隨著電力電子變換器的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，對(duì)其各方面性能的要求也在不斷提高。為了改善電力電子裝置的動(dòng)態(tài)性能、提高單位體積的功率密度，使其高頻化則是電力電子技術(shù)發(fā)展的方向。但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗急劇增大，使得變換器的效率嚴(yán)重下降 [^1-2]，從而限制了電力電子裝置變換頻率的提高、性能的改善及應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大。為了減小開關(guān)損耗，提高效率，軟開關(guān)技術(shù)被應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)中。軟開關(guān)從早期的耗能式吸收^[3-4]，到后來提出的部分饋能式^[4]、無損耗方案^[5],可以分為無源與有源兩大類。無源無損軟開關(guān)技術(shù)(PLLS)與有源軟開關(guān)技術(shù)相比，價(jià)格更便宜、可靠性更高，具有更高的性價(jià)比，近年來受到了廣泛的探討和研究。
　　無源無損軟開關(guān)有兩種：(1)電感串入開關(guān)支路，從而實(shí)現(xiàn)零電流開通并抑制二極管反向恢復(fù)電流;(2)電容并入開關(guān)支路，實(shí)現(xiàn)其零電壓關(guān)斷。參考文獻(xiàn)^[2]中超前管實(shí)現(xiàn)了零電流開通，滯后管實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷；參考文獻(xiàn)[6-7]中提出了用6個(gè)元件實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)零電流開通的軟開關(guān)方案，同時(shí)提出了用12個(gè)元件實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的零電壓關(guān)斷和零電流開通的軟件開關(guān)方案；參考文獻(xiàn)^[8]中提出了用10個(gè)元件實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的軟開關(guān)。目前開關(guān)功率電路趨向于模塊化，使得可供放置無源吸收元件的空間也越來越小^[2，8]，因此對(duì)于大功率全橋逆變電路，用最少的元件同時(shí)實(shí)現(xiàn)所有開關(guān)的零電壓關(guān)斷和零電流開通，具有很實(shí)用的工程價(jià)值。
　　本文提出了一種新型無源無損軟開關(guān)全橋逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，此電路可以實(shí)現(xiàn)橋臂所有開關(guān)器件的零電流開通與零電壓關(guān)斷，并且零電壓電容上的能量直接回饋給負(fù)載端。此電路僅使用8個(gè)無源元件，原理簡(jiǎn)單，所實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)效果好。
1 電路的工作原理
　　本文提出的PLSS(無源無損軟開關(guān))全橋逆變器電路拓?fù)淙鐖D1所示。

　　下面將詳細(xì)分析圖1所示的PLSS全橋逆變器的工作原理。在分析全橋逆變器無源無損軟開關(guān)工作過程時(shí)，做了如下假設(shè)：(1)電路中的所有元件為理想元件。(2)在開關(guān)狀態(tài)變化的過程中負(fù)載電流I_o的大小和方向不變。(3)緩沖電容C_s的作用是存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)移零電流開通電感L_r和零電壓電容C_r的能量，其值比零電壓電容C_r的值大得多，C_s兩端電壓波動(dòng)很小(仿真結(jié)果也證實(shí)了這一點(diǎn))，因此在分析時(shí)可以假設(shè)其大小和方向不變，以VC_s表示。
　　圖1所示的PLSS全橋逆變器的工作過程可以分為以下五個(gè)階段進(jìn)行分析，如圖2所示。

