諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及其在逆變電源中的應(yīng)用

摘要：為了獲得更高的性能指標(biāo)、更高的效率、更高的功率密度，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)在DC/AC逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在這一領(lǐng)域中所做的大量工作并沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)識(shí)，撰寫(xiě)本文的目的在于嘗試著對(duì)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的DC/AC電路進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分類(lèi)，并對(duì)其工作原理、性能、設(shè)計(jì)上的局限性及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行扼要的分析。也重點(diǎn)討論了諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)諧振軟開(kāi)關(guān)

The Application of Resonant Soft switching Techniques in Invert Power Supply

Abstract: In order to achieve better performance,higher effciency,higher power density,soft? switching techniques have recently been applied in the design of DC/AC inverter.However,the amount of work that has been done in this field is not widely known,this paper is an attempt to classify the soft? switched DC/AC circuits in a simple and generic way,and operating principles,performance,and design limitations are discussed.Some possible industrial applications of soft? switched inverter are addressed.

Keywords:Zero? voltage switching,Zero? current switching,Resonant soft? switching

1引言

近十幾年來(lái)，由于電路簡(jiǎn)單和控制方便，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已經(jīng)成為功率電子技術(shù)中DC/AC逆變器的一個(gè)重要的選擇。PWMDC/AC變換器在不間斷電源(UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于開(kāi)關(guān)損耗和半導(dǎo)體器件額定電流的限制，使得逆變器中的開(kāi)關(guān)頻率只工作在大約幾個(gè)千赫茲，逆變器的功率也只有幾個(gè)千瓦。眾所周知，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，逆變器的功率密度和性能將會(huì)得到很大的改善。當(dāng)然，開(kāi)關(guān)頻率的提高要受到以下因素的影響：

●在功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)渡期間的開(kāi)關(guān)應(yīng)力(很高的電壓和電流峰值)，將會(huì)導(dǎo)致器件的安全工作區(qū)(SOA)加大；

●開(kāi)關(guān)損耗；

●嚴(yán)重的di/dt和dv/dt將會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。

　　與PWM硬開(kāi)關(guān)電路相反，在諧振軟開(kāi)關(guān)電路中，開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下切換，理論上開(kāi)關(guān)損耗為零。因此，與硬開(kāi)關(guān)電路相比，在采用同一類(lèi)型開(kāi)關(guān)器件的條件下，諧振軟開(kāi)關(guān)電路可以很輕松地在高出一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率下工作。高的開(kāi)關(guān)頻率使諧振軟開(kāi)關(guān)電路具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如低噪音，低電磁干擾(EMI)，輸出波形的諧波成分少；另外，由于開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下動(dòng)作，開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)過(guò)程大為改觀，這使得緩沖電路成為多余，散熱器尺寸明顯減小，從而使設(shè)備尺寸及重量也隨之大量減小，開(kāi)關(guān)器件可在高可靠性和高效率條件下工作?？偠灾?，人們過(guò)去在硬開(kāi)關(guān)PWM電路設(shè)計(jì)中追求的許多目標(biāo)，在軟開(kāi)關(guān)條件下都很容易實(shí)現(xiàn)。

　　由于諧振軟開(kāi)關(guān)逆變電路與常規(guī)硬開(kāi)關(guān)逆變電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此，近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多研究人員每年都有大量的關(guān)于這個(gè)領(lǐng)域研究的論文發(fā)表，目前已提出多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振軟開(kāi)關(guān)逆變電路。

2軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類(lèi)

圖1軟開(kāi)關(guān)技術(shù)逆變器分類(lèi)

