一種單極倍頻電壓型SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC逆變器的設計

摘要：提出了一種單極倍頻電壓型SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器，分析了其主要工作原理并給出了主要參數設計方法，實(shí)驗結果證明了該電路確能實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，并且具有輸出濾波參數小，電壓波形質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：單極倍頻；正弦波脈寬調制；軟開(kāi)關(guān)；逆變器

1 引言

目前，PWM功率變換技術(shù)得到了廣泛的應用。對于工作在硬開(kāi)關(guān)狀態(tài)下的PWM逆變器，由于其開(kāi)關(guān)損耗大，并且產(chǎn)生嚴重EMI，難以滿(mǎn)足開(kāi)關(guān)電源高頻化、綠色化的要求。為克服硬開(kāi)關(guān)的不足，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)得到迅速的發(fā)展，特別是DC/DC變換器移相軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已趨于成熟。但對于DC/AC變換器，由于考慮其輸出波形質(zhì)量等因素，目前，還沒(méi)有真正意義上的軟開(kāi)關(guān)產(chǎn)品出現。雖然也出現過(guò)一些DC/AC變換器拓撲和軟開(kāi)關(guān)控制技術(shù)[1][2][3]，但這些方法還不能真正走向實(shí)用。

文獻[4]介紹了用諧振電路實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，是一種比較好的方法，然而這一技術(shù)需要跟蹤電路中的電壓和電流，在電壓和電流過(guò)零處實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，這必然使電路變得復雜。為較好地解決這一難題，文獻[5]介紹了利用電感換流的非諧振軟開(kāi)關(guān)PWM技術(shù)，然而這一技術(shù)只適用于雙極性電壓控制的DC/AC變換器電路。在分析文獻[5]的基礎上，本文設計出了一種適用單極倍頻SPWM[6]軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器電路。

2 單極倍頻SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器主電路

2.1 主電路結構

圖1所示為新型單極倍頻SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC逆變器主電路原理圖。圖2為其主要工作波形。該電路在硬開(kāi)關(guān)SPWMDC/AC逆變器的基礎上添加了電容C₁，C₂，C₃，C₄，C_r1，C_r2，C_E1，C_E2電感L_r1，L_r2，其中電容C₁=C₂=C₃=C₄，C_r1=C_r2，電感L_r1=L_r2，大容量電解電容C_E1=C_E2視為恒壓源。這些元件為電路中的4只功率管實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)(ZVS)創(chuàng )造了條件。

圖1 主電路結構

圖2 主電路主要工作波形

2.2 軟開(kāi)關(guān)的實(shí)現原理

單極倍頻SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器主電路輸出電壓，在正半周只有正脈沖電壓，在負半周只有負脈沖電壓。當S₁及S₄同時(shí)開(kāi)通時(shí)主電路輸出正電壓脈沖；，當S₂及S₃同時(shí)開(kāi)通時(shí)主電路輸出負電壓脈沖。本文以輸出電壓的正半周的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期為例進(jìn)行說(shuō)明。

以下公式中的電壓、電流方向以圖1中的參考方向為準。并假設負載電流i_o連續。

1）工作模式1（t₀－t₁時(shí)間段）

在這一時(shí)間段中S₁及S₃導通，S₂及S₄關(guān)閉，i_Lr1從電源E_D的正極經(jīng)過(guò)S₁，C_r1，L_r1，C_E2，到E_D的負極并逐漸增大；同時(shí)電容C_E1經(jīng)過(guò)S₃，C_r2，L_r2繼續放電，放電電流i_Lr2繼續上升，在t₁時(shí)刻i_Lr2達到最大，即

i_Lr2(ωt₁)=αI_omsinωt₁－(1－α²sin²ωt₁)（1）

式中：α為調制比；

I_om為負載電流最大值，I_om=E_D/R_L；

ω=2πf_c，f_c為載波頻率。

對應的等效電路拓撲見(jiàn)圖3（a）。

2）工作模式2（t₁－t₂時(shí)間段）

在此時(shí)間段，功率管S₁繼續導通，i_Lr1繼續增大。t₁時(shí)刻S₃關(guān)斷，集電極電流i₃從開(kāi)關(guān)管S₃轉換到緩沖電容C₃，為C₃充電，C₃上的電壓從零開(kāi)始上升，S₃實(shí)現零電壓關(guān)斷；同時(shí)，存儲在C₄上的能量通過(guò)C_r2，L_r2,C_E2回路放電，其等效電路拓撲如圖3(b)。從圖可看出，C₃充電回路與C₄放電回路參數相同。因此，在t=t₂時(shí)刻，v_C3=E_D，v_C4=0。充放電時(shí)間t₂₁為

t₂₁=t₂－t₁=（2）

3）工作模式3（t₂－t₃時(shí)間段）

在t=t₂時(shí)刻D₄導通，為循環(huán)電流i_L2的續流提供通路，v_C4被箝位于零，即v_C4=0。若在i_L2=0之前，S₄的觸發(fā)信號到來(lái)，S₄實(shí)現零電壓開(kāi)通。其等效拓撲如圖3(c)所示。

4）工作模式4（t₃－t₄時(shí)間段）

在t₃時(shí)刻S₄零電壓開(kāi)通。循環(huán)電流i_L2繼續通過(guò)D₄續流，在t₄時(shí)刻續流完畢。續流時(shí)間t₄₁為

t₄₁=t₄－t₁=－（3）

其等效電路拓撲如圖3(d)。

5）工作模式5（t₄－t₅時(shí)間段）

t₄時(shí)刻后，S₄的集電極電流從零開(kāi)始上升。電源E_D為負載提供能量。其等效電路拓撲如圖3(d)。

(a) t₀－t₁

(b) t₁－t₂

(c) t₂－t₃