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

　　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，Cr1，Cr2，CE1，CE2電感Lr1，Lr2，其中電容C1=C2=C3=C4，Cr1=Cr2，電感Lr1=Lr2，大容量電解電容CE1=CE2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

　　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io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，iLr1從電源ED的正極經(jīng)過(guò)S1，Cr1，Lr1，CE2，到ED的負極并逐漸增大;同時(shí)電容CE1經(jīng)過(guò)S3，Cr2，Lr2繼續放電，放電電流iLr2繼續上升，在t1時(shí)刻iLr2達到最大，即

　　iLr2(ωt1)=αIomsinωt1-

　　式中：α為調制比;Iom為負載電流最大值，Iom=ED/RL;ω=2πfc，fc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，iLr1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)Cr2，Lr2,CE2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，vC3=ED，vC4=0。充放電時(shí)間t21為

　　t21=t2-t1=

　　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iL2的續流提供通路，vC4被箝位于零，即vC4=0。若在iL2=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iL2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=-

　　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ED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

　　(d) t3-t4

　　圖3 各種模式下的等效電路拓撲

　　在t5時(shí)刻，S1關(guān)斷，緩沖電容C1的存在，S1實(shí)現零電壓關(guān)斷。t5時(shí)刻之后，電路進(jìn)入開(kāi)關(guān)周期的下半周期，其工作模式同上。

　　2.3 電路特性討論

　　1)主電路中不需要任何電壓/電流檢測裝置來(lái)實(shí)現開(kāi)關(guān)管軟開(kāi)通。

　　2)由于開(kāi)關(guān)管實(shí)現軟開(kāi)關(guān)，所以逆變器的輸出電壓波形不會(huì )因為死區時(shí)間td的存在而發(fā)生畸變。

　　3)不會(huì )因為同一橋臂的兩個(gè)二極管的反向恢復電流而導致橋臂直通。

　　4)控制電路采用單極倍頻電壓控制信號，主電路在一個(gè)周期中各個(gè)時(shí)間段過(guò)渡時(shí)，僅有一個(gè)開(kāi)關(guān)管的狀態(tài)發(fā)生改變，這就降低了在產(chǎn)生一定的脈波數時(shí)開(kāi)關(guān)的動(dòng)作次數，或者說(shuō)用同樣的開(kāi)關(guān)頻率可以把輸出電壓中脈波數提高一倍，這對減小開(kāi)關(guān)損耗，提高逆變器的工作效率都是有好處的。

　　5)在主電路的SPWM輸出電壓波形中，正向只有正電壓脈沖，負向只有負電壓脈沖，這對減小輸出濾波參數，提高輸出波形質(zhì)量是有好處的。

　　由于單極倍頻SPWM軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器的超前橋臂控制信號與滯后橋臂的控制信號相差180°，所以超前臂的開(kāi)關(guān)動(dòng)作與滯后臂相對獨立。這為各橋臂上的驅動(dòng)信號相差120°的，三相逆變器電感換流調頻軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步研究，打下了較好的基礎。

　　3 主要參數設計

　　3.1 電感Lr1(Lr2)的設計

　　由2.3的分析知

　　將式(1)代入式(4)并整理有

　　Lr2≤(1-α)(1+α-4fctd)

　　3.2 電容Cr1(Cr2)的設計

　　由2.2的工作過(guò)程分析可知，在緩沖電容C3及C4充放電時(shí)間很短的情況下，圖1等效拓撲如圖4所示。

　　圖4 等效電路拓撲

　　根據等效拓撲，有式(6)成立

　　di3/dt=(ED-vCr2)/Lr2;dvCr2/dt=iLr2/Cr2(6)

　　進(jìn)一步得到i3的最大值為

　　i3max=ED/4fcLr2(1+1/48fc2Lr2Cr2)(7)

　　由式(7)可知，為了盡可能最大限度向負載傳輸能量，集電極電流i3應盡可能大，所以，Cr2越小越好。然而Cr2太小諧振阻抗太大，續流時(shí)間太長(cháng)，將影響驅動(dòng)信號，開(kāi)關(guān)管的占空比將嚴重丟失，輸出功率降低。為兼顧二者，在實(shí)際中一般取1/48fc2Lr2Cr2≤0.1，所以

　　Cr2≥5/24fc2Lr2(8)

　　3.3 緩沖電容C1(C2，C3，C4)的設計

　　當緩沖電容C1太大時(shí)，充放電時(shí)間常數較長(cháng)，若充放電時(shí)間大于死區時(shí)間td，將產(chǎn)生橋臂直通現象。為確保此現象不發(fā)生，所以緩沖電容取值不能太大。

　　由式(2)有

　　當sinωt=1時(shí)iL2最小，式(9)的左邊最大，將式(1)代入(9)有

　　C1≤td

　　4 實(shí)驗波形及結語(yǔ)

　　依據上述分析和參數設計，以圖1為主電路進(jìn)行了實(shí)驗。具體線(xiàn)路參數為：開(kāi)關(guān)頻率f=12.5kHz，主功率管選用1MBH60D-100型號的IGBT，調制比α=0.8，緩沖電容C1=C2=C3=C4=18nF，Cr1=Cr2=16.7μF，Lr1=Lr2=80μH，Lf=1.0mH，Cf=18μF，RL=10Ω。圖5-圖8為實(shí)驗所得波形。

　　圖5 S1(S2)的驅動(dòng)波形和管壓降波形

　　圖6 S3(S4)的驅動(dòng)波形和管壓降波形

　　圖7 單極倍頻硬開(kāi)關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

　　圖8 單極倍頻軟開(kāi)關(guān)DC/AC逆變器的輸出電壓波形

　　圖5及圖6給出了主電路中開(kāi)關(guān)管的管壓降和驅動(dòng)信號的波形(圖中：1—驅動(dòng)信號波形，2—開(kāi)關(guān)管管壓降波形)，圖7給出了硬開(kāi)關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形，圖8給出了軟開(kāi)關(guān)DC/AC變換器的輸出電壓波形。

　　由圖5及圖6可知在開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)信號到來(lái)之前，開(kāi)關(guān)管兩端的壓降已為零，開(kāi)關(guān)管實(shí)現了零電壓開(kāi)通;驅動(dòng)信號關(guān)斷后，開(kāi)關(guān)管兩端的電壓還維持于零,開(kāi)關(guān)管實(shí)現了零電壓關(guān)斷。

　　由圖7及圖8可知在未實(shí)現軟開(kāi)關(guān)時(shí)，主電路的輸出電壓波形質(zhì)量較差，并且有較大的“毛刺”(開(kāi)關(guān)管在進(jìn)行開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)產(chǎn)生)，這些“毛刺”的存在將對電路自身和周?chē)渌娐泛陀秒娖鳟a(chǎn)生嚴重的電磁干擾(EMI);在加入軟開(kāi)關(guān)電路后，輸出電壓波形質(zhì)量有了很大改善，并且無(wú)任何“毛刺”，較好地抑制了電磁干擾(EMI)。