控制簡單的節(jié)能型單相全橋逆變器

王強，王有政，王天施，劉曉琴

1 引言

目前，現(xiàn)代電力電子變流技術(shù)正朝著高性能、高頻化、大容量的方向發(fā)展. 逆變器高頻化可以大大減少逆變器中磁性元件體積和重量. 但是，隨著開關(guān)器件的開關(guān)頻率不斷提高，開關(guān)損耗和電磁干擾噪音會顯著增大，逆變器的轉(zhuǎn)換效率會因為開關(guān)損耗的增大而降低.軟開關(guān)諧振變流技術(shù)通過添加必要的輔助諧振單元而使開關(guān)元件取得零電壓或者零電流軟切換，進而降低開關(guān)損耗，減小電磁干擾、抑制諧波污染，提高逆變效率，使逆變裝置具有更優(yōu)的性能指標［1］.

輔助諧振電路接在逆變器橋臂中點和直流母線之間的是諧振極逆變器，研究人員已經(jīng)設(shè)計了多種單相全橋諧振極逆變器拓撲結(jié)構(gòu)［2，5］，但是仍存在不足之處. 例如文獻［3］中的輔助電路含有4 個輔助開關(guān)，輔助開關(guān)的數(shù)量較多會導(dǎo)致輔助電路硬件成本較高且控制復(fù)雜，影響逆變器的可靠性和實用性；文獻［4，5］中的輔助電路進入諧振狀態(tài)之前，需要使流過諧振電感的電流達到設(shè)定值，使控制復(fù)雜化.

本文提出了一種新型單相全橋軟開關(guān)逆變器，相比于相關(guān)文獻提出的同類型逆變器，具有以下優(yōu)勢：（1）逆變器采用簡單的受限單極式正弦脈寬調(diào)制方法，在每個開關(guān)周期內(nèi)，僅需改變1 個主開關(guān)和1 個輔助開關(guān)的觸發(fā)脈沖，無需通過配置電感電流閾值來控制輔助開關(guān)，實現(xiàn)了逆變器控制簡單化；（2）輔助電路結(jié)構(gòu)簡單，僅含有1 個輔助開關(guān)和少量無源器件，無大體積的變壓器和分壓電容，有利于降低輔助電路硬件成本和改善逆變器的可靠性. 文中分析了電路在一個開關(guān)周期內(nèi)的工作流程，在額定功率為2 kW 的實驗樣機上驗證了該單相全橋軟開關(guān)逆變器的性能.

2 電路工作過程分析

2.1 電路結(jié)構(gòu)

圖1 給出了一種控制簡單的節(jié)能型單相全橋逆變器電路拓撲，由直流電源Ud，輔助諧振電路和單相全橋逆變電路組成，其中輔助諧振電路由2 個諧振電感Lr、Ls，3 個諧振電容Cr、Cs1和Cs2，1 個輔助開關(guān)Sa及其反并聯(lián)二極管DSa和輔助二極管Ds0~Ds5組成. 全橋逆變電路是由主開關(guān)S1~S4及其反并聯(lián)二極管D1~D4、負載電感L和負載電感R組成.

圖1 控制簡單的節(jié)能型單相全橋逆變器主電路

2.2 工作流程

在分析電路工作過程時，作出以下假設(shè)：（1）所有元件都看作理想元件；（2）阻感性負載中的電感值遠大于輔助電路中的電感值，負載電流在一個開關(guān)周期中保持不變，即可將該阻感性負載看成是電流大小恒為Io的恒流源. 各部分電壓和電流的正方向已在圖1 中標出.12個流程被包含在電路每個開關(guān)周期的工作過程，圖2 給出了電路的特征工作波形，圖3 為各工作流程的等效電路圖.

（1）流程1（t~t0）：電流流過主開關(guān)S1和S3，此時電容Cs1的兩端電壓uCs1為零，電容Cr的兩端電壓uCr為Ud，流過電感Ls的電流iLs等于負載電流Io，電路處于穩(wěn)定狀態(tài).

