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西华大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 搿鬻警簿日期：弘屈夕n 。q 司 指导教师签名：豸墨乏老鎏易乏 日期r 纱o 多勿 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于西华大学，同意学校保留并向国家 有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，西 华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 学位论文作者签名： 日期：h 声舌 指导教师签名：多么龟多为鍪 日期纱胗多勿 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 摘要 现代电力电子装置的小型化和轻量化发展趋势使开关频率越来越高，软开关技术很 好的解决了电路高频化过程中开关损耗和开关噪声增加的问题，因此软开关技术成为逆 变器高频化的重要技术之一。软开关理论研究非常活跃，但对软开关逆变器的应用研究 相对滞后，本文以辅助二极管谐振极逆变器( a d r p i ) 作为对象，设计了一种实用的零 电压检测及死区补偿电路。 本文重点对a d r p i 软开关技术的应用问题进行研究。文中分析了a d r p i 逆变器拓扑 结构的工作原理及其特点，进行了结实型变换桥臂的工作过程及相平面的分析。基于死 区时间大小对逆变器工作的可靠性和输出电流波形质量及输出电流有效值的影响，文中 设计了一种实用的零电压检测电路，在a d r p i 软开关逆变器电路中实现安全可靠的零电 压检测。同时本文详细分析了a d r p i 逆变器中死区自然形成的机理，死区时间大小的确 定，通过理论分析获得了一个最优化的死区时间参数的选择的方法，并通过旋转坐标系 下判断电流矢量空间角来判断电流极性的方法实现对死区电流的补偿，从而减小死区对 逆变器的输出电流质量的影响。 文中结合a d r p i 逆变器中死区的自然形成机理和实用的零电压检测原理，设计了相 关的实验装置，通过实验证明，逆变器输出电流质量得到了明显的改善，实验证明a d r p i 软开关逆变器在实际应用中有着良好的应用前景和价值。 关键词：软开关；a d r p i ；零电压检测；死区补偿 a d k p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 a bs t r a c t t h ed e v e l o p i n gt r e n do fm i n i a t u r i z a t i o na n dl i g h t w e i g h td e s i g no fm o d e r ne l e c t r o n i c e q u i p m e n t sh a sb r o u g h tt h ei n c r e a s ei nu s i n gh i g hf r e q u e n c yo fs w i t c h e s s o f t - s w i t c h i n g t e c h n o l o g yc a l lw e l ls o l v et h ep r o b l e m so fi n c r e a s eo fs w i t c h i n gl o s sa n ds w i t c h i n gn o i s ei n c i r c u i tw h i l ei t sf r e q u e n c yi sb e i n gh i g h e r t h e r e f o r e ，s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g yb e c o m e so n e o ft h em o s ts i g n i f i c a n tt e c h n o l o g i e si nh i g hf r e q u e n c yp r o m o t i o no fi n v e r t e r r e s e a r c ho n s o f t s w i t c h i n gt h e o r yi sv e r ya c t i v e ，b u tr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fs o f t s w i t c h i n gi n v e r t e r i sc o m p a r a t i v e l ym u c hl a g g e db e h i n d t h ed e s