　　(1) 階段1(t　　此時(shí)電路處于開關(guān)器件S₁和S4正向載流的穩(wěn)態(tài)。零電流電感L_r中的電流iL_r=I_o，兩個(gè)零電壓電容兩端的電壓分別為v_cr1=V_s, v_cr2=0。
　　(2) 階段2(t0≤t1)
　　t=t₀時(shí)，開關(guān)器件S₁和S₄同時(shí)關(guān)斷，i_s1=i_s4=0。階段2的等效電路中有三個(gè)回路。第一個(gè)是續(xù)流回路——負(fù)載、D₃、V_s、D_s1、D_s2、C_s和D₂，仿真發(fā)現(xiàn)，續(xù)流時(shí)間很短，而且續(xù)流電流很小，負(fù)載電流I_o大部分通過了第二個(gè)回路。第二個(gè)回路包括_cr1、負(fù)載和c_r2，由于續(xù)流電流很小，可以假設(shè)通過這個(gè)回路的電流大小為負(fù)載電流I_o，則電容C_r1放電，電容C_r2充電，這兩個(gè)零電壓電容兩端電壓變化的速度分別為：
　　　　
　　由于開關(guān)器件S₁上的電壓V_s1=V_s-v_cr1，開關(guān)器件S4上的電壓vs4=v_cr2+VC_s，因此V_s1隨著v_cr1的減小而增大，vs4隨著v_cr2的增大而增大，而且
　　
　　式(2)給出了當(dāng)開關(guān)器件S₁和S4零電壓關(guān)斷時(shí)它們兩端的電壓上升速度，可以看出，這與負(fù)載電流和零電壓電容的大小有關(guān)。仿真時(shí)取_cr1=c_r2，當(dāng)這個(gè)過程結(jié)束時(shí)，v_cr1=0，v_cr2=V_s，V_s1=V_s，vs4=V_s+VC_s。由于二極管D_s1和D3的箝位，v_cr2不能超過V_s。這個(gè)過程所需時(shí)間為△t₁=VsCr1/I_o。在這個(gè)階段中，必須實(shí)現(xiàn)電容C_r1的完全復(fù)位，因此使C_r1完全復(fù)位的時(shí)間必須小于等于這個(gè)階段的總時(shí)間，即死區(qū)時(shí)間(1-d)T/2，有：
　　
　　電路工作時(shí)，負(fù)載電流、電源電壓V_s和死區(qū)時(shí)間必須滿足式(3)，才能使零電壓電容C_r1完全復(fù)位，從而保證功率開關(guān)器件零電壓關(guān)斷。第三個(gè)回路包括L_r、D_s1、Ds2和C_s，這實(shí)際上是零電流電感L_r中的能量諧振轉(zhuǎn)移到緩沖電容C_s中的過程。由于t=t0時(shí)iL_r=I_o，因此：
　　
　　(3) 階段3(t₁≤t1)
　　t=t₁時(shí)，開關(guān)器件S₂和S₃同時(shí)開通。通過開關(guān)器件的電流將隨著通過電感L_r的電流一起上升，實(shí)現(xiàn)其零電流開通。
　　在階段2接近結(jié)束時(shí)，v_s2=0，v_cr2=V_s，此時(shí)有v_s2=v_s2+VC_s=VC_s，V_s3=V_s-vC_s2=0，仿真表明，VC_s的值比較小。因此，在階段3中，除了可以利用電感L_r實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電流導(dǎo)通之外，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電壓導(dǎo)通。當(dāng)iL_r=I_o時(shí)，電路將進(jìn)入開關(guān)器件S₂和S₃正向載流的穩(wěn)態(tài)。在這個(gè)階段還存在著一個(gè)諧振回路——C_s、L_s、D_s3和S₂，當(dāng)開關(guān)器件S₂開通時(shí)，C_s通過諧振將能量轉(zhuǎn)移到緩沖電感L_s中。諧振過程的主要表達(dá)式為:
　　的周期長(zhǎng)于變換器的開關(guān)周期，這里的諧振過程只需令C_s把階段2中L_r轉(zhuǎn)移過來的能量釋放出去即可。由于這個(gè)諧振回路的存在，使得通過開關(guān)器件S₂的電流i_s2(t)=I_o+iLS(t)。
　　(4) 階段4(t₁≤t3)
　　階段4的等效電路中有4個(gè)回路。與階段2類似，第一個(gè)是續(xù)流回路——負(fù)載、D₁、V_s、D_s1、Ds2、C_s和D4。第二個(gè)回路包括負(fù)載、C_r1和c_r2，同樣地，因續(xù)流電流很小，可以假設(shè)通過這個(gè)回路的電流大小為負(fù)載電流I_o，根據(jù)負(fù)載電流的方向可知，電容C_r1充電，c_r2放電，這兩個(gè)零電壓電容兩端電壓變化的速度分別為:
　　
　　式(9)給出了當(dāng)開關(guān)器件S₂和S₃零電壓關(guān)斷時(shí)它們兩端的電壓上升速度。仿真時(shí)取C_r1=c_r2，當(dāng)這個(gè)實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件S₂和S₃零電壓關(guān)斷的過程結(jié)束時(shí)，v_s2=V_s，v_cr2=0，v_s2=V_s+VC_s，V_s3=V_s。由于二極管D_s1和D₁的箝位，v_s2不能超過V_s。這個(gè)過程所需時(shí)間為△t₁=VsCr1/I_o。同樣，在這個(gè)階段中，為了實(shí)現(xiàn)電容c_r2的完全復(fù)位，可以推導(dǎo)出與式(3)一致的工作條件，得到與階段3一致的軟開關(guān)工作范圍。
　　第三個(gè)回路包括L_r、D_s1、Ds2和C_s，這是零電流電感L_r中的能量諧振轉(zhuǎn)移到緩沖電容C_s中的過程，與階段2的第三個(gè)回路完全相同，不再贅述。
　　第四個(gè)回路包括L_s、D_s3、D₁、V_s、D_s1、Ds2，緩沖電感L_s中的能量通過這個(gè)回路回饋到電源V_s。必須說明的是，當(dāng)S₂關(guān)斷時(shí)，階段3中通過C_s、L_s、D_s3、S₂回路進(jìn)行的諧振過程已經(jīng)被強(qiáng)迫停止。
　　(5) 階段5(t₃≤t≤t₄)
　　t=t₃時(shí)，開關(guān)器件S₁和S4同時(shí)開通，通過開關(guān)器件的電流將隨著通過電感L_r的電流一起上升，實(shí)現(xiàn)其零電流開通。
　　前面已述及，在階段4接近結(jié)束時(shí)，v_s2=V_s，v_cr2=0，此時(shí)有V_s1=V_s-v_s2=0, vs4=v_cr2+VC_s=VC_s，仿真表明，VC_s的值比較小。因此，在階段5中，除了可以利用電感L實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件S₁和S4的零電流導(dǎo)通之外，同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)它們的零電壓開通?！　?BR>　　t=t₄時(shí)，iL_r=I_o，電路將進(jìn)入開關(guān)器件S₁和S4正向載流的穩(wěn)態(tài)，即循環(huán)回到階段1的電路狀態(tài)。
　　PLSS全橋逆變器軟開關(guān)工作范圍如圖3所示。

