諧振軟開關(guān)技術(shù)及其在逆變電源中的應(yīng)用

32諧振過(guò)渡逆變器

　　在這種逆變器中，輸入總線電壓或電流是固定不變的，而軟開關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)逆變開關(guān)兩端的電壓和電流諧振而產(chǎn)生的。理想狀況下，諧振只發(fā)生在開關(guān)過(guò)渡的瞬間，而且應(yīng)該使諧振電路在功率傳遞到負(fù)載的過(guò)程中吸收的能量達(dá)到最小值，當(dāng)然諧振能量一定要足夠大(與負(fù)載的變化無(wú)關(guān))，以滿足產(chǎn)生ZVS或ZCS的條件。

　　這類逆變器包括極諧振電路、諧振吸收電路、準(zhǔn)諧振電路和軟開關(guān)過(guò)渡技術(shù)的PWM轉(zhuǎn)換(ZVT和ZCT)。

(1)極諧振逆變器(RPI)

　　極諧振技術(shù)的最早應(yīng)用是在DC/DC變換器中，但后來(lái)在DC/AC逆變器中被證明也是一種較方便的方法。這一類逆變器的共同特點(diǎn)是：輔助諧振電路放置在逆變橋上。對(duì)于三相逆變器來(lái)說(shuō)，輔助諧振電路由原來(lái)的一組變?yōu)槿M，即每橋臂均配有一組，通過(guò)輔助諧振電路，使每一相極點(diǎn)(即每一橋臂上下開關(guān)器件連接點(diǎn))電壓產(chǎn)生諧振，從而為開關(guān)器件創(chuàng)造了零電壓導(dǎo)通條件。

　　圖4給出了一個(gè)單相極諧振逆變器(RPI)的原理圖。

圖4單相RPI電路

工作過(guò)程簡(jiǎn)述如下：

　　設(shè)主開關(guān)器件上的電壓是Us，諧振電感不斷地被極電壓Us所充電和放電，且供給負(fù)載一個(gè)交變的電流，電感Lr和電容Cr的諧振只發(fā)生在極電壓反向瞬間。

　　假設(shè)S2導(dǎo)通，S1處于關(guān)斷狀態(tài)，為了激活RPI工作過(guò)程，S2在ZVS處關(guān)斷，并聯(lián)諧振電感Lr在兩個(gè)諧振電容Cr之間進(jìn)行能量的交換。S1上的電壓達(dá)到零點(diǎn)時(shí)由二極管D1導(dǎo)通，對(duì)負(fù)載電流進(jìn)行續(xù)流。這時(shí)，諧振電感被直流電壓充電至Us/2，且S1可在此刻實(shí)

圖5ARCPI電路

現(xiàn)ZVS導(dǎo)通。事實(shí)上，由于諧振過(guò)程僅僅只發(fā)生在開關(guān)周期的極小一部分，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被稱為準(zhǔn)諧振ZVS。

　　極諧振逆變器發(fā)展的最大障礙是開關(guān)的沖擊電流，這是由于為了給主開關(guān)器件創(chuàng)造一個(gè)ZVS的條件，必須使電感電流足夠大以滿足和諧振電容之間的能量交換，由此而引起開關(guān)上的電流峰值和有效值至少分別是負(fù)載電流的2倍和12倍。所以功率器件的感性損耗可能要比傳統(tǒng)意義上的PWM逆變器高出很多，而且導(dǎo)致了過(guò)高的元器件成本和過(guò)低的開關(guān)利用率。

　　另一方面，對(duì)于那些較輕的負(fù)載，電感電流還不一定會(huì)有效地創(chuàng)造出ZVS條件，使得逆變器的帶載能力范圍受到了限制。還有，由于諧波電感和負(fù)載串聯(lián)，所以這種結(jié)構(gòu)的逆變器似乎也不適合于電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)。

　　(2)諧振吸收逆變器

　　諧振吸收逆變器也稱為輔助諧振轉(zhuǎn)換極逆變器(ARCPI)，其基本結(jié)構(gòu)如圖5所示。

　　在該電路中，對(duì)應(yīng)每一相，都有一個(gè)LC的諧振轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)。諧振轉(zhuǎn)換電路包括諧振電感Lr和并聯(lián)在每個(gè)主開關(guān)上的諧振電容Crp/Crn，主開關(guān)為自關(guān)斷器件。其工作原理也非常容易理解：假設(shè)負(fù)載電感L1遠(yuǎn)大于諧振電感Lr，那么在主開關(guān)換向瞬間，負(fù)載電流可以看成是一恒流源，初始狀態(tài)io為圖示方向，開關(guān)Sp處于關(guān)斷，二極管Dn處于續(xù)流狀態(tài)，即主電流io流過(guò)Dn。開通V1及Sn，諧振電流iL開始線性增加，當(dāng)iL到達(dá)io時(shí)，流過(guò)Dn的電流變?yōu)榱?，iL－io的差值流過(guò)開關(guān)Sn，當(dāng)iL－io升高室整定值時(shí)，關(guān)斷Sn，諧振開始，在諧振期間，輸出電壓Uo從零增加，當(dāng)Uo等于Us時(shí)，開關(guān)Sp就可以在零電壓下開通，同時(shí)iL下降為零時(shí)，在零電流條件下關(guān)斷V1。關(guān)于這種類型的逆變器的發(fā)展和應(yīng)用請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)1。

