ИНВЕРТОР С МЯГКИМ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ

Предложение относится к области силовой электроники, в частности к преобразовательным схемам с пониженными коммутационными потерями в силовых полупроводниковых ключах и может быть использовано при разработке автономных инверторов и импульсных регуляторов.
Известны схемы трех и пятиуровневого инвертора, в которых обеспечивается мягкое включение и выключение основных транзисторов в каждой фазе инвертора с помощью дополнительных ключей, параллельного коммутирующего дросселя и дополнительных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам (см. US 6205040 B1, 20.03.2001).
Недостатком данного изобретения является то, что мягкое выключение основных транзисторов при нулевом напряжении требует применения дополнительных конденсаторов с относительно большой емкостью. А мягкое включение основных транзисторов оказывается возможным только при увеличении тока в коммутирующем дросселе выше тока нагрузки, что приводит к росту дополнительных потерь проводимости и усложняет схему управления инвертором.
Наиболее близким по технической сути является решение (см. Unified Zero-Current-Transition Techniques for High-Power Three-Phase PWM / Y. Li // Ph. D. Dissertation. - Blacksburg, Virginia, 2002.), включающее стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору, (N-2) стоек из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения i-го и (i+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения N-го и (N+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, при этом средняя точка i-ой диодной стойки подключена к точке соединения i-го и (i+1)-го фильтрового конденсатора, (N-1) последовательных L-C контура, причем каждый первый узел i-го L-C контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го L-C контура из (N-2)-x подключен к катоду i-ой диодной стойки, при этом второй узел последнего (N-1)-го L-C контура подключен к аноду (N-2)-ой диодной стойки, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки.
В указанном решении обеспечивается мягкое включение и мягкое выключение при нулевом токе как основных, так и дополнительных ключей. Однако мягкое включение основных ключей при нулевом токе не обеспечивает предварительный разряд напряжения на выходных емкостях данных транзисторов, что приводит к росту коммутационных потерь.
Еще одним недостатком данной схемы является перезаряд конденсаторов в L-C контурах в процессе включения основных ключей, что значительно увеличивает потери проводимости.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем.
1. Условия мягкого переключения основных и дополнительных ключей схемы при широком изменении тока нагрузки обеспечивается выбором необходимых номиналов демпферных конденсаторов в соответствии с вновь установленными критериями.
2. Снижение коммутационных потерь в стойке основных ключей инвертора обеспечивается предварительным разрядом напряжения на выходных емкостях данных ключей за счет подключения демпферных конденсаторов.
Технический результат достигается тем, что в N-уровневый инвертор с мягким переключением, включающий стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания в цепи постоянного тока инвертора, при этом каждая i-ая пара дополнительных ключей присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору, (N-2) стоек из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, причем катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения i-го и (i+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания и средней точкой стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения N-го и (N+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания, при этом средняя точка i-ой диодной стойки подключена к точке соединения i-го и (i+1)-го фильтрового конденсатора, (N-1) последовательных L-C контура, причем каждый первый узел i-го L-C контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го L-C контура из (N-2)-x подключен к катоду i-ой диодной стойки, при этом второй узел последнего (N-1)-го L-C контура подключен к аноду (N-2)-ой диодной стойки, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей инвертора, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, введены 2(N-1) демпферных конденсаторов, причем два из них включены параллельно верхему и нижнему ключу в стойке основных ключей инвертора, а остальные 2(N-2) демпферных конденсаторов включены параллельно каждому из фиксирующих диодов.
На Фиг.1 представлен N-уровневый инвертор с мягким переключением.
На Фиг.2 представлена эквивалентная схема с основными ключами 2а и (N+1)a.
На Фиг.3 представлена схема пятиуровневого инвертора в соответствии с представленной полезной моделью.
На Фиг.4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основных ключей 1а и 2а инвертора.
