有源中點鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器

李 錦 劉進(jìn)軍

（西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 西安 710049）

1 引言

隨著能源危機和氣候變暖成為全球關(guān)注的問題，風(fēng)能、太陽能和燃料電池等新能源受到人們越來越多的重視和使用。在新能源的大規(guī)模利用中，大功率并網(wǎng)變流器起著重要的作用。三電平變流器與兩電平變流器相比有許多優(yōu)點，非常適合于中壓大功率應(yīng)用場合[1]。特別是中點鉗位三電平變流器是目前市場中最流行的大功率拓?fù)洹Ｔ诖蠊β蕡龊喜徽撌莾呻娖竭€是三電平變流器，其開關(guān)器件一般都采用高壓絕緣柵雙級型晶體管(IGBT)或者IGCT。這類開關(guān)器件的開關(guān)損耗是提高系統(tǒng)效率、開關(guān)頻率和控制帶寬的主要瓶頸，特別是在大功率應(yīng)用場合，由于開關(guān)損耗帶來的熱應(yīng)力限制，開關(guān)頻率只有幾千赫茲甚至幾百赫茲[2]。另外，較低的開關(guān)頻率需要較低截止的LC 濾波器，這導(dǎo)致并網(wǎng)逆變器的重量和成本增大的同時，也給控制器設(shè)計帶來許多的挑戰(zhàn)[3]。

軟開關(guān)技術(shù)能減少或消除換流過程中主開關(guān)管重疊部分的電壓和電流，從而實現(xiàn)減少或消除開關(guān)器件的開關(guān)損耗。在過去20年中，人們提出許多不同的軟開關(guān)技術(shù)[4-17]。其中零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)因其具有以下的優(yōu)點得到了人們很多的關(guān)注[18-24]：①主開關(guān)管實現(xiàn)了完全零電流分?jǐn)啵朔謹(jǐn)鄵p耗；②主開關(guān)管實現(xiàn)了軟閉合，減少了二極管的反向恢復(fù)損耗和開管的導(dǎo)通損耗；③輔助開關(guān)只在換流過程工作，其電流額定值遠(yuǎn)小于主開關(guān)，且工作在軟開關(guān)條件下；④加入軟開關(guān)后變流器的控制方法與傳統(tǒng)硬開關(guān)變流器兼容。

零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)可以應(yīng)用于三電平變流器中，得到的三電平軟開關(guān)拓?fù)渫瑫r具有三電平拓?fù)渑c軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點，特別適合于大功率應(yīng)用場合[23,24]。在文獻(xiàn)[23]中，零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)技術(shù)被應(yīng)用到二極管中點鉗位三電平變流器中，將一臺250 kW 變流器的開關(guān)頻率提高至20kHz。該三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)拓?fù)涞娜秉c是輔助電路非常復(fù)雜，每相橋臂需要4 個輔助開關(guān)管和兩組LC 諧振支路，因而增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。文獻(xiàn)[24]指出該軟開關(guān)拓?fù)湓趦?nèi)側(cè)開關(guān)管與外側(cè)二極管換流時，由于寄生電感的原因會導(dǎo)致鉗位二極管意外導(dǎo)通，使得內(nèi)側(cè)開關(guān)管不能實現(xiàn)完全零電流截止。本文提出了一種新型的基于有源中點鉗位三電平變流器的零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)拓?fù)?，其每相橋臂只需?個輔助開關(guān)管和1 組LC 諧振支路就可以實現(xiàn)所有主開關(guān)管的完全零電流截止和接通過程的軟換流，此外輔助開關(guān)管容量小且沒有開關(guān)損耗。本文詳細(xì)分析了該變流器的工作原理及其軟開關(guān)實現(xiàn)過程，并通過一臺80kW 半橋逆變器驗證該拓?fù)涞目尚行院蛢?yōu)點。

2 電路拓?fù)浜涂刂圃?/h2>

圖1 所示為提出的有源中點鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器的單相電路。其主電路部分包括主開關(guān)管 S1～S4、Sp、Sn及反并聯(lián)二極管 VD1～ VD4、VDp、VDn，其中S1、VD1、S4、VD4為外側(cè)開關(guān)器件，S2、VD2、S3和VD3為內(nèi)側(cè)開關(guān)器件，Sn、VDn、Sp和VDp為鉗位開關(guān)器件[25]。輔助電路部分包括輔助開關(guān)管Sx、Sy，反并聯(lián)二極管VDx、VDy，LC 諧振支路Lr、Cr。

