（控制理论与控制工程专业论文）软开关谐振变换器的研究.pdf

摘要 电力电子技术作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础，正 朝着高频化、大容量化、高性能化方向发展；然而，高频化、大容量化也带来 了电磁干扰( e m i ) 和谐波污染等问题。软开关技术的出现解决了这一系列问 题。它通过辅助的谐振电路使开关管开通前电压先降为零，或关断i i i 电流先降 为零，从而大大降低了功率开关损耗，减小了噪声污染和电磁干扰。软开关谐 振技术从一出现就得到了飞快的发展，出现了各种各样的拓扑结构。准谐振直 流环节型逆变器( q r d c l i ) 和软开关三相p w m 逆变器是两种典型的软开关谐 振电路。 本文对准谐振直流环节型逆变器( q r d c u ) 进行了原理分析，研究了谐 振网络在谐振参数和负载变化情况下的工作情况，分析了电路参数变化对谐振 参数和箝位损耗的影响，进行了仿真。在此基础上，利用串联谐振式电路具有 的开关应力小和通态电流小以及电路本身具有下降特性的特点，设计了一台串 联谐振式脉冲电弧焊接电源，分析了电路模型的建立和参数的配合关系，详细 阐述了电源的工作过程，达到了提高开关频率和减少开关损耗的目的，是弧焊 电源较理想的电路形式。 研究了软开关三相p w m 逆变器的电路拓扑和软开关工作机理，分析了软 开关三相p w m 逆变器主电路的软开关动作时序和工作模式，并对每一个动作 模式进行了详细的数学分析。建立了逆变器软开关动作过程的数学模型及控制 方法，并进行了仿真研究。为三相p w m 逆变器主电路功率开关器件实现软开 关动作的控制策略提供了理论依据。 在此基础上，对零电流谐振变换器进行详细的分析，采用分段研究的方法， 详细分析了谐振变换器各个阶段的工作过程，建立了各个工作阶段的线性模型， 最后利用平均法，建立零电流谐振变换器整个系统的线性模型，并用s i m u l i n k 进行仿真，仿真结果表明这种建模方法切实可行。 关键词：软开关，谐振变换器，赢流环节型逆变器，零电流谐振变换器 a b s t r a ( 了r a st h ef o u n d a t i o no fs a v i n ge n e r g y , m a t e r i a l ，a u t o m a t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i z i n g a n dm e c h a n o t r o n i c s ，p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yi s d e v e l o p i n gt o w a r d sh i g h f r e q u e n c y , b i gc a p a c i t ya n db e t t e rp e r f o r m a n c e h o w e v e r , p r o b l e m sc o m eu ps u c ha s e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ( e m l ) a n d h a r m o n i o u sw a v e ，a n ds oo i l t h e s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yp r o v i d e saw a yt or e s o l v et h es e r i e so fp r o b l e m s b y d e c l i n i n gt h ev o l t a g eo ft h es w i c h i n gt u b et oz e r ob e f o r et u r n i n gi to n ，o rt h ec u r r e n t t oz e r ob e f o r et u r n i n gi to f fw i t ha s s i s t a n tr e s o n a n tc i r c u i t s ，s ol o w e r i n gt h ep o w e r w a s t eo ft h et u b ea n dm i n i s h i n gt h ev o i c ep o l l u t i o na n dt h ee m i t h es o f ts w i t c h i n g r e s o n a n tt e c h n o l o g yh a sa r r i v e daq u i c kd e v e l o p m e n ts i n c ei ta p p e a r sa n dh a s f o r m e dm a n yt o p o l o g yc i r c u i t s q u a s i r e s o n a n td cl i n k ( o r d c l ) i n v e r t e ra n d s o f t s w i t c h i n gt h r e ep h