i g no f p r a c t i c a lz e r o - v o l t a g ed e t e c t i o na n dd e a d t i m ec o m p e n s a t i o nc i r c u i ti ss h o w ni nt h i sp a p e r ，b a s e do na u x i l i a r yd i o d er e s o n a n tp o l e i n v e r t e r ( a d r p i ) t a k e na sa no b j e c t t h i sp a p e rf o c u s e so nr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o no fa d r p i s o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y i ta n a l y z e sw o r k i n g p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so fa d r p it o p o l o g ya n dw o r k i n gp r o c e s sa n d p h 觞ep l a n eo fr u g g e dr e s o n a n tp o l e b a s e do nt h ei n f l u e n c eo ft h el e n g t ho fd e a dt i m eo nt h e i n v e r t e r sw o r k i n gr e l i a b i l i t ya n do nt h eq u a l i t yo fo u t p u tc u r r e n tw a v e f o r ma n do u t p u t c u r r e n tr m sv a l u e ，t h i sp a p e rs h o w st h ed e s i g no fak i n do fp r a c t i c a lz e r o v o l t a g ed e t e c t i o n c i r c u i t ，w h i c hr e a l i z e st h es a f ea n dr e l i a b l ez e r o - v o l t a g ed e t e c t i o ni na d r p is o f t - s w i t c h i n g i n v e r t e rc i r c u i t a l s oad e t a i l e da n a l y s i so nd e a dt i m e sn a t u r a lf o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dt h e c o n f i r ma t i o no f 也el e n g t ho fd e a dt i m eo fa d r p ia r ed e s c r i b e di nt h ep a p e r a no p t i m i z a t i o n o fd e a dt i m ep a r a m e t e rs e l e c t i o ni sr e a l i z e db a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s w i t ht h em e t h o do f j u d g i n gc u r r e n tp o l a r i t yf r o mc u r r e n tv e c t o rs p a c ea n g l ei nar o t a t i n gr e f e r e n c ef r a m e ，t h e c o m p e n s a t i o no fe l e c t r i cc u r r e n ti nd e a dt i m ec a nb er e a l i z e d ，t h u st or e d u c ed e a dt i m e s i n f l u e n c eo nt h eq u a l i t yo f o u t p u tc u r r e n to fi n v e r t e r w i t ht h en a t u r a lf o r m a t i o nm e c h a n i s mo fa d r p ii n v e r t e r sd e a dt i m ea n d 也e p r a c t i c a l p r i n