采用傳統(tǒng)的PWM 調(diào)制方法時，三電平變流器的輸出電平轉(zhuǎn)換都是在臨近的兩個電平之間，即當(dāng)輸出正電壓時輸出電平在正電平與零電平之間轉(zhuǎn)換，當(dāng)輸出負(fù)電壓時輸出電平在零電平和負(fù)電平之間轉(zhuǎn)換。這兩種電平轉(zhuǎn)換是完全對稱的，以下以輸出電平在正電平與零電平之間轉(zhuǎn)換為例，分析電路的工作原理。變流器可以工作在逆變或者整流狀態(tài)，因此要對不同的輸出相電流方向分別進(jìn)行分析。

圖1 有源中點鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換變流器單相電路Fig.1 Phase leg of proposed active neutral-point-clamped three-level zero-current-transition converter

圖2 所示為輸出電平在正電平和零電平之間轉(zhuǎn)換時，不同輸出相電流方向下，主開關(guān)管和輔助開關(guān)管在一個開關(guān)周期的控制時序，如圖1 所示。不論輸出相電流方向為正（流出橋臂）或是負(fù)（流入橋臂），主開關(guān)管S1和Sn處于導(dǎo)通狀態(tài)，S4和Sp處于截止?fàn)顟B(tài)，S2和S3被包含死區(qū)時間Td的一對互補PWM 信號驅(qū)動。當(dāng)S2導(dǎo)通時變流器輸出正電平，當(dāng)S3導(dǎo)通時變流器輸出零電平。當(dāng)輸出相電流方向為正時，換流的開關(guān)管和二極管為S2和VD3，由輔助開關(guān)管Sy協(xié)助閉合，由Sx協(xié)助分?jǐn)?；?dāng)輸出相電流方向為負(fù)時，換流的開關(guān)管和二極管為S3和VD2，由輔助開關(guān)管Sx協(xié)助閉合而Sy 協(xié)助分?jǐn)?。?dāng)變流器工作在輸出電壓為負(fù)的對稱情況時，則Sp和S4處于常通狀態(tài)，S1和Sn處于常關(guān)狀態(tài)，內(nèi)側(cè)開關(guān)管S2和S3被互補的PWM 信號驅(qū)動，換流同樣出現(xiàn)在內(nèi)側(cè)開關(guān)器件VD2、S2、VD3、S3中。通過以上控制，可以將有源中點鉗位三電平變流器的換流等效為一個由內(nèi)側(cè)開關(guān)器件組成的二電平變流器的換流。所以在二電平變流器中適用的零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)控制策略也可以應(yīng)用到有源鉗位三電平軟開關(guān)拓?fù)渲?。目前常見的零電流轉(zhuǎn)換控制策略有文獻(xiàn)[19]提出的零電流分?jǐn)嗫刂撇呗院臀墨I(xiàn)[22]提出的零電流分?jǐn)嗤瑫r接近零電壓閉合控制策略。本文以文獻(xiàn)[22]中提出的控制策略為例說明提出的有源鉗位三電平軟開關(guān)拓?fù)涔ぷ髟怼?/p>

圖2 輸出正電壓時的開關(guān)周期控制時序Fig.2 Timing control for positive output voltage in one switching cycle

當(dāng)輸出相電流方向為正時，一個開關(guān)周期的零電流轉(zhuǎn)換過程波形如圖3 所示，整個過程從t0到t10可以分為八個階段。每個階段的電路狀態(tài)如圖4 所示。

圖3 一個開關(guān)周期的諧振支路電壓電流(輸出相電流為正)Fig.3 Waveforms of resonant tank in one switching cycle(load current is flowing out of bridge)

（1）t0～t2時間段電路狀態(tài)如圖4a 所示。t0時刻之前，輸出零電平，輸出相電流完全經(jīng)Sn、VD3流通。t0時刻閉合輔助開關(guān)管Sy，形成了一個包含Sy、VD3、Lr、Cr的諧振回路，根據(jù)圖中所示電流參考方向，諧振電流Ir開始正向增加，經(jīng)過半個諧振周期，諧振電流在t1時刻過零，然后反向增加并通過輔助開關(guān)管Sy的反并聯(lián)二極管VDy流通。

（2）t2～t3時間段電路狀態(tài)如圖4b 所示。諧振電流Ir在t2時刻達(dá)到輸出相電流大小，VD3隨即自然分?jǐn)鄾]有反向恢復(fù)損耗，由于S2還未閉合而VD2承受反向電壓不能閉合，因而在t2～t3時間段，輸出相電流只流過諧振支路，并對諧振電容線性放電。

