ТРЕХУРОВНЕВЫЙ 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.
Известна схема трехуровневого инвертора, в которой обеспечивается мягкое включение и выключение четырех основных транзисторов в каждой фазе инвертора с помощью четырех дополнительных ключей, параллельного коммутирующего дросселя и дополнительных конденсаторов, подключенных параллельно основным ключам (см. US 6205040 В1, 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.
Известно техническое решение (см. US 6337801 В2, 08.01.2002), в котором мягкое выключение основных ключей трехфазного инвертора реализуется при нулевом токе и не требует применения дополнительных параллельных конденсаторов. Однако и включение основных транзисторов в данной схеме происходит при нулевом токе, что не позволяет провести предварительный разряд напряжения на выходных емкостях данных транзисторов и приводит к росту коммутационных потерь.
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 четырех последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки.
В указанном решении обеспечивается мягкое включение и мягкое выключение на нулевой ток как основных, так и дополнительных ключей. Однако мягкое включение основных ключей на нулевой ток не обеспечивает предварительный разряд напряжения на выходных емкостях данных транзисторов и приводит к росту коммутационных потерь.
Скорость изменения напряжения на основных ключах в схеме прототипа относительно велико, что увеличивает коммутационные потери на этапах установления. Недостатком данной схемы являются также высокочастотные помехи по напряжению, возникающие при выключении основных ключей.
Еще одним недостатком данной схемы являются необходимость перезаряда конденсатора L-G контура при включении каждого из 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 вспомогательных элементов схемы в соответствии с вновь установленными критериями.
2. Снижение коммутационных потерь в основных ключах схемы на этапах установления обеспечивается относительно медленным изменением напряжения на данных ключах за счет подключения дополнительных конденсаторов.
3. Уменьшение дополнительных потерь проводимости в основных и дополнительных ключах схемы обеспечивается за счет снижения амплитуды тока в обратных диодах данных ключей на этапах мягкого выключения при применении дополнительных конденсаторов. 4.
4. Исключение высокочастотных помех при выключении основных ключей схемы обеспечивается изменением резонансной частоты между выходными емкостями данных ключей и элементами последовательного L-C контура схемы при подключении дополнительных конденсаторов.
Технический результат достигается тем, что в трехуровневый инвертор с мягким переключением, включает стойку из четырех последовательно-соединенных основных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов, каждая из которых расположена между положительной и отрицательной шиной питания, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов, катод которой подключен к точке соединения верхней пары ключей в стойке основных ключей, а анод к точке соединения нижней пары ключей в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей, стойки фильтровых конденсаторов и стойки фиксирующих диодов подключены к общей шине питания, инвертор включает два последовательных L-C контура, первый из которых включен между точкой соединения верхней пары ключей в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов, а второй между точкой соединения нижней пары ключей в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов, источник тока нагрузки, первый полюс которого подключен к средней точке стойки основных ключей, а второй полюс к точке нейтрали нагрузки, введены три дополнительных конденсатора, первый из которых подключен параллельно верхнему ключу в стойке основных ключей, второй параллельно нижнему ключу в стойке основных ключей, а третий расположен между средними точками стойки фиксирующих диодов и стойки основных ключей.
На Фиг.1 представлена схема прототипа.,
На Фиг.2 представлен предложенный трехуровневый инвертор с мягким переключением.
На Фиг.3 представлена эквивалентная полумостовая схема с основными ключами 1 и 3.
На Фиг.4 представлена эквивалентная полумостовая схема с основными ключами 4 и 2.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 1 инвертора.
На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 3 инвертора.
На Фиг.7 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения дополнительного ключа 5 инвертора.
Полупроводниковое устройство (фиг.2) содержит стойку из четырех последовательно-соединенных основных ключей 1, 2, 3 и 4 со встречно-параллельными диодами, стойку из четырех последовательно-соединенных дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8 со встречно-параллельными диодами, стойку из двух последовательно-соединенных фильтровых конденсаторов 9 и 10, стойку из двух последовательно-соединенных фиксирующих диодов 11 и 12, положительную 13 и отрицательную 14 шины питания, общую шину 15, два последовательных L-C контура 16 и 17, первый из которых содержит дроссель 18 и конденсатор 19, а второй содержит дроссель 20 и конденсатор 21, источник тока нагрузки 22, точку нейтрали нагрузки 23, три дополнительных конденсатора 24, 25 и 26.
