辅助谐振极软开关逆变器的研究

论文摘要

近年来,随着软开关逆变技术的不断发展,应用于不间断电源UPS (Uninterrupted Power Supply)、静止无功发生器SVG (Static Var Generator)、有源电力滤波器APF(Active Power Filiter)、分布式电源并网等大功率逆变场合的软开关逆变器成为了研究热点。在众多软开关逆变拓扑中,由于辅助谐振极型逆变器ARCPIs (Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverters)没有增加主功率开关器件的电压和电流应力,因此更加适合应用于大功率逆变场合,受到了国内外研究人员的普遍关注。通过对大量ARCPIs拓扑的分析研究发现,辅助谐振极型逆变器普遍存在辅助换流电路损耗大、在输出额定容量50%以下效率不理想的问题,这也是辅助谐振极型逆变器在未来实际应用中必须解决的关键技术难题。针对上述问题,本文在一种改进型辅助谐振极逆变拓扑基础上,提出了一种带分流死区的改进调制策略。与传统调制策略相比,改进调制策略在不影响所有主开关管和辅助开关管软开关实现的前提下,优化了辅助换流电路在换流时的能量传输规律,能够有效避免换流时辅助换流电路中的谐振电流与输出电流相叠加,从而有效降低辅助换流电路在换流时的环流损耗以及辅助开关管的电流应力,实现辅助谐振极软开关逆变器在全负载范围内维持高效电能变换。在改进调制策略下,根据不同模式下的等效电路,分析这种改进型逆变器的工作原理、软开关实现条件,回路损耗分析以及最佳参数设计基本原则。最后使用绝缘栅双极型晶体管IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)作为开关器件制作一台10kVA/16kHz样机,通过仿真和实验验证该改进调制策略的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 软开关技术
• 1.2.1 软开关技术的提出
• 1.2.2 软开关技术的分类
• 1.2.3 软开关电路的基本结构
• 1.3 逆变技术的发展
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 三相软开关逆变器的发展
• 2.1 软开关逆变器的分类
• 2.2 谐振直流环节型逆变器
• 2.2.1 基本结构及特点
• 2.2.2 典型拓扑分析
• 2.3 谐振极型逆变器
• 2.3.1 基本结构及特点
• 2.3.2 典型拓扑分析
• 2.4 辅助谐振极型逆变器
• 2.4.1 基本结构及特点
• 2.4.2 典型拓扑分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 改进型辅助谐振极逆变器
• 3.1 回路拓扑及调制策略
• 3.2 回路的工作原理
• 3.3 逆变器稳态特性
• 3.3.1 主开关管的ZVS条件
• 3.3.2 元器件的电压和电流变化率
• 3.3.3 回路的丢失占空比
• 3.4 回路参数设计
• 3.4.1 设计思想
• 3.4.2 设计举例
• 3.5 仿真研究
• 3.5.1 开关管及续流二极管的波形评价
• 3.5.2 辅助谐振电感及电容的波形评价
• 3.5.3 效率评价
• 3.6 本章小结
• 第4章 辅助谐振极逆变器的改进调制策略
• 4.1 改进调制策略
• 4.2 回路工作原理
• 4.3 逆变器的稳态特性
• 4.3.1 主开关管的ZVS条件
• 4.3.2 元器件的电压和电流应力
• 4.3.3 元器件的电压和电流变化率
• 4.3.4 回路的丢失占空比
• 4.3.5 回路的死区时间讨论
• 4.4 损耗分析
• 4.5 回路参数设计
• 4.5.1 设计思想
• 4.5.2 设计举例
• 4.6 改进调制策略的实现
• 4.7 本章小结
• 第5章 仿真与实验
• 5.1 仿真与实验平台
• 5.2 仿真与实验评价
• 5.2.1 回路的稳态工作模式评价
• 5.2.2 开关管及续流二极管的波形评价
• 5.2.3 主谐振电容值与电流应力的关系
• 5.2.4 辅助谐振电感及电容的波形评价
• 5.2.5 软开关逆变器的输出波形评价
• 5.2.6 效率评价
• 5.3 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间取得的成果