零电流软开关技术的新型辅助逆变电源

摘要

本发明涉及为动车组辅助负载提供三相工频电源的辅助逆变电源，具体为一种零电流开关技术的辅助逆变电源。解决现有动车组辅助逆变电源开关损耗过大、电磁环境影响自身以及其它设备工作的问题。包括高压斩波电路、整流电路和逆变电路，高压斩波电路包括第一至第四IGBT、第一至第四电容、第一至第二变压器，整流电路包括分别由第一至第四二极管、第五至第八二极管构成且输出端相互串联的两个整流桥，两个整流桥的输出端分别并联有由电容和IGBT构成的串联支路。本发明斩波电路中的IGBT的开关时刻均是在电流为零时进行的，因而可以使IGBT器件的开关损耗接近于零损耗，同时也有效降低了电磁干扰。

权利要求

1.一种零电流软开关技术的辅助逆变电源，包括高压斩波电路、整流电路和逆变电路，其特征为：高压斩波电路包括第一至第四IGBT（1、2、3、4）、第一至第四电容（5、6、7、8）、第一至第二变压器（9、10），第一至第四IGBT相互串联并经过耦合电抗器（11）连接于直流电源两端，第一和第二电容（5、6）相互串联后再并联于第一和第二IGBT（1、2）两端，第三和第四电容（7、8）相互串联后再并联于第三和第四IGBT （3、4）两端，第一变压器（9）的原级线圈的一端连接于第一和第二电容（5、6）之间的连接节点处，第一变压器（9）的原级线圈的另一端连接于第一和第二IGBT （1、2）之间的连接节点处，第二变压器（10）的原级线圈的一端连接于第三和第四电容（7、8）之间的连接节点处，第二变压器（10）的原级线圈的另一端连接于第三和第四IGBT（ 3、4）之间的连接节点处；整流电路包括分别由第一至第四二极管（12、13、14、15）、第五至第八二极管（16、17、18、19）构成的两个整流桥，两个整流桥的输入端分别与第一变压器（9）和第二变压器（10）的次级线圈相连，由第一至第四二极管（12、13、14、15）构成的整流桥的直流输出负极端与由第五至第八二极管（16、17、18、19）构成的整流桥的直流输出正极端相连，由第一至第四二极管（12、13、14、15）构成的整流桥的直流输出正极端和由第五至第八二极管（16、17、18、19）构成的整流桥的直流输出负极端作为整流电路的两个直流输出端；第一至第四二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第五电容（20）和第五IGBT（21）构成的串联支路，第五IGBT（21）的发射极和集电极之间反并联有二极管，第五至第八二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第六电容（22）和第六IGBT（23）构成的串联支路，第六IGBT（23）的发射极和集电极之间反并联有二极管；逆变电路连接于整流电路的两个直流输出端，所述的逆变电路由第七IGBT至第十二IGBT（24、25、26、27、28、29）构成，并且构成逆变电路的第七IGBT至第十二IGBT的发射极和集电极之间分别反并联有二极管。

说明书

零电流软开关技术的新型辅助逆变电源

技术领域

[0001] 本发明涉及逆变电源，特别涉及为动车组辅助负载提供三相380V 50Hz工频电源的辅助逆变电源，具体为一种零电流开关技术的新型辅助逆变电源。

背景技术

[0002] 随着电力电子技术的迅速发展，电力开关器件已经由普通晶闸管发展到现在的高耐压大电流IGBT，电子产品已经由分立器件发展到现在的大规模集成电路，推动变流器向着高性能、高频、大容量的方向迅速发展。虽然现有变流器可以实现电源变换的功能，但大都存在高频开关造成的开关损耗较高、装置的输入输出引线及周围产生电磁噪声、对其他设备产生干扰、输出谐波含量较高等方面缺点。