a s e sp w m i n v e r t e ri st w ot y p i c a lc l a s s e so fs o f t - - s w i t c h i n g q u a s i r e s o n a n tc i r c u i t t h ep a p e ra n a l y s e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e so ft h eq u a s i r e s o n a n td cl i n k i n v e r t e r , r e p r e s e n t s t h e q u a s i r e s o n a n t c e l lt sw o r ku n d e rd i f f e r e n tr e s o n a n t c h a r a c t e r sa n dc u r r e n to ft h e l o a d ，t h ei n f l u e n c et o r e s o n a n tc h a r a c t e r sa n d s t r a n g u l a t i o nw a s t eb yt h ec h a n g eo ft h ec i r c u i tc h a r a c t e r s ，a n dh a st h es i m u l a t i o n ；a t l a s t ，b a s e do nt h em e r i t so ft h er e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r s ，d e s i g n sar e s o n a n t w e l d i n gi n v e r t e r , w h i c hc a nh i g h t e nt h ef r e q u e n c eo f t h es w i t c h e ra n dr e d u c et h el o s s o ft h ep o w e r , a n db u i l d si t sm o d e l ，a n a l y s e si t sc h a r a c t e r s i ti st h ei d e ac i r c u i t m o d e lo ft h ev e l d i n gi n v e r t e r s t h ep a p e rh a sar e s e a r c ho nt h es o f t s w i t c h i n go p e r a t i o nm e c h a n i s mo ft h e c i r c u i tt o p o l o g y , a n a l y s e st h es o f t s w i t c h i n ga c t i o np a t t e r no ft h em a i nc i r c u i ta b o u t s o f t s w i t c h i n gt h r e e p h a s ep w mi n v e r t e r , e s t a b l i s h e sm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e i n v e r t e rs o f t - s w i t c h i n ga c t i o np r o c e s sa n dc o m p l e t e st h e s i m u l a t i o nw i t hc o m p u t e r o nt h i sf o u n d a t i o n ，a n a l y s e st h eo p e r a t i o no fd i f f e r e n ts t a g eo ft h ez e r o c i r c u i t q u a s i r e s o n a n ti n v e r t e rd e t a i l l yb yt h em e a n so fs u b s e c t i o n ，a n dt h el i n e a rm o d e lo f t h e mh a ab e e nb u i l tu p a tl a s l ，t h en o n l i n e a rm o d e lo ft h ew h o l es y s t e mh a sb e e n b u i l tb yt h em e a n so fa v e r a g e i th a sb e e np r o v e df e a s i b l eb yt h es i m u l a t i o n 1 1 k e y w o r d s ：s o f t s w i t c h i n g ，r e s o n a n c ec o l l v e r t c r ，r e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r , z e r o - c i r c u i tr e s o n a n ti n v e r t e r i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得武汉理工大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签名：姻太蕴 日期： 丝曼：f f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定， 即学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学 校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：妇之勇 导师签名：盗殳i 里日期：丝立：f 武汉理1 = 大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 现有的软开关技术方面的文献对软开关零电流和零电压谐振问题的电路分 析主要是集中在把谐振过程分为四个独立的阶段( 电感充电、谐振、电容放电、 二极管续流) 来处理，这主要是因为电路的非线性和运行的复杂性。这种处理 方式虽然方便了读者的理解，但对整个电路的连续运行以及整体把握上却缺乏 有效的机制。本文针对这种现象，在分析两种典型软开关谐振变换器准谐 振直流环节型逆变器( q r d c u ) 和辅助谐振软开关三相p w m 逆变器的基础上， 对零电流谐振变换器的非线性特性进行系统研究，通过一个简单的电路模型来 建立谐振过程的动态方程，并建立模型，有助于对谐振控制问题的理解和谐振 变频器的设计。 自2 0 世纪8 0 年代初美国v p e c 李泽元教授提出谐振性软开关的概念，到 8 0 年代后期美国威斯康星大学的d m d i v a n 教授提出谐振直流环节逆变器和极 谐振逆变器技术，2 0 多年来，研究人员围绕这两种基本拓扑相继提出了许多关 于软开关逆变器的拓扑结构【。总的来说，逆变器分为硬开关和软开关两类， 在硬开关逆变器中，功率器件直接与电压源或电流源相连，开关电压和电流波 形的改变会引起严重的开关损耗和e m i 问题，另外由于功率器件存在寄生电容 杂散电感，在开关瞬问会引起很高的电压电流尖峰。而软开关拓扑则是相当于 在传统硬开关逆变器拓扑中增加一个高频谐振网络，根据所选拓扑网络的不同 可以获得不同的电压电流波形，因而得到不同拓扑分类。从谐振发生的位置来 看，基本分为两类，一类为谐振发生在直流母线上，通过谐振使直流母线上的 电压和电流通过零点，给逆变桥集中提供一个零电压丌关或零电流丌关条件。 第二是谐振发生在逆变桥臂的每一个有源丌关两端，通过谐振使得在每个丌关 需要切换的时候，它两端的电压或电流过零点i 捌。谐振型软丌关逆变电路自 1 9 8 6 年以来，受到了国际传动界的广泛关注，它与传统的硬丌关电路相比，有 许多明显的优势，但谐振型软丌关技术远末达到成熟的程度，有许多问题值得 进一步的研究。比如：如何通过比较简单的拓扑结构实现逆变器的软丌关，同 武汉理t = 大学硕七学位论文 时并不增加开关器件的电压和电流应力；什么样的控制方式更适合于软开关逆 变器；怎样设计高频谐振电感更合理，更有效，怎样制作在大功率、高频率下 的电容。 1 2 软开关逆变器的发展概况 1 2 1 软开关逆变器的提出 在p w m 逆变电路中，常规的硬开关p w m 逆变器的开关频率不能太高， 这是因为受到以下因素的制约： ( 1 ) 开通和关断瞬间产生的电压和电流存在叠加部分，使器件产生开通损耗 和关断损耗，而且这种功率损耗随开关的频率增加而加大。 ( 2 ) 开通和关断瞬间产生的电压尖峰和电流尖峰使开关器件的波形急剧突 变，开关器件的电流或电压运行轨迹可能超出安全工作区，影响开关的可靠运 行。 ( 3 ) 二极管的反向恢复问题：二极管由导通变为截止时存在反向恢复期，在 此期间内，二极管仍处于导通状态，若与其串联的开关器件此时立即开通，容 易造成直流电源瞬间短路。产生很大的冲击电流，轻则引起该开关管和二极管 的损耗急剧加大，重则致使其损坏。 j j ： ( 4 ) 开关器件产生的兰兰和竺过高，将产生严重的电磁干扰( e m i ) 。 班出 另一方面，高频率开关电源又带来很多好处，如：输出波形更加近似正弦 波；输出的低次谐波减少；噪声进一步减少等等隆7 1 。因而，如何在现有基础上 增加开关器件的频率利用其优点同时降低高频带来的危害一直是人们追求的目 标，在近几十年来，人们已取得很大的进展【8 】o 软丌关技术就是应此要求而发 展起来的。软开关从一提出就受到人们的注意，并迅速得到了很大的发展。所 谓“软开关”是相对于“硬丌关”来说的。我们知道，在常规的硬丌关p w m 逆变器中，开关是在电流和电压都存在的情况下突然切断的，而软丌关则是在 电流或电压流经开关为零时关断，因而是“软”的阻1 0 】。软开关过程是通过电 感和电容c 的谐振，使丌关器件中电流( 或两端电压) 按j 下弦规律变化，当 电流自然过零时，使器件关断，当电压下降到零时，使器件导通。开关器件在 零电压或零电流条件下完成导通与关断的过程，将使器件的丌关损耗理论上为 武汉理t 大学硕十学位论文 零i l l l 。