电源学报

${i}_{\mathrm{a}}$	${i}_{\mathrm{b}}$	${i}_{\mathrm{c}}$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)$	$\Delta {i}_{{\mathrm{s}}_{7}}$
+	-	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{a}}\right\|$
+	+	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{c}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{c}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{c}}\right\|$
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-	+	+	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{a}}\right\|$
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${i}_{\mathrm{a}}$	${i}_{\mathrm{b}}$	${i}_{\mathrm{c}}$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)$	$\Delta {i}_{{\mathrm{s}}_{7}}$
+	-	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{a}}\right\|$
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参数	数值/型号
直流母线电压${V}_{\mathrm{{dc}}}/\mathrm{V}$	300
负载电阻${R}_{\text{load }}/\Omega$	7
输出电流有效值/频率	11.0 A/50 Hz
开关频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{kHz}}$	15
谐振电感${L}_{\mathrm{r}}/\mu \mathrm{H}$	27.8
谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\sim {C}_{\mathrm{r}6}/\mathrm{{nF}}$	2.2
谐振电容${C}_{\mathrm{r}7}/\mathrm{{nF}}$	0
钳位电容${C}_{\mathrm{c}}/\mu \mathrm{F}$	88
逆变桥开关器件	NGTB40N120S3WG
辅助开关器件	NGTB50N120FL2WG

参数	数值/型号
直流母线电压${V}_{\mathrm{{dc}}}/\mathrm{V}$	300
负载电阻${R}_{\text{load }}/\Omega$	7
输出电流有效值/频率	11.0 A/50 Hz
开关频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{kHz}}$	15
谐振电感${L}_{\mathrm{r}}/\mu \mathrm{H}$	27.8
谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\sim {C}_{\mathrm{r}6}/\mathrm{{nF}}$	2.2
谐振电容${C}_{\mathrm{r}7}/\mathrm{{nF}}$	0
钳位电容${C}_{\mathrm{c}}/\mu \mathrm{F}$	88
逆变桥开关器件	NGTB40N120S3WG
辅助开关器件	NGTB50N120FL2WG

软开关有源钳位逆变器逐波限流控制策略研究

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叶怡伟 , 陈敏 , 徐德鸿

电源学报 | DC-AC 逆变器 2024,22(6): 43-50

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电源学报 | DC-AC 逆变器 2024, 22(6): 43-50

软开关有源钳位逆变器逐波限流控制策略研究

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叶怡伟, 陈敏, 徐德鸿

作者信息

浙江大学电气工程学院杭州 310027

叶怡伟(1996-),男,硕士研究生。研究方向:高功率软开关变换器设计与控制。E-mail:ye_yw@zju.edu.cn。

陈敏(1976-),男,中国电源学会高级会员,通讯作者,博士,教授。研究方向:高功率变换技术和高频感应送电技术电能质量控制技术。E-mail: heaven@zju.edu.cn.

徐德鸿(1961-),男,中国电源学会会士,博士,教授。研究方向:电力电子技术、电力电子电路建模及控制、新能源发电系统、氢燃料电池电源系统、数据中心电源系统和多能源储能系统。E-mail: xdh@zju.edu.cn.

Research on Cycle-by-cycle Current Limit Strategies for Active-clamped Soft-switching Inverters

Yiwei YE, Min CHEN, Dehong XU

Affiliations

College of Electrical Engineering Zhejiang University Hangzhou 310027 China

出版时间: 2024-11-30 doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.43

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摘要

收起

软开关有源钳位逆变器能够实现功率器件的软开关,有利于提升逆变器功率密度和动态性能。但在发生过流故障时,若采用传统的逐波限流策略,即过流时封锁功率器件的方法,将使直流母线电流由流向逆变桥变为流向直流侧。由于软开关变换器谐振电感的存在,直流母线电流与谐振电感电流叠加流过辅助开关器件,使辅助开关器件承受大电流应力。针对上述情况,提出1种改进逐波限流策略,通过改变逐波限流发生后的逆变桥开关状态,减少流向直流侧的直流母线电流,从而显著抑制电流应力,并通过3kW软开关有源钳位逆变器实验进行了验证。

