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申请/专利权人：山西大学

摘要：本发明公开了一种相位关联ZVT磁化电流最小化的辅助谐振换流极逆变器，包括主电路和辅助电路；移相全桥网络经隔离变压器为辅助谐振极电感充能，实现主开关的ZVS；激磁电感中的储能实现辅助开关的ZVS。换流充能相位与复位相位锁定反相关联，实现磁化电流双向复位并减少了磁芯体积。改进的时序调制有效减少了磁化电流的续流损耗和辅助开关的关断损耗。利用相位关联法保持了已有技术，实现了主开关管的零电压开通的优点，减少了主开关的开关损耗，此外辅助回路中的辅助开关也通过激磁电感中的储能实现了零电压开通且其耐压值远小于主开关；并在每个开关周期都可靠地实现了磁化电流复位，变压器副边绕组耦合解决了辅助换流二极管Dc1和Dc2的过压问题。

主权项：1.一种相位关联ZVT磁化电流最小化的辅助谐振换流极逆变器，其特征在于：包括有第一主开关管S1、第二主开关管S2、第一换流二极管Dc1、第二换流二极管Dc2、直流电源VDC、辅助电源VAUX、负载Load、激磁电感Lm、第一分压电容Cd1、第二分压电容Cd2、谐振电感Lr、辅助换流变压器副边第一绕组T2、辅助换流变压器副边第二绕组T3、第一辅助开关管Sa1、第二辅助开关管Sa2、第三辅助开关管Sa3、第四辅助开关管Sa4、超前桥臂AC-Lead、滞后桥臂AC-Lag；所述第一主开关管S1的源极、第二主开关管S2的漏极相连于O点，这两个开关管构成主开关桥臂；第一主开关管S1的漏极、第一换流二极管Dc1的负极，与直流电源VDC正极相连；直流电源VDC的负极与第二主开关管S2的源极、第二换流二极管Dc2的正极相连；负载Load的一端与主开关桥臂中点O点相连，另一端与第一分压电容Cd1、第二分压电容Cd2的中点相连；谐振电感Lr的一端和主开关桥臂的中点O点相连，另一端和辅助换流变压器副边第一绕组T2的异名端、辅助换流变压器副边第二绕组T3的同名端相连于P点；辅助换流变压器副边第一绕组T2的同名端和第一换流二极管Dc1的正极相连；辅助换流变压器副边第二绕组T3的异名端和第二换流二极管Dc2的负极相连；第一辅助开关管Sa1的源极和第二辅助开关管Sa2的漏极相连于Q点，这两个开关管构成换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead；第三辅助开关管Sa3的源极和第四辅助开关管Sa4的漏极相连于R点，这两个开关管构成换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag；第一辅助开关管Sa1的漏极、第三辅助开关管Sa3的漏极与辅助电源VAUX的正极相连，辅助电源VAUX的负极与第二辅助开关管Sa2的源极、第四辅助开关管Sa4的源极相连；辅助换流变压器原边绕组T1的同名端与换流辅助电路的超前桥臂AC-Lead的中点Q点相连，异名端与换流辅助电路的滞后桥臂AC-Lag的中点R点相连；激磁电感Lm并联于辅助换流变压器原边绕组T1两端；辅助换流变压器副边第一绕组T2和第二绕组T3的匝数相同，辅助换流变压器原边绕组Tl的匝数与第一绕组T2或第二绕组T3的匝数比为1，换流电感流出的电流，即换流电流iLr，其峰值中超过负载电流的部分为Ir；β为自定义约束Cm_oss为主开关管S1、S2的体寄生电容值；ti时刻到tj时刻的时段为Ti-j，负载电流为正时，工作模式及切换时间间隔为：t0时刻之前，电路处于稳定状态，S2、Sa2、Sa4处于导通状态，S1、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管Dc1、Dc2和开关管的反并联二极管处于关断状态；从t0时刻开始工作，t0时刻，关断Sa4；Sa4关断后延迟DP1,导通Sa3； Sa3导通后延迟DP2,关断Sa2，Sa3； 关断Sa2，Sa3延迟DP3，导通Sa1，Sa4； Sa1，Sa4导通后延迟DP4,关断S2； S2关断后延迟DP5,导通S1； S1导通后延迟DP6,关断Sa1； Sa1关断后延迟DP7,导通Sa2； S1导通后延迟Ton，关断S1；S1关断后延迟DP8，导通S2； 负载电流为负时，工作模式及切换时间间隔为：t0时刻之前，电路处于稳定状态，S1、Sa2、Sa4处于导通状态，S2、Sa1、Sa3处于关断状态；换流二极管Dc1、Dc2和开关管的反并联二极管处于关断状态；从t0时刻开始工作，t0时刻，关断Sa4；Sa4关断后延迟DN1,导通Sa3； Sa3导通后延迟DN2,关断Sa2，Sa3； 关断Sa2，Sa3延迟DN3，导通Sa1，Sa4； Sa1，Sa4导通后延迟DN4,关断S1； S1关断后延迟DN5,导通S2； S2导通后延迟DN6,关断Sa1； Sa1关断后延迟DN7,导通Sa2； S2导通后延迟Ton，关断S2；S2关断后延迟DN8，导通S1； 