（3）t3～t4時間段電路狀態(tài)如圖4c 所示。主開關(guān)管S2在t3時刻閉合，形成一個包含S1、S2、Lr、Cr、VDy、Sn以及上半直流電容的新諧振回路。S2的閉合電流是以諧振電流的速率上升，且二極管的反向恢復(fù)電流大大減少，因此S2的導(dǎo)通損耗得到了很大減少。隨著S1、S2支路電流的增加，諧振支路電流Ir開始下降，到達(dá)t4時刻諧振電流Ir降為零，VDy自然分?jǐn)?。由于Sy已經(jīng)在t3時刻分?jǐn)嗨灾C振電流不能反向流通，諧振過程結(jié)束。

（4）t4～t5時間段電路狀態(tài)如圖4d 所示。諧振過程結(jié)束后，全部的輸出相電流通過S1、S2流通，從零電平到正電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束。

（5）t5～t7時間段電路狀態(tài)如圖4e 所示。正電平到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程從t5時刻閉合輔助開關(guān)管Sx開始。Sx的閉合形成了一個包含S2、Sx、Lr、Cr的諧振回路，諧振電流Ir開始負(fù)向增加，經(jīng)過1/4個諧振周期后，諧振電流達(dá)到負(fù)的峰值且該值大于輸出相電流。諧振電流大于輸出相電流的部分通過S2的反并聯(lián)二極管VD2流通，在t6時刻分?jǐn)郤2就實現(xiàn)了完全零電流分?jǐn)?。t6時刻以后諧振電流開始下降，并在t7時刻降為輸出相電流大小。

（6）t7～t8時間段電路狀態(tài)如圖4f 所示。在t7時刻諧振電流降為輸出相電流大小，由于此時 S2已經(jīng)分?jǐn)?，而二極管VD3還承受反向電壓不能閉合，所以輸出相電流只能通過諧振支路流通，同時給諧振電容Cr線性充電。

（7）t8～t10時間段電路狀態(tài)如圖4g 所示。在t8時刻諧振電容上的電壓Vr充到負(fù)的1/2 輸入直流電壓，此時VD3開始承受正向電壓閉合，形成一個新的諧振回路，包括S1、Sx、Cr、Lr、VD3、Sn以及上半直流電壓。諧振支路電流Ir開始減少，Sn、VD3支路的電流開始增加，達(dá)到t9時刻時諧振電流Ir降為零，輸出相電流全部通過Sn、VD3流通。t9時刻之后，諧振電流反向后通過輔助開關(guān)管Sx的反并聯(lián)二極管VDx流通，此時可以零電流分?jǐn)郤x，再經(jīng)過半個諧振周期達(dá)到t10時，諧振電流Ir再次過零，VDx自然分?jǐn)?，又因Sx已分?jǐn)啵C振電流不能再反向流通，諧振結(jié)束。

（8）t10時刻以后電路狀態(tài)如圖4h 所示。全部的輸出相電流通過Sn、VD3流通，從正電平轉(zhuǎn)換到零電平的零電流轉(zhuǎn)換過程結(jié)束，輔助諧振電路停止工作等待下一個開關(guān)過程。

圖4 不同階段的電路拓?fù)錉顟B(tài)Fig.4 Circuit states at different operation modes

當(dāng)輸出相電流方向為負(fù)時與輸出相電流為正時是對稱的情況，其換流過程不再詳述。

3 諧振參數(shù)設(shè)計

如上節(jié)所述，零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)的基本原理是在主開關(guān)閉合和分?jǐn)嘀?，通過閉合輔助開關(guān)管觸發(fā)諧振，將輸出相電流從主開關(guān)器件轉(zhuǎn)移到諧振電流通路，從而實現(xiàn)主開關(guān)器件的軟閉合和分?jǐn)?。在這個過程中諧振支路起著非常重要的作用，因此，如何設(shè)計諧振支路是零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)逆變器設(shè)計中的關(guān)鍵問題。

為了更加直觀地展示諧振支路在軟開關(guān)過程的狀態(tài)，用諧振支路狀態(tài)軌道圖表示一個開關(guān)周期內(nèi)諧振電容電壓和諧振電感電流的變化。如圖5 所示，其橫坐標(biāo)是諧振電容電壓，縱坐標(biāo)是諧振電感電流與諧振阻抗的乘積。其中t0～t4為閉合過程，t5～t10為分?jǐn)噙^程。當(dāng)諧振回路中沒有外部電壓源時，諧振軌道圖中的軌跡是以原點為圓心的一段圓弧，如t0～t2和t5～t7時間段；而當(dāng)諧振回路中有外加電壓源時，軌跡為以外加電壓源的電壓值為圓心的一段圓弧，如t3～t4和t8～t10時間段。