关键词

软开关有源钳位逆变器 / 过流 / 逐波限流

Abstract

收起

The active-clamped soft-switching inverter can realize the soft-switching of power devices, which is conducive to improving the power density and dynamic performance of the inverter. However, when overcurrent occurs, if the conventional cycle-by-cycle(CBC) current limit strategy( i.e., a strategy under which power devices will be blocked once overcurrent occurs) is adopted, the DC bus current will change its direction from flowing to the inverter bridge to flowing to the DC side. Due to the existence of a resonant inductor, both the DC bus current and the current flowing through the resonant inductor flow through the auxiliary switch, so there is high current stress on the auxiliary switch. In this paper, an improved CBC current limit strategy is proposed. By changing the switching state of the inverter bridge after the CBC current limit strategy is triggered, the DC bus current flowing to the DC side is reduced, thus significantly suppressing the current stress. In addition, the protection strategy was verified by an experiment of 3 kW active-clamped soft-switching inverter.

Key words

Active-clamped soft-switching inverter / overcurrent / cycle-by-cycle (CBC) current limit

引用本文

叶怡伟, 陈敏, 徐德鸿. 软开关有源钳位逆变器逐波限流控制策略研究. 电源学报, 2024 , 22 (6) : 43 -50 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.43

Yiwei YE, Min CHEN, Dehong XU. Research on Cycle-by-cycle Current Limit Strategies for Active-clamped Soft-switching Inverters[J]. Journal of Power Supply, 2024 , 22 (6) : 43 -50 . DOI: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.43

正文

收起

软开关有源钳位逆变器通过辅助支路谐振实现开关器件的零电压开通 ZVS(zero voltage switching), 具有高功率密度和高动态性能的特点, 可广泛应用于整流^[1-2] 、逆变^[3-4] 、直流-直流变换^[5] 和交流-交流变换[6]等多种场合。

逆变器在实际应用中均会设计相关的保护措施。逐波 CBC(cycle-by-cycle)限流法是 1 种广泛应用的限流方法, 当发生短时过载时, 可有效抑制故障电流, 且不需要中断系统运行。文献[7]提出了 IGBT 过流时的逐波限流策略,在检测到过流后关断 IGBT, 在下次驱动信号变高时恢复正常发波; 文献 [8-9]分别就三电平逆变电路提出了 2 种逐波限流控制电路, 区别在于恢复正常工作的时刻和方法; 文献[10]提出了基于电流滞环控制的 SPWM 逆变器逐波限流策略, 可根据过流情况调节逐波限流动作频率; 文献[11]提出了 1 种基于预测控制的 DC-DC 变换器逐波限流控制策略, 根据当前开关周期中输入和输出电压及电感电流的采样值推导出下一周期中最大允许占空比的极限; 文献[12]介绍了 1 种低功耗、高速的逐波限流器, 采用高速输入负反馈运算放大器和高精度比较器,可适用于${2.2}\mathrm{{MHz}}$ 开关电源; 文献[13-14]针对三电平中点钳位半桥逆变器, 提出了 1 种开关部分关断逐波限流方法, 保持与中点相连的 2 个开关在故障时导通, 也可通过降低电感电流下降速率来降低逐波限流触发频率。通常软开关有源钳位逆变器在应用中若出现过流故障, 采取的保护措施一般为立刻封波停机。本文针对逐波限流法在软开关有源钳位逆变器中的应用进行研究, 可使逆变器在不停机的情况下降低输出电流。

如果软开关有源钳位逆变器仍采用传统的逐波限流策略, 将造成较大电流通过辅助开关器件, 甚至导致辅助开关器件损坏。为了减小辅助开关器件上的电流应力, 提出了 1 种改进的逐波限流策略。不同于传统的逐波限流封锁所有开关管, 采用关断所有逆变桥上桥臂管、开通所有逆变桥下桥臂管的方法, 可显著降低辅助开关器件的电流应力。

