ТРЕХФАЗНЫЙ АКТИВНЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ 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 выпрямителей.
Известен трехфазный активный выпрямитель, в котором коммутация основных ключей проводится при нулевом токе с помощью дополнительной схемы, включенной на стороне переменного тока выпрямителя и содержащей три по числу фаз квазирезонансных L-C контура, трехфазный диодный мост и один дополнительный ключ (см. US 5486752, 23.01.1996, Fig.8).
Недостатком данного изобретения является то, что мягкое выключение основных ключей выпрямителя при нулевом токе не возможно обеспечить при переключении схемы в состояние нулевого вектора, т.е. когда во включенном состоянии одновременно оказываются три верхних или три нижних ключа выпрямителя.
Известен трехфазный активный выпрямитель, в котором коммутация основных ключей проводится при нулевом напряжении. Это достигается с помощью дополнительной схемы, также включенной на стороне переменного тока выпрямителя и содержащей три по числу фаз квазирезонансных дросселя, трехфазный диодный мост и два дополнительных ключа (см. US 5574636, 12.11.1996, Fig.4). Однако выключение дополнительных ключей в данной схеме проходит в жестком режиме, что существенно увеличивает динамические потери и снижает эффективность применяемой мягкой коммутации.
Наиболее близким по технической сути является трехфазный активный выпрямитель (см. US 5633793, 27.05.1997), состоящий из шести основных ключей с обратно-параллельными диодами, соединенными по схеме трехфазного моста, к точкам фазы переменного тока которого через три входных дросселя подключена трехфазная сеть, и содержащий вспомогательную цепь, подключенную между шинами моста на стороне постоянного тока, включающую последовательно-соединенные резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первый дополнительный ключ с обратно-параллельным диодом, причем к отрицательной шине моста подключен отрицательный полюс цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, а к положительной шине моста подключен анод первого дополнительного диода, катод которого подключен к положительному полюсу цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом к точке соединения резонансного дросселя и первого дополнительного ключа подключен анод второго дополнительного диода, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода. В указанном решении обеспечивается мягкое переключение при нулевом токе как основных ключей выпрямителя, так и дополнительного ключа. Недостатком данного изобретения является то, что включение основных транзисторов выпрямителя остается жестким, что значительно увеличивает динамические потери в схеме.
Еще одним недостатком данной схемы являются необходимость перезаряда конденсатора L-C контура при отпирании основных ключей, что значительно увеличивает потери проводимости.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в следующем.
1. Условия мягкого переключения основных ключей выпрямителя и дополнительных ключей вспомогательной цепи при широком изменении тока нагрузки обеспечивается выбором необходимых номиналов дополнительных элементов схемы в соответствии с новыми установленными критериями.
2. Снижение коммутационных потерь в основных ключах схемы при их запирании в режиме нулевого напряжения обеспечивается относительно медленным изменением напряжения на данных ключах за счет подключения дополнительных конденсаторов.
3. Уменьшение потерь проводимости в основных ключах выпрямителя и дополнительных ключах вспомогательной цепи обеспечивается за счет снижения амплитуды тока в обратных диодах данных ключей при применении дополнительных конденсаторов.
Технический результат достигается тем, что трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением, содержит шесть основных ключей с обратно-параллельными диодами, соединенными по схеме трехфазного моста, к точкам фазы переменного тока которого через три входных дросселя подключена трехфазная сеть, и содержит вспомогательную цепь, подключенную между шинами моста на стороне постоянного тока, включающую последовательно-соединенные резонансный конденсатор, резонансный дроссель и первый дополнительный ключ с обратно-параллельным диодом, причем к отрицательной шине моста подключен отрицательный полюс цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, а к положительной шине моста подключен анод первого дополнительного диода, катод которого подключен к положительному полюсу цепи параллельно-соединенных фильтрового конденсатора и нагрузки, при этом к точке соединения резонансного дросселя и первого дополнительного ключа подключен анод второго дополнительного диода, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода, введены шесть дополнительных конденсаторов, каждый из которых включен параллельно основному ключу выпрямителя, и второй дополнительный ключ, подключенный параллельно второму дополнительному диоду.
На Фиг.1 представлен трехфазный активный выпрямитель с мягким переключением.
На Фиг.2 представлена схема прототипа.
На Фиг.3 представлена расчетные осциллограммы мягкого переключения основного ключа 3 выпрямителя (включение при нулевом напряжении и выключение при нулевом токе) и мягкого переключения основного ключа 5 выпрямителя (включение и выключение при нулевом напряжении).