Стойка основных ключей 1, 2, 3 и 4, стойка дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8, а также стойка фильтровых конденсаторов 9 и 10 расположены между положительной 13 и отрицательной 14 шиной питания. Катод стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключен к точке соединения верхней пары ключей 1 и 2 в стойке основных ключей, а анод стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключен к точке соединения нижней пары ключей 3 и 4 в стойке основных ключей, при этом средние точки стойки дополнительных ключей 5, 6, 7 и 8, стойки фильтровых конденсаторов 9 и 10 и стойки фиксирующих диодов 11 и 12 подключены к общей шине питания 15. Последовательный L-C контур 16, включен между точкой соединения верхней пары ключей 5 и 6 в стойке дополнительных ключей и катодом стойки фиксирующих диодов 11 и 12, а последовательный L-C контура 17 между точкой соединения нижней пары ключей 7 и 8 в стойке дополнительных ключей и анодом стойки фиксирующих диодов 11 и 12. Первый полюс источника тока нагрузки 22 подключен к средней точке стойки основных ключей 1, 2, 3 и 4, а второй полюс источника тока нагрузки 22 к точке нейтрали нагрузки 23. Первый дополнительный конденсатор 24 подключен параллельно верхнему ключу 1 в стойке основных ключей, второй дополнительный конденсатор 25 подключен параллельно нижнему ключу 4 в стойке основных ключей, а третий дополнительный конденсатор 26 расположен между средними точками стойки фиксирующих диодов 11 и 12 и стойки основных ключей 1, 2, 3 и 4.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Для упрощения описания работы преложенное устройство представлено на фиг.3 и фиг.4. Для формирования фазового напряжения нагрузки с требуемым гармоническим составом используется широтно-импульсная модуляция (ШИМ) при переключении основных транзисторов 1, 2, 3 и 4. При этом ширина импульсов проводимости основных транзисторов модулируется в пределах каждого периода выходной частоты инвертора по определенному закону. В трехуровневой схеме инвертора наибольшее распространение получила концепция ШИМ, основанная на синфазности опорных сигналов несущей частоты, известная в английской аббревиатуре как Phase-Disposition. При данном принципе управления работа трехуровневой схемы сводится к последовательной по времени работе двух эквивалентных полумостовых схем, в первой из которых ток нагрузки коммутируется между ключами 1 и 3 (Фиг.3), а во второй между ключами 4 и 2 (Фиг.4). При этом роль противофазных диодов для ключей 1 и 4 выполняют фиксирующие диоды, соответственно, диод 11 и диод 12. А для ключей 3 и 2 противофазными являются встречно-параллельные диоды, соответственно, ключей 1 и 4.
Тогда мягкая коммутация в каждой из полумостовых схем может быть обеспечена с помощью двух последовательно-соединенных дополнительных ключей, подключаемых параллельно шинам питания полумоста, и последовательного L-C контура, подключаемого между средними точками соединения основных ключей полумостовой схемы и указанных дополнительных ключей.
Рассмотрим мягкую коммутацию в эквивалентной полумостовой схеме (Фиг.3) с ключами 1 и 3, которая происходит на интервале проводимости от нуля до π-φ (где ф - угол сдвига фазного напряжения и тока).
Источником питания данного полумоста является фильтровой конденсатор 9. Между шинами питания полу мостовой схемы включены дополнительные ключи 5 и 6. Последовательный L-C контур 16 подключен между средней точкой соединения дополнительных ключей 5 и 6 и точке соединения основных ключей полумоста 1 и 3. Заметим, что точка соединения основных ключей 1 и 3 образуется в результате открытого состояния ключа 2, который остается в данном состоянии на всем интервале работы указанной полумостовой схемы.
Предположим, что ток нагрузки 22 равен /я и протекает от точки соединения ключей 1 и 3 к точке нейтрали нагрузки 23. При выключенном основном транзисторе 1 данный ток замыкается на фиксирующий диод 11, который является противофазным по отношению к транзистору 1. При этом дополнительный конденсатор 24, включенный параллельно ключу 1, заряжен до напряжения питания полумоста, равного напряжению на фильтровом конденсаторе. Обозначим данное напряжение символом Е. Другой дополнительный конденсатор 26, который через диод 12 включен параллельно ключу 3, разряжен практически до нуля.
o
+
Перед тем как включиться основному ключу 1, включается дополнительный ключ 6. Конденсатор 19 контура 16 заряжен до начального напряжения U с положительной полярностью на его левой обкладке. Указанное начальное напряжение соответствует неравенству:
где ρ - характеристическое сопротивление L-С контура 16.
Начинается колебательный процесс нарастания тока в контуре 16. При достижении данным током своего максимума происходит смена полярности напряжения на конденсаторе 19 контура. Половину периода резонансной частоты ток контура совпадает по направлению с током нагрузки, а затем изменяет направление на противоположное. Когда ток дросселя 18 в контуре 16 достигает значения тока нагрузки  происходит выключение фиксирующего диода 11. При этом напряжение на конденсаторе 19 оказывается равным:
После выключения фиксирующего диода 11 между последовательным L-С контуром 16 и дополнительными конденсаторами 24 и 26 начинается квазирезонансный процесс.
