單相諧振型零電壓軟開關逆變器研究

臧 越，楊 艷，李 森，丁 濤

（青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島266071）

單相諧振型零電壓軟開關逆變器研究

臧 越，楊 艷，李 森，丁 濤

（青島大學 自動化與電氣工程學院，山東 青島266071）

針對變換器中多諧波和開關損耗以及輸出不穩定問題，對一種直流諧振型有源輔助電路成的軟開關逆變器進行研究，完成開關管的的零電壓通斷，降低通斷損耗。控制模塊中采用以電感電流反饋的內環，外環為電壓瞬時反饋相結合的雙閉環控制策略提高系統穩定和動態響應特性。通過對數據分析，實驗結果驗證了系統設計的可行性和有效性。

直流諧振；軟開關；逆變器；雙閉環控制

Abstract:For converter in a harmonic and switch loss， and output instability problem， so put a DC resonant active auxiliary circuit into the research of soft switch inverter，complete on-off switch tube of zero voltage，reduce the loss of on and off.Control module based on inductor current feedback in the inner ring and outer ring for voltage instantaneous feedback with the combination of double closed loop control strategy to improve system stability and dynamic response.By analyzing the data，the experimental results verify the feasibility and effectiveness of the system design.

Key words:DC resonant； soft-switching； inverter； double closed loop control

電子開關的高頻化趨向的發展，電磁兼容問題日益突出。逆變器是UPS，感應電源和分布式發電系統中重要電力電子設備的核心部件，對輸出波形質量，動態響應性，抗干擾性具有很高的要求。輸出波形的嚴重失真[1]對電網的諧波污染以及在高頻下的開關損耗成為了變流器發展的瓶頸。一般提出的逆變器設計固然實現了零電壓的通斷，可是增加了開關管的電壓應力需要性能良好的開關管，對于文獻[2]中設計的三相拓撲不但沒有額外增加開關管電壓應力，而且還實現了ZVS通斷。文中在此拓撲結構的基礎上對一種單相逆變器進行研究，為提高系統穩定性和動態響應，采用了雙閉環控制[3-4]策略。基于PI調節器的電壓瞬時反饋為外環，電感電流瞬時反饋為內環，同時引入負載擾動前饋補償相結合的雙閉環控制策略。外環控制用于保證穩態參考跟蹤特性，提高動態性能和抗負載力；對于系統干擾，內環控制提供快速動態特性補償以提高系統的穩定精度，使變流電路的機能大大提高。通過理論實驗分析，對這種系統進行驗證。

1 系統設計分析

1.1 逆變器拓撲結構

文中在拓撲結構[2]的基礎上對單相逆變器進行研究，通過電容Cr和電感Lr以及一個開關管組成的直流側輔組回路來實現ZVS。選取電感Lr值比較大可以抑制二極管反向恢復電流增加，電容Cr1—Cr4包含開關管的寄生電容，對電路有一定的緩沖作用。

1.2 動作原理分析

負載以電流源的形式替換對系統關鍵點工作階段進行分析。

接上一階段狀態，S1和S2處于導通狀態，D2續流，電容Cr對電感充磁Lr電感電流iLr增加，主開關側母線電壓為直流輸入Udc。

圖1 系統拓撲結構

圖2 工作波形圖

t2時，S5=0，在二極管D5作用下實現ZVS關斷，Lr開始與 C3、C4、Cr5發生諧振反應，Cr3和 Cr4進入放電狀態儲存能量減小，Cr5增加。直到t3時刻，Ucr5=Udc，Uc3=Uc4=0 諧振結束。

t3時，S2=0，其二極管D2導通嵌位，實現ZVS關斷。經過一定的死區時間。t4時，S4=1，其并聯電容C4的電壓為零，認為ZVS導通，D2與D4進入換流階段。

因為諧振電感Lr的值比較大，iD2的反向電流被抑制，在t4時減小到零后不再反向增加。t5時，諧振電感 Lr與 C2，C3，Cr5發生諧振反應。

t5時處在諧振過程，Uc2和Uc3增加，Uc5減小。在t6時，Uc5減少到零，在二極管D5的導通嵌位下結束諧振過程，然后觸發S5導通信號，可認為S5實現零電壓的開通。

t6時，諧振過程結束，主開關S3的端電壓Uc3=Udc。t7時，觸發S4關斷信號，在其并聯電容C4的作用下實現零電壓關斷。Lr開始提供C4充電，C2放電條件。

t7時Lr與C2和C4開始諧振一直持續到t8時刻，t8時，C2放電狀態結束，觸發S2導通信號，實現零電壓開通，諧振中的電流繼續降低持續到下一周期個周期。

上述各模式階段對應狀態圖如圖3所示。

1.3 軟開關條件

當電路處于穩態運行時，諧振回路要保證諧振磁鏈平衡，得出UCr=DUdc，D為輔組開關關斷占空比，對諧振Mode2與Mode5充放電諧振狀態進行狀態回路等效分析可得：

1.4 控制模塊分析

采用典型的電流內環電壓外環雙閉環控制，利用給定電壓和反饋采樣電壓比較后經PID調節器作為電流內環給定值與反饋電流經過比例放大產生控制脈沖進行開關通斷控制。

通過反饋電容的電流為內環實現有源阻尼效果，對電壓變化趨勢進行校正，改善系統動態特性。內環開環傳遞

內環閉環傳遞

外環開環傳遞

外環閉環傳遞

圖3 主要階段工作狀態圖

2 仿真實驗研究

利用SIMULINK仿真環境進行仿真實驗分析，輔助開關和主開關同頻率，仿真基本參數：開關頻率，Udc=350 V，fs=50 kHz，Cr1=Cr2=Cr3=Cr4=Cr5=1 nF，Cr=20 μF，Lr=16 μH

通過關鍵波形輸出觀察，輔助開關也可以ZVS導通，沒有額外增加損耗，開關管的端電壓在直流輸入電壓附近，輸出波形基本也符合理論分析。

圖5 電容Cr電壓波形

圖6 諧振Lr電流波形

圖7 輔助S5電壓波形

圖8 主開關S1端電壓波形

3 結 論

對單相軟開關逆變器進行了分析，僅用一個輔助管就可以實現零電壓通斷，并沒有額外的增加開關管電壓應力和損耗，數據基本和理論分析相符，符合現代電力電子裝置的設計趨勢，具有較好的應用價值，值得研究與推廣。

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Single-phase resonant type zero voltage soft switching inverter research

ZANG Yue，YANG Yan， LI Sen，DING Tao
（Institute of Automation and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao266071，China）

TM46

A

1674-6236（2017）19-0103-04

2016-08-24稿件編號201608183

臧 越（1990—），男，山東濟寧人，碩士研究生。研究方向：電力電子電能變換技術，新能源技術。