圖2 諧振換流期間的理論工作波形

（2）流程2（t0~t1）：在t0時刻，關(guān)斷主開關(guān)S1，在電容Cs1的作用下，使主開關(guān)S1在關(guān)斷時刻的端電壓從零開始以較小的變化率緩慢增加，所以主開關(guān)S1在關(guān)斷時處于零電壓軟關(guān)斷狀態(tài). 從t0時刻開始，流過Cs1的電流等于Io，uCs1從零開始正向線性增大. 在t1時刻，uCs1正向線性增大到Ud時，流程2結(jié)束.

（3）流程3（t1~t2）：在t1時刻，Ls，Cr和Cs1進入諧振狀態(tài)，Ls處于正向放電狀態(tài)，Cr和Cs1處于被正向充電的狀態(tài)，iLs從Io開始正向減小，流過二極管D4的電流開始增大，uCr和uCs1從Ud開始正向增大，在變化過程中，uCr等于uCs1. 在t2時刻，iLs開始正向減小到零，流過D4的電流等于Io，uCr和uCs1增大 到Up1，uSa增加 到U1時，流程3結(jié)束.

圖3 各工作流程的等效電路圖

（4）流程4（t2~t3）：在t2時刻，開通輔助開關(guān)Sa，Lr限制了Sa發(fā)生開通動作時的電流上升速度，因此Sa在開通時處于零電流軟開通狀態(tài). 從t2時刻開始，Lr、Cr和Cs1進入諧振狀態(tài)，Lr處于被正向充電狀態(tài)，Cr和Cs1處于反向放電的狀態(tài)，iLr從零開始正向增大，uCr和uCs1從Up1開始正向減小. 在t3時刻，uCr和uCs1正向減小到Ud，iLr正向增大到Ip1時，流程4結(jié)束.

（5）流程5（t3~t4）：在t3時刻，Lr，Cr和Cs1諧振結(jié)束，電流開始流過Ds0，iLr開始在Ds0，Sa和Lr組成的閉合回路內(nèi)續(xù)流，Io通過主開關(guān)S3和D4實現(xiàn)續(xù)流. 在t4時刻，關(guān)斷Sa，流程5結(jié)束.

（6）流程6（t4~t5）：從t4時刻開始，Lr承受電壓等于Ud，Lr處于正向放電狀態(tài)，iLr從Ip1開始正向線性減小，儲存在Lr中的電能開始回饋給直流電源. 在t5時刻，iLr正向減小到零時，流程6結(jié)束.

（7）流程7（t5~t6）：從t5時刻開始，Io繼續(xù)通過S3和D4實現(xiàn)續(xù)流，輔助電路不工作，電路處于穩(wěn)態(tài).

（8）流程8（t6~t7）：在t6時刻，開通主開關(guān)S1，Ls限制了主開關(guān)S1發(fā)生開通動作時的電流上升速度，因此主開關(guān)S1在開通時處于零電流軟開通狀態(tài). 從t6時刻開始，Ls承受電壓等于Ud，Ls處于被正向充電狀態(tài)，iLs從零開始正向線性增大，同時流過D4的電流開始線性減小.在t7時刻，iLs正向線性增大到Io，流過D4的電流等于零時，流程8結(jié)束.

（9）流程9（t7~t8）：在t7時刻，Ls，Cr和Cs1進入諧振狀態(tài)，Ls處于被正向充電狀態(tài)，Cs1處于反向放電狀態(tài)，Cr處于被正向充電狀態(tài)，iLs從Io開始繼續(xù)正向增大，uCs1從Ud開始正向減小，uCr從Ud開始正向增大. 當(dāng)uCs1+Ud=uCr時，iLs正向增大到最大值Ip2. 然后Ls開始處于正向放電狀態(tài)，Cs1繼續(xù)處于反向放電狀態(tài)，Cr繼續(xù)處于被正向充電狀態(tài)，iLs從Ip2開始正向減小，uCs1繼續(xù)正向減小，uCr繼續(xù)正向增大. 在t8時刻，iLs正向減小到Io，uCr正向增大到Up2，uCs1正向減小到Up3，uSa增加到U2時，流程9結(jié)束.

