技术领域
[0001] 本
发明涉及变流器技术领域，尤其涉及一种三相四线制零电压开关背靠背变流器电路及其调制方法。
背景技术
[0002] 传统的两电平三相四线制背靠背PWM变流器包括十二个含反并联
二极管的全控主开关(Si1～Si6和So1～So6)组成的三相桥臂，在输入桥臂的输出中点与
电网之间接入三个输入滤波电感(Lai，Lbi，Lci)，在直流
母线正负端之间接入两个
直流母线电容(Cdcp，Cdcn)，在输出桥臂的输出中点与负载之间接入三个输出滤波电感(Lao，Lbo，Lco)，正负母线电容中点、电网
中性点、负载中性点的中线接在一起。电路工作在硬开关状态，存在二极管反向恢复现象，换流器件
开关损耗大，限制了工作
频率的提高，导致需采用较大的
滤波器，降低了电路效率。
发明内容
[0003] 本发明的目的是提供一种减小开关损耗，提高电路效率的三相四线制零电压开关背靠背变流器电路及其调制方法。
[0004] 本发明内容的一个方面，提供一种三相四线制零电压开关背靠背变流器电路，如图1所示，包括逆变交流侧三相滤波电容C1、C2和C3，三相滤波电感Lao、Lbo、Lco，三相负载R1、R2和R3，直流侧
串联电容组Cdcp和Cdcn，整流侧三相滤波电感Lai、Lbi、Lci，包含并联二极管Dr7的辅助开关S7、谐振电感Lr、箝位电容Cc构成的辅助谐振支路以及六组桥臂；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si1、Si4和Di1、Di4，第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si3、Si6和Di3、Di6，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si5、Si2和Di5、Di2，第四桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So1、So4和Do1、Do4，第五桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So3、So6和Do3、Do6，第六桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So5、So2和Do5、Do2，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别通过输入滤波电感Lai、Lbi、Lci各自与a相、b相、c相交流电网连接，第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂的中点通过输出滤波电感Lao、Lbo、Lco分别连接到上述交流侧串联负载R1、R2和R3，上述六组桥臂上开关的集
电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，正母线与直流侧串联电容组之间接入一条包含并联二极管Dr7的辅助开关S7与箝位电容Cc构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感Lr，滤波电容C1、C2和C3分别与负载R1、R2和R3并联，负载R1、R2和R3的一端共接并与电网的零线及直流侧串联电容组Cdcp和Cdcn的中点连接，各开关Si1～Si6、So1～So6和S7的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容Ci1～Ci6、Co1～Co6和Cr7。
[0005] 本发明内容的另一个方面，提供一种三相四线制零电压开关背靠背变流器电路的调制方法，如图2所示，包括整流侧主开关比较值计算模
块、逆变侧主开关比较值计算模块、辅助开关比较值计算模块、载波
信号发生模块、载波信号反向模块、第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块、第四PWM产生模块、第五PWM产生模块、第六PWM产生模块、第一比较器、第一延时模块；以上模块对背靠背六桥臂整流侧主开关Si1～Si6、逆变侧主开关So1～So6以及辅助开关S7进行零电压开关调制。
[0006] 整流侧主开关比较值模块用于产生第一、二、三桥臂的调制波信号mai、mbi、mci，逆变侧主开关比较值模块用于产生第四、五、六桥臂的调制波信号mao、mbo、mco，辅助开关比较值计算模块用于产生辅助管的占空比信号Daux，其中Daux与箝位电容Cc两端电压UCc以及直流侧串联电容组两端的电压Udc满足以下关系：
[0007] Daux＝Udc/(Udc+UCc)
[0008] 载波信号发生模块用于产生一个下降
锯齿波信号Vsaw_down，其周期为Ts，载波信号反向模块用于产生一个反方向的上升锯齿波信号，且与输入下降锯齿波信号同