總的來(lái)說(shuō)，逆變器根據(jù)其開(kāi)關(guān)特性可分為硬開(kāi)關(guān)技術(shù)與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，所謂硬開(kāi)關(guān)技術(shù)是指在開(kāi)關(guān)切換瞬間，開(kāi)關(guān)兩端有電壓或電流，所以不可避免的會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗和EMI問(wèn)題。同時(shí)，由于寄生電容和漏感的存在，在開(kāi)關(guān)切換瞬間還會(huì)出現(xiàn)很高的電壓/電流峰值。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)則是讓開(kāi)關(guān)在兩端電壓或電流為零或極小的瞬間切換，從而避免了開(kāi)關(guān)損耗和EMI問(wèn)題。產(chǎn)生這個(gè)零電壓或零電流瞬間的方法則是在硬開(kāi)關(guān)技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加由電感L、電容C或其它諸如二極管或輔助開(kāi)關(guān)等元器件組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，使主開(kāi)關(guān)兩端的電壓或電流始終在零點(diǎn)附近振蕩或穿過(guò)零點(diǎn)，從而給開(kāi)關(guān)的零電壓/零電流切換（即軟開(kāi)關(guān)技術(shù)）提供了可能的條件。

　　諧振環(huán)節(jié)位置和結(jié)構(gòu)的變化，開(kāi)關(guān)波形的特性不同及諧振的形式(如并聯(lián)或串聯(lián))，也使得軟開(kāi)關(guān)技術(shù)DC/AC逆變器電路拓?fù)渥兊枚喾N多樣。圖1給出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)逆變器的一個(gè)分類(lèi)圖。

●負(fù)載諧振(LoadResonance)

把LC諧振網(wǎng)絡(luò)以串聯(lián)或并聯(lián)的方式加在負(fù)載側(cè)，為逆變橋主功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造一個(gè)ZVS或ZCS條件。而DC總線(xiàn)側(cè)的電壓或電流波形保持不變。

●諧振過(guò)渡(Resonanttransition)

　　把LC諧振網(wǎng)絡(luò)加在逆變橋上，開(kāi)關(guān)上的寄生電容也成為諧振模式的一部分，為主功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造一個(gè)ZVS或ZCS條件。而輸入端DC總線(xiàn)波形保持不變。

●諧振環(huán)節(jié)(ResonantLink)

　　把諧振網(wǎng)絡(luò)加在輸入DC源和逆變橋之間，這樣輸入總線(xiàn)上的電壓就成為一個(gè)脈沖序列，為功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造軟開(kāi)關(guān)技術(shù)條件，所以，它和傳統(tǒng)意義上的PWM系統(tǒng)，有著較大的區(qū)別。

3軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類(lèi)

3?1負(fù)載諧振逆變器

　　諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載相連，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)(Ts=1/fs)以頻率fr進(jìn)行振蕩，這種負(fù)載上振蕩的電壓和電流就可以為逆變橋中的主功率器件創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，逆變橋可以是半橋或全橋結(jié)構(gòu)。一般情況下，分為兩類(lèi)：

　　第一串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋串聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)方波電壓。負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間的連接是多種多樣的，串聯(lián)/并聯(lián)/混合諧振結(jié)構(gòu)(如串/并、并/串和多諧振)。

　　第二并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋并聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)方波電流，同樣，負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間也可以是串聯(lián)或并聯(lián)。

　　下面列出負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)實(shí)例和一些基本特點(diǎn)：

　　(1)串聯(lián)諧振/并聯(lián)負(fù)載逆變器(SRPLI)

圖2示出了一個(gè)半橋的SPRLI電路。這種電路的特點(diǎn)是：

　　當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 容 性 ， 主 開(kāi) 關(guān) 和 二 極 管 在 ZCS條 件 下 開(kāi) 通 或 關(guān) 斷 。 有 源 開(kāi) 關(guān) 的 開(kāi) 通 取 決 于 電 路 的 控 制 信 號(hào) ， 而 它 的 關(guān) 斷 則 依 靠 功 率 電 路 的 自 然 換 流 。 由 于 負(fù) 載 和 諧 振 電 容 并 聯(lián) ， 可 以 明 顯 縮 小 輸 出 電 壓 的 畸 變 。 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 為 了 限 制 功 率 開(kāi) 關(guān) 中 的 短 暫 沖 擊 電 流 ， 應(yīng) 該 給 每 個(gè) 功 率 開(kāi) 關(guān) 串 聯(lián) 一 個(gè) 電 感 。 這 種 電 路 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 感 應(yīng) 加 熱 、 航 空 電 源 等 大 功 率 (20kHZ/10kVA左 右 )場(chǎng) 合 。