c i p l eo fz e r o v o l t a g ed e t e c t i o nc o m b i n e di nt h i sp a p e r , w ed e s i g n e dr e l a t e de x p e r i m e n t a l d e v i c e ，a n dt l l ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h eq u a l i t yo fo u t p u tc u r r e n to fi n v e r t e rh a s b e e no b v i o u s l yi m p r o v e d i th a sp r o v e dt h a ta d r p is o f t s w i t c h i n gi n v e r t e ri n a c t u a l a p p l i c a t i o nh a sv e r yg o o da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dv a l u e k e yw o r d s ：s o f t 。s w i t c h i n g ；a d r p i ；z e r o v o l t a g ed e t e c t i o n ；d e a dt i m ec o m p e n s a t i o n i i a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 目录 摘要i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1软开关逆变电路的提出与发展1 1 1 1 谐振d c 环节方式1 1 1 2 谐振极方式3 1 1 3 其他类型软开关逆变器4 1 2 逆变器中死区的研究现状5 1 3课题研究的目的、意义及内容6 2a d r pi 拓扑结构的理论研究8 2 1a d r p i 逆变器的拓扑结构及工作原理8 2 2 结实型变换桥臂的工作过程9 2 3 零电压开关操作的限制2 0 2 4a d r p i 硬件电路参数的设计2 1 2 5 本章小结2 6 3 零电压检测电路设计2 7 3 1 引言2 7 3 2 零电压检测电路设计2 7 3 2 1 传感器的选择2 8 3 2 2 放大电路设计3 1 3 2 3 滤波器选择3 3 3 2 4 绝对值电路设计3 7 3 2 5比较电路。4 0 3 3 零电压检测电路的仿真4 1 3 4 本章小结4 2 4a d r pl 死区及其补偿的研究4 3 4 1 引言4 3 4 2 a d r p i 死区的研究4 5 4 2 1a d i 冲i 死区的形成4 5 4 2 2 a d r p i 死区大小及分析4 6 4 3 死区的补偿4 7 m a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 4 3 1 影响死区的因素。4 7 4 3 2 死区补偿方案4 8 4 4a d r p l 的死区补偿5 0 4 4 1 死区对a d r p i 逆变器影响的分析5 0 4 4 2 死区补偿策略的提出5 l 4 5 本章小结5 4 5 实验5 5 5 1 实验装置介绍5 5 5 1 1 逆变器5 5 5 1 2 电流、电压传感器选择5 6 5 1 3 d s p 介绍。5 7 5 2 实验及结果分析5 8 5 3 本章小结6 0 结论6 1 参考文献6 2 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况6 5 翌谢6 6 西华大学硕士学位论文 1绪论 自从1 9 5 6 年第一只晶闸管问世，电力电子技术开始登上现代电气传动技术的舞台， 电力电子技术现在已经形成较为完整的学科体系和理论。近年来，电力电子学获得突飞 猛进的发展，对工业自动化、交通运输、城市供电、节能和环境污染控制等方面产生巨 大的推动作用。逆变技术是电力电子技术中的一个重要组成部分。 1 1软开关逆变电路的提出与发展n 咱】 由于现代电力电子装置越来越趋于小型化和轻量化，必然要求开关频率越来越高。 当开关频率很高时，给电路造成严重限制，如：在开通和关断瞬间产生的电压和电流尖 峰将可能使开关器件的状态运行轨迹超出安全工作区，影响开关的可靠性；开关损耗随 开关频率成正比上升：过高的d u d t ，d i d t 将产生严重的电磁干扰。为了克服这些问题， 8 0 年代以来软开关技术得到深入广泛的研究并得到迅速发展。软开关技术是指通过辅助 的谐振电路使开关管开通前电压先降为零，或关断前电流先降为零，实现了在零电压情 况下开通或者在零电流条件下关断。