1 软开关有源钳位逆变器工作原理

收起

图1为软开关有源钳位逆变器电路, 谐振电感${L}_{\mathrm{r}}$ 、钳位电容${C}_{\mathrm{c}}$ 和辅助开关器件(开关${\mathrm{S}}_{7}$ 和反并二极管${\mathrm{D}}_{7}$ )组成的谐振支路串联于直流侧。在逆变桥开关器件两端并联谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\sim {C}_{\mathrm{r}6}$,假定${C}_{\mathrm{r}1}= {C}_{\mathrm{r}2}= {C}_{\mathrm{r}3}= {C}_{\mathrm{r}4}= {C}_{\mathrm{r}5}= {C}_{\mathrm{r}6}= {C}_{\mathrm{{rm}}\circ }$ 辅助开关器件两端并联谐振电容${C}_{\mathrm{r}7}{}^{\left\lbrack 3\right\rbrack }$。

1 个开关周期内, 逆变桥的每个桥臂均存在 2 类换流。以 A 相桥臂为例, 如图1所示, 若输出电流${i}_{\mathrm{a}}$ 为正,${\mathrm{S}}_{1}$ 至${\mathrm{D}}_{4}$ 的换流称为第 1 类换流,因${\mathrm{S}}_{1}$ 零电压关断而${\mathrm{D}}_{4}$ 零电压开通,换流损耗较小。${\mathrm{D}}_{4}$ 至${\mathrm{S}}_{1}$ 的换流称为第 2 类换流,${\mathrm{S}}_{1}$ 会存在较大开通损耗,${\mathrm{D}}_{4}$ 存在反向恢复损耗。为减少第 2 类换流的损耗, 在第 2 类换流发生之前,关断辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$,通过谐振电感${L}_{\mathrm{r}}$ 和电路中开关器件两端电容的谐振,将${\mathrm{S}}_{1}$ 两端电压降至 0,以实现${\mathrm{S}}_{1}$ 零电压开通。

使用齐边沿 PWM 控制方法^[15] 可将所有逆变桥桥臂的第 2 类换流均移动至开关周期内同一时刻,${\mathrm{S}}_{7}$ 仅需动作 1 次,即可实现所有桥臂的零电压开通。

假定当前输出电流${i}_{\mathrm{a}}> 0\text{、}{i}_{\mathrm{b}}< 0\text{、}{i}_{\mathrm{c}}< 0,1$ 个开关周期内$\left({{t}_{0}\sim {t}_{12}}\right)$ 的典型波形如图2所示。软开关工作过程如下。

阶段$1\left({t}_{0}\right.$ 时刻之前$)$,如图3(a)所示,输出电流${i}_{\mathrm{a}}$ 、${i}_{\mathrm{b}}$ 、${i}_{\mathrm{c}}$ 分别流过反并二极管${\mathrm{D}}_{4}$ 、${\mathrm{D}}_{3}$ 、${\mathrm{D}}_{5}$。

阶段$2\left({{t}_{0}\sim {t}_{1}}\right)$,如图3 $\left(\mathrm{\;b}\right)$ 所示,${t}_{0}$ 时刻${\mathrm{S}}_{7}$ 关断, 谐振电感${L}_{\mathrm{r}}$ 与谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\text{、}{C}_{\mathrm{r}6}\text{、}{C}_{\mathrm{r}2}\text{、}{C}_{\mathrm{r}7}$ 谐振,${t}_{1}$ 时刻母线电压${u}_{\text{bus }}$ 谐振至 0。

阶段$3\left({{t}_{1}\sim {t}_{2}}\right)$,如图3 $\left(\mathrm{c}\right)$ 所示,反并二极管${\mathrm{D}}_{1}$ 、${\mathrm{D}}_{6}$ 、${\mathrm{D}}_{2}$ 续流。

