0 引言

    當前電力電子裝置要求高效及高功率密度，上述要求推動了電力電子裝置的高頻化發(fā)展。由于逆變器在傳動以及新能源領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，逆變器的高頻化越來越受到研究領(lǐng)域的重視。但逆變器的直接高頻化帶來了逆變器中高開關(guān)損耗和強電磁干擾的問題，而結(jié)合了軟開關(guān)技術(shù)的軟開關(guān)逆變器較好地解決了這個問題。

    目前應(yīng)用于逆變器的軟開關(guān)技術(shù)中，按照拓撲的輔助緩沖電路中是否含有功率開關(guān)管可分為有源軟開關(guān)逆變技術(shù)和無源緩沖軟開關(guān)逆變技術(shù)^[1]。有源軟開關(guān)逆變技術(shù)通過在輔助緩沖電路中增加功率開關(guān)管的形式實現(xiàn)主開關(guān)管的軟開關(guān)動作。一般采用有源軟開關(guān)技術(shù)的拓撲存在逆變拓撲控制復(fù)雜、系統(tǒng)成本高以及輔助功率開關(guān)管的軟開關(guān)問題，不利于工業(yè)應(yīng)用^[2-3]。而無源緩沖軟開關(guān)逆變技術(shù)采用無源元件進行能量回饋，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)功率開關(guān)管的軟開關(guān)，而且成本相對低廉^[4-5]。但是當前無源緩沖軟開關(guān)逆變拓撲也存在著緩沖電路復(fù)雜，軟開關(guān)實現(xiàn)過程中多組諧振造成的電磁噪聲大以及能量緩沖過程造成的損耗大等問題^[6-10]，新型的無源緩沖軟開關(guān)逆變拓撲仍在進一步研究完善。

    文獻[6]、[7]中的輔助緩沖電路采用變壓器或耦合電感完成能量回饋；文獻[8]中采用多個無源元件進行緩沖，導(dǎo)致拓撲較為復(fù)雜；而文獻[9]、[10]中的拓撲雖然不使用變壓器，但是在能量緩沖過程中多組諧振造成無源元件多次開關(guān)，產(chǎn)生的電磁干擾強，系統(tǒng)損耗高。因此，本文提出一種結(jié)構(gòu)簡單的無源緩沖軟開關(guān)逆變拓撲，所提拓撲緩沖電路結(jié)構(gòu)簡單，拓撲成本較低，系統(tǒng)損耗低，在中小功率逆變場合具有良好的應(yīng)用前景。

1 新型無源緩沖軟開關(guān)逆變拓撲

    新型無源無損軟開關(guān)三相逆變拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其無源緩沖回路可分為三組，每相拓撲的輔助緩沖回路由2個電感、2個電容以及4個二極管組成，由于三相電路完全相同且獨立可控，取一相電路進行研究，其單相電路如圖2(a)所示。圖2(a)中：E為直流電源，D₁和D₂為上下管換流二極管，D₃~D₆為輔助二極管，L₁、L₂為輔助諧振電感，C₁、C₂為輔助諧振電容，i_C1和i_C2為輔助諧振電容電流，i_L1和i_L2為輔助諧振電感電流，電容和電感的參考電壓及電流方向均在圖2(a)中給出。如圖所示，當S₁、S₂開通時，諧振電感L₁、L₂限制開關(guān)管的電流快速增長，實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通；當S₁、S₂關(guān)斷時，諧振電容C₁、C₂充電以限制開關(guān)管兩端的電壓上升率，實現(xiàn)開關(guān)管的零電壓關(guān)斷。

2 軟開關(guān)逆變拓撲模式分析

    所提拓撲一個開關(guān)周期可分為7個工作模態(tài)，分別如圖2所示，本文根據(jù)回路換流模態(tài)圖進行詳細分析如下：

    模式0 [~t₀]：t₀時刻之前，回路的初始狀態(tài)為開關(guān)管S₁處于導(dǎo)通狀態(tài)，開關(guān)管S₂處于關(guān)斷狀態(tài)，二極管D₁導(dǎo)通，負載電流經(jīng)二極管D₁流向電源續(xù)流，其余所有二極管處于關(guān)斷狀態(tài)。諧振電容上的初始電壓為v_C1(t₀)=0，v_C2(t₀)=E，諧振電感上的初始電流為i_L1(t₀)=0，i_L2(t₀)=0。開關(guān)管S₁導(dǎo)通不流過電流，電路處于電能回饋狀態(tài)，當開關(guān)管S₁關(guān)斷時本模態(tài)結(jié)束。