相位，第一PWM产生模块的四个输入依次为电网侧a相输入
电流iai、调制波信号mai、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si1和Si4的驱动信号Vgi1和Vgi4，第二PWM产生模块的四个输入依次为电网侧b相输入电流ibi、调制波信号mbi、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si3和Si6的驱动信号Vgi3和Vgi6，第三PWM产生模块的四个输入依次为电网侧c相输入电流ici、调制波信号mci、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si5和Si2的驱动信号Vgi5和Vgi2，第四PWM产生模块的四个输入依次为负载侧a相输出电流iao、调制波信号mao、上升沿锯齿波Vsaw_up和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So1和So4的驱动信号Vgo1和Vgo4，第五PWM产生模块的四个输入依次为负载侧b相输出电流ibo、调制波信号mbo、上升沿锯齿波Vsaw_up和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So3和So6的驱动信号Vgo3和Vgo6，第六PWM产生模块的四个输入依次为负载侧c相输出电流ico、调制波信号mco、上升沿锯齿波Vsaw_down和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So5和So2的驱动信号Vgo5和Vgo2，第一比较器的正端接辅助开关比较值计算模块的输出Daux，负端接载波信号发生模块的
输出信号Vsaw_down，第一比较器的输出作为第一延时模块的输入，第一延时模块的输出为辅助开关管S7的驱动信号Vg7。
[0009] 上述的第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块、第四PWM产生模块、第五PWM产生模块、第六PWM产生模块为同一类型的模块，具有相同的结构；该类型模块均包括：电流方向检测模块、第一选择器、比较器Ⅰ、第一
反相器、第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块；且均依次包含四个信号输入端：第一输入端用于输入电流信号i、第二输入端用于输入调制比信号m、第三输入端用于输入锯齿波Vsaw_1和第四输入端用于输入锯齿波Vsaw_2，两个输出信号：Vup、Vdown，电流方向检测模块的输入端连接上述第一输入端，电流方向检测模块的输出作为第一选择器的选择
控制信号，当电流信号i方向为正时，第一选择器选择接通第三输入端输入的锯齿波Vsaw_1，当电流信号i方向为负时，第一选择器选择接通第四输入端输入的锯齿波Vsaw_2，第一选择器的输出作为比较器Ⅰ负端输入，比较器Ⅰ的正端连接上述第二输入端输入的调制比信号m，比较器Ⅰ的输出分别作为第一反相器的输入，同时作为第一上升沿延时模块的输入，第一反相器的输出作为第二上升沿延时模块的
输入信号，第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块的输出分别作为整个PWM产生模块的输出信号Vup和Vdown，Vup作为相应桥臂的上开关管的驱动信号，Vdown作为相应桥臂的下开关管的驱动信号。
[0010] 上述的第一延时模块功能为：对输入信号延时Td1时间后输出，第一上升沿延时模块与第二上升沿延时模块具有相同的功能，它们的功能为：对上升沿信号延时Td2时间后输出，上述延时时间Td1与Td2满足：Td2-Td1>Tr，其中Tr为第一谐振时间，其表达式为：
[0011]
[0012] 其中，Lr为谐振电感的感值，Cr为等效谐振电容，满足：
[0013] Cr＝6Cres+Cr7
[0014] 其中Cres为第一、二、三、四、五、六桥臂的主开关管上并联电容的容值，Cr7为辅助开关管上并联电容的容值。
[0015] 与
现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0016] 采用本发明的三相四线制零电压开关背靠背变流器电路及其调制方法，能实现工频周期内全范围零电压开关，该变换器中箝位二极管的反向恢复得到抑制，减少了
电磁干扰。电路中所有功率开关器件实现
软开关，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。
附图说明
[0017] 图1为三相四线制零电压开关背靠背变流器电路。
[0018] 图2为三相四线制零电压开关背靠背变流器电路的调制方式实现方法
框图。