當(dāng)fr>fs時(shí)，SRPLI工作在ZVS條件下，為了避免開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗，功率開(kāi)關(guān)應(yīng)該并聯(lián)一個(gè)吸收電容。這種情況下，如果構(gòu)成全橋電路，其輸出可采用移相調(diào)制的方法來(lái)控制。該結(jié)構(gòu)還有一些特征，即相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期來(lái)說(shuō)，諧振只發(fā)生在一個(gè)很短的瞬間，而

圖2SRPLI電路

圖3PRSLI電路

且開(kāi)關(guān)上的寄生電容和隔離變壓器上的漏感抗在逆變側(cè)成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。由于這種電路的這些特點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于高頻電源的設(shè)計(jì)中。

　　SRPLI電路的優(yōu)點(diǎn)是：輸出正弦波畸變較小，功率大效率高。

　　SRPLI電路的缺點(diǎn)是：變頻控制方法受到限制，且有一定的輸出畸變。另外由于制造的原因或參數(shù)的瞬態(tài)變化使得開(kāi)關(guān)頻率漂移，從而不便調(diào)整輸出電壓。

(2)并聯(lián)諧振/串聯(lián)負(fù)載逆變器(PRSLI)

　　圖3示出了一個(gè)典型的PRSLI結(jié)構(gòu)，該電路實(shí)際上是圖2電路的一個(gè)對(duì)稱(chēng)電路，用了一個(gè)隔離變壓器來(lái)代替輸出電感，諧振電感Lr與負(fù)載串聯(lián)并向其提供調(diào)制電流。當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 感 性 ， 這 樣 ， 開(kāi) 關(guān) 的 開(kāi) 通 時(shí) 間 取 決 于 電 路 的 自 然 特 性 ， 而 開(kāi) 關(guān) 的 關(guān) 斷 由 控 制 信 號(hào) 決 定 。 例 如 ， 只 有 當(dāng) 開(kāi) 關(guān) S1兩 端 的 電 壓 回 到 零 時(shí) ， 它 才 能 開(kāi) 通 。 然 而 ， 開(kāi) 關(guān) S1可 以 在 任 何 時(shí) 間 被 控 制 信 號(hào) 關(guān) 斷 ， 并 且 由 諧 振 電 容 進(jìn) 行 續(xù) 流 。 在 該 電 路 中 ， 由 于 諧 振 電 容 的 作 用 ， 開(kāi) 關(guān) 在 零 電 壓 (ZVS)條 件 下 開(kāi) 通 和 關(guān) 斷 。 由 于 主 開(kāi) 關(guān) 上 的 電 壓 是 交 變 的 ， 所 以 主 開(kāi) 關(guān) 必 須 具 有 反 向 關(guān) 斷 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 開(kāi) 關(guān) 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )時(shí) ， 續(xù) 流 二 極 管 一 定 要 和 主 開(kāi) 關(guān) 器 件 串 聯(lián) 以 防 止 反 向 擊 穿 。 當(dāng) 使 用 晶 閘 管 逆 變 橋 時(shí) ， 還 要 求 諧 振 電 路 一 定 要 早 于 逆 變 橋 之 前 工 作 ， 有 關(guān) 文 獻(xiàn) 已 給 出 了 這 個(gè) 問(wèn) 題 的 詳 細(xì) 分 析 。

(3)負(fù)載諧振逆變器的一般特性

　　負(fù)載諧振逆變器主要適用于連續(xù)負(fù)載，諧振發(fā)生在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。為了縮小輸出電壓畸變，通過(guò)對(duì)fs的微小變化而獲得較寬的輸出電壓范圍，諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素Q必須盡可能地高。品質(zhì)因素Q的定義如下：(1)

　　從式(1)中可以看出，當(dāng)要求品質(zhì)因素Q較高時(shí)，必須使諧振環(huán)節(jié)的能量?jī)?chǔ)存峰值增大，即諧振元件容量加大。由于諧振元件放置在主功率傳輸通道上，所以該類(lèi)型逆變器中的各個(gè)元器件都要承受較高的電壓和較大的電流。因此，串聯(lián)諧振逆變器應(yīng)用的最大功率就受到了一定的限制。但在諧振頻率附近，負(fù)載諧振逆變器能夠提供易于調(diào)節(jié)的輸出電壓，這時(shí)，負(fù)載上的功率因數(shù)接近于1，而且功率器件上的電壓和電流變化率較小。[!--empirenews.page--]