    模式1 [t₀，t₁]：t₀時刻，開關(guān)管S₁關(guān)斷，負載電流繼續(xù)通過二極管D₁進行續(xù)流，電路處于死區(qū)模態(tài)；由于二極管D₁導(dǎo)通，開關(guān)管S₁為零電壓零電流關(guān)斷；當開關(guān)管S₂開通時，本模態(tài)結(jié)束。

    模式2 [t₁，t₂]：t₁時刻，觸發(fā)開關(guān)管S₂開通，負載電流開始由二極管D₁換流至開關(guān)管S₂，由于電感L₂的存在，限制了開關(guān)管S₂的電流上升率，開關(guān)管S₂實現(xiàn)零電流開通，當諧振電感L₂的電流上升至負載電流時，本模態(tài)結(jié)束，此時諧振電感上的電流為i_L1(t₀)=0，i_L2(t₀)=i_a。

    模式3 [t₂，t₃]：t₂時刻，二極管D₁的電流線性下降至零后自然關(guān)斷，開關(guān)管S₂的電流上升至負載電流，此時諧振電容C₁、C₂與諧振電感L₁、L₂進行諧振，當諧振電容C₂的電壓下降至零時，諧振電容C₂和諧振電感L₂諧振完畢，諧振電容C₁和諧振電感L₁繼續(xù)諧振，但由于流過諧振電感L₁、L₂的諧振電流極小且時間極短，因此可以將其忽略得到本模式等效電路，當諧振電感L₂和諧振電容C₂諧振完成后，本模態(tài)結(jié)束。

    本模態(tài)結(jié)束時，電感L₂中電流達到恒定值，為：

    模式4 [t₃，t₄]：t₃時刻，諧振電容C₂的兩端電壓下降至零后，二極管D₂和二極管D₄導(dǎo)通并分別流過諧振電感L₂中諧振電流的一半；在回路中的電感L以及電容C取值極小的條件下，諧振能量極小， 而由于實際電路中的二極管、開關(guān)管存在不可避免的導(dǎo)通損耗以及線路損耗，諧振電感L₁、L₂的諧振電流將在開關(guān)管S₂穩(wěn)態(tài)導(dǎo)通期間很快被衰減到零，此時諧振電感L₂和開關(guān)管S₂僅流過負載電流i_a，當開關(guān)管S₂關(guān)斷時，本模態(tài)結(jié)束。

    模式5 [t₄，t₅]：t₄時刻，由于諧振電感L₂的電流不能突變，因此開關(guān)管S₂關(guān)斷后，二極管D₄導(dǎo)通流過負載電流，諧振電容C₁經(jīng)二極管D₄、D₅、D₆放電，電容C₂經(jīng)二極管D₄充電，電容C₂兩端電壓從零開始緩慢上升，開關(guān)管S₂實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，當諧振電容C₂的兩端電壓上升到E，諧振電容C₁的兩端電壓下降到零時，本模態(tài)結(jié)束。

    模式6 [t₅，t₆]：t₅時刻，當諧振電容C₁的兩端電壓下降至零后，二極管D₁開通流過負載電流，諧振電感L₂中的殘余能量經(jīng)二極管D₄、D₆環(huán)流，由于實際電路中存在不可避免的線路損耗，諧振電感L₂中的環(huán)流在上下管的開關(guān)死區(qū)內(nèi)很快衰減至零，此后電路再次回到工作模式0，電路開始一個新的開關(guān)周期。

3 軟開關(guān)逆變拓撲穩(wěn)態(tài)特性

    表1為新型無源軟開關(guān)逆變器中不同元件的電壓與電流應(yīng)力。如表1中所示，開關(guān)管和二極管的電壓應(yīng)力與傳統(tǒng)硬開關(guān)逆變器電壓應(yīng)力相當，且相較于傳統(tǒng)的無源軟開關(guān)逆變器，本拓撲中元件的電壓應(yīng)力較小；另外還可以看到，當電感和電容的參數(shù)取值極小時，電流應(yīng)力很小接近于負載電流值大小，接近硬開關(guān)逆變器的元件電流應(yīng)力值。