Установим критерий мягкого включения ключа 1 на нулевое напряжение.
Дополнительный конденсатор 24, включенный параллельно ключу 1, полностью разряжается (соответственно дополнительный конденсатор 26 полностью заряжается до напряжения источника питания Е) с помощью квазирезонансного процесса, если в индуктивности дросселя 18 контура 16 накоплена энергия не менее той, что соответствует току нагрузки (т.е.  ), а напряжение на конденсаторе 19 Uc19(t) контура 16 на интервале перезаряда конденсаторов 24 и 26 удовлетворяет неравенству:
где: U<sub>C24</sub>(0) - начальное напряжение на конденсаторе 24.
,
C24
Учитывая, что U(0)=E, условие (3) можно переписать в виде:
Т.о. напряжение на конденсаторе 19 контура 16 на интервале перезаряда конденсаторов 24 и 26 должно оставаться на уровне не менее половины от величины напряжения питания полумоста.
Подключение дополнительных конденсаторов 24 и 26 позволяет увеличить амплитуду тока во встречно-параллельном диоде основного ключа 1, что снижает амплитуду напряжения динамического насыщения на данном ключе 1 в процессе последующего включения.
После полного разряда конденсатора 24 ключ 1 можно включить при нулевом напряжении.
Напряжение на конденсаторе 19 контура 16 после полного разряда конденсатора 24 становится равным:
где ΔU - изменение напряжения на конденсаторе 19 контура 16 на интервале Δtρ перезаряда конденсаторов 24 и 26.
Ток в дросселе 11 контура 10 после полного разряда выходной емкости транзистора 2 становится равным:
где ΔI - изменение тока в дросселе 18 контура 16 на интервале Δtρ. При отсутствии дополнительных конденсаторов 24 и 26 величины ΔU и ΔI можно считать практически равными нулю.
При подключении дополнительных конденсаторов:
где:
После включения основного ключа 1 на нулевое напряжение ток в дросселе 18 контура 16 начинает уменьшаться, а соответственно ток в ключе 1 - нарастать. Когда ток ключа 1 достигает тока нагрузки, ток дросселя 18 становится равным нулю. Напряжение на конденсаторе 19 контура 16 при этом оказывается равным:
Поскольку полярность напряжения на конденсаторе 19 контура 16 изменилась на обратную по сравнению с первоначальной, то при включении в соответствующий момент времени дополнительного ключа 5 можно обеспечить выключение основного ключа 1 при нулевом токе, если выполняется условие:
При этом ток колебательного контура 16 начинает нарастать встречно току нагрузки, проходящему через открытый ключ 1. В момент равенства тока контура и тока нагрузки включается встречно-параллельный диод основного ключа 1, через который затем протекает разность указанных токов. Очевидно, что выключение ключа 1 необходимо провести до того как вновь наступит равенство данных токов.
Подключение дополнительных конденсаторов 24 и 26 позволяет значительно снизить скорость изменения напряжения на основном ключе 1 после его выключения, что снижает амплитуду остаточного тока.
o
+
Отметим, что в момент времени, когда ток контура 16 достигает максимального значения, напряжение на конденсаторе 19 вновь изменяет свою полярность и затем увеличивается. Однако уровень данного напряжения значительно ниже первоначального, равного U
Для обеспечения устойчивости циклов мягкого переключения ключа 1 необходимо поднять уровень данного напряжения до исходной величины. С этой целью при выключении основного ключа 1 на нулевом токе дополнительный ключ 5 оставляют открытым. Ток в L-C контуре в момент выключения основного ключа 1 равен току нагрузки. Противофазный диод ключа 1 (т.е. фиксирующий диод 11) остается в выключенном состоянии, поскольку напряжение на конденсаторе 19 контура 16 много меньше напряжения питания Е. Т.о. единственный путь для замыкания тока нагрузки - через последовательный L-C контур 16. При этом ток нагрузки начинает заряжать конденсатор 19. Когда напряжение на указанном конденсаторе достигает напряжения питания Е открывается диод 11, и в колебательном контуре 16 начинается еще один квазирезонансный процесс, после которого напряжение на конденсаторе 19 устанавливается равным начальному:
Отметим, что в процессе заряда конденсатора 19 током нагрузки одновременно происходит заряд выходной емкости ключа 1 и разряд выходной емкости диода 11. Если не подключать дополнительных конденсаторов 24 и 26, процесс перезаряда собственных емкостей ключа 1 и диода 11 будет происходить на уровне сильных помех, обусловленных высокочастотным резонансом между данными емкостями и индуктивностью дросселя 18 контура 16. Применение дополнительных конденсаторов 24 и 26 соответствующей емкости позволяет практически исключить высокочастотные помехи.
