Novel Three-Phase Resonant DC Link Inverter

WANG Qiang; LI Sen; WANG Tian-shi; LIU Xiao-qin

doi:10.12263/DZXB.20191079

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ACTA ELECTRONICA SINICA ›› 2021, Vol. 49 ›› Issue (8) : 1641-1644. DOI: 10.12263/DZXB.20191079

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Novel Three-Phase Resonant DC Link Inverter

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HeighLight

In order to achieve high efficiency operation of three-phase inverter, a novel topology of the three-phase resonant DC(Direct Current) link inverter is proposed, in which a simple auxiliary resonant circuit is set up in the DC link. The working flow of the circuit is analyzed. The experimental results show that the switching device achieves soft switching and the output current waveform of the inverter has no obvious distortion Therefore, the inverter can realize high-efficiency and stable operation.

Key words

inverter / bridge arm / auxiliary circuit / resonance / low-loss / soft-switching / switching loss

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WANG Qiang , LI Sen , WANG Tian-shi , LIU Xiao-qin. Novel Three-Phase Resonant DC Link Inverter[J]. ACTA ELECTONICA SINICA, 2021, 49(8): 1641-1644. https://doi.org/10.12263/DZXB.20191079

1 引言

三相谐振直流环节逆变器只需在直流环节设置1组辅助电路^［1，2］.因此，谐振直流环节逆变器更有利于设置成本相对较低的辅助电路.近些年，谐振直流环节逆变器已逐渐成为研究热点，但仍需要进一步优化以促进其推广应用.例如文献［3，4］提出的拓扑结构含有无源辅助器件较多，辅助电路硬件成本较高，在输出功率10kW时的效率接近98%，而且为优化直流电压利用率和轻载时的效率，辅助电路中3个开关器件的触发脉冲占空比都要根据负载电流瞬时值来实时变化，这就需要高精度的负载电流检测环节，一旦负载电流检测环节受到外界干扰，将直接影响辅助开关的正常切换，导致该逆变器无法正常运行.

本文为进一步优化谐振直流环节逆变器，提出了一种新型三相谐振直流环节逆变器拓扑结构，相比于同类型软开关逆变器，其具有优势如下：位于直流母线之间的2个辅助开关的触发脉冲占空比与负载电流瞬时值无关，都可以设计为固定值，简化了辅助电路控制，改善了逆变器的可靠性.文中将分析逆变器的工作流程，最后通过实验来验证该软开关逆变器的优势.

2 电路拓扑结构和工作流程分析

2.1 电路拓扑结构

图1给出了本文提出的谐振直流环节逆变器主电路.主电路包含直流电源，位于直流环节的辅助谐振电路以及三相逆变电路.辅助开关器件S_a1、S_a2和S_a3及其反并联二极管D_a1、D_a2和D_a3，谐振电感L_r以及谐振电容C_r2组成了辅助谐振电路.此外，逆变器桥臂上的各开关器件分别并联了缓冲电容C_s.当辅助电路发生谐振时，能使逆变器输入端的直流母线电压变化到零，三相逆变电路的主开关能完成零电压软切换，使开关损耗降低.

图1 新型三相谐振直流环节逆变器主电路

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在以下分析中假定负载电感值足够大，逆变器输出端电流I₀为恒定值，逆变器输出端负载可以看作是恒流源.逆变器等效电路及物理量的参考正方向如图2所示，8个工作流程被包含在主开关的每个开关周期内，图3给出了电路的特征波形，图4给出了各工作流程等效电路图.

2.2 工作流程

流程1（t~t₀）：S_a1处于导通状态，直流电源E向负载供电，电路处于稳态.

流程2（t₀~t₁）：在t₀时刻，开通S_a2，L_r阻碍了S_a2开通时的电流快速增大，因此S_a2在开通时实现了零电流软开通.S_a2开通以后，L_r被充电，i_L_r从零开始正向线性增大.在t₁时刻，当i_L_r=I_b1时，流程2结束.

流程3（t₁~t₂）：在t₁时刻，关断S_a1，C_r1阻碍了S_a1关断时的电压快速增大，因此S_a1在关断时实现了零电压软关断.S_a1关断以后，L_r和C_r1开始谐振，u_C_r1从E正向减小，i_L_r从I_b1正向增大.在t₂时刻，u_C_r1减小到零，i_L_r增大到I_p时，流程3结束.

流程4（t₂~t₃）：在t₂时刻，关断S_a2，C_r2阻碍了S_a2关断时电压快速增大，因此S_a2在关断时完成了零电压软关断切换.然后L_r和C_r2进入谐振状态，i_L_r从I_p开始逐渐减小，u_C_r2从零开始逐渐增大.在t₃时刻，当i_L_r减小到零，u_C_r2增大到U_p时，流程4结束.

流程5（t₃~t₄）：在t₃时刻，开通S_a3，因为S_a3的端电压在开通S_a3之前已经等于零，所以S_a3在开通时实现了零电压软开通.L_r和C_r2继续谐振，i_L_r从零开始逐渐反向增大，u_C_r2从U_p开始逐渐降低.在t₄时刻，当u_C_r2减小到零，i_L_r反向增大到最大值I_p时，流程5结束.

流程6（t₄~t₅）：在t₄时刻，S_a3被关断，C_r1阻碍了S_a3关断时的电压快速增大，S_a3完成了零电压关断.然后L_r和C_r1进入谐振状态，u_C_r1开始由零逐渐增大，i_L_r由反向最大值I_p开始逐渐减小.在t₅时刻，当u_C_r1增大到E，i_L_r反向减小到I_b2时，流程6结束.