    在SPWM調(diào)制策略下，開關(guān)管兩端并聯(lián)的電容限制了開關(guān)管關(guān)斷以后其兩端的最大電壓變化率，開關(guān)管開通時的電流變化率由于電感的作用也得到抑制。開關(guān)管關(guān)斷后其兩端電壓的上升率dv/dt、開關(guān)管開通后的電流上升率di/dt分別為：

    由式(3)和式(4)可知，開關(guān)管關(guān)斷之后其兩端的電壓變化率dv/dt和開關(guān)管開通后開關(guān)管的電流上升率di/dt及續(xù)流二極管中的電流下降率均可在電路參數(shù)選擇時任意設(shè)置，同時可以看出當電容和電感取值極小時，上式兩值可能相對較大，因此要綜合考慮取值。另外由于變化率可以通過確定電容和電感參數(shù)進行確定，因此本拓撲結(jié)構(gòu)可以有效降低主開關(guān)管的關(guān)斷損耗以及續(xù)流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)損耗，并可使回路產(chǎn)生的EMI進一步得到抑制。

    設(shè)定開關(guān)管關(guān)斷時的電壓上升率(dv/dt)set為1 500 V/μs，逆變輸入直流電壓E=300 V，逆變輸出負載電流最大值i_amax=30 A，開關(guān)頻率f_S=16 kHz，逆變器上下開關(guān)管死區(qū)時間設(shè)定為4 μs。由式(3)得2C=i_a/(dv/dt)set=20 nF，則選擇諧振電容C為10 nF。諧振電感L的大小一方面要考慮到電流變化率，另一方面要考慮到電路中寄生參數(shù)的影響。由于工程實際應(yīng)用中寄生參數(shù)難以準確估計，因此經(jīng)過多次估算測試后來確定。Saber仿真時，選擇諧振電感L為1 μH，諧振電容C為10 nF，滿足要求。

4 仿真分析

    圖3為同等條件下硬開關(guān)工作時的開關(guān)波形圖。從圖中可以看到，硬開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)管關(guān)斷和開通時刻，開關(guān)管的電壓上升率和電流上升率很高，開關(guān)管中產(chǎn)生的電壓尖峰和電流尖峰較高。

    圖4為本文所提拓撲的開關(guān)管開關(guān)時刻的動作波形圖。

    從圖4中可以看到，當開關(guān)管開通時刻，其電流從零開始緩慢上升，開關(guān)管實現(xiàn)零電流開通；在開關(guān)管關(guān)斷時刻，其電壓從零開始線性上升，開關(guān)管實現(xiàn)零電壓關(guān)斷，且電壓應(yīng)力為電源電壓，電流應(yīng)力相對較小。圖5為電容C₂與電感L₂的波形圖，從模式5以及圖4、圖5中可以看出，在開關(guān)周期過程中，僅在開關(guān)管開通時刻產(chǎn)生一次諧振，經(jīng)過此次諧振完成能量的轉(zhuǎn)移，而波形圖5中電容C₂電壓上升部分由于二極管鉗位作用為線性上升，而電感電流的下降是由回路中的各種雜散損耗造成的。由仿真圖可看出本文所提拓撲有效降低了系統(tǒng)損耗和電磁噪音。

5 結(jié)論

    本無源軟開關(guān)逆變器拓撲結(jié)構(gòu)簡單，通過合理設(shè)置諧振電容及諧振電感的參數(shù)，可實現(xiàn)開關(guān)管的零電流開通和零電壓關(guān)斷動作，系統(tǒng)中開關(guān)元件的開關(guān)損耗降低。本無源軟開關(guān)逆變拓撲的輔助緩沖回路在實現(xiàn)軟開關(guān)的能量交換過程中諧振次數(shù)少，降低了電壓電流快速變化對周圍元器件造成的不利影響，能量交換時諧振次數(shù)的減少有助于減少各元件的導(dǎo)通損耗。采用無源元件數(shù)目較少，減少了以往有源和無源軟開關(guān)逆變回路中電容的數(shù)量和體積，逆變裝置的體積和成本得到減少，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

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作者信息:

王曉標，邱佳雄

（東北大學 信息科學與工程學院，遼寧 沈陽110819）