0
+
После определения начального напряжения U  конденсаторе 19 можно выбрать значения дополнительных L-C элементов схемы, при которых будет выполняться критерий включения основного ключа 1 на нулевое напряжение и критерий его выключения на нулевой ток.
Используя уравнения (2) и (4) можно установить, что критерий нулевого напряжения выполняется, если характеристическое сопротивление 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 ток нагрузки, тем сложнее выполнить критерии мягкого переключения. 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 5 и 6 рассматриваемого устройства также носят мягкий характер, поскольку изменение тока в указанных транзисторах определяется плавным изменением тока в колебательном L-C контуре. В дополнительных ключах 5 и 6 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.
Применение дополнительных конденсаторов 24 и 26 приводит к большему разряду конденсатора 19 контура 16. С одной стороны, это несколько усложняет выполнение критерия выключения основного ключа 1 на нулевой ток. 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 выключени. С изменением направления тока нагрузки, т.е. при его протекании от точки нейтрали нагрузки 23 к точке соединения ключей 1 и 3, при выключенном основном ключе 3 данный ток будет замыкаться на встречно-параллельный диод основного ключа 1. Аналогично рассмотренным этапам мягкого переключения основного ключа 1 теперь можно проводить мягкую коммутацию тока нагрузки при переключении основного ключа 3. С этой целью перед включением ключа 3 отпирают дополнительный ключ 5. Тогда в предложенном устройстве протекают процессы, аналогичные ранее рассмотренным, за одним исключением. При квазирезонансном перезаряде дополнительных конденсаторов 24 и 26 не происходит разряда собственной выходной емкости основного ключа 3. Это связано с тем, что ключ 3 на данном временном интервале отделен от квазирезонансной цепи посредством фиксирующего диода 12, который в процессе перезаряда дополнительных конденсаторов 24 и 26 находится в запертом состоянии. Поэтому можно говорить о мягком включении основного ключа 3 только в режиме нулевого тока. Это несколько увеличивает коммутационные потери. Однако, следует отметить, что количество мягких коммутаций основного ключа 3 много меньше, чем основного ключа 1.
Далее перед выключением основного ключа 3 включают дополнительный ключ 6, что обеспечивает условия для выключения ключа 3 при нулевом токе.
Мягкая коммутация в эквивалентной полумостовой схеме с ключами 4 и 2 (Фиг.4) происходит на интервале проводимости от (π-φ) до 2π. Все процессы в данном полумосте аналогичны (рассмотренным ранее для эквивалентной полумостовой схемы с основными ключами 1 и 3 (Фиг.3).
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 двенадцати основных ключей в трехфазной схеме.
Принцип работы устройства и критерии мягкого переключения не изменяются при применении различных типов ключей (МДП, IGBT, IGCT и
др.).
Пример конкретного исполнения предложенного устройства на IGBT.
Напряжение источника питания инвертора 2Е=640В (на каждом их фильтровых конденсаторов напряжение E=320В).
H
Ток нагрузки I=100А.
Основные ключи 1, 2, 3 и 4, а также фиксирующие диоды 11 и 12 -силовой модуль (трехфазный мост для трехуровневого инвертора с фиксированной нулевой точкой), класс напряжения 600 В, средний ток ГООА.
Дополнительные ключи 5, 6, 7 и 8 - силовой модуль (трехфазный мост), класс напряжения 600 В, средний ток 50А, импульсный ток 400А.
Дроссели 18 и 20 в последовательных L-C контурах 16 и 17 -индуктивность О.6 мкГн.
Конденсаторы 19 и 21 в последовательных L-C контурах 16 и 17 -емкость 1 мкФ, напряжение 630 В.
Дополнительные конденсаторы 24, 25 и 26 - емкость 22нФ, напряжение 630В.
Моделирование предложенного устройства проведено в программе расчета электронных схем PSpice.
На Фиг.5 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 1 устройства (включение на нулевое напряжение и выключение на нулевой ток).
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100В/дел.
Ток - 100А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.
На Фиг.6 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения основного ключа 3 устройства (включение и выключение на нулевой ток).
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100В/дел.
Ток - 100А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 100 мкс/дел.
На Фиг.7 представлена расчетная осциллограмма мягкого переключения дополнительного ключа 5 устройства (включение и выключение на нулевой ток).
Масштаб по вертикали:
Напряжение - 100В/дел.
Ток - 100А/дел.
Масштаб по горизонтали:
Время - 2 мкс/дел.