而另外一种对软开关和硬开关的描述则是采用了渐进的比较方法，即认 为由于现代功率半导体器件的开关转换过渡时间( 开通瞬间和关断瞬间) 在毫 秒到纳秒级，因此逆变器电路中的寄生电感和寄生电容在开关过渡过程中总是 要起作用。当逆变器开关的过度过程只受外部的寄生成分影响时，这种开关在 使用过程中被定义为硬开关。借助于附加的电感和电容来延缓开通和关断过程， 这就是缓冲电路的作用。当开关在过渡过程中为了减小开关的应力而使储存的 电磁能量增大，从而造成在每一个开关过渡过程中储存的能量在下一个循环中 不能比较经济地消耗掉，就产生了馈能型缓冲电路技术【1 2 l 。当储存在电磁元件 中的能量进一步增加的时候，可以明显地观察到谐振现象，就导致了谐振变换 器技术的产生。将谐振限制在仅在开关周期某一区间内工作就产生了目 i 变换 器件中用的大部分软开关技术。软开关和硬开关电路的波形图如图1 - 1 示： 硬开关 软开关 开 u 厂一 j l 通 ) l i 波 - 形 u 关 i 。1 。i 断 弋 弋 波 j 、一 形 图1 - 1 埂开芙平i i 软开天的波形i 墨| 由图对比可知，在软开关工作状态下，丌通时电压的下降先于电流的上升 ( 零电压开通) ，关断时电流的下降先于先电压的上升( 零电流关断) ，消除了 电压和电流的交叠，使得开关损耗和丌关噪声都大大降低。因而不存在功率损 耗，理论上开关功率可以无限大。而在硬丌关工作状态下，关断时电流下降和 申压上升有一个交叠过程，使关断过程中丌关管有功率损耗，即关断损耗。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 1 2 2 软开关逆变器的分类 从8 0 年代美国的d i v a n 博士提出谐振直流环节逆变器和极谐振逆变器技术 以来，人们陆续提出了许多关于逆变器软开关的拓扑结构。逆变器的分类可以 用图1 2 表示。从图可看出，逆变器主要可分为硬开关和软开关两类。在硬开 关逆变器中功率器件直接和电流源或电压源相连，功率器件的开通和关断引起 电压和电流的改变，产生很大的开关损耗和电磁污染( e m i ) 问题，不利效率 的提高。此外功率器件存在寄生电容和杂散电感，在开关瞬间会出现很高的电 压电流尖峰。 d c - a c 逆变器 硬开关 逆变器 软开关 逆变嚣 谐振 环节 谐振 过程 负载 谐振 雏磊屠7 蘼 1 2 3 软开关逆变器的发展 电力电子技术从5 0 年代中期诞生后，经过近5 0 年的发展，已经形成较为 完整的学科体系和理论，成为相对独立的学科门类。近年柬，电力电子学更是 获得了突飞猛进的发展，并且这种发展被各国专家学者视为人类社会的第二次 电子革命。而软丌关逆变技术的研究则是目前电力电子技术领域中最活跃的一 4 武汉理工大学硕七学位论文 个研究方向。对软开关理论的深入研究，以及软开关技术的广泛运用，使电力 电子变换器的设计出现了革命性的变化。软开关逆变电路这个概念由美国的 d i v a n 博士在1 9 8 6 年提出，这个概念从一出现就显示出了蓬勃的生命力，受到 了各国专家学者的充分关注。与常规的硬开关逆变器相比，谐振软开关逆变器 具有许多明显的优势，如低噪声、低电磁干扰、输出波形质量高、不需缓冲电 路、散热器尺寸大大减小、开关器件可在高效率和高可靠性下工作等【4 1 。 逆变电源的发展是和电力电子器件的发展联系在一起的，器件的发展带动 着逆变电源的发展。最初的逆变电源采用品闸管( s c r ) 作为逆变器的开关器 件，称为可控硅逆变电源。由于( s c r ) 是一种没有自关断能力的器件，因此 必须通过增加换流电路来强迫关断s c r ，s c r 的换流电路限制了逆变电源的进 一步发展。随着半导体技术和变流技术的发展，自关断的电力电子器件脱颖而 出，相继出现了电力晶体管( g t r ) 、可关断晶闸管( g t o ) 、功率场效应晶体管 ( m o s f e t ) ，绝缘栅双极型晶体管0 g b t ) 等等。自关断器件在逆变器中的应用 大大提高了逆变电源的性能。由于自关断器件的使用，使得开关频率得以提高， 从而逆变桥输出电压中低次谐波的频率比较高，使输出滤波器的尺寸得以减小， 而且对非线性负载的适应性得以提高。最初，对于采用全控型器件的逆变电源 在控制上普遍采用带输出电压有效值或平均值反馈的p w m 控制技术，其输出 电压的稳定是通过输出电压有效值或平均值反馈控制的方法实现的。采用输出 电压有效值或平均值反馈控制的方法具有结构简单、容易实现的优点，但存在 以下缺点： ( 1 ) 对非线性负载的适应性不强； ( 2 ) 死区时问的存在将使p w m 波中含有不易滤掉的低次谐波，使输出电压 出现波形畸变； ( 3 ) 动念特性不好，负载突变时输出电压调整时问长。 为了克服单一电压有效值或平均值反馈控制方法的不足，实时反馈控制技 术获得应用，它是近十年束发展起来的新型电源控制技术，目前仍在不断地完 善和发展之中，实时反馈控制技术的采用使逆变电源的性能有了质的飞跃。