Устройство содержит стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных основных ключей 1а, 2а, … и 2(N-1)a со встречно-параллельными диодами, стойку из 2(N-1) последовательно-соединенных дополнительных ключей 1b, 2b, … и 2(N-1)b со встречно-параллельными диодами, стойку из (N-1) последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов 1с, 2с, … и (N-1)c, (N-1) стоек из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов 1е и 2е; 3е и 4е; … (2N-5)e и 2(N-2)e, положительную 1 и отрицательную 2 шины питания, (N-1) последовательных L-C контура 1d, 2d,… и (N-1)d, источник тока нагрузки 3, точку фазы 4, точку нейтрали нагрузки 5, 2(N-1) демпферных конденсаторов 1f, 2f, … 2(N-1)f.
Стойка основных ключей 1а, 2а, … и 2(N-1)a, стойка дополнительных ключей 1b, 2b, … и 2(N-1)b, а также стойка фильтровых конденсаторов 1с, 2с, … и (N-1)c расположены между положительной 1 и отрицательной 2 шиной питания. Каждая i-ая пара дополнительных ключей присоединена параллельно i-му фильтровому конденсатору, т.е. первая пара дополнительных ключей 1b и 2b подключена параллельно фильтровому конденсатору 1с, вторая пара дополнительных ключей 3b и 4b подключена параллельно фильтровому конденсатору 2с и т.д. Катод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения i-го и (i+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между положительной шиной питания 1 и средней точкой 4 стойки основных ключей инвертора, а анод i-ой диодной стойки подключен к точке соединения N-го и (N+1)-го основного ключа инвертора, расположенных между средней точкой 4 стойки основных ключей инвертора и отрицательной шиной питания 2, при этом средняя точка i-ой диодной стойки подключена к точке соединения i-го и (i+1)-го фильтрового конденсатора. Т.е. катод первой диодной стойки (фиксирующие диоды 1е и 2е) подключен к точке соединения первого 1а и второго 2а основного ключа, катод второй диодной стойки (фиксирующие диоды 3е и 4е) подключен к точке соединения второго 2а и третьего 3а основного ключа и т.д. Анод первой диодной стойки (фиксирующие диоды 1е и 2е) подключен к точке соединения основного ключа Na и основного ключа (N+1)a, анод второй диодной стойки (фиксирующие диоды 3е и 4е) подключен к точке соединения основного ключа (N+1)a и основного ключа (N+2) и т.д. Средняя точка первой диодной стойки (фиксирующие диоды 1е и 2е) подключена к точке соединения первого 1с и второго 2с фильтрового конденсатора, средняя точка второй диодной стойки (фиксирующие диоды 3е и 4е) подключена к точке соединения второго 2с и третьего 3с фильтрового конденсатора и т.д. Первый узел i-го L-C контура подключен к средней точке i-ой пары дополнительных ключей, а каждый второй узел i-го L-C контура из (N-2)-х подключен к катоду i-ой диодной стойки. Т.е. первый узел первого L-C контура 1d подключен к средней точке первой пары дополнительных ключей 1b и 2b, первый узел второго L-C контура 2d подключен к средней точке второй пары дополнительных ключей 3b и 4b и т.д. Второй узел первого L-C контура 1d подключен к катоду первой диодной стойки (фиксирующие диоды 1е и 2е), второй узел второго L-C контура 2d подключен к катоду второй диодной стойки (фиксирующие диоды 3е и 4е) и т.д. При этом второй узел последнего L-C контура (N-1)d подключен к аноду (N-2)-ой диодной стойки (фиксирующие диоды (2N-5)e и 2(N-2)e. Первый полюс источника тока нагрузки 3 подключен к средней точке стойки основных ключей инвертора, т.е. к точке фазы 4. Второй полюс источника тока нагрузки 3 подключен к точке нейтрали нагрузки 5. В схему введены 2(N-1) демпферных конденсаторов, причем два из них 1f и 2(N-1)f включены параллельно верхнему 1а и нижнему 2(N-1)a ключу в стойке основных ключей инвертора, а остальные 2(N-2) демпферных конденсаторов включены параллельно каждому из фиксирующих диодов, т.е. демпферный конденсатор 2f подключен параллельно фиксирующему диоду 1е, демпферный конденсатор 3f подключен параллельно фиксирующему диоду 2е и т.д.