以上各个公式中，输入量的相关参数如下：VDC为直流母线电压；VAUX为辅助电源电压；T1-A为Sa3可ZVS开通的最短时间；即负载电流为零时的情况；T5-D为S1、S2最短ZVS开通时间，即负载电流为零时的情况；换流电感流出的电流，即换流电流iLr，其峰值中超过负载电流的部分为Ir；辅助开关管Sa1-Sa4的体寄生电容与外部并联吸收电容Ca1-Ca4取值相同，之后公式中使用Ca_oss表示；主开关管S1-S2的体寄生电容与外部并联吸收电容C1-C2取值相同，之后公式中使用Cm_oss表示:Cm_oss＝C1＝C2，Ca_oss＝Ca1＝Ca2＝Ca3＝Ca4；VA'UX为变压器副边电压；Lr为换流电感；Lm为激磁电感；为保证Sa1-Sa4完成ZVS换流的最小电流；为换流电感开始充电时的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关；为激磁电流由复位后的激磁电流值，与每个开关周期中的负载电流值成正相关； 负载电流为正时，工作模式及切换时间间隔的计算过程为：模式1，tt0：电路处于稳定状态，S2处于导通状态；负载电流ILoad通过S2续流，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为模式2，t0-t1:t0时刻，关断Sa4，激磁电流iLm对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；R点电位vR和电流iLm表达式为： 其中： 在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为： 模式3，t1-t2:t1时刻，R点电位升至VAUX,辅助开关Sa3的反并联二极管Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1-A之间控制导通；本模式激磁电流为： Sa3的零电压开通时间为： Sa4关断到Sa3导通时间间隔DP1为： t2时刻,激磁电流iLm增至本模式持续时间为： Sa3导通到Sa2关断时间间隔DP2为： 模式4，t2-t3：t2时刻,关断Sa2，Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步，R点电位降至VAUX2，即Q点电位升至VAUX2前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX2降至0，即Q点电位由VAUX2升至VAUX前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；换流电流从零开始增加；激磁电流iLm向正方向变化；第一步：Q，R点电位vR和电流表达式为： 其中： 在tB时刻，Q、R点电位谐振至VAUX2，本模式持续时间为： 第二步：Q，R点电位vR和电流表达式为： 其中： 在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX，即R点电位谐振至零，本模式持续时间为： 模式5，t3-t4：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX，激磁电流为辅助开关Sa1的反并联二极管Da1，辅助开关Sa4的反并联二极管Da4自然导通；Sa1，Sa4达到ZVS换流条件；激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；本模式原边绕组电流为： 第一、四辅助开关管Sa1、Sa4的零电压开通时间为： Sa2，Sa3关断到Sa1，Sa4导通时间间隔DP3为： t3-t4的换流电流为： 其中：V′AUX为变压器副边电压；t3时刻，激磁电流为 t4时刻，换流电流iLr的值增至最大值：iLrt4＝Ir+iLoad48其中：Ir为换流电流iLr中超过负载电流的部分t3-t4的持续时间T3-4为： Sa1，Sa4导通到S2关断时间间隔DP4为： 模式6，t4-t5:t4时刻，主开关S2关断，换流电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1放电C2充电，O点的电位开始谐振上升；O点电位vO和换流电流iLr表达式为： 其中： t5时刻，O点电位上升至VDC；本模式持续时间为： 其中： 模式7，t5-t6:t5时刻，O点电位升至VDC,主开关S1的反并联二极管D1自然导通，S1符合ZVS换流条件；换流电流iLr线性下降，tD时刻，换流电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S1可在时间段t5-tD之间控制导通实现ZVS导通；主开关ZVS开通模式持续时间，t5时刻到tD时刻的时间段T5-D为： S2关断到S1导通时间间隔DP5为： 本模式持续时间为： S1导通到Sa1关断时间间隔DP6为： 