串并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)逆變器輔助電路的優(yōu)化

引言
     將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)應用在電力電子技術(shù)中，對于電機驅動(dòng) 來(lái)說(shuō)，不僅改善逆變器的效率和性能，更能提高功率密度， 降低電磁干擾。近些年，研究人員提出了多種諧振直流環(huán)節 逆變器的拓撲結構。但這些拓撲結構仍存在很多不足，文獻 提出的拓撲結構，在直流母線(xiàn)之間串聯(lián)了2個(gè)大電容，形成 電源中點(diǎn)，使逆變器在高開(kāi)關(guān)頻率工作時(shí)中性點(diǎn)電位變化， 不利于實(shí)現軟開(kāi)關(guān)； 文獻[3]提出的拓撲結構，解決了中性 點(diǎn)電位的平衡問(wèn)題，但是輔助電路中的開(kāi)關(guān)器件不能實(shí)現軟 關(guān)斷，增加了開(kāi)關(guān)損耗；文獻[4-5]提出的拓撲結構，輔助 諧振電路里有3個(gè)輔助開(kāi)關(guān)，控制相對復雜，而且硬件成本 高；文獻[6]提出的拓撲結構，直流母線(xiàn)間的電壓恢復到直 流電源電壓值的兩倍，使開(kāi)關(guān)器件和二極管承受更高的電壓 應力。本文提出了一種串并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)逆變器輔助電路結 構的基礎上，對其進(jìn)行改進(jìn)，減少了開(kāi)關(guān)器件，節省了損 耗。本文提出的新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節逆變器，具有以下特 點(diǎn): (1) 只有2個(gè)輔助開(kāi)關(guān)器件，使其小型化、輕量化、節約

圖1 串并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)三相逆變器主電路  

圖2  改進(jìn)后的串并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)三相逆變器主電路
化和控制簡(jiǎn)單化。(2) 電感不用被預充電流。(3) 輔助開(kāi)關(guān)都
可以實(shí)現零電流或零電壓開(kāi)關(guān)。(4)沒(méi)有串聯(lián)分壓電容，無(wú) 中性點(diǎn)電位的變化問(wèn)題。(5)不使用橋臂短路的控制方法完 成零電壓切換。在直流母線(xiàn)零電壓凹槽內，主開(kāi)關(guān)實(shí)現零電 壓開(kāi)關(guān)，安全可靠。

1 電路結構及工作原理
已提出的電路結構如圖1所示。改進(jìn)后的電路結構如圖2所示。逆變器電路逆變器的等效電路如圖3所示。
1.1   電路結構 在提出電路拓撲結構之前先作如下假設。 (1)電路中的所有元器件均是理想的。 (2)諧振電感遠小于負載電感。帶有三相感性負載的逆變器從直流母線(xiàn)側來(lái)看可等效為一恒定的I0電流源。 (3)直流電源電壓為一理想電壓源E。 (4)每個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)管兩端并聯(lián)的電容Cs可等效為一個(gè)直接連在直流母線(xiàn)上的電容Cr=3Cs。D1-D6完全相同，等效為

圖3 逆變器的等效電路  

圖4 電路的特征工作波形
1.2  工作原理
本電路在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內可以分為6個(gè)工作模式。電路的特征波形如圖4所示，各個(gè)工作模式如
圖5所示。

圖5  各工作模式的等效電路
模式1(0-t1) 初始狀態(tài)，S1導通，電源通過(guò)S1向負載供 電，同時(shí)通過(guò)VD3和S1，在Lr內有穩定的電流-Ia流過(guò)。電路工 作在穩態(tài)。
模式2(t1-t2) 在t1時(shí)刻，關(guān)斷S1，由于Cr上的電壓為E，S1 為零電壓關(guān)斷。Lr和Cr諧振，Cr放電，Lr放電，Cr不僅放電 而且給負載提供電流。電壓不斷減小，直到t2時(shí)刻Cr電壓為 零。Lr電流減小到-Ib，本模式結束。電感Lr和電容Cr的表達式

模式3(t2- t3) 在t2時(shí)刻，直流母線(xiàn)的電壓為零，VD2和VDs零電壓導通。負載電流通過(guò)VDs續流。通過(guò)VD2和VD3，向電源回饋能量。 L r 電流繼續減小， 直到t 3 時(shí)刻,L r 電流為零，本模式結束。電感Lr的表達式