Трехфазный активный выпрямитель содержит: шесть основных ключей 1, 2, 3, 4, 5 и 6 с обратно-параллельными диодами, которые соединены по схеме трехфазного моста 7, точки фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста, три входных дросселя 11, 12 и 13, трехфазную сеть 14, вспомогательную цепь 15, положительную шину 16 и отрицательную шину 17 на стороне постоянного тока моста, резонансный конденсатор 18, резонансный дроссель 19, первый дополнительный ключ 20 с обратно-параллельным диодом, фильтровой конденсатор 21, нагрузку 22, положительный 23 и отрицательный 24 полюсы цепи 25 параллельного соединения фильтрового конденсатора и нагрузки, первый дополнительный диод 26, второй дополнительный диод 27, второй дополнительный ключ 28, шесть дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34.
Основные ключи 1, 3 и 5 образуют нечетную группу и подключены к положительной шине 16, а основные ключи 2, 4 и 6 образуют четную группу и подключены, соответственно, к отрицательной шине 17 на стороне постоянного тока трехфазного моста 7. Между основными ключами нечетной и четной групп расположены точки фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста 7. К точкам фазы 8, 9 и 10 через входные дроссели соответственно 11, 12 и 13 подключена трехфазная сеть 14. Резонансный конденсатор 18, резонансный дроссель 19 и первый дополнительный ключ 20 с обратно-параллельным диодом соединены последовательно и образуют вспомогательную цепь 15, подключенную между положительной шиной 16 и отрицательной шиной 17 на стороне постоянного тока трехфазного моста 7. К отрицательной шине 17 моста 7 подключен отрицательный полюс 24 цепи 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22, а к положительной шине 16 моста 7 подключен анод первого дополнительного диода 26, катод которого подключен к положительному полюсу 23 цепи 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22. К точке соединения резонансного дросселя 19 и первого дополнительного ключа 20 подключен анод второго дополнительного диода 27, катод которого подключен к катоду первого дополнительного диода 26. В выпрямитель введены шесть дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34, каждый из которых включен параллельно основным ключам моста 7, т.е. соответственно к ключам 1, 2, 3, 4, 5 и 6, и второй дополнительный ключ 28, подключенный параллельно второму дополнительному диоду 27.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Активный выпрямитель выполняется по схеме трехфазного моста 7 и по существу представляет собой обращенный автономный инвертор напряжения, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Так же, как и автономный инвертор, активный выпрямитель инвертирует постоянное напряжение фильтрового конденсатора 21 в импульсное напряжение в точках фазы 8, 9 и 10 на стороне переменного тока моста 7. Точки фазы 8, 9 и 10 связаны с питающей сетью 14 через входные дроссели 11, 12 и 13. Рабочая частота напряжения в точках фазы 8, 9 и 10 активного выпрямителя постоянна и равна частоте питающей сети.
При использовании режима ШИМ импульсное напряжение, формируемое активным выпрямителем на стороне переменного тока, имеет улучшенный гармонический состав, в котором первая гармоника и высшие гармоники существенно различаются по частоте. Фильтрация высших гармоник тока, потребляемого из питающей сети, обеспечивается входными дросселями 11, 12 и 13. При этом из сети 14 потребляется практически синусоидальный ток.
В настоящее время широкое применение находит такой способ управления трехфазной мостовой схемой как векторная ШИМ. Формирование базовых векторов фазных напряжений активного выпрямителя происходит за счет последовательного перехода из одного в другое восьми различных состояний его ключей, шесть из которых образуют граничные векторы, а два нулевые.
При реализации векторной ШИМ каждая из фаз 8, 9 и 10 поочередно становится пассивной в одном из шести секторов, размером в 60°, образуемых парой граничных векторов. При этом коммутация ключей в пассивной фазе не происходит.
Рассмотрим процессы коммутации ключей активного выпрямителя в одном из таких секторов. Пусть ток в фазе 8 является максимальным и протекает в направлении от источника питающей сети. Соответственно два других тока в фазе 9 и в фазе 10 будут иметь противоположное направление к источнику питающей сети. Тогда для выпрямительного режима в трехфазной мостовой схеме указанные фазные токи будут протекать через обратно-параллельные диоды основных ключей - соответственно в ключе 1, ключе 4 и ключе 6. Состояние ключей выпрямителя при этом будет соответствовать комбинации PNN.
Поскольку ток в фазе 8 для выбранного примера является максимальным, то данная фаза остается пассивной. Тогда указанная комбинация ключей должна последовательно переходить в состояние PNP с применением нулевого вектора РРР. При этом алгоритм переключения ключей будет следующим:
- происходит синхронное отпирание ключей 3 и 5, при этом обратно-параллельные диоды ключей 4 и 6 запираются и граничный вектор PNN преобразуется в нулевой вектор РРР;
- запирается ключ 3 и образуется смежный граничный вектор PNP;
- запирается ключ 5 и образуется начальный вектор PNN.