[0019] 图3为三相四线制零电压开关背靠背变流器电路的调制方式实现方法框图中第一、第二、第三、第四、第五、第六PWM产生模块的具体实现方法框图。
[0020] 图4为一个工频周期内根据三相输入、输出电流
波形划分的十二个工作区间示意图。
[0021] 图5为本发明在区间1中的脉冲控制时序图。
[0022] 图6～23分别为本发明在区间1中一个开关周期的各阶段的工作等效电路。
[0023] 图24为本发明在区间1中一个开关周期的主要工作电压和电流波形。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图对本发明进行详细说明。
[0025] 参照图1，三相四线制零电压开关背靠背变流器电路包括逆变交流侧三相滤波电容C1、C2和C3，三相滤波电感Lao、Lbo、Lco，三相负载R1、R2和R3，直流侧串联电容组Cdcp和Cdcn，整流侧三相滤波电感Lai、Lbi、Lci，包含并联二极管Dr7的辅助开关S7、谐振电感Lr、箝位电容Cc构成的辅助谐振支路以及六组桥臂；每组桥臂由两个串联的包含反并二极管的全控型开关构成，其中：第一桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si1、Si4和Di1、Di4，第二桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si3、Si6和Di3、Di6，第三桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为Si5、Si2和Di5、Di2，第四桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So1、So4和Do1、Do4，第五桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So3、So6和Do3、Do6，第六桥臂的上、下开关及其反并二极管分别为So5、So2和Do5、Do2，所述第一桥臂、第二桥臂、第三桥臂的中点分别通过输入滤波电感Lai、Lbi、Lci各自与a相、b相、c相交流电网连接，第四桥臂、第五桥臂、第六桥臂的中点通过输出滤波电感Lao、Lbo、Lco分别连接到上述交流侧串联负载R1、R2和R3，上述六组桥臂上开关的集电极以及下开关的发射极分别并联形成桥臂正母线和负母线，正母线与直流侧串联电容组之间接入一条包含并联二极管Dr7的辅助开关S7与箝位电容Cc构成的串联支路，在该串联支路的两端跨接谐振电感Lr，滤波电容C1、C2和C3分别与负载R1、R2和R3并联，负载R1、R2和R3的一端共接并与电网的零线及直流侧串联电容组Cdcp和Cdcn的中点连接，各开关Si1～Si6、So1～So6和S7的集电极与发射极两端分别并联一个谐振电容Ci1～Ci6、Co1～Co6和Cr7。
[0026] 参照图2，三相四线制零电压开关背靠背变流器电路的调制方法，包括整流侧主开关比较值计算模块、逆变侧主开关比较值计算模块、辅助开关比较值计算模块、载波信号发生模块、载波信号反向模块、第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块、第四PWM产生模块、第五PWM产生模块、第六PWM产生模块、第一比较器、第一延时模块；以上模块对背靠背六桥臂整流侧主开关Si1～Si6、逆变侧主开关So1～So6以及辅助开关S7进行零电压开关调制；
[0027] 整流侧主开关比较值模块用于产生第一、二、三桥臂的调制波信号mai、mbi、mci，逆变侧主开关比较值模块用于产生第四、五、六桥臂的调制波信号mao、mbo、mco，辅助开关比较值计算模块用于产生辅助管的占空比信号Daux，其中Daux与箝位电容Cc两端电压UCc以及直流侧串联电容组两端的电压Udc满足以下关系：
[0028] Daux＝Udc/(Udc+UCc)
[0029] 载波信号发生模块用于产生一个下降锯齿波信号Vsaw_down，其周期为Ts，载波信号反向模块用于产生一个反方向的上升锯齿波信号，且与输入下降锯齿波信号同相位，第一PWM产生模块的四个输入依次为电网侧a相输入电流iai、调制波信号mai、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si1和Si4的驱动信号Vgi1和Vgi4，第二PWM产生模块的四个输入依次为电网侧b相输入电流ibi、调制波信号mbi、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si3和Si6的驱动信号Vgi3和Vgi6，第三PWM产生模块的四个输入依次为电网侧c相输入电流ici、调制波信号mci、下降沿锯齿波Vsaw_down和上升沿锯齿波Vsaw_up，输出为开关管Si5和Si2的驱动信号Vgi5和Vgi2，第四PWM产生模块的四个输入依次为负载侧a相输出电流iao、调制波信号mao、上升沿锯齿波Vsaw_up和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So1和So4的驱动信号Vgo1和Vgo4，第五PWM产生模块的四个输入依次为负载侧b相输出电流ibo、调制波信号mbo、上升沿锯齿波Vsaw_up和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So3和So6的驱动信号Vgo3和Vgo6，第六PWM产生模块的四个输入依次为负载侧c相输出电流ico、调制波信号mco、上升沿锯齿波Vsaw_down和下降沿锯齿波Vsaw_down，输出为开关管So5和So2的驱动信号Vgo5和Vgo2，第一比较器的正端接辅助开关比较值计算模块的输出Daux，负端接载波信号发生模块的输出信号Vsaw_down，第一比较器的输出作为第一延时模块的输入，第一延时模块的输出为辅助开关管S7的驱动信号Vg7。
[0030] 参照图3，上述的第一PWM产生模块、第二PWM产生模块、第三PWM产生模块、第四PWM产生模块、第五PWM产生模块、第六PWM产生模块为同一类型的模块，具有相同的结构；该类型模块均包括：电流方向检测模块、第一选择器、比较器Ⅰ、第一反相器、第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块；且均依次包含四个信号输入端：第一输入端用于输入电流信号i、第二输入端用于输入调制比信号m、第三输入端用于输入锯齿波Vsaw_1和第四输入端用于输入锯齿波Vsaw_2，两个输出信号：Vup、Vdown，电流方向检测模块的输入端连接上述第一输入端，电流方向检测模块的输出作为第一选择器的选择控制信号，当电流信号i方向为正时，第一选择器选择接通第三输入端输入的锯齿波Vsaw_1，当电流信号i方向为负时，第一选择器选择接通第四输入端输入的锯齿波Vsaw_2，第一选择器的输出作为比较器Ⅰ负端输入，比较器Ⅰ的正端连接上述第二输入端输入的调制比信号m，比较器Ⅰ的输出分别作为第一反相器的输入，同时作为第一上升沿延时模块的输入，第一反相器的输出作为第二上升沿延时模块的输入信号，第一上升沿延时模块和第二上升沿延时模块的输出分别作为整个PWM产生模块的输出信号Vup和Vdown，Vup作为相应桥臂的上开关管的驱动信号，Vdown作为相应桥臂的下开关管的驱动信号。
[0031] 上述的所述的第一延时模块功能为：对输入信号延时Td1时间后输出，第一上升沿延时模块与第二上升沿延时模块具有相同的功能，它们的功能为：对上升沿信号延时Td2时间后输出，上述延时时间Td1与Td2满足：Td2-Td1>Tr，其中Tr为第一谐振时间，其表达式为：
[0032]
[0033] 其中，Lr为谐振电感的感值，Cr为等效谐振电容，满足：
[0034] Cr＝6Cres+Cr7
[0035] 其中Cres为第一、二、三、四、五、六桥臂的主开关管上并联电容的容值，Cr7为辅助开关管上并联电容的容值。
[0036] 对于三相四线制零电压开关背靠背变流器电路，可以根据三相输入、输出电流的相位情况，将工作区域划分成十二个区域，如图4所示。下面以三相输入、输出电流处在区域1为例，对电路工作在一个开关周期内的工作过程进行分析，在该开关周期内，开关管的脉冲控制时序如图5所示，在一个开关周期内，变流器共有18个工作状态。图6～23是该区域内一个开关周期的工作等效电路，工作时的主要电压和电流波形如图24所示，电路的电压电流参考方向如图1所示。电路工作在其它区间内的工作过程与此类似。
[0037] 具体阶段分析如下：
[0038] 阶段一(t0～t1)：
[0039] 如图6所示，第一桥臂
上管二极管Di1，第二桥臂
下管二极管Di6，第三桥臂下管二极管Di2，第四桥臂下管二极管Do4，第五桥臂上管二极管Do3，第六桥臂上管二极管Do5均导通，由谐振电感Lr、箝位电容Cc、辅助开关S7组成的辅助电路中，箝位电容Cc两端电压为UCc，谐振电感电
流线性上升；
[0040] 阶段二(t1～t2)：
[0041] 如图7所示，在t1时刻辅助开关S7关断，谐振电感Lr使主开关Si4、Si3、Si5、So1、So6、So2的并联电容Ci4、Ci3、Ci5、Co1、Co6、Co2放电，同时使辅助开关S7的并联电容Cr7充电，谐振电感Lr的电流iLr谐振下降，在t2时刻，主开关Si4、Si3、Si5、So1、So6、So2的并联电容Ci4、Ci3、Ci5、Co1、Co6、Co2电压谐振至零，该阶段结束；
[0042] 阶段三(t2～t3)：