软开关通常是指零电压开关z v s 和零电流开关z c s 或近似零电压开关与零电流开关。 ： 对软开关理论的深入研究及软开关技术的广泛应用，使电力电子装置的设计出现了 革命性的变化。在d c a c 逆变器设计中，8 0 年代美国威斯康星大学的d i v a n 博士提出 谐振直流环节逆变器获得了广泛的关注。在此之后，软开关逆变技术的研究成为电力电 子技术领域中最活跃的一个研究方向，软开关技术在逆变器中得到了长足的发展。逆变 器的软开关电路根据谐振电路和辅助电路在逆变器主电路上不同位置可分为谐振d c 环 节方式、谐振极方式、负载谐振方式、辅助谐振缓冲电路等方式。 1 1 1 谐振d c 环节方式 图1 1 串联谐振d c 环节逆变器 f i g 1 1 s e r i e sr e s o n a n td cl i n km v e r t e r a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 图1 1 为串联谐振d c 环节逆变器，它在逆变器d c 母线上设置l c 并联谐振或串 联谐振电路，利用谐振使d c 母线上产生零电压或零电流，在此期间逆变器的开关器件 进行切换，实现零电压或零电流动作。该拓扑是谐振d c 环节的基本结构，但有明显的 缺点：母线上电压和电流的峰值是电源的2 倍以上，所以，必须考虑器件的耐压，另外， 电压过零点与逆变器开关难以同步，使逆变器输出产生大量的次谐波。针对以上缺点， 提出了改进型谐振d c 换进逆变器( i d c l i ) 、有源箝位谐振d c 环节逆变器( a c r u ) 等。 图1 2 改进谐振d c 环节逆变器r d c l i f i g 1 2i m p r o v e dr e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r r d c l i 是在d c 母线上加上辅助开关器件和l c 谐振电路，如图1 2 所示【4 】。在逆 变器开关模式切换之前启动该谐振电路，当谐振过程使d c 母线电压和电流为零时才开 始软开关切换，辅助器件的动作也是以软开关进行的。谐振动作仅在逆变器开关模式要 切换时发生。该方法的优点是，谐振电路的开关器件和无源器件数目少、结构简单。缺 点是根据逆变开关模式不同，负载电流和电压波动大。 ：t 函唾 p l k 芗哔蹿 d ， r 。 ( a )( b ) 图1 3 有源箝位谐振d c 环节逆变器 f i g 1 3 a c t i v ec l a m pr e s o n a n td cl i n ki n v e r t e r 2 西华大学硕士学位论文 有源箝位谐振d c 环节逆变器如图1 3 所示，有两种不同形式【5 】。 图1 - 3 ( a ) 是在d c 母线增加了用电容和高频变压器做成的电压筘位电路，该方式 通过控制电压、电流值适中，脉冲密度调制是基本结构，也可以在逆变器各桥臂上关联 无损耗缓冲电容，实现z v c 的p w m 调制。该方法简单，但是谐振始终存在，l c 电路 的导通损耗太大。 图1 3 ( b ) 只显示直流侧的电路结构。其工作原理是在l c 谐振电路开始工作之前， 电容c ，预充电到一定电压值，该电压值与直流供电电压之和即为谐振电压的筘位值 k u 加，则电容c 1 上预充电压值为伍一1 阢。首先导通q 2 ，当t 增大到预充电电流阂值时， 关断开关q ：，这时l c 电路开始谐振。当谐振电压达到箝位电压时，二极管d ，导通， 由于二极管d ，的存在，箝位开关q 1 可在电感电流i ：反向前正在零电压下自然导通。电 感f 。，反向后，电容c l 向电感放电，当其中放出的电荷等于之前所接受的电荷时，关断q 可实现零电压关断。 1 1 2 谐振极方式 谐振极方式包括准谐振模式逆变器( q r m i ) 、辅助谐振变换极逆变器、辅助二极 管变换极逆变器。与d c 环节谐振型逆变器比较，谐振极逆变器的优点是：逆变器各相 蕾 相互独立，且不存在软开关操作与逆变器开关同步的问题，可方便地采用常规的p w m 调制策略进行输出电压控制；不增加逆变器开关器件的电流应力增加。其缺点是：大多 数这类逆变器的开关器件的电流应力增加；需要多组辅助谐振电路，使用多个电感、电 。j 容，造成逆变器体积、重量增加，效率降低。 在图1 4 准谐振d c 环节的改进电路中，z v s 电路插在直流电压源和无缓冲电容三 相逆变器之间【6 j 。逆变器需要开关切换时，z c s 电路使直流母线提供一个很短的零电压 周期，以达到z c s 动作的目的。该电路的优点是电路结构接单，系统的综合效率高。 图1 4 准谐振z v sp v f l v l 逆变器 f i g 1 4q u a s i - r e s o n a n tz v sp w mi n v e r t c - r 3 a d i 心i 软开关技术在逆变器中的应用研究 图1 5 ( a ) 为辅助二极管谐振极逆变器的一条桥臂的拓扑结构。