高頻串聯(lián)逆變器諧振極電容緩沖電路的研究
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式中：ts為電流下降時間。
在零電壓開通情況下，開通損耗接近為零，關(guān)斷損耗總是存在的，開關(guān)管兩端并聯(lián)的諧振極電容實際上相當于一個關(guān)斷緩沖網(wǎng)絡(luò)。C越大，關(guān)斷損耗就越小，同時也將導致低功率因數(shù)，增加無功功率。通常，在C=0.45Cn附近，總體損耗達到最小[2]。另外，在MHz級的高頻情況下，器件的輸出電容Coss已不容忽視。所以，可參考式（5）來選取C值。
C=0.45Cn－Coss （5）
C值一旦確定，據(jù)式(3)即可通過選取恰當?shù)?i>ξ來確定β0。如果輸出功率恒定，ξ值偏大會導致較大的負載電流，增加了無功功率，所以，ξ必須選得盡可能小，假定ξ=0。串聯(lián)諧振逆變器中，開關(guān)頻率ω應(yīng)略大于負載諧振頻率ωr，使其工作于感性狀態(tài)下。又考慮到開關(guān)頻率，負載電流等物理量在實際運行中都會隨著負載溫度的變化而改變，從而可能使逆變器偏離最佳工作點，β0的選取應(yīng)留有一定的裕度。設(shè)計中可參考式（6）來確定β0
β0=cos－1
（6）
式中：K應(yīng)根據(jù)實際線路中ω，Io，Udc的變化范圍來確定，一般取略大于1。
根據(jù)上述所選擇的C和β0值，下面討論帶有串聯(lián)諧振負載的串聯(lián)諧振逆變器中其它參數(shù)，如感性角φ，開關(guān)頻率ω，觸發(fā)脈沖的脈寬tpw的設(shè)計方法。
由圖3不難推出直流電流Id的表達式為[1]
Id=
Iosinωtdωt=
(cosξ＋cosβ0)（7）
輸出功率
Po=UdcId=
UdcIocosξ－
ωCUdc2（8）
視在功率 S=
（9）
負載功率因數(shù)
PF=
≈
cosξ－
ωCUdc(10)
又因為負載功率因數(shù) PF=
cosφ (11)
由式（10）和(11)，假定ξ=0可得
cosφ=1－
=
(12)
由式（12）即可確定出合理的負載感性角φ。
又因為
tanφ=Q
(13)
式中：Q為品質(zhì)因數(shù)。
由式（13）即可確定開關(guān)頻率ω。不難得出在此工作頻率下觸發(fā)脈沖的最佳脈寬為
tpw=
－〔td(on)＋tr＋td(off)＋tf〕(14)
式中：td(on)，tr，td(off)，tf為MOSFET的內(nèi)部參數(shù)。
由式(14)可知，脈寬的選擇不僅與β0及T有關(guān)，而且與器件本身的特性也有很大關(guān)系。
4 諧振極電容對器件關(guān)斷損耗和總體損耗的影響
根據(jù)以上分析，當逆變器工作在最佳狀態(tài)時，其開通損耗接近為零，也容易推出關(guān)斷過程中損失的能量為
Eoff=
(15)
輸出功率因數(shù)cosφ為
cosφ=1－
(16)
由式(15)和(16)可以看出，C值越大，關(guān)斷時損失的能量Eoff越小。但同時，輸出功率因數(shù)cosφ也降低了，假定輸出功率不變，將引起視在功率的增加，從而導致較大的通態(tài)損耗。
以下用Pspice軟件進行仿真分析。開關(guān)器件是根據(jù)APT公司生產(chǎn)的功率MOSFET APT10025JVR建立的模型。其最大耐壓1000V，電流34A，Coss=1360pF，td(on)=22ns，tr=20ns，td(off)=145ns，tf=16ns。所用直流電壓源Udc=100V，輸出電流的幅值Io=21A，諧振頻率fr=1MHz，由式（5）和式（6）計算出諧振極緩沖電容和關(guān)斷角的參考取值C=3980pF，β0=34.68°。推出相應(yīng)的φ=24.33°，f=1.058MHz，tpw=175ns。
諧振極緩沖電容對減少MOSFET關(guān)斷損耗的作用可以從工作波形看出，如圖4所示。
(a) C=0
(b) C=3980pF
圖4 串聯(lián)諧振逆變器中MOSFET關(guān)斷時刻的仿真波形
圖中：1—開關(guān)電壓2—開關(guān)電流3—關(guān)斷功率損耗
以下取不同的緩沖電容值，對器件關(guān)斷功耗和平均損耗的影響作了仿真分析。仿真結(jié)果如表1所列。
表1 不同緩沖電容值對器件關(guān)斷損耗和平均損耗影響對比表
| C/pF | 關(guān)斷損耗/μJ | 平均損耗/W |
|---|---|---|
| 0 | 31.88 | 37.7 |
| 2000 | 21.15 | 31.8 |
| 3000 | 17.92 | 31.1 |
| 3980 | 15.35 | 30.5 |
| 4500 | 14.77 | 32.5 |
| 6000 | 14.58 | 34.6 |
由表1可看出，當C=3980pF，β0=34.68°時，開關(guān)器件工作在零電壓開通狀態(tài)，總體損耗的大小也可以接受。如果電容值過小，關(guān)斷損耗特別大；電容值過大，一方面它減少關(guān)斷損耗的作用明顯降低了，另一方面還會導致巨大的通態(tài)損耗。
5 實驗結(jié)果
在實際高頻大功率串聯(lián)諧振電路中，測量功率器件MOSFET的開通和關(guān)斷損耗是相當困難的。由于實際條件所限，實驗中采用如圖5所示的具有感性負載的單管測試電路。選用的功率MOSFET器件是IXYS公司生產(chǎn)的IXFX24N100。Coss=750pF，td(on)=35ns，tr=35ns，td(off)=75ns，tf=21ns。直流電壓是經(jīng)過三相整流輸出的Udc=100V。開關(guān)頻率f=1.005MHz。因為，該測試電路并未構(gòu)成串聯(lián)諧振逆變器，無需考慮到關(guān)斷角β0的影響。實驗波形如圖6所示。
圖5 簡化的具有感性負載的單管測試電路
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