　　由以上分析可知，在此PLSS全橋逆變器中，兩個(gè)零電壓電容上的能量直接回饋到負(fù)載，不經(jīng)過中間元件的轉(zhuǎn)移，原理簡(jiǎn)單，所需附加元件少。
2 仿真分析
　　對(duì)圖1所示PLSS全橋逆變器電路,在前面理論分析的基礎(chǔ)上，用仿真軟件Saber進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。仿真參數(shù)如下：
　　主電路參數(shù):輸入電壓V_s=100V，開關(guān)頻率f=25kHz，開關(guān)總占空比d=0.9，負(fù)載為電阻R_L與電感L串聯(lián)的形式，其中R_L=50Ω，L=100μH；無源軟開關(guān)輔助電路參數(shù)：零電流電感L_r=2μH，緩沖電感L_s=70μH，零電壓電容C_r1=c_r2=20nF，緩沖電容C_s=20μH。

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　　仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。圖中i_s1和i_s2分別為通過開關(guān)器件S₁和S₂的電流，V_s1和v_s2分別為它們兩端的電壓，iL_r為通過零電流電感L_r的電流，v_s2和v_cr2分別為零電壓電容C_r1和c_r2兩端的電壓，vC_s為緩沖電容C_s兩端電壓，iLs為通過緩沖電感L_s的電流。
　　由圖5的仿真波形可以看出，緩沖電容C_s兩端電壓vC_s在電路工作過程中波動(dòng)很小，其值也很小，遠(yuǎn)小于電源電壓V_s和零電壓電容兩端電壓v_s2和v_cr2。由于在階段1、2、4、5中，v_s2=v_s2+VC_s，理論波形中為了說明其原理，突出了VC_s值的顯示，而在仿真波形中較小的VC_s值實(shí)際上幾乎被v_s2值所掩蓋，這使得圖4中v_s2的仿真波形與理論波形看起來略有不同。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
　　實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的主電路輸入電壓為V_s=50V，其他電路參數(shù)與仿真參數(shù)完全相同。實(shí)驗(yàn)波形如圖6和圖7所示。圖6所示為開關(guān)器件S₁的電流i_s1與電壓V_s1的波形。可以看出，實(shí)驗(yàn)波形與仿真波形相當(dāng)接近，可以實(shí)現(xiàn)有源開關(guān)器件S₁的零電流開通和零電壓關(guān)斷。

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