电感厶在该拓扑中 起到两个作用：稳态时，它作为储存能量的原件：开关过程中，它作为谐振原件。这种 拓扑结构的目的是不仅要形成使开关管及整流二极管零电压导通，而且要通过合适的电 路安排及适当的开关次序消除电路中寄生成分影响。在这个逆变电路中，各个桥臂上的 零电压过渡更具灵活性，控制逻辑简单明了，更适合各种p w m 技术需要。图1 5 ( b ) 为辅助谐振变换极逆变器，它利用辅助开关器件上加缓冲电路，抑制二极管反向恢复电 流，其缓冲电路用二极管和稳压管相串联，利用该电路可抑制二极管关断时的过电压。 lj l土 隐 r-j ，_ 1i i t 叫 0 ( b ) i o 0 的条件下进行的， 当i 。 0 时可以得到相似的分析，这时的相平面图如图2 4 ( b ) 所示，表现为与图2 4 ( a ) 横轴对称的波形。 1 9 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 2 3 零电压开关操作的限制 从状态平面图2 4 ( a ) 可看到，只有当电感电流f 工振荡的幅度叫z ，大于负载电流厶 时，零电压操作才是可能的。即只有当吲z ，大于，。时f 工才会有从负到正及或者从正到 负的变化过程，从而才会有开关次序功。一啊- v d 2 - 。 图2 5 1 0 。= l o 。螂= 1 时状态平面图 f i g 2 5 s t a t ed i a g r a mo f1 0 n = l o 眦= i 图2 5 为j 。= l o 舢瞧= 1 时的状态平面图，由图可以看出进一步增加。会引起二极管 v d ，导通的失败，那么啊也就不能在零电压下导通。当负载电流j 。 0 时，我们可以得 到应有一u 4 z ， i o ，这样可以得到负载电流的变化范围： 一罢小1z罢z 一 ， v r 在考虑电容c l 、c 2 的影响时，通过模式1 的理论分析可得厶孤( 毒一去) ，通过 模式6 的理论分析可得厶矾( 乏一百1 ) ，因此在考虑到电容c 1 、c 2 影响的条件下，为 保证啊、在零电压下自然导通，负载电流厶应满足条件： 孤( 去一毒) 厶 协( 去一去) c 2 2 2 ， 这样，在给定曲、z o 和z ，的条件下，可求出满足电容g 的最大值，即 西华大学硕士学位论文 g c 3 + q 一手 三 ( 2 2 3 ) u s 需要说明的是在以上所有讨论都是在假定谐振电路无损耗的情况下得出的，如果考 虑电感存在着不可忽略的损耗，则负载电流厶的变化范围应小于式( 2 2 2 ) 所给出的范 围，缓冲电容c 。的最大值也应小于式( 2 2 3 ) 所规定的数值。在满足以上条件下缓冲电 容c 1 、c 2 才能保证啊、嘎自然导通，在( 或喝) 关断时刻，电感应具有足够 大的能量，使c 1 、c 2 上的电压“c l 、u 岛从硒迅速降为零，从而保证v d l ( 或f d 2 ) 能导 通。 z ，是，c 3 ，c 4 三个元件构成的谐振阻抗，u , z c 是，c 3 ，c 4 谐振时的谐振电 流量最大值；而z c 是，c l ，c 2 三个元件构成的谐振阻抗，v , z 。是，c l ，c ：谐振 时的谐振电流最大值。因此这两个谐振电流之差决定了谐振极带负载的能力，其对直流 输入电压变化的适应性很差，而整个系统的循环能量的最小值是由v s z 决定的。 2 4a d r pi 硬件电路参数的设计 a d r p i 硬件电路参数的设计，主要包括选择谐振电路电感和电容g 、c 4 的数值 和缓冲电容c 1 、g 的数值计算及选型。 为了尽可能减小通过开关管的峰值电流，从而减小开关管的通态损耗，特性阻抗z ， 应选择得尽可能大；另一方面，为了减小关断损耗，增加输出电流范围，z 应选择的尽 可能小。因此，对于谐振电路及缓冲电路元件的选择应兼顾半导体开关器件损耗( 通态 损耗+ 关断损耗) 及开关器件允许通过的最大电流。 通过前面对a d r p i 拓扑结构的工作原理、工作模式的分析可得到各个模式对应的 电压和时间表如表2 1 所示。 表2 1 各个模式对应的电压和时间 t a b 2 1 v o l t a g ea n dt i m et a m eo f e a c hm o d e 模式 m 1m 2 m 3m m 5 m 6 m ， m 8m 9m 1 0 u c 4 0o0 u s ( 1 一c o s ( o f t ) u su s u s u s c o s ( o f t 0 时间 t m l2t 肘3 鲁三( c 3 + c 4 ， 0 5t # z 6t m l 詈( c 3 + c 4 ， t l o j 0 一 竺! 鏊茎茎垫查垄望銮登主塑窒旦堕窒 一一一 假设表2 1 中所示总时间即一个谐振极的开关周期为z ，可得到谐振极的输出电压 u c “a = 去r “a 出 ( 2 2 4 ) 根据表2 1 中各个模式的时间数值可得 c 吒= 丢 j ：“洳( 1 一c o s q r ) 出+ r 。