Далее процесс повторяется в течении трети периода выходной частоты фазного напряжения выпрямителя, т.е. внутри сектора размером в 60°, при соответствующем изменении коэффициентов заполнения для граничных векторов.
Вспомогательная цепь 15 позволяет проводить представленные коммутации основных ключей 3 и 5 в режимах мягкого переключения: т.е. либо при нулевом напряжении, либо при нулевом токе.
Ф8
При выключенном начальном состоянии основных ключей 3 и 5 ток фазы 8, обозначенный как ток I, будет протекать через обратно-параллельный диод основного ключа 1 и первый дополнительный диод 26 в цепь 25 параллельно-соединенных фильтрового конденсатора 21 и нагрузки 22, обеспечивая нагрузку энергией от питающей сети.
Перед тем как включиться основным ключам 3 и 5, включается второй дополнительный ключ 28. Резонансный конденсатор 18 заряжен до начального напряжения  с положительной полярностью на его верхней обкладке (значение этого напряжения будет определено ниже). Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:
где ρ - характеристическое сопротивление последовательного L-C контура.
Начальное напряжение на конденсаторах 30, 31 и 33, включенных параллельно запертым основным ключам 2, 3 и 5 равно напряжению на фильтровом конденсаторе 21, обозначенному как E.
Ф8
Начинается колебательный процесс нарастания тока в L-C контуре. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на резонансном конденсаторе 18. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током I, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток резонансного дросселя 19 достигает значения тока фазы 8  происходит выключение первого дополнительного диода 26. При этом напряжение на конденсаторе 18 оказывается равным:
После выключения первого дополнительного диода 26 между последовательным L-C контуром и дополнительными конденсаторами 30, 31 и 33, включенными параллельно запертым основным ключам 2, 3 и 5, начинается квазирезонансный процесс.
Установим критерий мягкого включения ключей 3 и 5 при нулевом напряжении.
C18
Дополнительные конденсаторы 30, 31 и 33 полностью разряжается с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности дросселя 19 накоплена энергия не менее той, что соответствует току фазы 8 (т.е. ), а напряжение на конденсаторе 18 U(t) на интервале квазирезонансного процесса удовлетворяет неравенству:
С
где: U(0) - начальное напряжение на конденсаторах 30, 31 и 33.
С
Учитывая, что U(0)=Е, условие (3) можно переписать в виде:
Т.о. напряжение на конденсаторе 18 на интервале перезаряда конденсаторов 30, 31 и 33 должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения на фильтровом конденсаторе 21.
После полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 ключи 3 и 5 могут быть синхронно включены при нулевом напряжении.
Напряжение на резонансном конденсаторе 18 после полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 становится равным:
p
где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе 18 на интервале Δt перезаряда конденсаторов 30, 31 и 33.
Ток в дросселе 19 после полного разряда конденсаторов 30, 31 и 33 становится равным:
p
где ΔI - изменение тока в резонансном дросселе 19 на интервале Δt.
При подключении дополнительных конденсаторов 30, 31 и 33:
где ;
0
C - величина емкости одного дополнительного конденсатора.
После включения основных ключей 3 и 5 при нулевом напряжении ток в дросселе 19 начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключах 3 и 5 нарастать. Когда суммарный ток ключей 3 и 5 достигает тока фазы 8, ток дросселя 19 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе 18 при этом изменяет полярность и оказывается равным:
После включения основных ключей 3 и 5 при открытом встречно-параллельном диоде ключа 1 наступает интервал зарядки энергией входных дросселей 11, 12 и 13 от питающей трехфазной сети 14.
Поскольку полярность напряжения на резонансном конденсаторе 18 изменилась на обратную по сравнению с начальной, то при включении в соответствующий момент времени первого дополнительного ключа 20 можно обеспечить выключение основного ключа 3 при нулевом токе, если выполняется условие:
После включения ключа 20 ток колебательного L-C контура начинает нарастать встречно току ключей 3 и 5. При выполнении неравенства (10) нарастающий ток контура обеспечивает включение обратно-параллельных диодов основных ключей 3 и 5. Достигнув максимума, ток колебательного контура начинает спадать. Очевидно, что ключ 3 может быть выключен при нулевом токе до момента времени пока не произойдет запирание его встречно-параллельного диода.