（10）流程10（t8~t9）：在t8時刻，開通輔助開關(guān)Sa，Lr限制了Sa發(fā)生開通動作時的電流上升速度，因此Sa在開通時處于零電流軟開通狀態(tài). 從t8時刻開始，Lr和Cr進入諧振狀態(tài)，Lr處于被正向充電狀態(tài)，Cr處于反向放電狀態(tài)，iLr從零開始正向增大，uCr從Up2開始正向減小.在t9時刻，uCr正向減小到Ud，iLr正向增大到Ip3時，流程10結(jié)束.

（11）流程11（t9~t10）：在t9時刻，Lr和Cr諧振結(jié)束，電流開始流過Ds0，iLr開始在Ds0，輔助開關(guān)Sa和Lr組成的閉合回路內(nèi)續(xù)流，Io流過主開關(guān)S1和S3. 在t10時刻，關(guān)斷輔助開關(guān)Sa，流程11結(jié)束.

（12）流程12（t10~t11）：從t10時刻開始，Lr承受電壓等于Ud，Lr處于正向放電狀態(tài)，iLr從Ip3開始正向線性減小，儲存在Lr中的電能開始回饋給直流電源. 在t11時刻，iLr正向減小到零時，流程12結(jié)束.

然后電路將返回流程1，進入下1個開關(guān)周期.

3 實驗結(jié)果

樣機參數(shù)如下：額定輸出功率P0=2 kW，負載電阻R=10 Ω，負載電感L=1 mH，直流電源電壓Ud=300 V，最大負載電流Iomax=20 A，主開關(guān)的開關(guān)頻率fc=20 kHz，輸出頻率f0=50 Hz，諧振電感Ls=6 μH，Lr=31 μH，諧振電容Cs1=Cs2=Cr=0.1 μH.

圖4（a）給出了樣機輸出的電流實驗波形，輸出頻率為50 Hz，可以看出輸出的電流波形比較光滑，并沒有因為增加輔助電路而使逆變器輸出波形產(chǎn)生畸變.圖4（b）和圖4（c）分別給出了在滿載和輕載時，逆變器上橋臂主開關(guān)S1進行切換動作時的端電壓uS1和流過的電流iS1的實驗波形. 從圖4（b）和圖4（c）可以看出，在開關(guān)開通時刻，流過主開關(guān)S1的電流上升的速度被抑制，所以輕載和滿載時都實現(xiàn)了主開關(guān)S1的零電流軟開通；從圖4（b）和圖4（c）還可以看出在主開關(guān)S1關(guān)斷時刻，其兩端電壓從零開始以較小的變化率緩慢增加，所以輕載和滿載時都實現(xiàn)了主開關(guān)S1的零電壓軟關(guān)斷.圖4（d）給出了輔助開關(guān)Sa進行切換動作時的端電壓uSa和電流iSa的實驗波形. 從圖4（d）可以看出Sa開通時，iSa以較低變化率正向緩慢增大，實現(xiàn)了Sa零電流軟開通，但是從圖4（d）也可看出Sa關(guān)斷時uSa的上升速度沒有被限制，Sa沒有實現(xiàn)軟關(guān)斷，這需要在以后的研究工作中對其輔助電路進一步優(yōu)化，以實現(xiàn)輔助開關(guān)開通和關(guān)斷都是軟切換.

圖4 實驗波形

4 結(jié)論

設(shè)計出了一種控制簡單的單相全橋諧振極軟開關(guān)逆變器，顯著特點是輔助電路只有1 個輔助開關(guān)，而且逆變器采用受限單極式正弦脈寬調(diào)制方法，使輔助電路控制簡單化. 經(jīng)實驗驗證得到的結(jié)論如下：（1）逆變器主開關(guān)在切換過程中能完成零電流軟開通和零電壓軟關(guān)斷；（2）逆變器輸出電流波形為光滑正弦波，增設(shè)的輔助電路對逆變器的輸出無影響.