高頻輸出不對(duì)稱半橋逆變器

1 引言

近年來提出了一種新的高頻輸配電系統(tǒng)HFPDS[1-3]（High frequency power distribution system），與傳統(tǒng)的直流配電系統(tǒng)不同的是，HFPDS采用高頻交流配電系統(tǒng)。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）系統(tǒng)簡(jiǎn)單；（2）效率高；（3）可靠性高；（4）成本低。由于輸出頻率比較高，無法采用SPWM等控制方法，所以目前的高頻輸出逆變器多為方波或準(zhǔn)方波輸出，然后通過諧振濾波網(wǎng)絡(luò)得到高頻正弦波。文獻(xiàn)[1]和[2]中提出全橋變換器加四階諧振濾波網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管ZVS，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，效率高，適合大功率場(chǎng)合。本文結(jié)合實(shí)際課題，采用了不對(duì)稱半橋逆變器和諧振式濾波網(wǎng)絡(luò)，不僅可獲得較好的輸出波形，同時(shí)能夠在典型負(fù)載為阻性時(shí)，從空載到滿載范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。本文分析了變換器的工作原理，軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件和諧振濾波電路的設(shè)計(jì)。

2 工作原理

圖1 高頻輸出不對(duì)稱半橋逆變器

圖1為高頻輸出不對(duì)稱半橋逆變器拓?fù)?，由不?duì)稱半橋變換器、四階諧振濾波網(wǎng)絡(luò)和高頻變壓器構(gòu)成。圖2 為高頻輸出不對(duì)稱半橋逆變器的關(guān)鍵波形。不對(duì)稱半橋逆變器在一個(gè)開關(guān)周期中可以分成6個(gè)不同的工作時(shí)段。當(dāng)不對(duì)稱半橋逆變器帶阻性負(fù)載時(shí)，諧振濾波器設(shè)計(jì)為感性，使輸出電壓超前串聯(lián)諧振支路的電流，實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)管軟開關(guān)。為了分析方便，在不影響分析結(jié)果的前提下，做如下假設(shè)：①所有開關(guān)管、電感、電容、變壓器均為理想器件；②諧振濾波器濾波能力足夠，輸出電壓的頻率與開關(guān)管頻率相同。各開關(guān)狀態(tài)的工作情況描述如下：

（1）工作模態(tài)1[t0---t1]

t0時(shí)刻，開關(guān)管Q2關(guān)斷。因?yàn)樨?fù)電流is的存在，C1放電，C2充電， 一旦C1端的電壓為零時(shí)，負(fù)諧振電流is使得D1導(dǎo)通。在死區(qū)時(shí)間內(nèi)必須有足夠的能量將C1中能量抽走。

（2）工作模態(tài)2[t1---t2]

在t1時(shí)刻開通Q1，則開關(guān)管Q1為零電壓開通。此時(shí)D1和Q1同時(shí)導(dǎo)通。

（3）工作模態(tài)3[t2---t3]

到t2時(shí)刻，電流為零。此時(shí)以后輸入電壓加在諧振濾波器的輸入端，使電流is正向流動(dòng)，給負(fù)載供電。

（4）工作模態(tài)4[t3---t4]

在t3時(shí)刻，開關(guān)管Q1關(guān)斷，因?yàn)榧纳娙莸拇嬖?，開關(guān)管Q1相當(dāng)于軟關(guān)斷。由于電流為正，此時(shí)C1充電，C2放電。一旦C2端的電壓為零時(shí)，正諧振電流is使得D2導(dǎo)通。此段時(shí)間內(nèi)亦必須有足夠的能量抽走C2中的能量。

（5）工作模態(tài)5[t4---t5]

t4時(shí)刻，開通Q2，則開關(guān)管Q2為零電壓開通。此時(shí)D2和Q2同時(shí)導(dǎo)通。

（6）工作模態(tài)6[t5---t6]

到t5時(shí)刻，電流為零。此時(shí)以后諧振濾波器開始釋放能量，使電流is負(fù)向流動(dòng)，給負(fù)載供電。

圖2 不對(duì)稱半橋逆變器的關(guān)鍵波形

3軟開關(guān)實(shí)現(xiàn)條件

不對(duì)稱半橋逆變器在死區(qū)時(shí)間內(nèi)要有足夠的能量來抽走將要開通的開關(guān)管結(jié)電容或者外并電容上的電荷，并給另一個(gè)剛剛關(guān)斷的開關(guān)管結(jié)電容或者外并電容充電，則諧振濾波器必須設(shè)計(jì)為感性，即輸出電壓超前于串聯(lián)諧振支路的電流。這是實(shí)現(xiàn)功率開關(guān)管ZVS的必要條件。如果不滿足式（1），那么就無法實(shí)現(xiàn)ZVS。開關(guān)管Q1和Q2之間的死區(qū)時(shí)間必須足夠長(zhǎng)，才能使開關(guān)管結(jié)電容或者外并電容完全進(jìn)行充放電。

（1）

式中，Lr為諧振濾波器的等效電感，I1為死區(qū)時(shí)間內(nèi)的平均電流，Ci（

）為開關(guān)管的結(jié)電容或者外接電容。