3?2諧振過(guò)渡逆變器

　　在這種逆變器中，輸入總線(xiàn)電壓或電流是固定不變的，而軟開(kāi)關(guān)條件的實(shí)現(xiàn)是通過(guò)逆變開(kāi)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(kāi)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(mǎn)足產(chǎn)生ZVS或ZCS的條件。

　　這類(lèi)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(kāi)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(lèi)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(kāi)關(guān)器件連接點(diǎn))電壓產(chǎn)生諧振，從而為開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)周期的極小一部分，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也被稱(chēng)為準(zhǔn)諧振ZVS。

　　極諧振逆變器發(fā)展的最大障礙是開(kāi)關(guān)的沖擊電流，這是由于為了給主開(kāi)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(mǎn)足和諧振電容之間的能量交換，由此而引起開(kāi)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1?2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(kāi)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(chēng)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(kāi)關(guān)上的諧振電容Crp/Crn，主開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)通V1及Sn，諧振電流iL開(kāi)始線(xiàn)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(kāi)關(guān)Sn，當(dāng)iL－io升高室整定值時(shí)，關(guān)斷Sn，諧振開(kāi)始，在諧振期間，輸出電壓Uo從零增加，當(dāng)Uo等于Us時(shí)，開(kāi)關(guān)Sp就可以在零電壓下開(kāi)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(lèi)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(kāi)關(guān)過(guò)渡PWM逆變器(ZVT－PWM、ZCT－PWM)：

　　軟開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(kāi)關(guān)的切換瞬間，而開(kāi)關(guān)周期的其余時(shí)間維持PWM調(diào)制的特點(diǎn)。輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)零電壓/零電流過(guò)渡換向的時(shí)候，輔助開(kāi)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(kāi)關(guān)在零電壓條件下切換，這樣開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率下，除了主功率開(kāi)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(lèi)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(kāi)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(kāi)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_(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)上的電壓變化峰值要比DC總線(xiàn)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(kāi)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(kāi)關(guān)都是在ZCS條件下開(kāi)通或關(guān)斷，顯著減小了有源開(kāi)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1?1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(kāi)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(kāi)關(guān)都各自獨(dú)立地在ZVS或ZCS條件下開(kāi)通或關(guān)斷。然而在ZVT－PWM逆變電路中，輔助開(kāi)關(guān)和所有的二極管只能在ZCS條件下開(kāi)通或關(guān)斷，而在ZCT－PWM逆變電路中，輔助開(kāi)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(kāi)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。[!--empirenews.page--]

3?3諧振環(huán)節(jié)逆變器

　　在諧振環(huán)節(jié)逆變器的電路中，諧振環(huán)節(jié)位于直流總線(xiàn)上。根據(jù)該諧振環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)特性和開(kāi)關(guān)模式，此種逆變器又分為以下兩種類(lèi)型：

　　●諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTAC－LINKINVERTER—RACLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是交流的電壓或交流的電流，從而給逆變橋上的開(kāi)關(guān)提供了ZCS或ZVS條件，同時(shí)也就要求逆變橋上的開(kāi)關(guān)必須是雙向器件。

　　●諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTDC－LINKINVERTER—RDCLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是直流脈沖，同樣可以為逆變橋上的開(kāi)關(guān)提供ZCS或ZVS條件，這時(shí)逆變橋上的開(kāi)關(guān)只要求是單向器件。

(1)RACLI電路

　　圖8示出了串聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(SRACLI)和并聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(PRACLI)的電路。

　　在SRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個(gè)正弦波電流，而在PRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個(gè)正弦波電壓。它們的固定頻率：

