新型零電壓零電流軟開關逆變器的仿真研究

遼寧石油化工大學信息與控制工程學院 張書杰 王 強

1.引言

現代電力電子裝置越來越趨向于小型化和輕量化，開關頻率要求越來越高。開關頻率很高時，給電路造成嚴重的噪聲污染和開關損耗，且產生嚴重的電磁干擾。軟開關技術的出現解決了這一系列問題。軟開關技術指通過輔助諧振電路使開關管開通前電壓先降為零，關斷前電流先降為零，實現零電壓開通，零電流關斷；或者通過輔助諧振電路降低開關管開通瞬間電流的上升率和開關管關斷瞬間電壓的上升率，實現零電流開通和零電壓關斷，從而降低開關功率損耗，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逆變器的拓撲電路。文中對其工作原理進行了分析，給出了不同工作模式下的等效電路圖，通過仿真驗證了：1)主開關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斷，克服了開通時的容性開通損耗問題和關斷時的拖尾電流問題。因此主開關使用各種類型的開關器件時，如電力MOSFET、IGBT等，都能有效地減小了開關損耗。2)輔助開關實現了零電流開關，開關損耗也被減小。

2.新回路的拓撲結構及基本動作原理

2.1 回路的拓撲結構

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，同時限制諧振電容和開關管的電壓。為保證Cd1、Cd2承受電壓的均衡，Cd1、Cd2分別并聯均壓電阻R1和R2。為減小均壓電阻的功率損耗，實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，當主開關S1和S2需要切換時，給輔助開關觸發信號，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在反并聯二極管流過電流的時候完成開通或關斷，即可實現主開關在零電壓零電流的情況下完成開關動作。

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 基本動作原理

為簡化分析，現在做以下假設：1)器件均為理想工作狀態；2)負載電感遠大于諧振電感，逆變橋開關狀態過渡瞬間的負載電流可以認為是恒流源i0。因為三相諧振電路是獨立可控的，取電路的一相進行分析，其單相等效電路如圖2所示，箭頭指向為物理量的參考正向，作為初始條件，設電容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，負荷電流i0以圖2所示方向流過。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，負載電流經過S2的反并聯二極管D2續流，此時S2處于開通狀態，S1處于關斷狀態，輔助電路不工作。

2)模式2(t1～t2)：在t1時刻，主開關S2關斷，同時給輔助開關SA1觸發信號，使其導通，回路狀態如圖4(b)所示。D2中流過電流，S2在零電壓和零電流的條件下完成了關斷。在諧振電感LR1的作用下，降低了流過輔助開關SA1的電流的上升率，SA1實現了零電流開通。SA1開通后，輔助電路開始工作，LR1、CR1和CR2發生諧振，諧振電流iLR1逐漸增大，同時流過D2的電流以相同的變化率逐漸減小，當減小到零時，模式2結束。

3)模式3(t2～t3)：負載電流i0通過LR1、CR1和CR2所在的支路續流，CR2放電，CR2的電壓uCR2線性減小。LR1和CR1繼續諧振。當CR2的電壓uCR2線性減小到零時，二極管DA2導通，模式3結束。

4)模式4(t3～t4)：二極管DA2導通之后，LR1、LR2、CR1和CR2發生諧振，在諧振過程中，當CR1和CR2的電壓uCR1與uCR2之和等于0.5E時，二極管D1開始導通，模式4結束。

5)模式5(t4～t5)：二極管D1導通的時候，開通主開關S1，此時S1是在零電壓零電流的條件下完成了開通。當流過二極管D1的電流減小到零時，模式5結束。

6)模式6(t5～t6)：在t5時刻，流過S1的電流開始從零增大，LR1、LR2、CR1和CR2繼續諧振，當電流iLR1減小到零時，二極管DA1開始導通，電流iLR1開始反向增大，模式6結束。

7)模式7(t6～t7)：二極管DA1導通的時候，關斷輔助開關SA1，此時SA1在零電壓零電流的條件下完成了關斷。二極管DA1導通之后，LR1、LR2、CR1和CR2繼續諧振。當電流iLR2減小到零時，二極管DA2自然關斷，模式7結束。

8)模式8(t7～t8)：因為二極管DA2的反向阻斷作用，電流iLR2不能反向增大，此時LR1、CR1和CR2繼續諧振，當電流iLR1減小到零時，二極管DA1自然關斷，因為二極管DA1的反向阻斷作用，電流iLR1不能反向增大，諧振過程結束，模式8結束。