阶段$4\left({{t}_{2}\sim {t}_{3}}\right)$,如图3 $\left(\mathrm{\;d}\right)$ 所示,${t}_{2}$ 时刻零电压开通所有逆变桥桥臂开关, 该阶段用于谐振电感充磁以获得足够的储能,确保阶段 2 时母线电压${u}_{\mathrm{{bus}}}$ 谐振至 0,谐振电感电流${i}_{{L}_{\mathrm{r}}}$ 以斜率${V}_{\mathrm{{dc}}}/{L}_{\mathrm{r}}$ 上升。

阶段$5\left({{t}_{3}\sim {t}_{4}}\right)$,如图3 $\left(\mathrm{e}\right)$ 所示,${t}_{3}$ 时刻关断开关${\mathrm{S}}_{4}\text{、}{\mathrm{\;S}}_{3}\text{、}{\mathrm{\;S}}_{5}$,谐振电感${L}_{\mathrm{r}}$ 与谐振电容${C}_{\mathrm{r}4}\text{、}{C}_{\mathrm{r}3}$ 、${C}_{\mathrm{r}5}\text{、}{C}_{\mathrm{r}7}$ 谐振,母线电压${u}_{\text{bus }}$ 谐振上升,${t}_{4}$ 时刻辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$ 两端电压谐振至 0,为下一阶段${\mathrm{S}}_{7}$ 零电压开通创造条件。

阶段$6\left({{t}_{4}\sim {t}_{5}}\right)$,如图3 $\left(\mathrm{f}\right)$ 所示,反并二极管${\mathrm{D}}_{7}$ 续流,${t}_{5}$ 时刻零电压开通${\mathrm{S}}_{7}$,第 2 类换流完成,${t}_{5}\sim {t}_{12}$ 各相先后完成第 1 类换流,${t}_{12}$ 时该开关周期结束, 下一开关周期开始。

若负载为三相平衡阻性负载,${t}_{0}$ 时刻辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$ 关断后,母线电压${u}_{\text{bus }}$ 恰好谐振至 0 所需的辅助开关关断占空比${D}_{0}$ 计算式^[16] 为

(1)

${D}_{0}= \frac{2{L}_{\mathrm{r}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}{T}_{\mathrm{s}}}\left\lbrack {\frac{\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}{2}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{2{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}}\right\rbrack $

式中:${U}_{\mathrm{m}}$ 为输出相电压基波幅值;${I}_{\mathrm{m}}$ 为输出电流基波幅值;${Z}_{\mathrm{r}}= \sqrt{{L}_{\mathrm{r}}/\left({3{C}_{\mathrm{{rm}}}+ {C}_{\mathrm{r}7}}\right)}$。

${t}_{4}$ 时刻谐振电感电流${I}_{{L}_{\mathrm{r}}}$ 达到开关周期内最大值${I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }$,可表示^[16] 为

(2)

${I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }= \frac{\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}{2}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}$

2 传统逐波限流的问题

收起

采用传统逐波限流策略时, 当任意一相电流绝对值超过限定值时, 关断所有开关器件; 若下一开关周期到来时三相电流绝对值均在限定值以下, 则恢复所有开关工作。假定逐波限流前的等效电路如图3(f)所示,输出电流${i}_{\mathrm{a}}\text{、}{i}_{\mathrm{b}}\text{、}{i}_{\mathrm{c}}$ 分别流过开关${\mathrm{S}}_{1}$ 、${\mathrm{S}}_{6}$ 、${\mathrm{\;S}}_{2}$,且${i}_{\mathrm{a}}> 0$ 、${i}_{\mathrm{b}}< 0$ 、${i}_{\mathrm{c}}< 0$。如图4所示,为便于与图2的正常工作对比,仍定义${t}_{0}$ 为逐波限流发生所处的开关周期的开始时刻,${t}_{12}$ 为该开关周期的结束时刻。假定逐波限流发生在${t}_{4}$ 时刻,谐振电感电流${i}_{{L}_{\mathrm{r}}}$ 达到开关周期内最大值,该值可由式 (2) 计算得到。图5为${t}_{4}$ 时刻之后的等效电路,逐波限流发生保护动作,所有开关器件关断,输出电流${i}_{\mathrm{a}}\text{、}{i}_{\mathrm{b}}$ 、${i}_{\mathrm{c}}$ 由开关${\mathrm{S}}_{1}\text{、}{\mathrm{S}}_{6}\text{、}{\mathrm{\;S}}_{2}$ 分别换流至反并二极管${\mathrm{D}}_{4}$ 、${\mathrm{D}}_{3}$ 、${\mathrm{D}}_{5}$。

