谐振电感(L_r)的存在第二主开关(S₂)反并联二极管的反向恢复过程被抑制；阶段5(t₄‑t₅)：t₄时刻，换流结束，第二主开关(S₂)反并联二极管电流减小到零，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第二电容(C_r2)谐振，第二电容(C_r2)两端电压增大，第三电容(C_r3)两端电压减小；阶段6(t₅‑t₆)：t₅时刻，第三电容(C_r3)电压减小到零，辅助开关(S₃)反向二极管导通，谐振结束，辅助开关(S₃)零电压开通；阶段7(t₆‑t₇)：t₆时刻，第一主开关(S₁)关断，负载电流给第二电容(C_r2)放电，给第一电容(C_r1)充电；阶段8(t₇‑t₈)：t₇时刻，第一电容(C_r1)电压增大到V_dc；第二电容(C_r2)电压减小到零，负载电流经第二主开关(S₂)反并联二极管续流，第二主开关(S₂)零电压开通，t₈时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期；在直流母线电流由交流侧流向直流侧时逆变器的开关脉冲控制时序，在一个开关工作周期内，逆变器共有9个工作状态：阶段1(t₀‑t₁)：第一主开关(S₁)和辅助开关(S₃)处于导通状态，第二主开关(S₂)关闭，负载电流经第二主开关(S₁)反并联二极管续流；阶段2(t₁‑t₂)：t₁时刻，关断辅助开关(S₃)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第二电容(C_r2)谐振，第三电容(C_r3)两端电压增大，第二电容(C_r2)两端电压减小；阶段3(t₂‑t₃)：t₂时刻，第二电容(C_r2)电压减小到零，第二主开关(S₂)反向二极管导通，谐振结束；阶段4(t₃‑t₄)：t₃时刻，第二主开关(S₂)零电压开通，第二主开关(S₂)与第一主开关(S₁)反并联二极管换流，由于谐振电感(L_r)的存在第一主开关(S₁)反并联二极管的反向恢复过程被抑制；阶段5(t₄‑t₅)：t₄时刻，换流结束，第一主开关(S₁)反并联二极管电流减小到零，此时为实现软开关，零电压开通第一主开关(S₁)，桥臂直通，对谐振电感(L_r)充磁；阶段6(t₅‑t₆)：t₅时刻，关断第一主开关(S₁)，谐振电感(L_r)和第三电容(C_r3)、第一电容(C_r1)谐振，第一电容(C_r1)两端电压增大，第三电容(C_r3)两端电压减小；阶段7(t₆‑t₇)：t₆时刻，第三电容(C_r3)电压减小到零，辅助开关(S₃)反向二极管导通，谐振结束，辅助开关(S₃)零电压开通；阶段8(t₇‑t₈)：t₇时刻，第二主开关(S₂)关断，负载电流给第一电容(C_r1)放电，给第二电容(C_r2)充电；阶段9(t₈‑t₉)：t₈时刻，第二电容(C_r2)电压增大到V_dc；第一电容(C_r1)电压减小到零，负载电流经第一主开关(S₁)反并联二极管续流，第一主开关(S₁)零电压开通，t₉时刻t₀时刻电路状态相同，重复下一个周期。