高頻脈寬調制技術在逆變器中的應用

摘要：將HPWM軟開關技術應用于逆變器,在不增加任何輔助電路的基礎上實現(xiàn)了功率管的ZVS通斷。HPWM軟開關方式逆變器電路控制簡單，基本不增加功率管的附加應力，且開通損耗大大減少，具有可靠性和效率均高的優(yōu)點。分析了方案的工作原理以及實現(xiàn)ZVS的條件。同時指出方案存在的問題和解決辦法。研制的工作頻率50kHz，1000VA的逆變器證明方案的可行性。

關鍵詞：高頻脈寬調制；軟開關；逆變器；零電壓開關

1  引言

    由于對逆變器高頻化的追求，硬開關所固有的缺陷變得不可容忍：開通和關斷損耗大;容性開通問題;二極管反向恢復問題;感性關斷問題;硬開關電路的EMI問題。因此，有必要尋求較好的解決方案盡量減少或消除硬開關帶來的各種問題。軟開關技術是克服以上缺陷的有效辦法。最理想的軟開通過程是：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，開通損耗近似為零。因功率管開通前電壓已下降到零，其結電容上的電壓即為零，故解決了容性開通問題，同時也意味著二極管已經(jīng)截止，其反向恢復過程結束，因此二極管的反向恢復問題亦不復存在。最理想的軟關斷過程為：電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關斷損耗近似為零。由于功率管關斷前電流已下降到零，即線路電感中電流亦為零，所以感性關斷問題得以解決。

    基于此，本文探討性地提出了一種用于全橋逆變器的，HPWM控制方式的ZVS軟開關技術，如圖1所示。其出發(fā)點是在盡量不改變硬開關拓撲結構，即盡量不增加或少增加輔助元器件的前提下，有效利用現(xiàn)有電路元器件及功率管的寄生參數(shù)，為逆變橋主功率管創(chuàng)造ZVS軟開關條件，最大限度地實現(xiàn)ZVS，從而達到減少損耗，降低EMI，提高可靠性的目的。

圖1  HPWM控制方式

2  HPWM控制方式下實現(xiàn)ZVS的工作原理

    考慮到MOS管輸出結電容值的離散性及非線性，每只MOS管并聯(lián)一小電容，吸收其結電容在內(nèi)等效為C₁－C₄，且C₁=C₂=C₃=C₄=C_eff；D₁－D₄為MOS管的體二極管，則HPWM軟開關方式在整個輸出電壓的一個周期內(nèi)共有12種開關狀態(tài)?；谡摪胫軆蓚€橋臂工作的對稱性，以輸出電壓正半周為例，其等效電路模式如圖2所示。圖3給出了輸出電壓正半周的一個開關周期內(nèi)的電路的主要波形，此時S₄常通，S₂關斷。由于載波頻率遠大于輸出電壓基波頻率，在一個開關周期T_s內(nèi)近似認為輸出電壓U_o保持不變，電感電流的相鄰開關周期的瞬時極值不變。

(a)模式A                    (b)模式A₁                              (c)模式B

(d)模式                 B₁(e)模式C                              (f)模式C₁

圖2  HPWM軟開關方式工作狀態(tài)及電路模式 

圖3  ZVS方式主要波形

    1）模式A[t₀，t₁]    S₁和S₄導通，電路為＋1態(tài)輸出模式，濾波電感電流線性增加，直到t₁時刻S₁關斷為止。電感電流：

      i_L(t)=（1）

    2）模式A₁[t₁，t₂]    在t₁時刻，S₁關斷，電感電流從S₁中轉移到C₁和C₃支路，給C₁充電，同時C₃放電。由于C₁、C₃的存在，S₁為零電壓關斷。在此很短的時間內(nèi)，可以認為電感電流近似不變，為一恒流源，則C₁兩端電壓線性上升，C₃兩端電壓線性下降。t₂時刻，C₃電壓下降到零，S₃的體二極管D₃自然導通，結束電路模式A₁。

       I₁=i_L(t₁)（2）

       u_c1(t)=t₂（3）

       u_c3(t)=U_d－t（4）

    3）模式B[t₂，t₃]    D₃導通后，開通S₃，所以S₃為零電壓開通。電流由D₃向S₃轉移，此時S₃工作于同步整流狀態(tài)，電流基本上由S₃流過，電路處于零態(tài)續(xù)流狀態(tài)，電感電流線性減小，直到t₃時刻，減小到零。此期間要保證S₃實現(xiàn)ZVS，則S₁關斷和S₃開通之間需要死區(qū)時間t_dead1。

      i_L(t)=I₁－t（5）

        t_dead1>（6）

    4）模式B₁[t₃，t₄]    此時加在濾波電感L_f上的電壓為－U_o，則其電流開始由零向負向增加，電路處于零態(tài)儲能狀態(tài)，S₃中的電流也相應由零正向增加，到t₄時刻S₃關斷，結束該模式。電感電流：

     i_L(t)=－t（7）

     5）模式C[t₄，t₅]    與模式A₁近似，S₃關斷，C₃充電，C₁放電，同理S₃為零電壓關斷。

      －I₀=i_L(t₄)（8）

      u_c3(t)=t（9）

      u_c1(t)=U_d－t（10）

t₅時刻，C₁的電壓降到零，其體二極管D₁自然導通，進入下一電路模式。

    6）模式C₁[t₅，t₆]    D₁導通后，開通S₁，則S₁為零電壓開通。電流由D₁向S₁轉移，S₁工作于同步整流狀態(tài)，電路處于＋1態(tài)回饋模式，電感電流負向減小，直到零，之后輸入電壓正向輸出給電感儲能，回到初始模式A，開始下一開關周期。此期間電感電流：