模式8，t6-t8:在t6时刻，换流电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至激磁电流iLm对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，辅助开关Sa2的反并联二极管Da2自然导通；t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在T7-8之间控制导通；t6-t7持续时间为： Sa1关断到Sa2导通时间间隔DP7为：DP7＝T6-761模式9，t8-t9:t8时刻，关断S1，负载电流iLoad对C1充电，C2放电，O点电位线性下降；t9时刻,O点电位降至0，主开关S2的反并联二极管D2自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S2；t8-t9持续时间为： S1关断到S2导通时间间隔DP8为：DP8＝T8-963负载电流为负时，工作模式及切换时间间隔的计算过程为：模式1，tt0：电路处于稳定状态，S1处于导通状态；负载电流ILoad通过S1续流，Sa2、Sa4导通，激磁电流iLm通过Sa2、Sa4续流,其值为模式2，t0-t1:t0时刻，关断Sa4，激磁电流iLm对Ca4充电Ca3放电，R点电位开始上升；R点电位vR和电流表达式为： 其中： 在t1时刻，R点电位谐振至VAUX，本模式持续时间为： 模式3，t1-t2:t1时刻，R点电位升至VAUX,辅助开关Sa3的反并联二极管Da3自然导通，Sa3达到ZVS换流条件,tA时刻，激磁电流减少至零；Sa3可在时间段T1A之间控制导通；本模式激磁电流为： Sa3的零电压开通时间为： Sa4关断到Sa3导通时间间隔DN1为： t2时刻,激磁电流iLm增至本模式持续时间为： Sa3导通到Sa2关断时间间隔DN2为： 模式4，t2-t3：t2时刻,关断Sa2,Sa3；R点电位下降，Q点电位上升变化分为两步；第一步：R点电位降至VAUX2，即Q点电位升至VAUX2前，激磁电感Lm与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；R点和Q点电位近似线性下降和上升；第二步：R点电位由VAUX2降至0，即Q点电位由VAUX2升至VAUX前，换流电感Lr通过变压器和激磁电感Lm并联后与辅助电容Ca1--Ca4发生谐振；换流电流iLr从零开始增加；激磁电流iLm向正方向变化；第一步：Q，R点电位vR和电流表达式为： 其中： 在tB时刻，Q，R点电位谐振至VAUX2，本模式持续时间为： 第二步：Q，R点电位vR和电流表达式为： 其中： 在t3时刻，Q点电位谐振至VAUX，即R点电位谐振至零，本模式持续时间为： 模式5，t3-t4：t3时刻，R点电位降至0，Q点电位升至VAUX,激磁电流为辅助开关Sa1的反并联二极管Da1，辅助开关Sa4的反并联二极管Da4自然导通；Sa1，Sa4达到ZVS换流条件，激磁电感两端电压与电流方向反向，激磁电流大小线性减少；换流电流线性增加；tC时刻，原边绕组电流减少至零，Sa4可在时间段t3-tC之间控制导通为ZVS导通；本模式原边绕组电流为： 第一、四辅助开关管Sa1、Sa4的零电压开通时间为： Sa2，Sa3关断到Sa1,Sa4导通时间间隔DN3为： t3-t4的换流电流为： 其中：V′AUX为变压器副边电压；t3时刻，激磁电流为 t4时刻，换流电流iLr的值增至最大值：iLrt4＝Ir+iLoad89其中：Ir为换流电流iLr中超过负载电流的部分t3-t4时段持续时间T3-4为： Sa1，Sa4导通到S1关断时间间隔DN4为： 模式6，t4-t5:t4时刻，主开关S1关断，换流电流iLr中超过负载电流的部分Ir对电容C1充电C2放电，O点的电位开始谐振下降；O点电位vO和换流电流iLr表达式为： 其中： t5时刻，O点电位下降至0；本模式持续时间为： 其中： 模式7，t5-t6:t5时刻，O点电位降至0，主开关S2的反并联二极管D2自然导通，S2符合ZVS换流条件；换流电流iLr线性下降，tD时刻，换流电流iLr降至负载电流iLoad；主开关管S2可在时间段t5-tD之间控制导通实现ZVS导通；主开关ZVS开通模式持续时间，t5时刻到tD时刻的时间段T5-D为： S1关断到S2导通时间间隔DN5为： 本模式持续时间为： S2导通到Sa1关断时间间隔DN6为： 模式8，t6-t8:在t6时刻，换流电流iLr降至0A，关断Sa1，激磁电流iLm增至激磁电流iLm对Ca1充电Ca2放电，Q点电位开始近似线性下降；t7时刻，Q点电位降到0，辅助开关Sa2的反并联二极管Da2自然导通；t7-t8由PWM控制需要确定,Sa2可在T7-8之间控制导通；t6-t7持续时间为： Sa1关断到Sa2导通时间间隔DN7为：DN7＝T6-7102模式9，t8-t9:t8时刻，关断S2，负载电流iLoad对C1放电，C2充电，O点电位线性上升；t9时刻,O点电位升至VDC，主开关S1的反并联二极管D1自然导通；在下一个开关周期之前控制导通S1；t8-t9持续时间为： S2关断到S1导通时间间隔DN8为：DN8＝T8-9104。

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