9)模式9(t8～t9)：負載電流流過主開關S1，此時電路工作在穩態，輔助電路不工作。

10)模式10(t9～t10)：在t9時刻，再一次給輔助開關SA1觸發信號，使SA1導通，在諧振電感LR1的作用下，降低了流過輔助開關SA1的電流的上升率，所以SA1實現了零電流開通，SA1導通之后，LR1、CR1和CR2發生諧振，電流iLR1逐漸增大，流過S1的電流逐漸減小，當流過S1的電流減小到零時，模式10結束。

11)模式11(t10～t11)：LR1、CR1和CR2繼續諧振，二極管D1導通，當電流流過二極管D1的時候，關斷主開關S1，此時S1是在零電壓零電流的條件下完成了關斷。當流過二極管D1的電流減小到零時，模式11結束。

12)模式12(t11～t12)：負載電流i0通過LR1、CR1和CR2所在的支路續流，CR2放電，CR2的電壓uCR2線性減小。LR1和CR1繼續諧振，當CR2的電壓uCR2線性減小到零時，二極管DA2導通，模式12結束。

13)模式13(t12～t13)：二極管DA2導通之后，LR1、LR2、CR1和CR2發生諧振，當電流iLR1減小到零時，二極管DA1開始導通，電流iLR1開始反向增大，模式13結束。

14)模式14(t13～t14)：二極管DA1導通的時候，關斷輔助開關SA1，此時SA1在零電壓零電流的條件下完成了關斷。二極管DA1導通之后，LR1、LR2、CR1和CR2繼續諧振，當電流iLR1再一次減小到零時，二極管DA1自然關斷，模式14結束。

15)模式15(t14～t15)：因為二極管DA1的反向阻斷作用，電流iLR1不能再次反向增大，此時負載電流通過CR1所在的支路續流，LR2和CR2繼續諧振，CR2的電壓uCR2開始增大，CR1被反向充電，其電壓uCR1線性減小。當CR1和CR2的電壓uCR1與uCR2之和等于-0.5E時，二極管D2開始導通，模式15結束。

16)模式16(t15～t16)：二極管D2導通之后，LR2、CR1和CR2開始諧振，當電流iLR2減小到零時，模式16結束。

此時電路又返回到模式1，開始下一個開關周期的工作。至此，一個完整的負載電流為正的PWM周期結束，負載電流為負的工作模式與此類似。負載電流為負的工作周期內，輔助開關SA1不動作，SA2動作。

3.仿真結果

為驗證本文提出的零電壓零電流軟開關拓撲電路的有效性，根據圖2搭建仿真模型，對逆變器進行了仿真研究，仿真參數如表1所示。

圖4為軟開關逆變器主開關S1的電流與兩端電壓的仿真波形。從圖5可以看到，流過主開關S1的電流在其端電壓開始增大之前，已經變化到零，實現了零電壓零電流關斷，不產生關斷損耗。在開通過程中，S1兩端的電壓在電流開始流過S1之前，已經降到零，同樣實現了零電壓零電流開通，開通損耗也為零。圖中電流為負值的時間內，電流從S1的反并聯二極管內流過。

表1 仿真參數

圖5所示為軟開關逆變器輔助諧振電路中輔助開關SA1的電流與兩端電壓的仿真波形。可以看出，在開通過程中，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，實現了零電流導通。在關斷過程中，SA1中的電流先由正變負，換流到SA1的反并聯二極管中，SA1中已沒有電流流過，而后其兩端電壓才開始增大，實現了零電壓零電流關斷。

圖4 軟開關逆變器開關S1的電壓電流仿真波形

圖5 輔助開關SA1的電壓電流仿真波形

4.結論

本文提出了一種新型的零電壓零電流軟開關逆變器，能使主開關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斷，解決了主開關的容性開通損耗問題和關斷時的拖尾電流問題，另外還能使輔助開關完成零電流開通，在零電流和零電壓的條件下完成關斷，有效地降低了開關損耗，同時逆變橋的續流二極管實現了軟性關斷，克服了反向恢復問題，且開關器件的耐壓被限制在直流母線電壓以下，所以該軟開關逆變器能進行高頻率開關，減小噪音，抑制電磁干擾。通過仿真，驗證了該軟開關逆變器的主開關可以同時實現零電壓開通和零電流關斷，輔助開關可以實現零電流開通和零電流關斷。

[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.