新型零電壓零電流軟開關(guān)逆變器的仿真研究

遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院 張書杰 王 強(qiáng)

1.引言

現(xiàn)代電力電子裝置越來(lái)越趨向于小型化和輕量化，開關(guān)頻率要求越來(lái)越高。開關(guān)頻率很高時(shí)，給電路造成嚴(yán)重的噪聲污染和開關(guān)損耗，且產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)解決了這一系列問(wèn)題。軟開關(guān)技術(shù)指通過(guò)輔助諧振電路使開關(guān)管開通前電壓先降為零，關(guān)斷前電流先降為零，實(shí)現(xiàn)零電壓開通，零電流關(guān)斷；或者通過(guò)輔助諧振電路降低開關(guān)管開通瞬間電流的上升率和開關(guān)管關(guān)斷瞬間電壓的上升率，實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電壓關(guān)斷，從而降低開關(guān)功率損耗，減少噪聲污染和電磁干擾[1]。

本文提出一種新型的零電壓零電流軟開關(guān)逆變器的拓?fù)潆娐?。文中?duì)其工作原理進(jìn)行了分析，給出了不同工作模式下的等效電路圖，通過(guò)仿真驗(yàn)證了：1)主開關(guān)可以在零電壓和零電流的條件下開通，在零電壓和零電流的條件下關(guān)斷，克服了開通時(shí)的容性開通損耗問(wèn)題和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流問(wèn)題。因此主開關(guān)使用各種類型的開關(guān)器件時(shí)，如電力MOSFET、IGBT等，都能有效地減小了開關(guān)損耗。2)輔助開關(guān)實(shí)現(xiàn)了零電流開關(guān)，開關(guān)損耗也被減小。

2.新回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及基本動(dòng)作原理

2.1 回路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

新回路的三相主電路如圖1所示，單相等效電路如圖2所示，E為直流電源，電解電容Cd1、Cd2把電源電壓E二等分，給直流母線濾波，同時(shí)限制諧振電容和開關(guān)管的電壓。為保證Cd1、Cd2承受電壓的均衡，Cd1、Cd2分別并聯(lián)均壓電阻R1和R2。為減小均壓電阻的功率損耗，實(shí)際中選取大阻值小功率的電阻。LR1和LR2為諧振電感，CR1和CR2為諧振電容，SA1和SA2是輔助開關(guān)，當(dāng)主開關(guān)S1和S2需要切換時(shí)，給輔助開關(guān)觸發(fā)信號(hào)，輔助電路開始工作，利用諧振電感和諧振電容之間的諧振使主開關(guān)在反并聯(lián)二極管流過(guò)電流的時(shí)候完成開通或關(guān)斷，即可實(shí)現(xiàn)主開關(guān)在零電壓零電流的情況下完成開關(guān)動(dòng)作。

圖1 三相諧振極逆變器主電路

圖2 逆變器的單相等效電路

2.2 基本動(dòng)作原理

為簡(jiǎn)化分析，現(xiàn)在做以下假設(shè)：1)器件均為理想工作狀態(tài)；2)負(fù)載電感遠(yuǎn)大于諧振電感，逆變橋開關(guān)狀態(tài)過(guò)渡瞬間的負(fù)載電流可以認(rèn)為是恒流源i0。因?yàn)槿嘀C振電路是獨(dú)立可控的，取電路的一相進(jìn)行分析，其單相等效電路如圖2所示，箭頭指向?yàn)槲锢砹康膮⒖颊?，作為初始條件，設(shè)電容CR1的電壓uCR1等于 -E，電容CR2的電壓uCR2等于0.5E，CR1和CR2比Cd1、Cd2的電容值小很多，負(fù)荷電流i0以圖2所示方向流過(guò)。特征工作波形如圖3所示；各工作模式的等效電路如圖4所示。

圖3 電路的特征工作波形

工作模式：

1)模式1(t0～t1)：初始狀態(tài)，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)S2的反并聯(lián)二極管D2續(xù)流，此時(shí)S2處于開通狀態(tài)，S1處于關(guān)斷狀態(tài)，輔助電路不工作。

2)模式2(t1～t2)：在t1時(shí)刻，主開關(guān)S2關(guān)斷，同時(shí)給輔助開關(guān)SA1觸發(fā)信號(hào)，使其導(dǎo)通，回路狀態(tài)如圖4(b)所示。D2中流過(guò)電流，S2在零電壓和零電流的條件下完成了關(guān)斷。在諧振電感LR1的作用下，降低了流過(guò)輔助開關(guān)SA1的電流的上升率，SA1實(shí)現(xiàn)了零電流開通。SA1開通后，輔助電路開始工作，LR1、CR1和CR2發(fā)生諧振，諧振電流iLR1逐漸增大，同時(shí)流過(guò)D2的電流以相同的變化率逐漸減小，當(dāng)減小到零時(shí)，模式2結(jié)束。