圖8RACLI電路

（a）SRACLI電路（b）PRACLI電路

圖9PRDCLI電路

在圖8(a)所示SRACLI電路中，一般情況下，為了獲得較高的諧振頻率，串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)都選擇較小的電感，同時(shí)，由于諧振環(huán)節(jié)的輸出是交變的電流，所以逆變橋上的開(kāi)關(guān)必須是雙向開(kāi)關(guān)，也可以是大功率的器件，如TRIAC。另外逆變橋工作在循環(huán)換流模式，諧振電流每周期兩次通過(guò)自然零點(diǎn)，而逆變橋上的開(kāi)關(guān)也僅在此時(shí)進(jìn)行換向觸發(fā)。

　　在圖8(b)所示PRACLI電路中，電感Lr和Cr并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)諧振環(huán)節(jié)，放置在DC總線(xiàn)和逆變橋之間，為逆變橋提供一個(gè)交變的電壓，而逆變橋上的開(kāi)關(guān)只在零電壓瞬間進(jìn)行切換。PRACLI電路中的開(kāi)關(guān)同樣要求選用雙向開(kāi)關(guān)器件以承擔(dān)交變電壓。

這種類(lèi)型的逆變器基本的調(diào)制模式是DPM(DiscretePulseModulation)。這時(shí)候，開(kāi)關(guān)控制信號(hào)使得主開(kāi)關(guān)在半周期或全周期時(shí)刻觸發(fā)，把諧振環(huán)節(jié)的高頻脈沖傳送給輸出。輸出電壓中的脈沖數(shù)量取決于諧振環(huán)節(jié)的頻率，輸出基波幅值和期望輸出頻率。

(2)RDCLI電路

　　諧振直流環(huán)節(jié)逆變器也分為并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(PRDCLI)和串聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(SRDCLI)。此時(shí)，諧振直流環(huán)節(jié)的輸出是一系列的直流脈沖電壓或直流脈沖電流。

　?、貾RDCLI電路

圖9示出了一個(gè)三相PRDCLI電路，由Lr和Cr組成的諧振環(huán)節(jié)把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列的高頻脈沖直流電壓波Ud(t)供給逆變橋，該脈沖電壓Ud(t)在過(guò)零時(shí)就為逆變橋開(kāi)關(guān)提供了一個(gè)ZVS條件。

　　在實(shí)際電路中，由于每個(gè)諧振周期初始條件的可能變化，使得過(guò)零失敗或總線(xiàn)電壓Ud(t)過(guò)壓沖擊都可能發(fā)生。為了使得每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的初始條件相同，就需要采用一些特殊的控制策略。關(guān)鍵是通過(guò)控制電容的初始電流I0來(lái)解決過(guò)零問(wèn)題和電壓?jiǎn)栴}，I0應(yīng)該隨輸入電感初始電流IL0和逆變橋輸入電流Id的變化而變化。

　　這種類(lèi)型逆變器基本的調(diào)制模式是DPM控制方式(比如δ調(diào)制)。DPM控制下的輸出頻率特性遠(yuǎn)比PWM波形要差，只有當(dāng)DPM逆變器的工作頻率高于PWM逆變器工作頻率幾倍時(shí)，兩者輸出波形品質(zhì)才基本相當(dāng)，而這一點(diǎn)對(duì)于RDCLI電路來(lái)說(shuō)是不難做到的。

　　RDCLI電路也有不足之處，首先，由于在直流環(huán)節(jié)上進(jìn)行電壓諧振，使得Ud高達(dá)2～3倍的Us，這樣一來(lái)逆變開(kāi)關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力明顯增加，另外，由于諧振電感Lr處于主功率傳送通道上，其電阻將消耗很大一部分輸入功率，造成逆變器效率降低及Lr發(fā)熱。為了解決這些問(wèn)題，各國(guó)學(xué)者先后推出許多改進(jìn)電路，其典型電路如下：

　　●有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(ACRDCLI)

　　其三相電路如釁10所示。

在并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)電路中增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)SC和一個(gè)電壓吸收箝位電容(電解電容)，箝位電容上的電壓為(K－1)Us(K稱(chēng)為箝位系數(shù)，K=1?2～1?4)，這種電路能取得較好的箝位電效果。但是，箝位電容的預(yù)充電問(wèn)題和DPM調(diào)制方式使它的應(yīng)用受到了限制。