蜥9 矾( c o sq r ) 出+ ( t m s + t m 6 + i m 7 ) 矾 ( 2 2 5 ) n 5 5 t 。= 。+ o ，= 詈0 页丽，可得 瓦= 扑小一2 l t ( c , + c 4 , u s 亿2 6 ， 又因为 t m s + t m 6 + t 72c t j i ，l t m 2 一t 3 一t m 4 一t m 8 一t m 9 一f ，1 0 所以上式可以变换为 = 专i - t u l - t m 2 - - t u 3 - t m o - 三肛丽j 孤( 2 2 7 ) 假设已经条件为：直流供电电压：u s - - 2 8 0 v ；占空比：0 i d 0 9 ；输出电流： 一2 0 a i o 2 0 a ；开关管关断时间：o = 0 5 p s ；开关频率：b = 2 0 k - z ；开关管饱和 压降：= 2 v ，定义占空比d = 琵阮。 当占空比d = o 1 时，表2 1 中的s ，。6 等于零，。，2 、l ( c 5 一+ c 4 ) 代入方程可 得： = 砉 厕峰丽 矾 由q = 1 一可知 ( c 3 + c 。) 吒= 毒b + 三2q c o , j = 丢警c 孤 坠：o 4 墨 u s ，j 西华大学硕士学位论文 当最小占空比d ：u ，c 4 ：o 1 时，即o 4 f ，i f r ：o 1 时，c ：4 e u s 。 则当c = 2 0 k h z 时，c = 4 c = 8 0 k h z 自于c 。司雨1 雨5 司1 霹，z ，= 氏= 后 因此可以满足c = 8 0 k h z 的z r 有很多种结果，t 的峰值将随着z r 的不同而发生变 化，因此桥臂开关器件的通态损耗也将不同。由状态平面图可知，电感电流t 的谐振峰 值为： 耻厶+ 等却矾降却弧厍 ( 2 2 9 ) 开关的通态损耗，按最大占空比d = 0 9 ，且开关通过最大谐振峰值电流计算，可 得： 。 p c l = v c t d 卜弧周 在求开关器件的关断损耗之前，首先假定在功率开关管关断过程中，流经开关管的 电流是线性减小的，且谐振电感电流t = l 近似为一恒流源，则可近似认为： l o = i l ( 1 一) ，0 f 2 出 o 矿o o 解上式可得： 5 两1 ( l o ) 2 b ( 2 3 4 ) 、 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 将c c = ( 瓜一去厄) 2 矾= 却盼 代入上式，可得关断损耗： 畦慝卜 亿蚴 = 皂白陋北一讣知矾2 陋+ 1 ( 芸一， 2 ( 2 舶， 又知圭= 赤居号2 等等，代入上式得 = 罟k 。u s l o 纠u s 拇州睁 2 亿3 7 ， 协劳+ 1 - 等，代入上式得 州卜1 ) ( 刍) ( 2 3 8 ) 式中， = 等伍。地。 巳= + 如= ；q ( x - 1 ) ( 刍 + 如工 ( 2 4 0 ) 2 4 西华大学硕士学位论文 5 0 0 盆4 0 0 、 博3 0 0 挪七 鬟2 0 0 1 0 0 图2 6 为天聊预耗民、升遗损耗吃和总损耗忍随x 焚化的曲线。由此曲线司知， 当x 的值在2 6 左右时，总损耗岛的值最小。 把上式中忍对x 求导数： 缸嫱m ) ( 刍怯一由肛虹南一寄卜 = 由帆+ 五b 3 6 ( + 如b 2 + 4 “+ 3 如h 一8 如】 令等= 。可知，工= 2 7 6 时局得到最小值。 - 2 0 a l 2 。么时，得到 “ z ，：竺： 兰! q ：7 9 5 q ，2 o ( x - 1 ) 2 2 0 ( 2 7 6 - 1 ) 2 l ：互：丝1 6 朋 m8 4 。 c ，= 考= 筹地2 5 胪 e = c 去一鲁，2 = ( 去一朵) 2 2 7 2 o 0 4 7 根据以上计算，选择元件参数如下： l = 1 6 n - a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 g = c 4 = 0 2 胪 通过分析了解到a d r p i 开关次序给所有开关器件提供了最优越的开关环境。在 啊、呸的导通过程中，可以通过带有零电压检测的基极驱动电路检测横跨在开关管两 端的电压，以保证当二极管v d l 或助，停止或导通后，啊或嘎的迅速自然导通。这样， 基本上消除了开关管的导通损耗。这个过程中，开关管的零电压检测是整个控制的关键 部分，因此零电压检测成为一个重要的应用问题。 2 5 本章小结 本章以a d r p i 软开关逆变器为主要研究对象，对主电路的拓扑结构的工作原理，各 个阶段的工作模式以及相平面分析进行了深入研究，并讨论了该拓扑结构的零电压限 制，结合理论分析得出了开关损耗最小时硬件电路的参数值。 