实 时反馈控制技术多种多样，主要有以下几种： ( 1 ) 谐波补偿控制 当逆变电源的负载为整流负载时，由于负载电流中含有大量谐波，谐波电 流在逆变电源内阻上的压降致使逆变电源输出电压波形畸变，谐波补偿控制可 5 武汉理工大学硕十学位论文 以较好地解决这一问题，尤其是在逆变桥输出p w m 波中加人特定的谐波，可 抵消负载电流中的谐波对输出电压波形的影响，减小输出电压的波形畸变。目 前这种方法只能由高速的数字信号处理器来实现。 ( 2 ) 无差拍控制 1 9 5 9 年，k a l m a n 首次提出了状态变量的无差拍控制理论。1 9 8 5 年，g o k h a l e 在p e s c 年会上提出将无差拍控制应用于逆变器控制，逆变器的无差拍控制才 引起了广泛的重视。无差拍控制是一种基于微机实现的控制方法。这种控制方 法根据逆变电源系统的状态方程和输出反馈信号来推算下一个采样周期的开关 时间，使输出电压在每个采样点上与给定信号相等。无差拍控制的缺点是算法 比较复杂，实现起来不太容易，它对系统模型的准确性要求较高，对负载大小 的变化及负载的性质变化比较敏感，当负载大小变化及负载的性质变化时不易 获得理想的正弦波输出。 ( 3 ) 重复控制 为了消除非线性负载对逆变器输出的影响，在u p s 逆变器控制中引人了重 复控制技术。h a n e y o s h i 及k a w a m u r a 等人首先在p w m 逆变器中采用重复控制 消除周期性畸变。后来，邹应屿等人进一步完善了逆变器的重复控制理论，给 出了一种重复控制器的设计方法，提出了自适应重复控制的理论。重复控制是 一种基于内模原理的控制方法，它将一个基波周期的偏差存储起来，用于下一 个基波周期的控制，经过几个基波周期的重复可达到很高的控制精度。在这种 控制方法中，加到控制对象的输人信号除偏差信号外，还叠加了一个“过去的 控制偏差”，这个“过去的控制偏差”是上一个基波周期中的控制偏差，把上一 个基波周期的偏差反映到现在，和“现在的偏差”一起加到控制对象进行控制。 这种控制方式，偏差好像在被重复使用，所以称为重复控制。它的突出特点是 稳态特性好、控制鲁棒性强。但重复控制的控制实时性差、动态响应速度慢。 因此，重复控制一般都不单独用于完成逆变器的控制，而是与其他控制方式相 结合共同来提高整个系统的性能。 ( 4 ) 滑模变结构控制 滑模变结构控制理论起于2 0 世纪5 0 年代。它最显著的特点是对参数变动 和外部扰动不敏感，因此非常适用于闭环反馈控制的电能变换器。早期的滑模 变结构控制器采用模拟电路实现，广泛应用于电力拖动系统中。2 0 世纪9 0 年 代中后期，台湾的邹应屿和香港大学的lkw a n g 等人将离散滑模变结构控制 武汉理t 大学硕士学位论文 理论应用到u p s 逆变器中，获得了良好的控制效果。滑模变结构控制实质上是 一种非连续的开关控制方法，它强迫系统的跟踪误差及其导数运行于相平面的 一条固定的滑模曲线上，与系统参数变动及外部扰动无关，因此系统有极强的 鲁棒性。但是，就波形跟踪质量来说，滑模控制不如重复控制和无差拍控制。 ( 5 ) 单一的电压瞬时值反馈控制 这种控制方法的基本思想是把输出电压的瞬时反馈值与给定正弦波进行比 较，用瞬时偏差作为控制量，对逆变桥输出p w m 波进行动态调节。和传统p w m 控制方法相比，由于该方法能对p w m 波进行动态调整，故系统的快速性、抗 扰性、对非线性负载的适应性、输出电压的波形品质等都比传统p w m 控制方 法有所提高。这种方法的缺点是系统的稳定性不好，特别是空载时，输出电压 容易振荡。系统的稳定性问题限制了电压调节器增益的提高，因而输出电压的 波形品质还不是很好。 ( 6 ) 带电流内环的电压瞬时值反馈控制 带电流内环的电压瞬时值反馈控制方法是在单一的电压瞬时值反馈控制方 法的基础上发展起来的。在这种方法中，不但引入输出电压的瞬时值反馈，还 引入滤波电容电流或滤波电感电流的瞬时值反馈，电压环是外环，电流环是内 环。电流环具有将滤波电容电流或滤波电感电流改造为可控的电流源的作用， 这样，控制输入和输出电压之间就形成了具有单极点的传递函数，因而系统的 稳定性大大提高，克服了单一的电压瞬时值反馈控制系统空载容易振荡的缺点。 由于稳定性的提高使得电压调节器增益可以取比较大的值，所以突加负载或突 卸负载时输出电压的动态特性能大大提高，抗扰性能大大提高，对非线性负载 的适应性也大大提高。 随着电力电子技术的飞速发展和各行各业对逆变器控制性能要求的提高， 逆变电源也得到了深入的发展，目前，逆变电源的发展趋势主要集中在以下几 个方面： ( 1 ) 高频化 提高逆变电源的开关频率，可以有效地减小装置的体积和重量，并可消除 变压器和电感的音频噪声，同时改善输出电压的动态响应能力。此外，为了进 一步减小装置的体积和重量，必须去掉笨重的工频隔离变压器，采用高频隔离。 ( 2 ) 高性能化 高性能主要指输出电压特性的高性能，它主要体现在以下几个方面：稳 7 武汉理t 大学硕士学位论文 压性能好，空载及负载时输出电压有效值要稳定；波形质量高，不但要求空 载时的波形好，带载时波形也要好，对非线性负载的适应性要强：突加或突 减负载时输出电压的瞬态响应特性好；电压调制量小；输出电压的频率稳 定性好；对于三相电源，带不平衡负载时相电压失衡小。输出电压的高性能 是用电设备对逆变电源的要求，控制方式的改进是逆变电源实现高性能的主要 手段。 ( 3 ) 并联及模块化 当今逆变电源的发展趋向是大功率化和高可靠性。