3)模式3(t2～t3)：負(fù)載電流i0通過(guò)LR1、CR1和CR2所在的支路續(xù)流，CR2放電，CR2的電壓uCR2線性減小。LR1和CR1繼續(xù)諧振。當(dāng)CR2的電壓uCR2線性減小到零時(shí)，二極管DA2導(dǎo)通，模式3結(jié)束。

4)模式4(t3～t4)：二極管DA2導(dǎo)通之后，LR1、LR2、CR1和CR2發(fā)生諧振，在諧振過(guò)程中，當(dāng)CR1和CR2的電壓uCR1與uCR2之和等于0.5E時(shí)，二極管D1開始導(dǎo)通，模式4結(jié)束。

5)模式5(t4～t5)：二極管D1導(dǎo)通的時(shí)候，開通主開關(guān)S1，此時(shí)S1是在零電壓零電流的條件下完成了開通。當(dāng)流過(guò)二極管D1的電流減小到零時(shí)，模式5結(jié)束。

6)模式6(t5～t6)：在t5時(shí)刻，流過(guò)S1的電流開始從零增大，LR1、LR2、CR1和CR2繼續(xù)諧振，當(dāng)電流iLR1減小到零時(shí)，二極管DA1開始導(dǎo)通，電流iLR1開始反向增大，模式6結(jié)束。

7)模式7(t6～t7)：二極管DA1導(dǎo)通的時(shí)候，關(guān)斷輔助開關(guān)SA1，此時(shí)SA1在零電壓零電流的條件下完成了關(guān)斷。二極管DA1導(dǎo)通之后，LR1、LR2、CR1和CR2繼續(xù)諧振。當(dāng)電流iLR2減小到零時(shí)，二極管DA2自然關(guān)斷，模式7結(jié)束。

8)模式8(t7～t8)：因?yàn)槎O管DA2的反向阻斷作用，電流iLR2不能反向增大，此時(shí)LR1、CR1和CR2繼續(xù)諧振，當(dāng)電流iLR1減小到零時(shí)，二極管DA1自然關(guān)斷，因?yàn)槎O管DA1的反向阻斷作用，電流iLR1不能反向增大，諧振過(guò)程結(jié)束，模式8結(jié)束。

9)模式9(t8～t9)：負(fù)載電流流過(guò)主開關(guān)S1，此時(shí)電路工作在穩(wěn)態(tài)，輔助電路不工作。

10)模式10(t9～t10)：在t9時(shí)刻，再一次給輔助開關(guān)SA1觸發(fā)信號(hào)，使SA1導(dǎo)通，在諧振電感LR1的作用下，降低了流過(guò)輔助開關(guān)SA1的電流的上升率，所以SA1實(shí)現(xiàn)了零電流開通，SA1導(dǎo)通之后，LR1、CR1和CR2發(fā)生諧振，電流iLR1逐漸增大，流過(guò)S1的電流逐漸減小，當(dāng)流過(guò)S1的電流減小到零時(shí)，模式10結(jié)束。

11)模式11(t10～t11)：LR1、CR1和CR2繼續(xù)諧振，二極管D1導(dǎo)通，當(dāng)電流流過(guò)二極管D1的時(shí)候，關(guān)斷主開關(guān)S1，此時(shí)S1是在零電壓零電流的條件下完成了關(guān)斷。當(dāng)流過(guò)二極管D1的電流減小到零時(shí)，模式11結(jié)束。

12)模式12(t11～t12)：負(fù)載電流i0通過(guò)LR1、CR1和CR2所在的支路續(xù)流，CR2放電，CR2的電壓uCR2線性減小。LR1和CR1繼續(xù)諧振，當(dāng)CR2的電壓uCR2線性減小到零時(shí)，二極管DA2導(dǎo)通，模式12結(jié)束。

13)模式13(t12～t13)：二極管DA2導(dǎo)通之后，LR1、LR2、CR1和CR2發(fā)生諧振，當(dāng)電流iLR1減小到零時(shí)，二極管DA1開始導(dǎo)通，電流iLR1開始反向增大，模式13結(jié)束。