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для формирования фазового напряжения нагрузки с требуемым гармоническим составом используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) при переключении основных транзисторов 1а, 2а, … и 2(N-1)a. При этом ширина импульсов проводимости основных транзисторов модулируется в пределах каждого периода выходной частоты инвертора по определенному закону. В многоуровневых инверторах наибольшее распространение получила концепция ШИМ, основанная на синфазности (N-1) опорных сигналов несущей частоты, известная в английской аббревиатуре как Phase-Disposition. При данном принципе управления работа многоуровневой схемы сводится к последовательной по времени работе (N-1) эквивалентных полумостовых схем. В данных схемах ток нагрузки коммутируется между верхним ключом, который является одним из основных ключей, расположенных между положительной шиной питания и точкой фазы, и нижним ключом, расположенным аналогично, но только между точкой фазы и отрицательной шиной питания. При этом роль противофазных диодов для всех основных ключей, кроме тех, что непосредственно соединены с точкой фазы, выполняют фиксирующие диоды.
Тогда мягкая коммутация в каждой из полумостовых схем может быть обеспечена с помощью двух последовательно-соединенных дополнительных ключей, подключенных параллельно шинам питания полумоста, и соответствующего последовательного L-C контура, подключенного между средними точками соединения основных и дополнительных ключей.
Рассмотрим мягкую коммутацию в одной из (N-1) эквивалентных полумостовых схем, например, с ключами 2а и (N+1)a (Фиг.2).
Источником питания данного полумоста является фильтровой конденсатор 2с. Между шинами питания полумостовой схемы включены дополнительные ключи 3b и 4b. Последовательный L-C контур 2d подключен между средней точкой соединения дополнительных ключей 3в и 4в и точкой соединения основных ключей полумоста 2а и (N+1)a. Заметим, что точка соединения основных ключей 2а и (N+1)a образуется в результате открытого состояния основных ключей 3а, 4а, … Na на данном интервале работы схемы инвертора и совпадает с точкой фазы 4. Пунктиром на схеме показаны собственные емкости основных транзисторов 2а и (N+1)a.
H
Предположим, что ток нагрузки 3 равен I и протекает от точки фазы 4 к точке нейтрали нагрузки 5. При выключенном основном транзисторе 2а данный ток замыкается на фиксирующий диод 3е, который является противофазным по отношению к транзистору 2а. При этом демпферный конденсатор 3f, включенный параллельно ключу 2а через диод 1е, заряжен до напряжения питания полумоста, равного напряжению на фильтровом конденсаторе 2с. Обозначим данное напряжение символом Е. При этом демпферный конденсатор 4f будет разряжен практически до нуля.
0
+
Перед тем как включиться основному ключу 2а, включается дополнительный ключ 4b. Конденсатор L-C контура 2d заряжен до начального напряжения U  с положительной полярностью на его левой обкладке. Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:
где ρ - характеристическое сопротивление L-C контура 2d.
Начинается колебательный процесс нарастания тока в контуре 2d. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на конденсаторе контура. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током нагрузки, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток дросселя в контуре 2d достигает значения тока нагрузки  происходит выключение фиксирующего диода 3е. При этом напряжение на конденсаторе контура оказывается равным:
После выключения фиксирующего диода 3е между последовательным L-С контуром 2d и конденсаторами 3f 4f начинается квазирезонансный процесс.
Установим критерий мягкого включения ключа 2а при нулевом напряжении.
C
Демпферный конденсатор 3f, включенный параллельно ключу 2а, полностью разряжается (соответственно демпферный конденсатор 4f полностью заряжается до напряжения источника питания Е) с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности дросселя контура 2d накоплена энергия не менее той, что соответствует току нагрузки (т.е. ), а напряжение на конденсаторе контура 2d, обозначенное как U(t) на интервале перезаряда конденсаторов 3f 4f удовлетворяет неравенству:
C3f
где U(0) - начальное напряжение на конденсаторе 3f.