虽然现在已经能生产几 千k v a 的大型逆变电源，完全可以满足大功率要求的场合。但是，这样整个系 统的可靠性完全由单台电源决定，无论如何可靠性也不可能达到很高。为了提 高系统的可靠性，就必须实现模块化，模块化意味着用户可以方便地将小容量 的模块化电源任意组合，构成一个较大容量的逆变电源。模块化需要解决逆变 电源之间的并联问题，逆变电源的并联要比直流电源的并联复杂，它面l 临着负 荷分配、环流补偿、通断控制等多方面的问题。但是，逆变电源的并联运行可 以带来以下几个方面的好处：可以用来灵活地扩大电源系统的容量；可以 组成并联冗余系统以提高运行的可靠性：具有极高的系统可维修性。当单台 电源出现故障时，可以很方便地通过热插拔方式进行更换和维修。 ( 4 ) 小型化 在逆变电源中，决定整个装置体积和重量的部分是变压器和l c 滤波器， 变压器可能放在输人部分，也可能放在输出部分，起电压隔离或电压匹配的作 用；l c 滤波器用于滤除p w m 波中的高次谐波。滤波器的尺寸与p w m 波的频 谱特性有关。要使逆变电源小型化，可以采用的方法有三种：提高开关频率， 使滤波器小型化；采用新的p w m 控制方式，优化逆变桥输出p w m 波的频 谱，使滤波器小型化；用高频变压器实现电压的隔离及匹配，替代输入或输 出的低频变压器，实现变压器的小型化。 ( 5 ) 高输入功率因数化 对于交流输入的逆变电源，中间环节直流电源一般由二极管整流获得，其 输入电流呈尖脉冲状，因此，输入功率因数不高。提高整流侧的输入功率因数 不仅可大大提高逆变电源对输入电能的利用率，而且可以克服逆变电源对电网 产生谐波污染的缺点。 ( 6 ) 数字化 武汉理t 大学硕士学侥论文 逆变电源的数字化并不是简单的指在系统中应用了数字器件，如单片机及 f p g a 等，而是指整个系统的控制应用数字器件的计算能力和离散控制方法来 完成，随着硬件技术的发展，处理器计算速度的提高，必然促使逆变电源向数 字化方向发展。 ( 7 ) 智能化 一个智能化的逆变电源除了能够完成普通逆变电源的所有功能外，还应具 有以下功能：对运行中的逆变电源进行监测，随时将采样点的状态信息送入 计算机进行处理，一方面获取电源工作时的有关参数，另一方面监视电路中各 部分的状态，从中分析电路的各部分工作是否正常；在逆变电源发生故障时， 根据监测的结果进行故障诊断，指出故障的部位，给出处理方法：自动显示 所监测的参数，有异常或发生故障时，可以自动记录有关异常或故障的信息； 按照技术说明书给出的指标，自动定期地进行自检，并形成自检记录文件； 能够用程序控制逆变电源的启动和停止，实现无人值守的自动操作；具有 信息交换功能，可以随时向上位机输入信息，或从上位机获取信息1 1 3 。 1 2 4 谐振变换器的发展概况 谐振变换器是使用很广泛的一类软开关，从1 9 8 4 年美国v p e cfv i r g i n i a p o w e re l e c t r o n i c sc e n t e r ) 的l e ef c 教授等人提出谐振开关的概念，用谐振 开关单元来代替基本p w m 变换器中的开关单元，形成准谐振、多谐振开关变 换器。在这类变换器中，通过谐振使开关器件上的电流或电压按准正弦规律变 化，从而创造出零电流或零电压丌关条件。准谐振与多谐振变换器可分为零电 压开关准谐振变换器( z v sq r c ) 、零电流开关准谐振变换器( z c sq r c ) 、 零电压开关多谐振变换器( z v sm r c ) 。图1 3 给出了三种谐振软开关电路的 基本开关单元。其中，5 为开关器件，d 为二极管，t 和c ，分别为谐振电感和 谐振电容，为储能电感。 s ， l 9 武汉理t 大学硕七学位论文 ( a ) z c sq r c ( b ) z v s q r c ( c ) z v s m r c 图1 - 33 种谐振软开关电路 另外从谐振能量发生的位置来看，基本上可以分为两大类：第一是谐振发 生在直流母线上，通过谐振使得直流母线上的电压或电流过零点，给逆变桥集 中提供一个零电压开关( z v s ) 或零电流开关( z c s ) 条件，例如，谐振直流环节逆 变器r d c l i ，有源钳位谐振直流环节逆变器a c r d c l i ，准谐振直流环节逆变 器q r d c l i 等；第二是谐振发生在逆变桥臂的每一个有源开关两端，通过谐振 使得在每个开关需要切换的时候，它两端的电压或电流过零点。例如辅助谐振 转换极逆变器a r c p i ，软开关过渡p w m 技术逆变器z v r - p w m 和z c t - p w m 等。 ( 1 ) 直流环节谐振型逆变器( r d c l i ) 直流环节谐振型逆变器的特点是在逆变桥与直流母线之间有一辅助谐振回 路。通过谐振，电容电压k 周期性返回零点，为后面的逆变桥创造零电压开关 间隔。r d c l i 的电路拓扑结构及控制策略在所有直流环节谐振型逆变器中是最 简单的，仅需增加一个电感和一个电容，就可使原来的p w m 电压型硬丌关逆 变器的开关频率提高一个数量级，并进而带来一系列好处。但r d c l i 也有两个 1 0 武汉理 大学硕+ 学位论文 明显的缺点：直流环节谐振型逆变器开关器件的电压应力大，谐振电压峰值高； 电压过零点与逆变器开关策略难以同步，使逆变器输出有大量高次谐波。