高頻脈寬調制技術(shù)在逆變器中的應用

摘要：將HPWM軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應用于逆變器,在不增加任何輔助電路的基礎上實(shí)現了功率管的ZVS通斷。HPWM軟開(kāi)關(guān)方式逆變器電路控制簡(jiǎn)單，基本不增加功率管的附加應力，且開(kāi)通損耗大大減少，具有可靠性和效率均高的優(yōu)點(diǎn)。分析了方案的工作原理以及實(shí)現ZVS的條件。同時(shí)指出方案存在的問(wèn)題和解決辦法。研制的工作頻率50kHz，1000VA的逆變器證明方案的可行性。

關(guān)鍵詞：高頻脈寬調制；軟開(kāi)關(guān)；逆變器；零電壓開(kāi)關(guān)

1 引言

由于對逆變器高頻化的追求，硬開(kāi)關(guān)所固有的缺陷變得不可容忍：開(kāi)通和關(guān)斷損耗大;容性開(kāi)通問(wèn)題;二極管反向恢復問(wèn)題;感性關(guān)斷問(wèn)題;硬開(kāi)關(guān)電路的EMI問(wèn)題。因此，有必要尋求較好的解決方案盡量減少或消除硬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的各種問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是克服以上缺陷的有效辦法。最理想的軟開(kāi)通過(guò)程是：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，開(kāi)通損耗近似為零。因功率管開(kāi)通前電壓已下降到零，其結電容上的電壓即為零，故解決了容性開(kāi)通問(wèn)題，同時(shí)也意味著(zhù)二極管已經(jīng)截止，其反向恢復過(guò)程結束，因此二極管的反向恢復問(wèn)題亦不復存在。最理想的軟關(guān)斷過(guò)程為：電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于功率管關(guān)斷前電流已下降到零，即線(xiàn)路電感中電流亦為零，所以感性關(guān)斷問(wèn)題得以解決。

基于此，本文探討性地提出了一種用于全橋逆變器的，HPWM控制方式的ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如圖1所示。其出發(fā)點(diǎn)是在盡量不改變硬開(kāi)關(guān)拓撲結構，即盡量不增加或少增加輔助元器件的前提下，有效利用現有電路元器件及功率管的寄生參數，為逆變橋主功率管創(chuàng )造ZVS軟開(kāi)關(guān)條件，最大限度地實(shí)現ZVS，從而達到減少損耗，降低EMI，提高可靠性的目的。

圖1 HPWM控制方式

2 HPWM控制方式下實(shí)現ZVS的工作原理

考慮到MOS管輸出結電容值的離散性及非線(xiàn)性，每只MOS管并聯(lián)一小電容，吸收其結電容在內等效為C₁－C₄，且C₁=C₂=C₃=C₄=C_eff；D₁－D₄為MOS管的體二極管，則HPWM軟開(kāi)關(guān)方式在整個(gè)輸出電壓的一個(gè)周期內共有12種開(kāi)關(guān)狀態(tài)?；谡摪胫軆蓚€(gè)橋臂工作的對稱(chēng)性，以輸出電壓正半周為例，其等效電路模式如圖2所示。圖3給出了輸出電壓正半周的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內的電路的主要波形，此時(shí)S₄常通，S₂關(guān)斷。由于載波頻率遠大于輸出電壓基波頻率，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T_s內近似認為輸出電壓U_o保持不變，電感電流的相鄰開(kāi)關(guān)周期的瞬時(shí)極值不變。

(a)模式A (b)模式A₁ (c)模式B

(d)模式 B₁(e)模式C (f)模式C₁

圖2 HPWM軟開(kāi)關(guān)方式工作狀態(tài)及電路模式