C3f
Учитывая, что U(0)=E, условие (3) можно переписать в виде:
Т.о. напряжение на конденсаторе контура 2d на интервале перезаряда конденсаторов 3f и 4f должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения питания полумоста.
Наличие демпферного конденсатора 2f, включенного параллельно фиксирующему диоду 1е, позволяет также провести разряд собственной емкости ключа 2а практически до нулевого значения одновременно с квазирезонансным разрядом демпферного конденсатора 3f. Это обеспечивается тем, что величина емкости демпферного конденсатора выбирается много больше собственной емкости ключа 2а.
После полного разряда конденсатора 3f ключ 2а можно включить при нулевом напряжении.
Напряжение на конденсаторе контура 2d после полного разряда конденсатора 3f становится равным:
р
где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе контура 2d на интервале Δt перезаряда конденсаторов 3fn 4f.
Ток в дросселе контура 2d после полного разряда выходной емкости транзистора 2а становится равным:
p
где ΔI - изменение тока в дросселе контура 2d на интервале Δt.
При отсутствии демпферных конденсаторов 3f и 4f величины ΔU и ΔI можно считать практически равными нулю.
При подключении данных конденсаторов:
где ;
После включения основного ключа 2а при нулевом напряжении ток в дросселе контура 2d начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключе 2а - нарастать. Когда ток ключа 2а достигает тока нагрузки, ток дросселя контура 2d становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе контура 2d при этом оказывается равным:
Поскольку полярность напряжения на конденсаторе контура 2d изменилась на обратную по сравнению с первоначальной, то при включении в соответствующий момент времени дополнительного ключа 3b можно обеспечить выключение основного ключа 2а при нулевом токе, если выполняется условие:
При этом ток колебательного контура 2d начинает нарастать встречно току нагрузки, проходящему через открытый ключ 2а. В момент равенства тока контура и тока нагрузки включается диод 2е, который является встречно-параллельным для последовательно включенных основного ключа 2а и фиксирующего диода 1е. Через диод 2е затем начинает протекать разность указанных токов. Очевидно, что выключение ключа 2а необходимо провести до того как вновь наступит равенство данных токов.
0
+
Отметим, что в момент времени, когда ток контура 2d достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе данного контура вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного U
Для обеспечения устойчивости циклов мягкого переключения ключа 2а необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью при выключении основного ключа 2а при нулевом токе дополнительный ключ 3b оставляют открытым. Ток в L-C контуре 2d в момент выключения основного ключа 2а равен току нагрузки. Противофазный диод (т.е. фиксирующий диод 3е) остается в выключенном состоянии, поскольку напряжение на конденсаторе контура 2d много меньше напряжения питания Е. Т.о. единственный путь для замыкания тока нагрузки - через последовательный L-C контур 2d. При этом ток нагрузки начинает заряжать конденсатор контура 2d. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения питания Е открывается диод 3е, и в колебательном контуре 2d начинается еще один квазирезонансный процесс, после которого напряжение на конденсаторе контура устанавливается равным начальному:
0
+
После определения начального напряжения U  на конденсаторе контура 2d можно выбрать значения элементов контура 2d, при которых будет выполняться критерий включения основного ключа 2а при нулевом напряжении и критерий его выключения при нулевом токе.
Используя уравнения (2) и (4) можно установить, что критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление контура 2d равно  и удовлетворяет условию:
С другой стороны, согласно уравнению (10) критерий нулевого тока выполняется, если характеристическое сопротивление контура удовлетворяет условию:
Таким образом необходимо выбрать меньшее значение сопротивления ρ из формул (12) и (13), чтобы выполнялись оба из критериев мягкого переключения.