西华大学硕士学位论文 3 零电压检测电路设计 3 1 引言 通过a d r p i 逆变器电路结构工作原理的分析，零电压检测与保护电路设计的合理 与否，直接关系到a d r p i 主电路开关管工作过程中在零电压情况下的迅速导通或关断， 目前采用的零电压检测电路如图3 1 所示。 + u s c 图3 1 普通的零电压检测电路 f i g 3 1 c o m m o nz e r o - v o l t a g ed e t e c t i o nc i r c u i t 这种零电压检测电路在可靠性和安全性方面有着明显的不足。检测电路和主电路直 接相连，主电路中的强电部分，很可能会击穿二极管、开关管；比较器前电压信号直接 用一个二极管转化为单极性信号，效果也非常差；开关管v t 下端是一个浮动地，这个 地直接影响比较结果。 3 2 零电压检测电路设计 本文设计的零电压检测电路其框图如图3 2 所示。在图中，选择一个合适的传感器 进行电压检测，将开关管两端的电压准确的反映出来的同时，将主电路中的强电和控制 电路中的弱电隔离。传感器的输出信号经过放大、滤波后信号显得比较平整，在信号取 绝对值后与零电压或一个接近零的电压进行比较，就可以得到一系列方波，将方波和p w m 信号进行逻辑与即可得到控制开关管的信号。开关管在驱动信号作用下实现了在零电压 或接近零电压的情况下的导通或关断。 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 图3 2 改进的零电压检测框图 f i g 3 2 b l o c kd i a g r a mo ft h ei m p r o v e dz e r o - v o l t a g ed e t e c t i o n 3 2 1 传感器的选择 电压信号的检测一般可采用电阻分压、线性光耦、电压互感器、霍尔传感器等方法， 它们都有着自己的特点。 电阻分压法：使用简单，但其精度受外界环境( 主要是温度) 影响较大，且不能实现 隔离，该方法适用于低压系统。 电压互感器法：只能用于检测交流电压，适用于高压系统中。这种方法损耗小，与 主电路隔离，使用方便、灵活、便宜，但线性度较低，工作频带窄，且有一定滞后，多 用于高压大电流的场合。 线性光耦法：成本低，适合在小功率的变频器中应用。 霍尔电压传感器法：霍尔电流电压传感器模块是测量控制电流、电压的新一代工业 用电量传感器。霍尔电流电压传感器模块是一种先进的能隔离主电流回路与电子控制电 路的检测元件，综合了互感器和分流器的所有优点，克服了互感器和分流器的不足。同 一只检测元件既可以检测交流也可以检测直流甚至检测瞬态峰值。由于它具有精度高、 线性度好、频带宽、响应快、过载能力强和不损失被测电路能量等诸多优点而被广泛的 应用在各个领域中。 电力电子产品中，大电流进行精确的检测和控制是产品安全可靠运行的保证。对比 以上检查方法，在零电压检测电路中选择霍尔电压传感器进行电压测量。霍尔电压传感 器的检测原理：被测电流，流过导体产生的磁场，由通过霍尔元件输出信号控制的补偿 电流，。，流过次级线圈产生的磁场补偿，当原边与副边的磁场达到平衡时，其补偿电流 l 即可精确反映原边电流，值。霍尔电压传感器其模块原理如图3 3 所示。 西华大学硕士学位论文 i n 原边补偿i 也流 图3 3 霍尔电压传感器其模块原理图 f i g 3 3 m o d u l ed i a g r a mo fh a l lv o l t a g es e n s o r 霍尔电压传感器具有如下特点晗射： ( 1 ) 可测量任意波形的电压参量，如直流、交流和脉冲波形等，也可以对瞬态峰 值参数进行测量； ( 2 ) 精度高，一般的霍尔电压传感器模块在工作区域内的精度优于1 ，该精度适 合于任何波形的测量，而普通互感器精度一般为3 ，且只适合于5 0 h z 的正弦波形； ( 3 ) 线性度优于0 1 ； ( 4 ) 动态性能好，一般霍尔传感器模块的动态响应时间小于1 p s ，跟踪速度d i d t 高于5 0 a i t s ：霍尔电压传感器以其优异的动态性能为提高现代控制系统的性能提供了关 键的基础( 无感元件) ，一般普通互感器的动态响应时间为1 0 - 2 0 1 上s ，显然已不适应工业控 制系统发展的需要( 感性元件) 。 ( 5 ) 工作频带宽，可在0 1 0 0 k h z 频率范围内很好地工作； ( 6 ) 过载能力强，测量范围大； ( 7 ) 可靠性高，平均无故障工作时间大于5 0 0 0 0 小时； ( 8 ) 尺寸小，重量轻，易于安装且不会给系统带来任何损失。 在零电压检测电路中，传感器主要用于隔离主电路和控制电路，并检测开关管两端 的电压。在a d r p i 工作过程中，开关管的导通过程与带有零电压检测电路的驱动电路 有着密切的关系。在检测过程中，检测的电压与基准电压信号比较后，转换成为方波。 