根据图3 $\left(\mathrm{f}\right),{t}_{4}^{- }$ 时刻,流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(3)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)= -{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$

${t}_{4}$ 时刻发生逐波限流,根据图5 $,{t}_{4}^{+ }$ 时刻流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(4)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$

式(3)和式(4)结果为负值,表示此时电流流过辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$ 的反并二极管${\mathrm{D}}_{7}$。对比式 (3) 和式 (4) 可知,逐波限流发生后流过${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流增加值$\Delta {i}_{{\mathrm{s}}_{7}}$ 为

(5)

$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}= 2{i}_{\mathrm{a}}$

根据式 ( 2 ) 和式 ( 4 ),结合条件${i}_{\mathrm{a}}> 0\text{、}{i}_{\mathrm{b}}< 0\text{、}{i}_{\mathrm{c}}< 0$, 逐波限流发生后辅助开关器件电流应力为

(6)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -\left({2{i}_{\mathrm{a}}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}}\right)$

对各种输出电流极性情况, 用相同的方法可得到逐波限流发生前后流过辅助开关器件的电流, 如表1所示。

由表1可得, 输出低频基波的任意开关周期内,${t}_{4}$ 时刻流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(7)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)= -{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ \operatorname{Max}\left({\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{b}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}\right)$

${t}_{4}^{+ }$ 时刻流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(8)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- \operatorname{Max}\left({\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{b}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}\right)$

对比式(7)和式(8), 可知逐波限流发生后流过辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$ 的反并二极管${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流增加值$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(9)

$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}= 2\operatorname{Max}\left({\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{b}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}\right)= \left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|$

逐波限流发生后辅助开关器件电流应力为

(10)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -\left({\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}}\right)$

在输出低频周期内,$\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|$ 最大值为$2{I}_{\mathrm{m}}$, 逐波限流发生后辅助开关器件电流应力可达的最大值为

(11)

${I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }= 2{I}_{\mathrm{m}}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}$

其归一化形式为

(12)

${I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }^{* }= \frac{{I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }}{{I}_{\mathrm{m}}}= 2 +\frac{3{U}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}/{Z}_{\mathrm{r}}}{{I}_{\mathrm{m}}}$

由式(11)和式(12)可见,逐波限流发生后的电流应力可能导致辅助开关器件的损坏。以$3\mathrm{\;{kW}}$ 软开关有源钳位逆变电路为例, 选取参数: 特征阻抗${Z}_{\mathrm{r}}= {64.9\Omega }\left({{L}_{\mathrm{r}}= {27.8\mu }\mathrm{H},{C}_{\mathrm{{rm}}}= {2.2}\mathrm{{nF}},{C}_{\mathrm{r}7}= 0}\right),{V}_{\mathrm{{dc}}}=$ ${300}\mathrm{\;V},{U}_{\mathrm{m}}= {108.5}\mathrm{\;V},{I}_{\mathrm{m}}= {15.5}\mathrm{\;A}$,负载为三相平衡阻性负载, 则逐波限流发生后辅助开关器件电流应力最大可达${52.4}\mathrm{\;A}$,为输出电流幅值的 3.4 倍。

