一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC逆變器的設(shè)計(jì)

摘要：提出了一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器，分析了其主要工作原理并給出了主要參數(shù)設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該電路確能實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，并且具有輸出濾波參數(shù)小，電壓波形質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單極倍頻；正弦波脈寬調(diào)制；軟開關(guān)；逆變器

1 引言

目前，PWM功率變換技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。對(duì)于工作在硬開關(guān)狀態(tài)下的PWM逆變器，由于其開關(guān)損耗大，并且產(chǎn)生嚴(yán)重EMI，難以滿足開關(guān)電源高頻化、綠色化的要求。為克服硬開關(guān)的不足，軟開關(guān)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，特別是DC/DC變換器移相軟開關(guān)技術(shù)已趨于成熟。但對(duì)于DC/AC變換器，由于考慮其輸出波形質(zhì)量等因素，目前，還沒有真正意義上的軟開關(guān)產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)過一些DC/AC變換器拓?fù)浜蛙涢_關(guān)控制技術(shù)[1][2][3]，但這些方法還不能真正走向?qū)嵱谩?

文獻(xiàn)[4]介紹了用諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，是一種比較好的方法，然而這一技術(shù)需要跟蹤電路中的電壓和電流，在電壓和電流過零處實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，這必然使電路變得復(fù)雜。為較好地解決這一難題，文獻(xiàn)[5]介紹了利用電感換流的非諧振軟開關(guān)PWM技術(shù)，然而這一技術(shù)只適用于雙極性電壓控制的DC/AC變換器電路。在分析文獻(xiàn)[5]的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出了一種適用單極倍頻SPWM[6]軟開關(guān)DC/AC變換器電路。

2 單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器主電路

2.1 主電路結(jié)構(gòu)

圖1所示為新型單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC逆變器主電路原理圖。圖2為其主要工作波形。該電路在硬開關(guān)SPWMDC/AC逆變器的基礎(chǔ)上添加了電容C₁，C₂，C₃，C₄，C_r1，C_r2，C_E1，C_E2電感L_r1，L_r2，其中電容C₁=C₂=C₃=C₄，C_r1=C_r2，電感L_r1=L_r2，大容量電解電容C_E1=C_E2視為恒壓源。這些元件為電路中的4只功率管實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)(ZVS)創(chuàng)造了條件。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)

圖2 主電路主要工作波形

2.2 軟開關(guān)的實(shí)現(xiàn)原理

單極倍頻SPWM軟開關(guān)DC/AC變換器主電路輸出電壓，在正半周只有正脈沖電壓，在負(fù)半周只有負(fù)脈沖電壓。當(dāng)S₁及S₄同時(shí)開通時(shí)主電路輸出正電壓脈沖；，當(dāng)S₂及S₃同時(shí)開通時(shí)主電路輸出負(fù)電壓脈沖。本文以輸出電壓的正半周的一個(gè)開關(guān)周期為例進(jìn)行說明。

以下公式中的電壓、電流方向以圖1中的參考方向?yàn)闇?zhǔn)。并假設(shè)負(fù)載電流i_o連續(xù)。

1）工作模式1（t₀－t₁時(shí)間段）

在這一時(shí)間段中S₁及S₃導(dǎo)通，S₂及S₄關(guān)閉，i_Lr1從電源E_D的正極經(jīng)過S₁，C_r1，L_r1，C_E2，到E_D的負(fù)極并逐漸增大；同時(shí)電容C_E1經(jīng)過S₃，C_r2，L_r2繼續(xù)放電，放電電流i_Lr2繼續(xù)上升，在t₁時(shí)刻i_Lr2達(dá)到最大，即

i_Lr2(ωt₁)=αI_omsinωt₁－(1－α²sin²ωt₁)（1）

式中：α為調(diào)制比；

I_om為負(fù)載電流最大值，I_om=E_D/R_L；

ω=2πf_c，f_c為載波頻率。

對(duì)應(yīng)的等效電路拓?fù)湟妶D3（a）。

2）工作模式2（t₁－t₂時(shí)間段）

在此時(shí)間段，功率管S₁繼續(xù)導(dǎo)通，i_Lr1繼續(xù)增大。t₁時(shí)刻S₃關(guān)斷，集電極電流i₃從開關(guān)管S₃轉(zhuǎn)換到緩沖電容C₃，為C₃充電，C₃上的電壓從零開始上升，S₃實(shí)現(xiàn)零電壓關(guān)斷；同時(shí)，存儲(chǔ)在C₄上的能量通過C_r2，L_r2,C_E2回路放電，其等效電路拓?fù)淙鐖D3(b)。從圖可看出，C₃充電回路與C₄放電回路參數(shù)相同。因此，在t=t₂時(shí)刻，v_C3=E_D，v_C4=0。充放電時(shí)間t₂₁為

t₂₁=t₂－t₁=（2）

3）工作模式3（t₂－t₃時(shí)間段）

在t=t₂時(shí)刻D₄導(dǎo)通，為循環(huán)電流i_L2的續(xù)流提供通路，v_C4被箝位于零，即v_C4=0。若在i_L2=0之前，S₄的觸發(fā)信號(hào)到來，S₄實(shí)現(xiàn)零電壓開通。其等效拓?fù)淙鐖D3(c)所示。

4）工作模式4（t₃－t₄時(shí)間段）

在t₃時(shí)刻S₄零電壓開通。循環(huán)電流i_L2繼續(xù)通過D₄續(xù)流，在t₄時(shí)刻續(xù)流完畢。續(xù)流時(shí)間t₄₁為

t₄₁=t₄－t₁=－（3）

其等效電路拓?fù)淙鐖D3(d)。

5）工作模式5（t₄－t₅時(shí)間段）

t₄時(shí)刻后，S₄的集電極電流從零開始上升。電源E_D為負(fù)載提供能量。其等效電路拓?fù)淙鐖D3(d)。

(a) t₀－t₁

(b) t₁－t₂

(c) t₂－t₃