圖5 諧振支路電壓電流狀態(tài)軌道圖Fig.5 State-plane trajectory of resonant tank

諧振支路的設(shè)計中首先要考慮保證實現(xiàn)主開關(guān)管的完全零電流分?jǐn)?，為此必須滿足兩個前提條件：第一個條件是分?jǐn)鄷r諧振電流峰值要大于輸出相電流的峰值ILmax，這樣相電流才能完全轉(zhuǎn)移到諧振支路中；第二是輸出相電流完全轉(zhuǎn)移到諧振支路的這段時間要足夠長，使得主開關(guān)動作后其自由載流子能全部復(fù)合掉。由圖5 可見，要滿足第一個條件必須使得t5～t7時間段的諧振電流大于輸出相電流的最大值，即r3大于ILmax。其中Z為諧振支路的阻抗值，其表達(dá)式見式（1）。而在直流電壓Vdc和輸出 相電流峰值都確定的情況下，r3的大小決定于諧振阻抗Z和t2～t3的時間長度t23。根據(jù)上節(jié)所述，t2～t3時間段是輸出相電流電流給諧振電容線性放電的階段，所以t23越長諧振電容中的能量越小，即r3越小。因此在控制中應(yīng)使t23盡量小甚至為零。在t23已經(jīng)確定的前提下，r3的長度與Z的關(guān)系是一單調(diào)遞減關(guān)系。因此可以找到一個最大的Z使得r3等于ILmax。定義諧振電流峰值與輸出相電流最大值之比為kr，并假定t23控制為零，通過幾何三角關(guān)系可以得到kr關(guān)于直流電壓、最大輸出相電流和諧振阻抗的表達(dá)式，見式（2）。

式中

從上式可以得到滿足條件一的諧振阻抗最大值，但諧振阻抗也不應(yīng)選擇得太小，否則過大的諧振電流會帶來過多的額外導(dǎo)通損耗。

在確定了諧振阻抗?jié)M足第一個條件的前提下，通過合理選擇諧振周期Tr滿足第二個條件。Tr的表達(dá)式見式（3）。分?jǐn)鄷r諧振電流大于輸出相電流的時間長度Tzct的表達(dá)式見式（4）。Tzct最小值應(yīng)大于分?jǐn)噙^程主開關(guān)器件的延時時間和分?jǐn)鄷r間之和，可以根據(jù)器件的數(shù)據(jù)手冊得到最小的Tzct，從而得到相應(yīng)的Tr。需要注意的是Tzct會導(dǎo)致額外的導(dǎo)通損耗和占空比損失，所以也不應(yīng)取過大。

4 實驗驗證

為了驗證理論分析，在實驗室中制作并測試了一臺80kW 三電平零電流轉(zhuǎn)換軟開關(guān)變流器半橋樣機。其主開關(guān)管和鉗位開關(guān)管選用 CM400HA-24(1 200V/400A)，輔助開關(guān)管選用 CM150DY-24(1 200V/150A)，諧振電感為 2μH，諧振電容為0.5μF。為了測試變流器在四象限運行的特性，用一個2mH 電感作為負(fù)載，變流器被控制為一個單刀三擲的開關(guān)。當(dāng)變流器輸出連接到正電平點時，電感被正向充電；當(dāng)輸出連接到零電平點時，電感續(xù)流；當(dāng)輸出連接到負(fù)電平點時，電感被反向放電。在第一象限運行時，變流器輸出電平在正電平和零電平之間切換，電感被一組正電壓脈沖正向充電。當(dāng)電感電流達(dá)到期望電流，變流器進(jìn)入第二象限運行，輸電電平在負(fù)電平和零電平之間切換，電感被一組負(fù)電壓脈沖反向充電，直到電感電流降為零。第三和第四象限與第一和第二象限工作狀態(tài)是對稱的。通過控制脈沖的數(shù)目和寬度可以測試變流器在不同象限、不同電流下的開關(guān)換流特性。

通過禁止或使能輔助開關(guān)管工作，對變流器在硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下分別進(jìn)行了測試。硬開關(guān)條件下的閉合、分?jǐn)鄵Q流波形如圖6 所示。在閉合過程中，由于二極管的反向恢復(fù)電流，主開關(guān)管的閉合電流尖峰接近輸出電流的兩倍，導(dǎo)致主開關(guān)管上產(chǎn)生很大的導(dǎo)通損耗。在分?jǐn)噙^程中，開關(guān)管的拖尾電流和換流過程寄生電感引起的電壓尖峰會造成主開關(guān)管較大的分?jǐn)鄵p耗。