[0043] 如图8所示，在t2时刻以后Di4、Di3、Di5、Do1、Do6、Do2会导通，将Ci4、Ci3、Ci5、Co1、Co6、Co2上的电压箝位为零，可在t2时刻开通Si4、Si3、Si5、So1、So6、So2，可实现Si4、Si3、Si5、So1、So6、So2的零电压开通，在t3时刻，Di4、Di3、Di5、Do1、Do6、Do2关断，该阶段结束。
[0044] 阶段四(t3～t4)：
[0045] 如图9所示，在Di4、Di3、Di5、Do1、Do6、Do2关断后，电路进入换流阶段，输入电流iai由二极管Di1向开关管Si4换流，输入电流ibi由二极管Di6向开关管Si3换流，输入电流ici由二极管Di2向开关管Si5换流，输出电流iao由二极管Do4向开关管So1换流，输出电流ibo由二极管Do3向开关管Si6换流，输出电流ico由二极管Do5向开关管So2换流，在t4时刻，以上六个桥臂换流均结束，该阶段结束。
[0046] 阶段五(t4～t5)：
[0047] 如图10所示，在t4时刻以后iLr继续下降而小于ibi+ici-iao，iS7反向，从而Cr7开始放电，Ci1、Ci6、Ci2、Co4、Co3、Co5开始充电，电路进入第二次谐振，在t5时刻Cr7上的电压谐振到零，该阶段结束。
[0048] 阶段六(t5～t6)：
[0049] 如图11所示，t5时刻以后，D7会导通，将Cr7上的电压箝位为零，为辅助管S7的零电压开通提供条件，可在t5时刻给S7发送开通信号，使其实现零电压开通，当Si4在t6时刻关断时，该阶段结束。
[0050] 阶段七(t6～t7)：
[0051] 如图12所示，Si4在t6时刻关断后，第一桥臂开始换流，Ci4开始充电，Ci1开始放电，在t7时刻，Ci4上的电压上升到UCc+Udc，Ci1上的电压下降到零，该阶段结束，其中Udc为直流母线串联电容组Cdcp、Cdcn两端的电压。
[0052] 阶段八(t7～t8)：
[0053] 如图13所示，在第一桥臂完成换流，Di1续流导通后，Si1开通，在此阶段Si3、Si5、So1、So6、So2、S7保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t8时刻Si5关断，该阶段结束。
[0054] 阶段九(t8～t9)：
[0055] 如图14所示，Si5在t8时刻关断后，第三桥臂相开始换流，Ci5开始充电，Ci2开始放电，在t9时刻，Ci5上的电压上升到UCc+Udc，Ci2上的电压下降到零，该阶段结束。
[0056] 阶段十(t9～t10)：
[0057] 如图15所示，在第三桥臂完成换流，Di2续流导通后，Si2开通，在此阶段Si1、Si3、So1、So6、So2、S7保持开通状态，谐振电感电流线性上升，在t10时刻Si3关断，该阶段结束。
[0058] 阶段十一(t10～t11)：
[0059] 如图16所示，Si3在t10关断后，第二桥臂开始换流，Ci3开始充电，Ci6开始放电，在t11时刻，Ci3上的电压上升到UCc+Udc，Ci6上的电压下降到零，该阶段结束。
[0060] 阶段十二(t11～t12)：
[0061] 如图17所示，在第二桥臂完成换流，Di6续流导通后，Si6开通，在此阶段Si1、Si2、So1、So6、So2、S7保持开通状态，谐振电流线性上升，在t12时刻So6关断，该阶段结束。
[0062] 阶段十三(t12～t13)：
[0063] 如图18所示，So6在t12关断后，第五桥臂开始换流，Co6开始充电，Co3开始放电，在t13时刻，Co6上的电压上升到UCc+Udc，Co3上的电压下降到零，该阶段结束。
[0064] 阶段十四(t13～t14)：
[0065] 如图19所示，在第五桥臂完成换流，Do3续流导通后，So3开通，在此阶段Si1、Si6、Si2、So1、So2、S7保持开通状态，谐振电流线性上升，在t14时刻So2关断，该阶段结束。
[0066] 阶段十五(t14～t15)：
[0067] 如图20所示，So2在t14关断后，第六桥臂开始换流，Co2开始充电，Co5开始放电，在t15时刻，Co2上的电压上升到UCc+Udc，Co5上的电压下降到零，该阶段结束。
[0068] 阶段十六(t15～t16)：
[0069] 如图21所示，在第六桥臂完成换流，Do5续流导通后，So5开通，在此阶段Si1、Si6、Si2、So1、So3、S7保持开通状态，谐振电流线性上升，在t16时刻So1关断，该阶段结束。
[0070] 阶段十七(t16～t17)：
[0071] 如图22所示，So1在t16关断后，第四桥臂开始换流，Co1开始充电，Co4开始放电，在t17时刻，Co1上的电压上升到UCc+Udc，Co4上的电压下降到零，该阶段结束。
[0072] 阶段十八(t17～t0’)：
[0073] 如图23所示，在第四桥臂完成换流，Do4续流导通后，So4开通，在此阶段Si1、Si6、Si2、So3、So5、S7保持开通状态，谐振电流线性上升，该阶段与阶段一相同。