Отметим, что в момент времени, когда ток резонансного дросселя 19 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 18 вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного
Для обеспечения устойчивости циклов мягкой коммутации ключей 3 и 5 необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью после выключения основного ключа 3 при нулевом токе первый дополнительный ключ 20 оставляют открытым в течении некоторого интервала времени. Ток в L-C контуре после выключения основного ключа 3 продолжает уменьшаться. Но данный спад продолжается только до величины тока фазы 9. Поскольку напряжение на резонансном конденсаторе 18 при этом меньше напряжения на фильтровом конденсаторе 21, равном Е, дополнительный диод 26 остается в выключенном состоянии Т.о. единственный путь для замыкания тока фазы 9 - через последовательный L-C контур. При этом ток фазы 9 будет заряжать конденсатор 18. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения Е открывается диод 26, и в колебательном L-C контуре начинается еще один квазирезонансный процесс, после которого напряжение на резонансном конденсаторе 18 устанавливается равным начальному:
После запирания основного ключа 3 и отпирания первого дополнительного диода 26 цепь нагрузки начинает потреблять разность токов фазы 8 и фазы 10, т.е. ток равный току фазы 9. Тогда запирание основного ключа 5 можно провести при нулевом напряжении за счет медленного изменения напряжения на данном ключе после его запирания при подключении дополнительных конденсаторов соответствующей емкости.
Таким образом, в рассматриваемом устройстве за один полный цикл процесса происходит мягкое синхронное включение основных ключей 3 и 5 при нулевом напряжении, затем мягкое выключение ключа 3 при нулевом токе и последующее мягкое выключение ключа 5 при нулевом напряжении.
После определения начального напряжения  на конденсаторе 18 в соответствии с (11) можно выбрать значения элементов L-C контура вспомогательной схемы, при которых будет выполняться критерий мягкого переключения основных ключей 3 и 5.
Используя уравнения (2) и (4) можно установить, что критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление L-C контура  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 токи фаз 8, 9 и 10, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения (12) и (13). Поэтому выбор номиналов дополнительных элементов схемы удовлетворяющих указанным ограничениям следует проводить для максимального тока нагрузки. Для всех других значений тока ниже максимального условия мягкого переключения основных транзисторов будут выполняться автоматически.
Динамические процессы в дополнительных ключах 20 и 28 рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре. В дополнительных ключах 20 и 28 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 интервалах времени, то используются ключи, среднее значение тока которых в несколько раз меньше, чем в основных ключах. По этой причине выходные емкости дополнительных ключей относительно невелики.
Применение дополнительных конденсаторов 29, 30, 31, 32, 33 и 34 приводит к большему разряду резонансного конденсатора 18, т.е. напряжение  уменьшается. С одной стороны, это несколько усложняет выполнение критерия выключения основного ключа 3 при нулевом токе. Однако при этом уменьшаются дополнительные потери проводимости в основных и дополнительных ключах, поскольку одновременно снижаются амплитуды токов в обратных диодах данных ключей на этапах их мягкого выключения.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и др.).
Пример конкретного исполнения предложенного устройства.
Напряжение на фильтровом конденсаторе 21 Е=640 В.
Ф8
Ток фазы 8 I=100 А.
Ф9
Ток фазы 9 I=60 А.
Ф10
Ток фазы 10 I=40 А.
Основные ключи 1, 2, 3, 4, 5 и 6 - силовой модуль (трехфазный мост), класс напряжения 1200 В, средний ток 100 А.
Дополнительные ключи 20 и 28, а также дополнительный диод 27 - силовой модуль (полумост), класс напряжения 1200 В, средний ток 50 А, импульсный ток 500 А.
Дополнительный диод 26 - высокочастотный диод, класс напряжения 1200 В, средний ток 50 А, импульсный ток 500 А.
Резонансный дроссель 19 в - индуктивность 1,5 мкГн.
Резонансный конденсатор 18 - емкость 1,5 мкФ, напряжение 1000 В.
Дополнительные конденсаторы 29, 30, 31, 32, 33 и 34 - емкость 47 нФ, напряжение 1000 В.
Моделирование предложенного устройства проведено в программе расчета электронных схем PSpice.
На Фиг.3 представлены расчетные осциллограммы мягкого переключения основного ключа 3 выпрямителя (включение на нулевое напряжение и выключение на нулевой ток) и основного ключа 5 выпрямителя (включение и выключение на нулевое напряжение).
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 500 В/дел.
Ток - 100 А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 20 мкс/дел.
5
Канал 1 - напряжение U на ключе 5.
5
Канал 2 - ток I в ключе 5.
3
Канал 3 - напряжение U на ключе 3.
3
Канал 4 - ток I в ключе 3.