流程7（t₅~t₆）：在t₅时刻，开通S_a1，因为电流开始流过D_a1，所以S_a1完成了零电压开通切换.D_a1导通以后，L_r承受电压值为E，i_L_r开始从I_b2反向线性降低.在t₆时刻，当i_L_r反向线性降低到I₀时，无电流流过D_a1，流程7结束.

流程8（t₆~t₇）：在t₆时刻，i_L_r继续处于线性衰减状态，电流开始流过S_a1.在t₇时刻，当i_L_r线性衰减到零时，流程8结束，然后电路再次进入到流程1.

3 实验验证

样机参数如下：额定输出功率P₀=4.5kW，直流电源电压E=300V，负载电感L_a =L_b =L_c =1mH，负载电阻R_a =R_b =R_c =7.5Ω，缓冲电容C_s=33nF，等效电容C_r1=99nF，最大负载电流I_0max=20A，最小负载电流I_0min=0A，输出相电压有效值U₁=100V，辅助开关S_a2和S_a3的触发脉冲占空比

ρ_{S_{a 2}}

为0.08，

ρ_{S_{a 3}}

为0.048，开关频率f_c=20kHz，开关周期T=50µs.

辅助开关S_a1动作时的电压

u_{S_{a 1}}

和电流

i_{S_{a 1}}

的实验波形如图5（a）所示.由波形图得出S_a1开通时，在

i_{S_{a 1}}

反向增大前，

u_{S_{a 1}}

已经变化到零，S_a1开通时处于零电压软开通状态；同时可以得出S_a1关断时，

u_{S_{a 1}}

缓慢增大，S_a1关断时处于零电压软关断状态.辅助开关S_a2动作时的电压

u_{S_{a 2}}

和电流

i_{S_{a 2}}

的实验波形如图5（b）所示，由波形图得出S_a2开通时，

i_{S_{a 2}}

缓慢增大，S_a2开通时处于零电流软开通状态；同时可以得出S_a2关断时，

u_{S_{a 2}}

缓慢增大，S_a2关断时处于零电压软关断状态.辅助开关S_a3动作时的电压

u_{S_{a 3}}

和电流

i_{S_{a 3}}

的实验波形如图5（c）所示，由波形图得出S_a3开通时，在

i_{S_{a 3}}

反向增大前，

u_{S_{a 3}}

已经变化到零，S_a3开通时处于零电压软开通状态；同时可以得出S_a3关断时，

u_{S_{a 3}}

缓慢增大，S_a3关断时处于零电压软关断状态.图5（d）和图5（e）分别给出了在满载和轻载时的主开关S₁动作时的电压

u_{S_{1}}

和电流

i_{S_{1}}

的实验波形，由波形图得出S₁开通时，

i_{S_{1}}

增大前，

u_{S_{1}}

已经变化到零，S₁开通时处于零电压软开通状态；同时可以得出S₁关断时，

u_{S_{1}}

缓慢增大，S₁关断时处于零电压软关断状态.图5（f）给出了样机输出的三相电流的实验波形，输出频率为50Hz，可以看出电流波形比较光滑，逆变器稳态运行良好.

图5 实验波形

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4 结论

本文根据相关文献已提出的谐振直流环节逆变器存在的问题，提出了一种新型辅助电路结构，使谐振直流环节逆变器的性能得到优化.通过实验验证得到以下结论：（1）主开关动作时都处于零电压软切换，辅助开关动作时也处于软切换；（2）三相逆变器在额定输出频率50Hz时的输出电流波形无明显畸变，正弦度较好，在直流环节增设辅助电路对逆变器输出无影响，逆变器可实现高效率稳定运行.

References

Publishing order | Descend order by publishing year | Descend order by cited within

1	ChuE H, LiS, XieH L, et al. RDCL three-phase inverter and load adaptive commutation control[J]. IET Power Electronics, 2019, 12(3): 505－514. Cited in this article [1]

2	WangQ, WangY Z. Resonant DC link soft-switching inverter with low-loss auxiliary circuit[J]. International Journal of Electronics, 2019, 106(10): 1602－1615. Cited in this article [1]

3	褚恩辉,李思,张化光,等.谐振直流环节逆变器和负载自适应换流控制[J].中国电机工程学报, 2019, 39(1):256－265. ChuE H, LiS, ZhangH G, et al. Resonant DC Link Inverter and Load Adaptive Commutation Control[J]. Proceedings of the CSEE, 2019, 39(1): 256－265.(in Chinese) Cited in this article [1]

4	ChuE H, LiS, XieH L, et al. RDCL three-phase inverter and load adaptive commutation control[J]. IET Power Electronics, 2019, 12(3): 505－514. Cited in this article [1]

Funding

National Natural Science Foundation of China(51207069)

Research Fund of Education Department of liaoning Province(L2019017)

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1 引言
2 电路拓扑结构和工作流程分析
2.1 电路拓扑结构
图1 新型三相谐振直流环节逆变器主电路
图2 逆变器的等效电路
图3 谐振换流期间的理论工作波形
图4 各工作流程的等效电路图
2.2 工作流程
3 实验验证
图5 实验波形
4 结论
References
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Received	Revised	Published
2019-09-23	2020-03-01	2021-08-25
Issue Date
2021-08-25

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