直流母线上无辅助开关的谐振直流环节软开关逆变器的研究

One auxiliary switch is usually set on the DC bus of resonant DC link inverter, which restricts efficiency improvement. That is also one reason why resonant DC link inverter is not applied in the high-power field. To solve the problem, this project proposes a novel topology of resonant DC link soft-switching inverter. Auxiliary switches and resonant elements are not on the DC bus of the novel topology, which is helpful to reduce loss of auxiliary resonant circuit and improve efficiency. The main research contents include: The phase-plane analysis technique is established for the novel resonant DC link inverter in order to study transient dynamics, soft-switching condition and design rule. Objective function of auxiliary resonant circuit loss is established to realize efficiency optimization, by designing optimum parameters of resonant elements which makes objective function take minimum value; The mathematical model for voltage deviation of voltage dividing capacitors is established to explore the method of reducing voltage deviation, which can overcome change of neutral point potential and ensure normal operation of the circuit; Space vector pulse width modulation which is suitable for resonant DC link inverter is studied in order that six switches of a three-phase inverter can be turned on under the ZVS condition while an auxiliary resonance is required only once in every switching period. By the above research, the loss of auxiliary resonant circuit can be reduced to provide key theory and technical support for high power utilization ratio.

谐振直流环节逆变器的直流母线上通常设置了一个辅助开关器件，制约了其效率提高，这也是其在高功率领域应用推广不多的原因之一。为解决这一问题，本项目提出了一种新型谐振直流环节软开关逆变器拓扑结构，其直流母线上没串联辅助开关器件和谐振元件，有助于降低辅助谐振电路的损耗和提高效率。主要研究内容包括：采用相平面分析法来研究拓扑结构的动力学行为、软开关条件以及设计规则，并建立起辅助谐振电路损耗的目标函数，设计最优谐振元件参数值使损耗的目标函数取最小值，实现效率优化；建立分压电容的电压偏差量的数学模型，探索降低分压电容电压偏差量的方法，来减小逆变器中性点电位的变化，保证电路的正常工作；研究适合于谐振直流环节逆变器的空间矢量脉宽控制方法，使每个开关周期只需要一次辅助谐振电路的谐振，实现逆变器的三个桥臂的开关管的零电压开关。通过以上研究，来降低辅助谐振电路的能耗，为保障电能高效利用提供关键理论与技术支持。

我们承担的“直流母线上无辅助开关的谐振直流环节软开关逆变器的研究”（51207069）青年科学基金项目按照原定计划顺利完成。在没有对原计划做出调整的基础上，顺利圆满完成。在EI检索的期刊上发表论文16篇，申请国家发明专利1项（已公开）。我们对谐振直流环节软开关逆变器在理论和应用方面进行了深入的研究，取得的主要学术成果包括：.1.针对设置在直流母线上的辅助开关制约了谐振直流环节逆变器的效率提高这一问题，提出一种直流母线上无辅助开关的新型谐振直流环节软开关逆变器的拓扑结构，谐振电感和辅助开关器件没有串联在直流母线上，都位于直流母线的并联支路上，有利于降低辅助谐振电路的损耗。.2.研究了该新型逆变器的软开关动作机理，使用相平面分析法研究了该新型拓扑结构的动力学行为、软开关条件以及设计规则。.3.以降低辅助谐振电路损耗为目标，建立了辅助谐振电路功率损耗的数学模型，分析了电路参数与辅助电路功率损耗之间的变化关系，为降低辅助电路损耗提供了理论依据。.4.以减小分压电容的电压偏差量为目标，建立了一个开关周期内，分压电容的电压偏差量的数学模型，分析了电路参数与电容电压偏差量之间的变化关系，为降低电压偏差量提供了理论依据。.5.相比于硬开关逆变器，为了使本项目提出的软开关逆变器在满载时的效率提高值不低于轻载的效率提高值，建立了效率提高值的数学模型，分析了效率提高值与电路参数之间的变化关系，为实现满载时的效率提高值不低于轻载的效率提高值提供了理论依据。.6.研究了适合于谐振直流环节逆变器的新型SVPWM控制策略，确定出该新型控制策略的一般规律。该新型SVPWM控制策略的思路是根据逆变器三相负载电流的方向，在每个扇区中引入新的电压矢量来代替零电压矢量，使三相逆变器桥臂上需要零电压开通的主开关在每个开关周期的初始时刻同时开通，这样在每个开关周期只需要一次辅助谐振电路的谐振就可以实现逆变器三个桥臂上的开关管的零电压开关，通过减少谐振网络的工作次数来降低辅助谐振电路的能耗。.7. 利用MATLAB\Simulink仿真软件为工具，构建了该谐振直流环节逆变器的仿真平台，依据计算机仿真对理论进行了验证，在此基础上搭建了该谐振直流环节逆变器的实验平台，验证了本项目所提出的拓扑结构的有效性。