3 改进逐波限流策略

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3.1 改进逐波限流

改进的逐波限流方法如图6所示。检测输出电流${i}_{\mathrm{a}}\text{、}{i}_{\mathrm{b}}\text{、}{i}_{\mathrm{c}}$,当任一输出电流的绝对值超过电流限定值${I}_{\text{limit }}$ 时,过流标志信号${v}_{\text{pro }}$ 有效(为低电平),复位$\mathrm{D}$ 触发器,$\mathrm{Q}$ 输出变低,封锁全部上桥臂开关${\mathrm{S}}_{1}$ 、${\mathrm{S}}_{3}$ 、${\mathrm{S}}_{5}$ 和辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$,同时开通全部下桥臂开关${\mathrm{S}}_{2}$ 、${\mathrm{S}}_{4}$ 、${\mathrm{S}}_{6}$。时钟信号 clk 的频率与开关频率${f}_{\mathrm{s}}$ 相同。下一个开关周期到来时, 若所有相电流的绝对值均降至${I}_{\text{limit }}$ 以下,$\mathrm{D}$ 输入端为 “1”,时钟信号 clk 上升沿到来时, D 触发器输出变为高电平, 则全部开关恢复正常工作。

3.2 改进逐波限流的分析

假定${i}_{\mathrm{a}}> 0\text{、}{i}_{\mathrm{b}}< 0\text{、}{i}_{\mathrm{c}}< 0$,改进逐波限流动作之前的电路如图3(f)所示。图7仍假定改进逐波限流发生在${t}_{4}$ 时刻,谐振电感电流${I}_{{L}_{\mathrm{r}}}$ 达到开关周期内最大值,该值可由式(2)计算得到。${t}_{4}^{+ }$ 时刻改进逐波限流发生,电路状态如图8所示。${i}_{\mathrm{a}}$ 从${\mathrm{S}}_{1}$ 换流至${\mathrm{D}}_{4},{i}_{\mathrm{b}}\text{、}{i}_{\mathrm{c}}$ 分别流过开关${\mathrm{S}}_{6}\text{、}{\mathrm{\;S}}_{2}$。

根据图8,改进逐波限流发生后,${t}_{4}^{+ }$ 时刻流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(13)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }$

式(13)的结果为负值, 表示改进逐波限流发生后电流流过辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$ 的反并二极管${\mathrm{D}}_{7}$。对比式(3)和式(13),逐波限流发生后流过${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流增加值$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(14)

$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}= {i}_{\mathrm{a}}$

根据式(2)和式(13),结合条件${i}_{\mathrm{a}}> 0\text{、}{i}_{\mathrm{b}}< 0\text{、}{i}_{\mathrm{c}}< 0$, 辅助开关器件电流应力为

(15)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -\left({{i}_{\mathrm{a}}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}}\right)$

改进逐波限流发生前流过辅助开关器件的电流如式(7)所示。在输出低频基波的任意开关周期内,逐波限流发生后,将关断全部上桥臂开关${\mathrm{S}}_{1}$ 、${\mathrm{S}}_{3}$ 、${\mathrm{S}}_{5}$ 和辅助开关${\mathrm{S}}_{7}$,开通全部下桥臂开关${\mathrm{S}}_{4}$ 、${\mathrm{S}}_{6}$ 、${\mathrm{S}}_{2}$,因此${t}_{4}^{+ }$ 时刻流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 均如式(13)所示。

对比式(7)和式(13),逐波限流发生后流过${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流增加值$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 为

(16)

$\Delta {i}_{{\mathrm{S}}_{7}}= \operatorname{Max}\left({\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{b}}\right|,\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}\right)= \frac{\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}{2}$

改进逐波限流发生后辅助开关器件电流应力为

(17)

${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)= -\left({\frac{\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{b}}\right|+ \left|{i}_{\mathrm{c}}\right|}{2}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}}\right)$

在输出低频周期内, 改进逐波限流发生后辅助开关器件电流应力可达的最大值为

(18)

${I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }= {I}_{\mathrm{m}}+ \frac{3{U}_{\mathrm{m}}{I}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}}{{Z}_{\mathrm{r}}}$

其归一化形式为

(19)

${I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }^{* }= \frac{{I}_{{\mathrm{S}}_{7 -}\max }}{{I}_{\mathrm{m}}}= 1 +\frac{3{U}_{\mathrm{m}}}{{V}_{\mathrm{{dc}}}}+ \frac{{V}_{\mathrm{{dc}}}/{Z}_{\mathrm{r}}}{{I}_{\mathrm{m}}}$

