基于多电平逆变器的有源软开关技术研究分析

极软开关拓扑

在高压大功率应用场合，提出了各种各样的软开关拓扑，其中，辅助谐振变换极电路 (auxiliaryresonantcommutatedpoleinverter)是较为成功的一种。近年来的文献表明把辅助谐振变换极的拓扑扩展到二极管箝位多电平逆变器中去，理论上是可行的，图3、图4概括了已经提出的三电平逆变器的辅助谐振变换极软开关拓扑。

图3所示的电路，该电路的辅助谐振变换电路由辅助开关Saux1和Saux2、谐振电感Laux、关断吸收电容C1、C2和C3组成。辅助开关Saux1帮助主开关Sa1和Sa1′在软开关条件下完成变换，辅助开关Saux2帮助主开关Sa2和Sa2′在软开关条件下完成变换。C1 作为开关Sa1的关断吸收电容，C2作为开关Sa2′的关断吸收电容，C3作为内部开关管Sa2和Sa1′和箝位二极管Da和Da′的关断吸收电容。

该电路的优点是：

1)所需附加元器件的数量最少；

2)可实现主开关管的零电压开关和辅助开关管的零电流开关。

该电路的缺点是：

多电平逆变器有源软开关技术的研究

图3辅助谐振变换极三电平逆变器

图4辅助谐振变换极三电平逆变器

图5辅助谐振变换极三电平逆变器

1)辅助开关所承受的阻断电压是0.75Udc，阻断电压的数值较高。

2)流过吸收电容C3的电流有效值是流过吸收电容C1和C2的电流有效值的1.4倍。

3)内部开关管Sa2和Sa1′和箝位二极管Da和Da′在关断时，其能量是间接地被电容C3吸收，这样会造成较大的杂散电感，将导致软变换期间的寄生震荡。 为了克服图3电路存在的缺点，分别提出了图4和图5所示的电路。

图4所示电路的辅助谐振变换电路由辅助开关Saux1和Saux2、谐振电感Laux1和Laux2、关断吸收电容C1、C2、C3、C4组成。当开关管Sa2导通和Sa2′关断时，辅助开关Saux1帮助主开关Sa1和Sa1′在软开关条件下完成变换，使输出电压交替连接到正极母线和中点;当开关管Sa1导通和Sa1′关断时，辅助开关Saux2帮助主开关Sa2和Sa2′在软开关条件下完成变换，使输出电压交替连接到负极母线和中点。C1作为开关管Sa1的关断吸收电容，C2作为开关管Sa2和箝位二极管Da的关断吸收电容，C3作为开关管Sa1′和箝位二极管Da′的关断吸收电容，C4作为开关管Sa2′的关断吸收电容。

该电路的优点是：

1)辅助开关所承受的阻断电压减小到0.5Udc。

2)可实现主开关管的零电压开关和辅助开关管的零电流开关。

3)箝位二极管关断时的能量直接被吸收电容所吸收，减少了杂散电感，也减少了关断时因二极管的反向恢复特性造成的损耗。

该电路的缺点是：

1)用了两个谐振电感，电路的元器件数量较多。

2)对于软开关变换来说，当一个开关周期内的平均输出电压和平均输出电流的乘积(即平均输出功率)大于零时，吸收元器件的布置是最优的，因为此时，变换出现在被直接吸收的器件Sa1和Da之间以及Sa2′和Da′之间;当一个开关周期内的平均输出功率小于零时，变换出现在被间接吸收的内部开关管 Sa2或Sa1′上，此时会造成较大的杂散电感，将导致软变换期间的寄生震荡。

为了克服图4所示电路的缺点，使吸收元器件的布置是最优的，文献[10]提出了图5所示的软开关拓扑。该电路的辅助谐振变换电路由辅助开关 Saux1和Saux2、谐振电感Laux1和Laux2、Sa与Da、Da′与Sa′所组成的有源箝位开关及关断吸收电容C1、C2、C3、C4组成。但是该电路中吸收电容的布置与图4所示电路中吸收电容的布置不同，每个主开关器件都并联有一个直接吸收电容。这样的结构使杂散电感减少到最小，并减少了由于平均输出功率小于零的变换所带来的损耗。然而，该电路需要有源箝位开关来控制在软开关变换时吸收电容的充电过程。有源箝位开关的积极作用是在低速和高转矩操作时，提高静态电压的平衡和开关器件之间的损耗平衡。