　　(3)軟開關(guān)過(guò)渡PWM逆變器(ZVT－PWM、ZCT－PWM)：

　　軟開關(guān)過(guò)渡技術(shù)的概念最初的應(yīng)用出現(xiàn)在AC/DC和DC/DC變換器中，后來(lái)才被擴(kuò)展到DC/AC逆變器中。這種結(jié)構(gòu)綜合考慮了PWM技術(shù)和軟開關(guān)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。在這種模式的逆變器電路結(jié)構(gòu)中，直流總線上的電壓/電流是固定不變的，而逆變橋則采用傳統(tǒng)的PWM調(diào)制方式，增加了一個(gè)輔助的諧振電路。

　　輔助諧振電路只工作在逆變橋開關(guān)的切換瞬間，而開關(guān)周期的其余時(shí)間維持PWM調(diào)制的特點(diǎn)。輔助開關(guān)的工作過(guò)程一定要和PWM控制同步。

①ZVT－PWM逆變器

其三相電路如圖6所示。

當(dāng)主功率開關(guān)零電壓/零電流過(guò)渡換向的時(shí)候，輔助開關(guān)Sr導(dǎo)通，經(jīng)過(guò)二極管Dfb把多余的電感能量反饋回直流側(cè)。所有的二極管均在零電流條件下導(dǎo)通或關(guān)斷，而主功率開關(guān)在零電壓條件下切換，這樣開關(guān)損耗將會(huì)顯著地降低。

　　ZVT－PWM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主功率器件通常選用MOSFET或IGBT。它們的寄生電容將成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。所以這種電路可以工作在很高的開關(guān)頻率下，除了主功率開關(guān)切換過(guò)渡的瞬間，這種電路的工作過(guò)程和傳統(tǒng)意義上的PWM電路完全類似。

　　顯然，諧振電感Lo和逆變橋上電容（C1～C6）之

圖6ZVT－PWM逆變器

圖7ZCT－PWM逆變器

間的諧振是有源開關(guān)獲得零電壓切換的必備條件。由于所有的有源器件ZVT開關(guān)過(guò)程都處于PWM操作過(guò)程當(dāng)中，所以相對(duì)于傳統(tǒng)的PWM電路，這種拓?fù)潆娐分械拈_關(guān)順序就顯得比較復(fù)雜。

　　在這種電路結(jié)構(gòu)中，由于負(fù)載電感不是逆變器零電壓工作的一部分，所以該電路可以用于電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。

②ZCT－PWM逆變器

　　其三相電路如圖7所示。

該逆變器電路實(shí)際上是一種在大功率晶閘管型逆變器中所使用的電流脈沖強(qiáng)迫換流電路的改進(jìn)。電感Lo和電容Co之間的諧振給逆變橋上的有源開關(guān)在零電流條件下的關(guān)斷提供了一個(gè)沖擊電流。這就要求強(qiáng)迫給電路中開關(guān)上的電壓變化峰值要比DC總線上的電壓高出很多。為了在ZCS下?lián)Q向，逆變橋中每個(gè)橋臂都需要兩個(gè)輔助開關(guān)，兩個(gè)續(xù)流二極管和一個(gè)電阻Rd。當(dāng)然，這種器件數(shù)量的增加無(wú)疑使得電路的工作過(guò)程變得復(fù)雜起來(lái)。

　　ZCT－PWM逆變器優(yōu)點(diǎn)是：由于所有的有源開關(guān)都是在ZCS條件下開通或關(guān)斷，顯著減小了有源開關(guān)和所有二極管上的電壓/電流變化峰值。另外和電流脈沖強(qiáng)迫換流電路相比，輔助電路諧振中的循環(huán)能量將隨負(fù)載電流的變化而被調(diào)整，但并不損耗，所以電流峰值大約只有負(fù)載電流的11倍，而且輔助電路中的電感損耗也明顯地減少。然而，ZCT－PWM逆變電路也存在著不足之處：逆變橋上的二極管和輔助開關(guān)都不是軟關(guān)斷，而是在一定的負(fù)載電流下關(guān)斷，所以關(guān)斷損耗對(duì)該電路來(lái)說(shuō)是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

③一般特性：

　　對(duì)于ZVT－PWM逆變電路，當(dāng)輔助網(wǎng)絡(luò)工作時(shí)，無(wú)論是從直流側(cè)還是從負(fù)載側(cè)來(lái)看都是一個(gè)并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)，而對(duì)于ZCT－PWM逆變電路，卻是一個(gè)串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)。這兩種電路中逆變橋上的開關(guān)都各自獨(dú)立地在ZVS或ZCS條件下開通或關(guān)斷。然而在ZVT－PWM逆變電路中，輔助開關(guān)和所有的二極管只能在ZCS條件下開通或關(guān)斷，而在ZCT－PWM逆變電路中，輔助開關(guān)和逆變橋上的二極管卻都是在一定的負(fù)載電流下進(jìn)行硬關(guān)斷。另外，在這兩種電路中，諧振網(wǎng)絡(luò)開關(guān)的位置和諧振吸收電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很相似。近年來(lái)，對(duì)這種逆變器不斷探索改進(jìn)的主要目標(biāo)是使這種電路的工作特性更接近于傳統(tǒng)的PWM電路。