仍以$3\mathrm{\;{kW}}$ 软开关有源钳位逆变电路为例,选取参数: 特征阻抗${Z}_{\mathrm{r}}= {64.9\Omega }\left({{L}_{\mathrm{r}}= {27.8\mu }\mathrm{H},{C}_{\mathrm{{rm}}}= {2.2}\mathrm{{nF}}}\right.$,${C}_{\mathrm{r}7}= 0$ ),${V}_{\mathrm{{dc}}}= {300}\mathrm{\;V}$,${U}_{\mathrm{m}}= {108.5}\mathrm{\;V}$,${I}_{\mathrm{m}}= {15.5}\mathrm{\;A}$。根据式(18),改进逐波限流发生后辅助开关器件电流应力最大可达${36.9}\mathrm{\;A}$,为输出电流幅值的 2.4 倍。图9为式(12)的传统逐波限流辅助开关器件电流应力归一化数值和式(19)的改进逐波限流辅助开关器件电流应力归一化数值随特征阻抗${Z}_{\mathrm{r}}$ 的变化规律。由图9可见,随着${Z}_{\mathrm{r}}$ 增大, 2 种逐波限流的电流应力均减小。在相同的载荷下, 输出低频周期内, 相较于传统逐波限流, 改进的逐波限流可将辅助开关器件的电流应力减小${I}_{\mathrm{m}}$。

4 实验结果

收起

为验证改进的逐波限流策略减小辅助开关器件电流应力的有效性,搭建$3\mathrm{\;{kW}}$ 软开关有源钳位逆变器实验模型, 相关参数如表2所示。

4.1 特殊相位点发生逐波限流的实验

实验中控制在辅助开关驱动信号${v}_{\mathrm{{gs}}7}$ 置高时触发逐波限流,逆变器输出功率为$3\mathrm{\;{kW}}$,逐波限流发生时输出电流${i}_{\mathrm{a}}$ 基波相位角为 0。图10(a)和(b) 分别为传统逐波限流发生前后和改进逐波限流发生前后的$\mathrm{A}$ 相上桥臂开关驱动信号${v}_{\mathrm{{gs}}1}$ 、$\mathrm{A}$ 相下桥臂开关驱动信号${v}_{\mathrm{{gs}}4}$ 、直流母线电压${u}_{\text{bus }}$ 和流过辅助开关器件的电流${i}_{{\mathrm{S}}_{7}}$ 的波形。

由图10可见, 正常工作时, 辅助开关器件上的电流应力为${18.5}\mathrm{\;A}$。传统逐波限流发生后,封锁所有开关,流过${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流为${47.1}\mathrm{\;A}$。传统逐波限流发生后电流应力达到正常工作时电流应力的约 2.5 倍。使用改进的逐波限流策略, 逐波限流发生后, 上桥臂开关均关断, 下桥臂开关均开通, 流过${\mathrm{D}}_{7}$ 的电流为${33.9}\mathrm{\;A}$。相比传统逐波限流,改进的逐波限流策略使辅助开关器件电流应力下降了 13.2 A, 下降幅度为 28%。

4.2 不同相位点发生逐波限流的实验

保持逆变器输出功率为$3\mathrm{\;{kW}}$,分别取输出电流${i}_{\mathrm{a}}$ 基波的 4 个不同相位角${0}^{\circ }\text{、}{30}^{\circ }\text{、}{60}^{\circ }$ 和${90}^{\circ }$ 进行实验。图11给出了正常工作时、传统逐波限流发生后、改进的逐波限流发生后的辅助开关器件电流应力与输出电流${i}_{\mathrm{a}}$ 基波相位点的变化规律。由图11可以看出, 同一相位点, 改进逐波限流后比正常工作时额外增加的电流应力约等于传统逐波限流额外增加的电流应力的$1/2$。实验结果与理论分析一致。