[0003] 现有的动车组辅助逆变电源同样存在开关损耗过大、电磁环境影响自身以及其它设备工作的问题，不适于目前高速动车组自身的要求。

发明内容

[0004] 本发明解决现有动车组辅助逆变电源开关损耗过大、电磁环境影响自身以及其它设备工作的问题，提供一种零电流软开关技术的新型辅助逆变电源。

[0005] 本发明是采用如下技术方案实现的：零电流软开关技术的新型辅助逆变电源，包括高压斩波电路、整流电路和逆变电路，高压斩波电路包括第一至第四IGBT、第一至第四电容、第一至第二变压器，第一至第四IGBT相互串联（即相邻IGBT的集电极和发射极相连）并经过耦合电抗器连接于直流电源两端，第一和第二电容相互串联后再并联于第一和第二IGBT两端（即第一和第二电容的串联支路连接于第一IGBT的发射极和第二IGBT的集电极之间），第三和第四电容相互串联后再并联于第三和第四IGBT两端，第一变压器的原级线圈的一端连接于第一和第二电容之间的连接节点处，第一变压器的原级线圈的另一端连接于第一和第二IGBT之间的连接节点处（即第一IGBT的集电极与第二IGBT发射极的连接节点处），第二变压器的原级线圈的一端连接于第三和第四电容之间的连接节点处，第二变压器的原级线圈的另一端连接于第三和第四IGBT之间的连接节点处；整流电路包括分别由第一至第四二极管、第五至第八二极管构成的两个整流桥，两个整流桥的输入端分别与第一变压器和第二变压器的次级线圈相连，由第一至第四二极管构成的整流桥的直流输出负极端与由第五至第八二极管构成的整流桥的直流输出正极端相连，由第一至第四二极管构成的整流桥的直流输出正极端和由第五至第八二极管构成的整流桥的直流输出负极端作为整流电路的两个直流输出端；第一至第四二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第五电容和第五IGBT构成的串联支路，第五IGBT的发射极和集电极之间反并联有二极管，第五至第八二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第六电容和第六IGBT构成的串联支路，第六IGBT的发射极和集电极之间反并联有二极管；逆变电路连接于整流电路的两个直流输出端，所述的逆变电路由第七IGBT至第十二IGBT构成，并且构成逆变电路的第七IGBT至第十二IGBT的发射极和集电极之间分别反并联有二极管。工作时，耦合电抗器和第一至第四电容组成输入直流电源滤波器，用以滤除3600V DC中的交流分量；第一至第四IGBT 、第一和第二变压器组成串联的两个半桥斩波电路，将DC3600V 转换为频率为4K、幅值各为300V 的交流方波；第一至第八二级管组成两个串联整流桥构成的整流电路，用以将第一和第二变压器输出信号转换为开关频率为8K，幅值为600V 的直流电压；第五和第六IGBT 、第五和第六电容以及第一和第二变压器中的漏感组成谐振电路，用以实现变压器中电流信号的快速过零；整流电路输出的直流电压经逆变电路成为所需的三相交流电。 [0006] 本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源，其斩波电路中的IGBT的开关时刻均是在电流为零时进行的，因而可以使IGBT器件的开关损耗接近于零损耗，保证斩波电路的效率在技术要求的范围内，同时也有效降低了IGBT器件在开关时输入输出部件的电磁噪声和对周围电器部件的电磁干扰，保证了电磁兼容性能在技术要求范围。由于解决了开关损耗问题，因此开关频率可以提升到4K，降低输出电源的谐波含量，满足逆变器对直流输入电源的要求。

[0007] 本发明通过运用零电流（ZCS）软开关技术完成直流3600V到三相交流 400V输出，输出电压范围可以达到400V±5%，频率范围可以达到50Hz±2%，谐波含量小于10%；通过零电流（ZCS）软开关技术使电磁干扰满足EN50121-3-2(2000)中的要求。

附图说明

[0008] 图1为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路原理图； [0009] 图2为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路半个运行周期在T1时刻的工作状态图；

[0010] 图3为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路半个运行周期在T2时刻的工作状态图；

[0011] 图4为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路半个运行周期在T3时刻的工作状态图；

[0012] 图5为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路半个运行周期在T4时刻的工作状态图；