围绕 着如何克服这两个缺点，提出了大量不同拓扑结构的直流环节谐振型逆变电路： 如改进型直流环节谐振型逆变器( i r d c l i ) ，有源钳位谐振直流环节逆变器 ( a c r u ) ，直流环节并联谐振逆变器( p r d c u ) 等。 ( 2 ) 极谐振型逆变器 包括准谐振电流模式逆变器( q r c m i ) ，辅助谐振变换极逆变器( a r c p i ) ， 辅助二极管变换极逆变器( a d r p i ) 。这类逆变器的特点是辅助谐振电路从逆变 桥之前移到了逆变桥之后。对于三相逆变器来说，辅助谐振电路由原来的一组 变为三组，即每一桥臂均配有一组，通过辅助谐振电路，使每一桥臂中点的电 压产生谐振，通过谐振为开关器件创造软开关通断条件。与d c 环节谐振型逆 变器比较，极谐振型逆变器的优点是：逆变桥各相独立，不存在软开关操作与 逆变器开关策略难以同步的问题，便于采用任一种常规的p w m 调制策略进行 输出电压控制；不增加开关器件的电压应力。其缺点是：大多数这类逆变器均 使开关器件的电流应力大大增加；需要多组辅助谐振电路，特别是多个电感， 造成逆变器体积、重量增加、效率降低，控制复杂l 一删。 直流( d c ) 环节谐振型逆变器的特点是在逆变桥与直流母线之间有一种辅 助谐振回路。图1 - 4 即为d i v a n 博士在1 9 8 6 年提出的r d c l i ( r e s o n a n td cl i n k i n v e r t e r ) 电路原理图。图中l c 为辅助谐振电路。通过谐振，电容电压阼周期性 u l 图1 - 4r d c l i 电路原理图 地返回零点，从而为后面的逆变桥创造了零电压丌关问隔。这种类型的r d c u 武汉理工大学硕士学位论文 的电路拓朴结构及控制策略在所有d c 环节谐振型逆变器中是最简单的，仅需 增加一个电感和一个电容，就可使原来的p w m 电压型硬开关逆变器的开关频 率提高一个数量级，并进而带来一系列的好处。但r d c l i 也有两个明显的缺点， 这就是：( 1 ) 谐振电压峰值过高，可达2 0 倍圪，这使得逆交器开关器件的电 压应力大大增加；( 2 ) 电压过零点与逆变器开关策略难以同步，使逆变器输出 产生大量次谐波【2 1 创。围绕如何克服这两个缺点，其后有大量不同的拓朴结构 的d c 环节谐振型逆变电路被提出，如：改进型谐振逆变器( m d c u ) 、有源 箝位谐振d c 环节逆变器( a d r p i ) ，d c 环节并联谐振逆变器( p r d c u ) 等1 2 3 例。 极谐振型逆变器包括准谐振电流模式逆变器( q r c m i ) 、辅助谐振极逆变 器( a r c p i ) 、辅助二极管变换极逆变器( a d r p i ) 等。图1 - 5 为a r c p i 的电 路原理图。 u 图1 - 5a r c p i 电路原理图 从图中可知，与d c 环节谐振型逆变器相比较，这一类逆变器的共同特点 是，辅助谐振电路从逆变桥之前移到了逆变桥之后。对于三相逆变器来说，辅 助谐振电路由原来的一组变为三组，即每一桥臂均配有一组，通过辅助谐振电 路，使每一桥臂中点的电压产生谐振，通过谐振为开关器件创造软丌关通断条 件。在这种类型的逆变器中，每一相的操作都完全独立于其它相。与d c 环节 谐振型逆变器比较，极谐振型逆变器的优点是：( 1 ) 逆变桥各相相互独立，且不 存在软丌关操作与逆变器开关策略难于同步的问题，故可以方便地采用任一种 常规的p w m 调制策略进行输出电压控制；( 2 ) 不增加逆变器丌关器件的电压应 力。其缺点是：( 1 ) 大多数这类逆变器均使开关器件的电流应力大大增加；( 2 ) 需要多组辅助谐振电路，特别是多个电感，造成逆变器体积、重量增加，效率 降低【2 睨7 j 。 谐振型软丌关逆变电路自1 9 8 6 年以来，受到了国际传动界的广泛关注，它 武汉理。r = 大学硕十学位论文 与传统的硬开关逆变电路相比，虽然有许多明显的优势，但软开关逆变器目前 还远未达到成熟的程度，在实际中也还未像软开关d c d cp w m 变换器那样得 到广泛应用，还有许多问题需作进一步的研究。如：如何通过比较简单的拓朴 结构实现逆变器的软开关，网对并不增加开关器件的电压或电流应力；什么样 的控制方式更适合于软开关逆变器；怎样设计高频谐振电感更合理、更有效， 怎样制作在大功率、高频率下工作的电容等m2 “拉3 3 l 。 1 3 本文研究的内容 本文在分析谐振直流环节型逆变器和辅助谐振软开关三相逆变器两种典型 软开关谐振变换器的基础上，对零电流谐振变换器的拓扑电路进行详细的研究， 分析零电流谐振变换器的非线性动态过程，建立其线性模型，简化其分析过程， 并用m a t l a b 对其进行仿真。各章节安排如下： 第1 章为绪论，介绍软开关谐振变换器的发展及研究状况； 第2 章对谐振直流环节型逆变器的原理及运行状态进行分析和研究； 第3 章对辅助谐振软开关三相逆变器进行分析和研究： 第4 章对零电流开关准谐振变换器进行详细分析，建立其线性模型，并进 行仿真研究： 第5 章对全文进行总结，总结本文所做的主要工作和今后的努力方向。 