     i_L(t)=－I₀＋（11）

    同理，要保證S₁零電壓開通，則S₃關斷和S₁開通之間需要死區(qū)時間t_dead2，類似式(6)，有

       t_dead2>（12）

    多數(shù)情況下，有I₁>I₀，因而一般需t_dead2>t_dead1。

3  ZVS實現(xiàn)的條件及范圍

    從以上的工作模式分析可知，由于電容C₁及C₃的存在，S₁及S₃容易實現(xiàn)ZVS關斷；要實現(xiàn)功率管的零電壓開通，必須保證有足夠的能量在其開通之前抽去等效并聯(lián)電容上所儲存的電荷，即

L_fi_L²>C_effU_d²＋C_effU_d²=C_effU_d²（13）

    在上面的分析中，下管總是容易實現(xiàn)ZVS開通，因為其開通時刻總是在電感電流的瞬時最大值的時刻，即使輕載時電感儲存的能量也可以保證其實現(xiàn)零電壓開通；對于上管來說，則必須在零態(tài)續(xù)流模式中電感電流瞬時值由正變負，達到一定負向值，才能保證在下管關斷時該電流可以使上管等效并聯(lián)電容放電，從而實現(xiàn)其零電壓開通。此種情況實際為在輸出半個周期中，電感電流與輸出電壓同向，即u_o>0，i_L>0的情況；當二者反向即i_L<0時，則上下管的情況正好互換，上管容易實現(xiàn)ZVS開通，而下管實現(xiàn)ZVS的條件則同樣在零態(tài)續(xù)流模式中要保證電感電流瞬時值反向。對輸出電壓負半周，上下管實現(xiàn)ZVS的情況與正半周相同。

    濾波電感的取值直接影響ZVS實現(xiàn)的范圍，也影響到電路的效率?？紤]到輸出電壓半個周期內(nèi)電路可以等效為一Buck變換器，由此得濾波電感的最大值需滿足L_fmax≤。電感值大，電感電流瞬時值變化范圍小，ZVS實現(xiàn)的范圍減小，也就是說在較大負載情況下，在半波電感電流峰值附近上管難以實現(xiàn)ZVS開通，從而仍然有較大的開通損耗；電感取值減小，其電流瞬時值脈動變大，則ZVS實現(xiàn)的范圍加大，開通損耗可以減小，但此時由于整個輸出周期內(nèi)電感上的瞬時電流的高頻脈動很大，因而磁芯的磁滯及渦流損耗增加。所以，電感的取值、ZVS實現(xiàn)的范圍及電路的效率之間需根據(jù)具體情況適當折衷。

    在實際應用中須做以下說明。

    1）如考慮逆變器負載功率因數(shù)較大的情況，則u_o，i_L在整個周期大部分時間內(nèi)為同向，即有t_dead2>t_dead1成立。為充分保證上管軟開關的實現(xiàn)，則可以考慮在下管驅動附加加速關斷措施，如采用電阻二極管網(wǎng)絡，以適當增加下管關斷到上管開通之間的死區(qū)時間。

    2）由上述可知，由于要保證ZVS的實現(xiàn)，則濾波電感上必然存在較大的電流脈動，因而電感的磁芯損耗比較大，實際應用須選用電阻率高、高頻損耗小的磁芯材料。

    3）同理，由于ZVS實現(xiàn)的范圍與電感磁芯損耗的矛盾，在負載范圍較大的情況下，很難折衷得到較好的效果，因此該方式只適用于較小功率的應用場合，而應用于較大功率場合時，則可以考慮用相同功率的模塊并聯(lián)。

4  實驗波形和結語

    圖4是上下功率管在實現(xiàn)ZVS時的驅動電壓與相應漏源電壓波形。由圖4可以看出，上下管均很好地實現(xiàn)了零電壓開關。

(a)上管

(b)下管 

圖4  逆變器功率管驅動（上曲線）與漏源電壓（下曲線） 

    圖5是空載輸出電壓與電感電流。圖6是阻性滿載輸出電壓及電感電流?？蛰d時由于電感上的電流在半 個 周 期 內(nèi) 均 可 以 過 零 ， 因 而 此 時 功 率 管 可 以 較 好 地 實 現(xiàn) 軟 開 關 ； 而 滿 載 時 電 感 電 流 瞬 時 值 過 零 的 范 圍 明 顯 減 少 ， 此 時 上?很 難 實 現(xiàn) 軟 開 通 。 要 進 一 步 確 定 電 感 取 值 與 負 載 、 ZVS實 現(xiàn) 的 范 圍 以 及 電 路 效 率 之 間 的 關 系 除 了 理 論 分 析 外 ， 也 還 需 要 進 行 大 量 的 實 驗 。 圖 7為 逆 變 器 的 效 率 曲 線 ， 阻 性 滿 載 的 輸 出 效 率 約 為 92％ 。

圖5  空載輸出電壓與電感電流

圖6  阻性滿載輸出電壓及電感電流

圖7  逆變器的效率