[0013] 图6为本发明所述的零电流软开关技术的新型辅助逆变电源的电路半个运行周期在T5时刻的工作状态图。

具体实施方式

[0014] 零电流软开关技术的新型辅助逆变电源，包括高压斩波电路、整流电路和逆变电路，高压斩波电路包括第一至第四IGBT1、2、3、4、第一至第四电容5、6、7、8、第一至第二变压器9、10，第一至第四IGBT相互串联（即相邻IGBT的集电极和发射极相连）并经过耦合电抗器11连接于直流电源两端，第一和第二电容5、6相互串联后再并联于第一和第二IGBT1、2两端（即第一和第二电容5、6的串联支路连接于第一IGBT 1的发射极和第二IGBT 2的集电极之间），第三和第四电容7、8相互串联后再并联于第三和第四IGBT 3、4两端，第一变压器9的原级线圈的一端连接于第一和第二电容5、6之间的连接节点处，第一变压器9的原级线圈的另一端连接于第一和第二IGBT 1、2之间的连接节点处（即第一IGBT 1的集电极与第二IGBT 2发射极的连接节点处），第二变压器10的原级线圈的一端连接于第三和第四电容7、8之间的连接节点处，第二变压器10的原级线圈的另一端连接于第三和第四IGBT 3、4之间的连接节点处；整流电路包括分别由第一至第四二极管12、13、14、15、第五至第八二极管16、17、18、19构成的两个整流桥，两个整流桥的输入端分别与第一变压器9和第二变压器10的次级线圈相连，由第一至第四二极管12、13、14、15构成的整流桥的直流输出负极端与由第五至第八二极管16、17、18、19构成的整流桥的直流输出正极端相连，由第一至第四二极管12、13、14、15构成的整流桥的直流输出正极端和由第五至第八二极管
16、17、18、19构成的整流桥的直流输出负极端作为整流电路的两个直流输出端；第一至第四二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第五电容20和第五IGBT21构成的串联支路，第五IGBT21的发射极和集电极之间反并联有二极管，第五至第八二极管构成的整流桥的直流输出两端并联有由第六电容22和第六IGBT23构成的串联支路，第六IGBT23的发射极和集电极之间反并联有二极管；逆变电路连接于整流电路的两个直流输出端，所述的逆变电路由第七IGBT至第十二IGBT24、25、26、27、28、29构成，并且构成逆变电路的第七IGBT至第十二IGBT的发射极和集电极之间分别反并联有二极管。具体实施时，该零电流软开关技术的新型辅助逆变电源需配置辅助控制单元ACU，用于对各IGBT门极的适时触发。辅助控制单元ACU的电路结构是所属领域技术人员容易实现的常规技术。

[0015] 下面以半个运行周期(IGBT 2或4 T1 -T5 )为例，来说明零电流软开关技术的新型辅助逆变电源基本原理：

[0016] T1时刻工作模式：如图2所示，此时第二IGBT2处于触发导通状态（同时第四IGBT4也处于触发导通状态），电路的电流流向如图2所示。图中的L0、C0和R0构成整流桥后的模拟负载。第四IGBT4触发导通时，由于第一变压器与第二变压器原级线圈的同名端位置不同，流过第二变压器原级线圈的电流与第一变压器原级线圈的电流方向相反，从而增大整流电路的输出电压值。

[0017] T2 时刻工作模式：如图3所示，此时触发第五IGBT21来产生谐振控制（同时也触发第六IGBT23）。图3为T2时刻，谐振产生后的电流流向。

[0018] T3时刻工作模式：如图4所示，此时第五电容器20的电流在初始电流回零后在线性模式下反向，然后第五电容20器两端通过第五IGBT21的反并联二极管短接。 [0019] T4时刻运行模式：如图5所示，此时第一变压器的一次侧和二次侧电流都为零（方波过零）。整流桥反向截止。此刻关闭所有的IGBT。

[0020] T5时刻运行模式：如图6所示，第五电容器20完成放电。负载通过整流桥续流。 [0021] T6到T10时刻， IGBT 1或3运行模式与以上描述都相同。

[0022] 从上述的工作过程可以明显地看出，零电流（ZCS）软开关电路，器件的开关时刻均是在电流为零时进行的，因而可以使器件的开关损耗接近于零损耗，保证斩波电路的效率在技术要求的范围内，同时也有效降低了器件在开关时输入输出部件的电磁噪声和对周围电器部件的电磁干扰，保证了电磁兼容性能在技术要求范围。由于解决了开关损耗问题，因此开关频率可以提升到4K，降低输出电源的谐波含量，满足逆变器对直流输入电源的要求。