14)模式14(t13～t14)：二極管DA1導(dǎo)通的時(shí)候，關(guān)斷輔助開關(guān)SA1，此時(shí)SA1在零電壓零電流的條件下完成了關(guān)斷。二極管DA1導(dǎo)通之后，LR1、LR2、CR1和CR2繼續(xù)諧振，當(dāng)電流iLR1再一次減小到零時(shí)，二極管DA1自然關(guān)斷，模式14結(jié)束。

15)模式15(t14～t15)：因?yàn)槎O管DA1的反向阻斷作用，電流iLR1不能再次反向增大，此時(shí)負(fù)載電流通過(guò)CR1所在的支路續(xù)流，LR2和CR2繼續(xù)諧振，CR2的電壓uCR2開始增大，CR1被反向充電，其電壓uCR1線性減小。當(dāng)CR1和CR2的電壓uCR1與uCR2之和等于-0.5E時(shí)，二極管D2開始導(dǎo)通，模式15結(jié)束。

16)模式16(t15～t16)：二極管D2導(dǎo)通之后，LR2、CR1和CR2開始諧振，當(dāng)電流iLR2減小到零時(shí)，模式16結(jié)束。

此時(shí)電路又返回到模式1，開始下一個(gè)開關(guān)周期的工作。至此，一個(gè)完整的負(fù)載電流為正的PWM周期結(jié)束，負(fù)載電流為負(fù)的工作模式與此類似。負(fù)載電流為負(fù)的工作周期內(nèi)，輔助開關(guān)SA1不動(dòng)作，SA2動(dòng)作。

3.仿真結(jié)果

為驗(yàn)證本文提出的零電壓零電流軟開關(guān)拓?fù)潆娐返挠行?，根?jù)圖2搭建仿真模型，對(duì)逆變器進(jìn)行了仿真研究，仿真參數(shù)如表1所示。

圖4為軟開關(guān)逆變器主開關(guān)S1的電流與兩端電壓的仿真波形。從圖5可以看到，流過(guò)主開關(guān)S1的電流在其端電壓開始增大之前，已經(jīng)變化到零，實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷，不產(chǎn)生關(guān)斷損耗。在開通過(guò)程中，S1兩端的電壓在電流開始流過(guò)S1之前，已經(jīng)降到零，同樣實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流開通，開通損耗也為零。圖中電流為負(fù)值的時(shí)間內(nèi)，電流從S1的反并聯(lián)二極管內(nèi)流過(guò)。

表1 仿真參數(shù)

圖5所示為軟開關(guān)逆變器輔助諧振電路中輔助開關(guān)SA1的電流與兩端電壓的仿真波形?？梢钥闯觯陂_通過(guò)程中，電壓先降為零，之后電流才上升，且電流在諧振電感的作用下緩慢增加，實(shí)現(xiàn)了零電流導(dǎo)通。在關(guān)斷過(guò)程中，SA1中的電流先由正變負(fù)，換流到SA1的反并聯(lián)二極管中，SA1中已沒(méi)有電流流過(guò)，而后其兩端電壓才開始增大，實(shí)現(xiàn)了零電壓零電流關(guān)斷。

圖4 軟開關(guān)逆變器開關(guān)S1的電壓電流仿真波形

圖5 輔助開關(guān)SA1的電壓電流仿真波形

4.結(jié)論

本文提出了一種新型的零電壓零電流軟開關(guān)逆變器，能使主開關(guān)在零電壓和零電流的條件下完成開通，并在零電壓和零電流的條件下完成關(guān)斷，解決了主開關(guān)的容性開通損耗問(wèn)題和關(guān)斷時(shí)的拖尾電流問(wèn)題，另外還能使輔助開關(guān)完成零電流開通，在零電流和零電壓的條件下完成關(guān)斷，有效地降低了開關(guān)損耗，同時(shí)逆變橋的續(xù)流二極管實(shí)現(xiàn)了軟性關(guān)斷，克服了反向恢復(fù)問(wèn)題，且開關(guān)器件的耐壓被限制在直流母線電壓以下，所以該軟開關(guān)逆變器能進(jìn)行高頻率開關(guān)，減小噪音，抑制電磁干擾。通過(guò)仿真，驗(yàn)證了該軟開關(guān)逆變器的主開關(guān)可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)零電壓開通和零電流關(guān)斷，輔助開關(guān)可以實(shí)現(xiàn)零電流開通和零電流關(guān)斷。

[1]Bellar M D,Wu T S,Tchamdjou A,et al.A review of softswitched dc-ac converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(4):847-860.