Чем больше ток нагрузки, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения. Поэтому выбор номиналов элементов контура удовлетворяющих указанным ограничениям следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока ниже максимального условия мягкого переключения основных ключей будут выполняться автоматически.
Динамические процессы в дополнительных ключах 3b и 4b рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре 2d. В дополнительных ключах 3b и 4b не происходит предварительного разряда их собственных выходных емкостей перед включением, что в общем случае ведет к добавочным потерям. Однако, поскольку работа данных ключей происходит на относительно коротких временных интервалах, то используются ключи, среднее значение тока которых в несколько раз меньше, чем в основных ключах. По этой причине выходные емкости дополнительных ключей относительно невелики.
С изменением направления тока нагрузки, т.е. при его протекании от точки нейтрали нагрузки 5 к точке фазы 4, при выключенном основном ключе (N+1)a данный ток будет замыкаться на встречно-параллельный диод 2е. Аналогично рассмотренным этапам мягкого переключения основного ключа 2а теперь можно проводить мягкую коммутацию тока нагрузки при переключении основного ключа (N+1)a. С этой целью перед включением ключа (N+1)a отпирают дополнительный ключ 3b. Тогда в предложенном устройстве протекают процессы, аналогичные ранее рассмотренным. При этом в процессе квазирезонансного перезаряда конденсаторов 3f и 4f разряд собственной выходной емкости основного ключа (N+1)a проходит через демпферный конденсатор 5f, включенный параллельно фиксирующему диоду 4е.
Далее перед выключением основного ключа (N+1)a включают дополнительный ключ 4b, что обеспечивает условия для выключения ключа (N+1)a при нулевом токе.
Мягкая коммутация в представленной эквивалентной полумостовой схеме с ключами 2а и (N+1)a (Фиг.2) происходит на определенном временном интервале, задаваемом процессом широтно-импульсной модуляции. На последующем временном интервале образуется новая эквивалентная схема с основными ключами 3а и (N+2)a и т.д. Другими словами, во всех последующих эквивалентных полумостовых схемах ток нагрузки будет коммутироваться между верхним ключом, т.е. одним из основных ключей, расположенных между положительной шиной питания и точкой фазы, и нижним ключом, расположенным аналогично, но только между точкой фазы и отрицательной шиной питания. Процессы мягкой коммутации в этих эквивалентных полумостах будут аналогичны рассмотренным.
Представленное устройство обеспечивает мягкую коммутацию тока нагрузки для отдельной фазы. Поскольку рассмотренные процессы носят автономный характер, с помощью трех аналогичных устройств могут быть обеспечены условия мягкого переключения для 6(N-1) основных ключей инвертора в трехфазном исполнении.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и др.)
Пример конкретного исполнения предложенного устройства рассмотрим на примере часто используемой на практике пятиуровневой схемы (Фиг.3)
Напряжение источника питания инвертора 4Е=1280 В (на каждом их фильтровых конденсаторов напряжение E=320 B).
H
Ток нагрузки I=100 А.
Основные ключи, а также фиксирующие диоды выполняются на силовых модулях, собранных по полумостовой схеме, класс напряжения 600 В, средний ток 100 А.
Дополнительные ключи - также на силовых модулях полумостовой конфигурации, класс напряжения 600 В, средний ток 50 А, импульсный ток 400 А.
Дроссели последовательных L-C контурах - индуктивность 0,6 мкГн.
Конденсаторы в последовательных L-C контурах - емкость 1 мкФ, напряжение 630 В.
Демпферные конденсаторы - емкость 22 нФ, напряжение 630 В.
Моделирование предложенного устройства проведено в программе расчета электронных схем PSpice.
На Фиг.4 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 1а инвертора. Из осциллограммы видно, что роль обратного диода в процессе запирания ключа 1а при нулевом токе выполняет его собственный встречно-параллельный диод.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 2а инвертора. Из осциллограммы видно, что роль обратного диода в процессе запирания ключа 2а при нулевом токе выполняет фиксирующий диод 2е.
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.