基于多電平逆變器的有源軟開關技術研究分析

極軟開關拓撲

在高壓大功率應用場合，提出了各種各樣的軟開關拓撲，其中，輔助諧振變換極電路 (auxiliaryresonantcommutatedpoleinverter)是較為成功的一種。近年來的文獻表明把輔助諧振變換極的拓撲擴展到二極管箝位多電平逆變器中去，理論上是可行的，圖3、圖4概括了已經提出的三電平逆變器的輔助諧振變換極軟開關拓撲。

圖3所示的電路，該電路的輔助諧振變換電路由輔助開關Saux1和Saux2、諧振電感Laux、關斷吸收電容C1、C2和C3組成。輔助開關Saux1幫助主開關Sa1和Sa1′在軟開關條件下完成變換，輔助開關Saux2幫助主開關Sa2和Sa2′在軟開關條件下完成變換。C1 作為開關Sa1的關斷吸收電容，C2作為開關Sa2′的關斷吸收電容，C3作為內部開關管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′的關斷吸收電容。

該電路的優點是：

1)所需附加元器件的數量最少；

2)可實現主開關管的零電壓開關和輔助開關管的零電流開關。

該電路的缺點是：

多電平逆變器有源軟開關技術的研究

圖3輔助諧振變換極三電平逆變器

圖4輔助諧振變換極三電平逆變器

圖5輔助諧振變換極三電平逆變器

1)輔助開關所承受的阻斷電壓是0.75Udc，阻斷電壓的數值較高。

2)流過吸收電容C3的電流有效值是流過吸收電容C1和C2的電流有效值的1.4倍。

3)內部開關管Sa2和Sa1′和箝位二極管Da和Da′在關斷時，其能量是間接地被電容C3吸收，這樣會造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。 為了克服圖3電路存在的缺點，分別提出了圖4和圖5所示的電路。

圖4所示電路的輔助諧振變換電路由輔助開關Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、關斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。當開關管Sa2導通和Sa2′關斷時，輔助開關Saux1幫助主開關Sa1和Sa1′在軟開關條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到正極母線和中點;當開關管Sa1導通和Sa1′關斷時，輔助開關Saux2幫助主開關Sa2和Sa2′在軟開關條件下完成變換，使輸出電壓交替連接到負極母線和中點。C1作為開關管Sa1的關斷吸收電容，C2作為開關管Sa2和箝位二極管Da的關斷吸收電容，C3作為開關管Sa1′和箝位二極管Da′的關斷吸收電容，C4作為開關管Sa2′的關斷吸收電容。

該電路的優點是：

1)輔助開關所承受的阻斷電壓減小到0.5Udc。

2)可實現主開關管的零電壓開關和輔助開關管的零電流開關。

3)箝位二極管關斷時的能量直接被吸收電容所吸收，減少了雜散電感，也減少了關斷時因二極管的反向恢復特性造成的損耗。

該電路的缺點是：

1)用了兩個諧振電感，電路的元器件數量較多。

2)對于軟開關變換來說，當一個開關周期內的平均輸出電壓和平均輸出電流的乘積(即平均輸出功率)大于零時，吸收元器件的布置是最優的，因為此時，變換出現在被直接吸收的器件Sa1和Da之間以及Sa2′和Da′之間;當一個開關周期內的平均輸出功率小于零時，變換出現在被間接吸收的內部開關管 Sa2或Sa1′上，此時會造成較大的雜散電感，將導致軟變換期間的寄生震蕩。

為了克服圖4所示電路的缺點，使吸收元器件的布置是最優的，文獻[10]提出了圖5所示的軟開關拓撲。該電路的輔助諧振變換電路由輔助開關 Saux1和Saux2、諧振電感Laux1和Laux2、Sa與Da、Da′與Sa′所組成的有源箝位開關及關斷吸收電容C1、C2、C3、C4組成。但是該電路中吸收電容的布置與圖4所示電路中吸收電容的布置不同，每個主開關器件都并聯有一個直接吸收電容。這樣的結構使雜散電感減少到最小，并減少了由于平均輸出功率小于零的變換所帶來的損耗。然而，該電路需要有源箝位開關來控制在軟開關變換時吸收電容的充電過程。有源箝位開關的積極作用是在低速和高轉矩操作時，提高靜態電壓的平衡和開關器件之間的損耗平衡。