武汉理【大学硕十学位论文 2 1 引言 第2 章谐振直流环节型逆变器 谐振直流环节型逆变器( r d c l i ) 的特点是在直流母线与逆变器直流输入 端之间加入一个辅助谐振回路，如图2 - 1 ( a ) 所示，逆变器工作时启动l c 电 路不断地谐振，使并联在直流母线上的电容电压昨周期性地变为零，从而为逆 变桥的开关器件创造零电压开关条件，该电路中电压昨的谐振峰值很高，增加 了对开关器件耐压的要求。以这种电路为基础，出现了不少性能更好的软开关 电路，如图2 - 1 ( b ) 是特性较为优良的直流环节并联谐振型逆变器p r d l i ，该 电路中开关器件可在任何时间开关，谐振可在任何时间进行，所有开关器件承 受的电压压力不超过，谐振丌关电路的动作都在零电压下进行，谐振电感l 不在主回路能量传递通道上，仅用作需谐振过零时的储能元件，谐振电容和每 个主开关器件并联，可以利用器件本身的寄生电容作谐振电容l ：m o j 。 l d ( a ) r d c l i ( 谐振直流环仃型逆变器) 1 4 武汉理r 大学硕十学位论文 0 a ) p r d c l i ( 直流环节并联谐振型逆变器) 图2 - 1 三相谐振直流环电路原理图 本章在详细分析准谐振直流环节逆变器的原理的基础上，分析研究负载和 电路关键参数变化对谐振的影响，谐振网络在逆变器能量输出、回馈和续流三 种不同状态下的工作情况，仿真结果验证了在这三种状态下谐振工作均能正常 工作的结论。文章最后设计了一种基于谐振逆变器的焊接电源，是对谐振逆变 器实践应用的有益探讨。 2 2 准谐振直流环节型逆变器的电路拓扑与工作原理 准谐振直流环节型逆变器主电路拓扑见图2 2 ；谐振网络包括两个电感( l 和厶) 、两个电容( c 1 和c ) 四个二极管( 阳l 、v d 2 、v d 3 和v d 4 ) 和一个辅 助开关管。其基本思想是：在逆变开关管( 五、五、五和l ) 转换前，开通 辅助开关管【，启动谐振网络将直流母线电压谐振到零，创造逆变丌关管零电 压转换条件。逆变开关管转换完成后，关断辅助丌关管t ，谐振网络将能量回 馈直流输入，直流母线电压上升，由于有筘位电源【( 0 1 0 如。 图2 - 3q r d c u 等效电路图 为分析方便，可做如下假设：初始时刻f 0 时，电感b 上流过电流为滤波电感电 流吒，电感电流与电容电压的参考方向如图2 - 3 所示。图2 4 为谐振电感电流、 电容电压波形；各个模态等效电路图见图2 5 2 1 1 。 1 6 武汉理e 大学硕士学俺论文 t o 臣亚巫 二二二二亟巫) 二二二二二二i 。1 二j 互二 u c u j o j 、 t厂 i i i i i ky !： i l 1 0 0 v d ， v d 2 v d 3 v d 。 v d ； i i li i i i iii i i 图2 4 电路中各元件波形图 ( 1 ) 模态1 ：岛f l 等效电路见图2 - 5 a 在t o 时刻丌通辅助丌关管l ；厶和乞与c l 谐振， 到f l 时刻将直流母线电压谐振到零。可知： 武汉理f 大学硕十学位论文 o ) 。心+ 厶c o s 唧) 芒毫 ( 2 - 1 ) 魁鸭一藤溅黼零一助l 应至 少提前逆变开关管开关转换( t 1 - - t o ) 时间导通，所以有 玎一= c c o s ( l 2 l ) ( f l t o ) 一一 ( 2 - 2 ) q 此时谐振电感l 2 l i 电流为： t 以) 一丧陆一气+ 去s i n q ( f l 叫】 ( 2 - 3 ) i v d ， i l l l 1 一 孓 丕2j v d 2 7 u c 2 + 一奸 u c l - -= c ，v d , j 一 l 2 lq i l z d 4 j 一 、v 0 3 翻2 - 5 t o f l 等效电路图 ( 2 ) 模念2 ：t i t 2 等效电路见图2 - 6 ，t t 时刻直流母线电压谐振到零后，负载电流经二极管班) l 续流，直流母线电压被箝位为零，此时逆变开关管转换，可实现z v s 。 在此期间由于电感k 两端的电压为零，故有：t ( f ：) = 幺“) 武汉理工大学硕士学位论文 i v d l “ l 叫 孓 杰2i v i ：h i _ j + u 甲一 + l 一奸 u c i = # c 1v n j k l v d 4j 沁 、v l ：h i 图2 - 6 f 1 一t 2 等效电路图 ( 3 ) 模态3 ：f 2t 3 等效电路图如图2 - 7 ：在乞时刻辅助开关管五关断，岛上的电流经c 2 和哆 续流。厶与c l 谐振，岛与c 2 谐振，直流母线电压上升。到时刻，厶电流为 零，v d 3 自然截止。并在该模态中有： t o ) 一k ( f 2 ) c o s c 0 2 t ( f ) t ( f 2 ) c 0 2 l 2 s i n t ( f ) - 0 2 3 q i z , ( t 2 ) - l o s i n o j 3 t - u i ( 1 - c o s o ) ( 2 。4 ) t ( f ) = ，o ( 1 一o o s 呼) + ( f 2 ) c o s 叫+ 兰s i n 呼 其中 f 1 f 1