圖6 硬開關(guān)條件下開關(guān)波形 Fig.6 Hard-switching waveforms

軟開關(guān)條件下的開關(guān)波形如圖7 所示，在分?jǐn)噙^程中主開關(guān)管的電流被轉(zhuǎn)移到諧振支路中，其電流先降為零，然后電壓再上升，實現(xiàn)了主開關(guān)管的完全零電流分?jǐn)?。在閉合過程中，同樣由于諧振支路的分流作用，二極管的關(guān)斷電流和反向恢復(fù)電流也大大減少，所以閉合過程的損耗也得到很大的減少。

圖7 軟開關(guān)條件下開關(guān)波形Fig.7 Soft-switching waveforms

圖8 比較了硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下分?jǐn)噙^程主開關(guān)管的分?jǐn)鄵p耗和過電壓尖峰。由圖可見在整個電流段，軟開關(guān)變流器的分?jǐn)鄵p耗都比硬開關(guān)變流器少，而且隨著電流增大損耗減少得越多，在150A電流下軟開關(guān)分?jǐn)鄵p耗僅僅為硬開關(guān)的16%。同時，由于分?jǐn)噙^程中寄生電感也成為諧振回路中的一部分，由寄生電感引起的分?jǐn)噙^電壓尖峰也得到了有效抑制，軟開關(guān)條件下的過電壓尖峰在整個電流段被控制在100V 以內(nèi)，而硬開關(guān)條件下達(dá)到180V 左右。圖9 所示為硬開關(guān)和軟開關(guān)條件下閉合過程的導(dǎo)通損耗以及電流尖峰的比較。可見軟開關(guān)條件下由二極管反向恢復(fù)過程引起的電流尖峰值得到了抑制，且導(dǎo)通損耗也得到了很大的減少，在110A 輸出相電流時，軟開關(guān)條件下的導(dǎo)通損耗僅為硬開關(guān)條件下導(dǎo)通損耗的30%。

圖8 硬開關(guān)與軟開關(guān)分?jǐn)啾容^Fig.8 Comparison of hard-switching and soft-switching

圖9 硬開關(guān)與軟開關(guān)閉合比較Fig.9 Comparison of hard-switching and soft-switching

實驗結(jié)果證實了提出的三電平軟開關(guān)拓?fù)淠艽蠓鶞p少主開關(guān)的閉合和分?jǐn)鄵p耗，減輕開關(guān)過程中器件承受的電壓電流應(yīng)力。

5 結(jié)論

本文提出了一種新型的有源中點鉗位三電平零電流轉(zhuǎn)換變流器。新拓?fù)涿肯鄻虮壑恍枰獌蓚€輔助開關(guān)管和一組LC 諧振支路，與已有三電平軟開關(guān)拓?fù)湎啾容o助電路元件數(shù)量減少了一半，該拓?fù)淇梢詫崿F(xiàn)所有開關(guān)管在完全零電流條件下分?jǐn)?，同時，二極管的反向恢復(fù)電流也大大減少。該變流器的調(diào)制方法很簡單，與兩電平軟開關(guān)變流器相同。本文詳細(xì)分析了其工作原理和諧振支路的設(shè)計方法，并通過實驗表明了該電路拓?fù)涞挠行浴?/p>

該拓?fù)涞闹麟娐放c市場中常見的二極管鉗位三電平拓?fù)湎啾龋煌幉捎昧碎_關(guān)管而非二極管來鉗位中點，但其主電路的成本并未有顯著增加。其原因主要有以下兩點：①在二極管鉗位三電平拓?fù)渲?，由于外?cè)開關(guān)管需要與鉗位二極管進(jìn)行換流，為了盡量減少換流過程的電壓電流應(yīng)力和開關(guān)損耗，在大功率場合往往用一個兩電平半橋模塊或者兩個相同的開關(guān)管模塊來實現(xiàn)一個外側(cè)開關(guān)管和一個鉗位二極管，這樣做的背景原因是器件廠商會針對模塊中的開關(guān)管與二極管的換流專門對模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計以減少器件換流時的損耗和應(yīng)力。②即便是采用單獨的二極管模塊做為鉗位二極管，在大功率場合其價格與相同容量的開關(guān)管模塊的價格相當(dāng)。因此該三電平軟開關(guān)拓?fù)渑c已有二極管中點鉗位三電平軟開關(guān)拓?fù)湎啾?，主電路的成本相?dāng)，但輔助電路大大簡化，因此系統(tǒng)的成本體積減少，可靠性提高，此外性能更好能實現(xiàn)所有器件的完全零電流分?jǐn)唷?/p>

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