模式4 (t 3 - t 4 ) t 3 時(shí)刻， 給S 2 驅動(dòng)信號，由于Lr的作用，Lr為零電流開(kāi)通。 Lr和Cr1諧振，Lr和Cr1被充電，開(kāi)通S2給 Lr足夠的能量
使Cr的電壓恢復到E，在t4 時(shí)刻，當Cr1上電壓達到Ua后關(guān)斷S2。Lr 電流為Ic，本模式結束。

模式5(t4-t5) 在t4時(shí)刻，關(guān)斷S2后Cr的電壓仍為零，S2為 零電壓關(guān)斷。在直流母線(xiàn)電壓 為零的這段時(shí)間內，逆變器上 的主開(kāi)關(guān)可以完成一次零電壓 的開(kāi)通。Lr、Cr 、Cr1諧振，被 充電， Cr  、 Cr1電壓和增加到 E ， L r 的 電 流 最 大 ， 然 后 L r 的 電流開(kāi)始減小，Cr電壓繼續增 加，Cr1電壓繼續增加，當t5時(shí) 刻 ， Cr 1 電 壓 變 為 U b ， C r 電 壓 變?yōu)镋，直流母線(xiàn)的電壓變?yōu)?E，Lr的電流為Id，VD1導通，
Cr電壓不再變化。本模式結束。

模式6(t5-t6) t5時(shí)刻，Lr、Cr1繼續諧振，Lr電流減為0，然后反向增大，Cr1電壓增大到最大，本模式結束。模式7(t6-t7) 在t6時(shí)刻，導通S1，由于直流母線(xiàn)的電壓 變?yōu)镋，S1零電壓導通，Cr1電壓減為零，Lr電流增加到反向 最大，同時(shí)VD3導通，Lr電流不再變化。t7時(shí)刻，Lr電流變 為-Ia，本模式結束。

2 仿真結果

圖6  Ucr1、iLr、Cr1的電壓及電流

圖7 開(kāi)關(guān)S2的電壓    

圖8  開(kāi)關(guān)S1的電壓

電源電壓。因此每一個(gè)周期內，在直流母線(xiàn)電壓降為零的時(shí)刻，開(kāi)通逆變器橋臂上主開(kāi)關(guān)都可以實(shí)現零電壓開(kāi)關(guān)。直流 母線(xiàn)零電壓凹槽形成，直流母線(xiàn)的電壓降為零，為逆變器的 主開(kāi)關(guān)實(shí)現提供條件，驗證了逆變器工作原理的正確性。直 流母線(xiàn)、Lr、Cr1和S1的電壓電流波形如圖6、圖7、圖8所示。
3 結論
與已提出的拓撲結構相比，存在以下優(yōu)點(diǎn)：(1)輔助電 路開(kāi)關(guān)器件少，減少一個(gè)開(kāi)關(guān)器件和續流管，損耗相應減 少。(2)逆變器橋臂上的所有開(kāi)關(guān)器件實(shí)現零電壓開(kāi)通與關(guān) 斷周期工作模式減少，變得簡(jiǎn)單。(3)直流母線(xiàn)零電壓凹槽 形成的時(shí)間不受負載電流的影響。(4)實(shí)現續流管零電流關(guān) 斷。針對不同的控制策略、不同的諧振參數對負載輸出波形 的影響程度，將做進(jìn)一步的研究。
參考文獻：
[1]CHANG Jie, HU Jun. Modular  design  of soft-switching circuits for two- level and three-level inverter [J]. IEEE Transactions on Power  Electronics,
2006, 21(1): 131-139
[2]王強, 王天施, 孫海軍, 等．新型高效率并聯(lián)諧振直流環(huán)節軟開(kāi)關(guān)逆變器[J].電工技
術(shù)學(xué)報,2013, 28(5): 219-226
[3]BEHERA S，DAS S P，DORADLA S R．Quasi-resonant soft-switching
inverter for low and high power factor
loads[J]．IEE Proceedings: Electric Power  Applications,2004,151(4):451-
459．
[4]王軍,  徐龍祥.  軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在磁懸浮軸承功率放大器中的應用[J].  電工技術(shù)學(xué)報,
2009, 24(6): 85-90
[5]Hui S Y R，Gogani E S， Zhang  Jian． Analysis of a quasiresonant  circuit
for soft-switched inverter[J]． IEEE Trans.on Power  Electronics， 1996，
11(1)： 106-114．
[6]楊迎化,謝順依,鐘祺,等.一種新型直流環(huán)節并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)逆變器[J].中國電機工程
學(xué)報,2008,28(12):50-54
[7]王強.無(wú)中性點(diǎn)電位變化的并聯(lián)諧振軟開(kāi)關(guān)逆變器[J].  中國電機工程學(xué)報,  2012,
32, (3):36-42