5 结语

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本文分析了软开关有源钳位逆变器传统逐波限流存在的问题, 计算了传统逐波限流发生后的辅助开关器件电流应力。提出了 1 种半封锁逐波限流策略, 分析了改进的逐波限流策略发生后辅助开关器件的电流应力。通过对比分析, 得出改进逐波限流可有效减小辅助开关器件电流应力。最后,在$3\mathrm{\;{kW}}$ 软开关有源钳位逆变器实验模型上进行了验证。

基金

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国家重点研发计划资助项目(2018YFB1500701)

参考文献

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文献

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2024年第22卷第6期

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doi: 10.13234/j.issn.2095-2805.2024.6.43

接收时间：2021-12-13
首发时间：2025-07-19
出版时间：2024-11-30

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出版历史

收稿日期：2021-12-13
修回日期：2022-01-27
录用日期：2022-02-14

基金

National Key R&D Program of China(2018YFB1500701)

国家重点研发计划资助项目(2018YFB1500701)

作者信息

浙江大学电气工程学院杭州 310027

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

${i}_{\mathrm{a}}$	${i}_{\mathrm{b}}$	${i}_{\mathrm{c}}$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)$	${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)$	$\Delta {i}_{{\mathrm{s}}_{7}}$
+	-	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{a}}\right\|$
+	+	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{c}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{c}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{c}}\right\|$
-	+	-	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{b}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{b}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{b}}\right\|$
-	+	+	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{a}}\right\|$
-	-	+	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{c}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{c}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{c}}\right\|$
+	-	+	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{b}}$	$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{b}}$	$2\left\|{i}_{\mathrm{b}}\right\|$

${i}_{\mathrm{a}}$

${i}_{\mathrm{b}}$

${i}_{\mathrm{c}}$

${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{- }\right)$

${i}_{{\mathrm{s}}_{7}}\left({t}_{4}^{+ }\right)$

$\Delta {i}_{{\mathrm{s}}_{7}}$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{a}}$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$

$2\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{c}}$

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$2\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{b}}$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{b}}$

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$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{a}}$

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$2\left|{i}_{\mathrm{a}}\right|$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{c}}$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{c}}$

$2\left|{i}_{\mathrm{c}}\right|$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }- {i}_{\mathrm{b}}$

$-{I}_{{L}_{\mathrm{r}}\max }+ {i}_{\mathrm{b}}$

$2\left|{i}_{\mathrm{b}}\right|$

参数	数值/型号
直流母线电压${V}_{\mathrm{{dc}}}/\mathrm{V}$	300
负载电阻${R}_{\text{load }}/\Omega$	7
输出电流有效值/频率	11.0 A/50 Hz
开关频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{kHz}}$	15
谐振电感${L}_{\mathrm{r}}/\mu \mathrm{H}$	27.8
谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\sim {C}_{\mathrm{r}6}/\mathrm{{nF}}$	2.2
谐振电容${C}_{\mathrm{r}7}/\mathrm{{nF}}$	0
钳位电容${C}_{\mathrm{c}}/\mu \mathrm{F}$	88
逆变桥开关器件	NGTB40N120S3WG
辅助开关器件	NGTB50N120FL2WG

参数

数值/型号

直流母线电压${V}_{\mathrm{{dc}}}/\mathrm{V}$

300

负载电阻${R}_{\text{load }}/\Omega$

输出电流有效值/频率

11.0 A/50 Hz

开关频率${f}_{\mathrm{s}}/\mathrm{{kHz}}$

谐振电感${L}_{\mathrm{r}}/\mu \mathrm{H}$

27.8

谐振电容${C}_{\mathrm{r}1}\sim {C}_{\mathrm{r}6}/\mathrm{{nF}}$

2.2

谐振电容${C}_{\mathrm{r}7}/\mathrm{{nF}}$

钳位电容${C}_{\mathrm{c}}/\mu \mathrm{F}$

逆变桥开关器件

NGTB40N120S3WG

辅助开关器件

NGTB50N120FL2WG