　　●準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)

　　準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的基本思路是在RDCLI電路中增加一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，以達(dá)到控制諧振過(guò)程的目的，讓諧振只發(fā)生在逆變橋開(kāi)關(guān)換向的瞬間，其余的時(shí)間仍然可以采用PWM調(diào)制方式。通過(guò)控制諧振發(fā)生和終止時(shí)刻，總線(xiàn)上的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)僅僅當(dāng)逆變橋需要換向的時(shí)候被觸發(fā)，為逆變橋提供一個(gè)“電壓凹槽”(一個(gè)很短的零電壓間隔)，在這個(gè)“電壓凹槽”間隔中，逆變橋開(kāi)關(guān)就可以在零電壓條件下?lián)Q向，可達(dá)到限制Ud和降低Lr損耗的目的，以改善逆變器的特性。準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變電路存在的最大問(wèn)題是準(zhǔn)諧振只發(fā)生在一個(gè)很小的脈沖范圍內(nèi)，而不一定

圖10ACRDCLI電路

圖11SRDCLI電路

能有效地與發(fā)生在極短時(shí)間間隔內(nèi)的PWM控制狀態(tài)相匹配。而近年來(lái)對(duì)空間矢量PWM調(diào)制方式的研究為這一問(wèn)題的解決提供了一個(gè)熱點(diǎn)話(huà)題。

　　關(guān)于這一部分的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)4。

圖12SQRPWMDCLI電路

　?、赟RDCLI電路

圖11給出了一個(gè)三相負(fù)載的SRDCLI電路。它實(shí)際上是PRDCLI電路的對(duì)偶電路，在這種電路中，一個(gè)很大的電感Ls給直流母線(xiàn)提供了偏置電流is，一個(gè)高頻的諧振環(huán)節(jié)LrCr串入主功率傳送通道，它們將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有ZCS特征的直流母線(xiàn)電流id。這樣，在該電路中就可以使用大功率的晶閘管器件，也就是說(shuō)這種電路可以應(yīng)用到較大的功率水平。

　　在這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也存在著諸如過(guò)高的環(huán)節(jié)電流峰值和控制的復(fù)雜性等問(wèn)題。以及與圖9中PRDCLC電路中存在問(wèn)題的對(duì)偶問(wèn)題。同時(shí)也出現(xiàn)了許多改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。圖12串聯(lián)準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變器(SQRPWMDCLI)電路即是其中的有代表性的一個(gè)。

由于在SRDCLI電路中諧振電流的峰值有可能達(dá)到負(fù)載電流的6～7倍，所以在SQRPWMDCLI電路中使用了飽和磁芯的變壓器對(duì)該峰值進(jìn)行無(wú)源箝位，同時(shí)在諧振回路中增加了一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)Sr和二極管Dr，以控制諧振的發(fā)生和結(jié)束，從而使該電路能夠?qū)崿F(xiàn)PWM調(diào)制技術(shù)。

　　SRDCLⅠ電路的負(fù)載一定是容性的，如果負(fù)載為感性，則需要在輸出端增加電容。另外，由于在SRDCLⅠ電路中的功率開(kāi)關(guān)在ZCS條件下開(kāi)通和關(guān)斷，所以它有可能在較高的開(kāi)關(guān)頻率下使用諸如晶閘管大功率器件，從而使該電路在大功率／高性能的應(yīng)用場(chǎng)合，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面極具吸引力。

4結(jié)語(yǔ)

本文系統(tǒng)地回顧和簡(jiǎn)要地分析了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的發(fā)展和一般原理。給出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本工作原理和一些主要的應(yīng)用。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)雖然在減小開(kāi)關(guān)損耗，提高功率密度方面有很強(qiáng)的優(yōu)越性，但也存在著許多諸如開(kāi)關(guān)應(yīng)力和控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。這也使它的實(shí)際應(yīng)用還不非常廣泛。無(wú)論如何，各種各樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)在一定程度上解決許多方面的問(wèn)題并克服許多缺點(diǎn)。還有許多方面的課題有待去探索和解決，并在不久的將來(lái)會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。