串并聯諧振軟開關逆變器輔助電路的優化

引言
     將軟開關技術應用在電力電子技術中，對于電機驅動 來說，不僅改善逆變器的效率和性能，更能提高功率密度， 降低電磁干擾。近些年，研究人員提出了多種諧振直流環節 逆變器的拓撲結構。但這些拓撲結構仍存在很多不足，文獻 提出的拓撲結構，在直流母線之間串聯了2個大電容，形成 電源中點，使逆變器在高開關頻率工作時中性點電位變化， 不利于實現軟開關； 文獻[3]提出的拓撲結構，解決了中性 點電位的平衡問題，但是輔助電路中的開關器件不能實現軟 關斷，增加了開關損耗；文獻[4-5]提出的拓撲結構，輔助 諧振電路里有3個輔助開關，控制相對復雜，而且硬件成本 高；文獻[6]提出的拓撲結構，直流母線間的電壓恢復到直 流電源電壓值的兩倍，使開關器件和二極管承受更高的電壓 應力。本文提出了一種串并聯諧振軟開關逆變器輔助電路結 構的基礎上，對其進行改進，減少了開關器件，節省了損 耗。本文提出的新型并聯諧振直流環節逆變器，具有以下特 點: (1) 只有2個輔助開關器件，使其小型化、輕量化、節約

圖1 串并聯諧振軟開關三相逆變器主電路  

圖2  改進后的串并聯諧振軟開關三相逆變器主電路
化和控制簡單化。(2) 電感不用被預充電流。(3) 輔助開關都
可以實現零電流或零電壓開關。(4)沒有串聯分壓電容，無 中性點電位的變化問題。(5)不使用橋臂短路的控制方法完 成零電壓切換。在直流母線零電壓凹槽內，主開關實現零電 壓開關，安全可靠。

1 電路結構及工作原理
已提出的電路結構如圖1所示。改進后的電路結構如圖2所示。逆變器電路逆變器的等效電路如圖3所示。
1.1   電路結構 在提出電路拓撲結構之前先作如下假設。 (1)電路中的所有元器件均是理想的。 (2)諧振電感遠小于負載電感。帶有三相感性負載的逆變器從直流母線側來看可等效為一恒定的I0電流源。 (3)直流電源電壓為一理想電壓源E。 (4)每個橋臂開關管兩端并聯的電容Cs可等效為一個直接連在直流母線上的電容Cr=3Cs。D1-D6完全相同，等效為

圖3 逆變器的等效電路  

圖4 電路的特征工作波形
1.2  工作原理
本電路在一個開關周期內可以分為6個工作模式。電路的特征波形如圖4所示，各個工作模式如
圖5所示。

圖5  各工作模式的等效電路
模式1(0-t1) 初始狀態，S1導通，電源通過S1向負載供 電，同時通過VD3和S1，在Lr內有穩定的電流-Ia流過。電路工 作在穩態。
模式2(t1-t2) 在t1時刻，關斷S1，由于Cr上的電壓為E，S1 為零電壓關斷。Lr和Cr諧振，Cr放電，Lr放電，Cr不僅放電 而且給負載提供電流。電壓不斷減小，直到t2時刻Cr電壓為 零。Lr電流減小到-Ib，本模式結束。電感Lr和電容Cr的表達式

模式3(t2- t3) 在t2時刻，直流母線的電壓為零，VD2和VDs零電壓導通。負載電流通過VDs續流。通過VD2和VD3，向電源回饋能量。 L r 電流繼續減小， 直到t 3 時刻,L r 電流為零，本模式結束。電感Lr的表達式

模式4 (t 3 - t 4 ) t 3 時刻， 給S 2 驅動信號，由于Lr的作用，Lr為零電流開通。 Lr和Cr1諧振，Lr和Cr1被充電，開通S2給 Lr足夠的能量
使Cr的電壓恢復到E，在t4 時刻，當Cr1上電壓達到Ua后關斷S2。Lr 電流為Ic，本模式結束。

模式5(t4-t5) 在t4時刻，關斷S2后Cr的電壓仍為零，S2為 零電壓關斷。在直流母線電壓 為零的這段時間內，逆變器上 的主開關可以完成一次零電壓 的開通。Lr、Cr 、Cr1諧振，被 充電， Cr  、 Cr1電壓和增加到 E ， L r 的 電 流 最 大 ， 然 后 L r 的 電流開始減小，Cr電壓繼續增 加，Cr1電壓繼續增加，當t5時 刻 ， Cr 1 電 壓 變 為 U b ， C r 電 壓 變為E，直流母線的電壓變為 E，Lr的電流為Id，VD1導通，
Cr電壓不再變化。本模式結束。

模式6(t5-t6) t5時刻，Lr、Cr1繼續諧振，Lr電流減為0，然后反向增大，Cr1電壓增大到最大，本模式結束。模式7(t6-t7) 在t6時刻，導通S1，由于直流母線的電壓 變為E，S1零電壓導通，Cr1電壓減為零，Lr電流增加到反向 最大，同時VD3導通，Lr電流不再變化。t7時刻，Lr電流變 為-Ia，本模式結束。

2 仿真結果

圖6  Ucr1、iLr、Cr1的電壓及電流

圖7 開關S2的電壓    

圖8  開關S1的電壓

電源電壓。因此每一個周期內，在直流母線電壓降為零的時刻，開通逆變器橋臂上主開關都可以實現零電壓開關。直流 母線零電壓凹槽形成，直流母線的電壓降為零，為逆變器的 主開關實現提供條件，驗證了逆變器工作原理的正確性。直 流母線、Lr、Cr1和S1的電壓電流波形如圖6、圖7、圖8所示。
3 結論
與已提出的拓撲結構相比，存在以下優點：(1)輔助電 路開關器件少，減少一個開關器件和續流管，損耗相應減 少。(2)逆變器橋臂上的所有開關器件實現零電壓開通與關 斷周期工作模式減少，變得簡單。(3)直流母線零電壓凹槽 形成的時間不受負載電流的影響。(4)實現續流管零電流關 斷。針對不同的控制策略、不同的諧振參數對負載輸出波形 的影響程度，將做進一步的研究。
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