这样就可以通过逻辑电路来控制开关管的开通和关断。因此，开关管两端电压的检测成 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 为了整个零电压检测电路的关键。通过查阅相关资料和结合本检测电路的特点，本设计 选择了霍尔电压传感器c h v 一1 0 0 。 c h v 一1 0 0 一般有5 个接线端子，其中“+ h t 、“- - h t ”为原边端子，分别接被测 电压输入端的正极和负极。另外3 个端子为负边端子，“+ ”端接+ 1 5 v 电源，“一”端接 - - 1 5 v 电源，“m ”端为信号输出端。尺两端的电压与所检测的电压成正比。一般根据 用户所测电压的大小，须将被测电压串接一只电阻r 后再接到传感器原边端子，串接电 阻r 由式( 3 1 ) 决定： l ， 尺= 2 一r 。 ( 3 1 ) j 加 其中：r 为串联电阻；硌为被测电压；l 为额定输入电流( 一般额定电压下取 1 0 m a ) ；r 抽为传感器原边内阻。c h v 1 0 0 的接线图如图3 4 所示。 图3 4 电压传感器c h v 一1 0 0 的接线图， f i g 3 4w i r i n gd i a g r a mo fv o l t a g es e n s o rc h v - 10 0 + 1 5 v o 一1 5 v c h v 1 0 0 型电压传感器是原边电路与副边电路绝缘的传感器，可以测量直流、交流 和脉动电压或小电流。这种传感器可进行精确测量。用于电压测量时，传感器并联连接， 通过与c h v 1 0 0 原边电路串联的电阻r 。得到与测量电压成比例的电流。其性能参数如 表3 1 所示。 西华大学硕士学位论文 表3 1c h v 一1 0 0 的性能参数 t a b 3 1t h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fc h v - 10 0 范围测量 旺2 0 m a 测量电阻尺m ( 1 5 伏) 1 0 m a ：0 1 5 0 0 2 0 m a ：0 5 0 0 测量电流( 输出电流)输出额定值5 0 m a ，对应原边电流1 0 m _ a 匝数比1 0 0 0 0 ：2 0 0 0 精度( + 2 5 )烈的0 5 电源电压1 5 伏( 5 ) 绝缘电压在原边与副边电路之间：6 k v 5 0 h z m i n 失调电流i n = 0 时，最大值：o 3 m a 温漂( 2 5 一7 0 ) 典型值： 0 3 m a ，最大值：0 5 m a 线性度优于0 1 反应时间2 0 - 一1 0 0 螂 工作温度 o 一7 0 贮存温度 一4 0 一8 5 耗电1 0 m a + i m ( 测量电流) 内阻阻值( 7 0 c ) 原边内阻：1 9 0 0 0 副边内阻：6 0 0 结构 模铸在绝缘塑料壳内 重量 3 6 0 9 安装带两个f6 螺钉孔槽的基板，孔槽轴距1 2 2 m m 信号指示当正向电压加在原边电路+ 端时，m 端得到正向测量电 流。 从以上参数可以看出c h v 1 0 0 型电压传感器满足需求，非常适合用于开关管两侧 的电压检测。 3 2 2 放大电路设计 传感器的输出信号为m y 级信号，对经过传感器变换后得到的模拟信号，应经过放 大处理后才能输入到后继电路。单个普通运放组成前置放大器往往在抗共摸干扰能力、 增益精度、时间和温度稳定性等指标方面不能满足要求，因此选择测量放大电路对传感 器输出信号进行放大。 3 1 、 a d r p i 软开关技术在逆变器中的应用研究 测量放大器是一种具有较高共模抑制比，适用于弱信号检测的专用运算放大器。通 用的运算放大器对单纯的微弱信号可以进行信号放大，并具有一定的抗干扰能力。但对 于通常处于恶劣环境下的传感器，不仅输出信号微弱，输出端还常常受到较大噪声的干 扰，而且这种噪音通常以共模噪声的形式出现。因此在这种情况下，一般由一组运算放 大器构成的测量放大器来对传感器信号进行放大，传感器的输出信号直接接到测量放大 器的输入端的正负端。测量放大器因其差动输入端直接和信号源相接，故有较高的抗共 模干扰能力，其放大倍数在1 1 0 0 0 之间，由外接电阻进行增益调节。 测量放大器主要具有信号放大、输入缓冲、共模抑制三种功能，它提供高增益，可 用外接电阻或软件编程进行调节，为信号源提供一个很高的输入阻抗。此外用于差动输 入时，具有很高的共模抑制比。测量放大器具有高输入阻抗、，低失调电压、低温度漂移 系数和稳定的放大倍数、低输出阻抗的特点。最常见的测量放大器是用三个运算放大器 组成的( 如图3 5 所示) 其中第一级是两个对称的同相放大器，它提高了输入阻抗和共 模抑制能力，将双端输入变为单端输入。为抑制较强的现场共模干扰信号，放大器采用 高精度低功耗的运算放大器芯片组成差动放大电路。 图3 5 差动放