（电力电子与电力传动专业论文）逆变器软开关技术的研究.pdf

逆变器软开关技术的研究 a b s t r a c t t h i sp a p e rr e s e a r c h e st w ot y p e so f s o f t s w i t c h i n gi n v e r t e r s - - - - q u a s i r e s o n a n t d cl i n k ( q r d c l )i n v e r t e ra n dz e r o - c u r r e n t t r a n s i t i o n ( z c t ) i n v e r t e r t h e p a p e rd i s c u s s e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r so ft h et w oc l a s st y p e so f s o f t s w i t c h i n g i n v e r t e r s b yd e t m la n a l y s i s a n d s i m u l a t i o n i n v e r t i n gs w i t c h e s o f q r d c l i n v e r t e ra a n o p e r a t e a tz e r o - v o l t a g e s w i t c h i n g ( z v s ) c o n d i t i o n sf r o m n o l o a d t of u l ll o a dc o n d i t i o n sw i t ha n yp u l s ew i d t h m o d u l m i o n ( p w m ) s t r a t e g y t h e s w i t c h e so fz c ti n v e r t e rc a nb et u r n e do na n dt u r n e do f fu n d e rz e r o c u r r e n t c o n d i t i o n sw i t ha n yp w m s t r a t e g y t h u sz c ti n v e r t e ri ss u i t a b l ef o rl a r g ec u r r e n t l o a da p p l i c a t i o n s t h ep a p e ra l s os t u d i e st h eo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r so f s i n g l e p h a s e u n i p o l a rd o u b l e f t e q u e n c ys i n u s o i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s p w m ) i n v e r t e r t h e p a p e rd e s i g n sa9 0 0 ws i n g l e - p h a s eu n i p o l a rd o u b l e f r e q u e n c ys p w mf u l l b r i d g e z c ti n v e r t e rp r o t o t y p ei nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h ep r o t o t y p ev e r i f y t h ep r i n c i p l e t h ec o m p a r i s o nb e t w e e n p r o t o t y p ep e r f o r m a n c eu n d e r z c tc o n d i t i o n s a n dt h a tu n d e rh a r d s w i t c h i n gc o n d i t i o n sp r o v e st h a tt h ez c t t e c h n i q u e c a nd e c r e a s e s w i t c h i n gl o s s e sa n di m p r o v et h ee f f i c i e n c ya n dp o w e rd e n s i t ya th i g hf r e q u e n c y s w i t c h i n g t h e r e f o r e ，z c ti n v e r t e ri sv e r ys u i t a b l ef o rl a r g ec u r r e n tl o a dw i t hh i g h f r e q u e n c ys w i t c h i n ga p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ： s o f t - s w i t c h e di n v e r t e r , q u a s i r e s o n a n td cl i n k ， z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ，z e r o c t w r e n t t r a n s i t i o n ， u n i p o l a rd o u b l e f r e q u e n c ys p w m i n v e r t e r 承诺书 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的 研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出 贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人授权南京航空航天大学可以有权保留送交论文的复印件，允许论文被 查阅和借阅，可以将学位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、缩印或其他复制手段保存论文。 作者签名：= 蜜：垄一鱼笺 日期：鲨签：12 、 南京航空航天大学硕十论文 注释表 磁感应强度 最高工作磁感应强度 饱和磁感应强度 气隙磁感应强度 离散脉冲调制( d i s c r e t ep u l s em o d u l a t i o n ) 电磁干扰( e l e c t r o n m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ) 载波频率 参考波频率 绝缘门极双极性型晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 集电极额定电流( d c c o l l e c t o rc u r r e n t ) 集电极最大脉冲电流( r e p e t i t i v ep e a k c o l l e c t o rc u r r e m ) 铁心窗口利用系数 脉宽调f i l l ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 铁心窗口面积 正弦脉宽调带l j ( s i n u s e i d a lp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 导线截面积 铁心有效截面积 总畸变率( t e t a lh a r m o n i cd i s t o r t i e n ) 集射极额定电压( c o l l e c m r e m i t t e rv o l t a g e ) 集射极饱和电压( c o l l e c t o r e m i t t e rs a t u r a t i o nv o l t a g e ) 滞环调制 铁心气隙 真空中磁导率 铁心材料磁导率 ，电导率 i x ；| 一 一 t 一 一 一一 一 一正 仉 一 一 卜 m 一 一 一一一一一一一卜 南京皖空航天大学硕士学位论文 第一章绪论 随着工农业的发展，我国的工业化、现代化进程不断深入，许多行、i p ，如： 电力、冶金、石油、化工、采矿、煤炭、造纸等都应用到大功率逆变器。由于 大功率剧电设备的容量不断增大，对电能质量的要求也越来越j 苛，因此对大功 率、高效、坏保逆变器的需求也f j 趋强烈l 【：o j 。在航空方面，随着计算机、电力 电子以及电机技术的发展和结合，逐渐出现了多电飞机、全电飞机。这类飞机 大量甚至全部使用机电作动机构，因而有大量的电子设备需要二次电源供电【4 1 。 所以大容量逆变电源的研究凸现其重要性，本课题针对大功率逆变器的软丌关 技术进行了研究。 1 1 大功率逆变器发展概况 为提高逆变器输出功率，输出电压的波形质量，减小逆变器体积、重量， 出现了许多好办法。如：逆变器并联、阶梯波含戍逆变器与多重化、相移s p w m f ! 【台逆变器、缴 洪型逆变器等，7 矗9 ，州。 f 0 i i n a 功率管电爪、i b 流利损耗波形b 功率管负载曲线 吲1 1功率管开关瞬时损耗波形 佃提r 新j 笙变器输出功率还是需要通过提高单台逆变器的功率密度、输出质 量。而提高逆变器的开关频率是吟钆三好的解决途径，但提高逆变器的i ：关频 逆变器软开关技术的研究 率义带柬了一些新的问题，其中主要的有增加了丌关管应力、电磁干扰( e m i ) 增加了j | ：关损耗，降低了逆变器的可靠性。功率开关管丌关瞬时的损耗示意图 参见图1 1 。 为减小开关损耗，提高功率管的可靠性有人提出了采用缓冲电路。但缓冲 电路只是将开关损耗转移到了缓冲电路，电源系统的效率仍未有改善。 在缓冲电路的基础上，上世纪7 0 年代有学者提出了软开关技术，试图通过 软开关技术，实现开关器件的零电压或零电流开关转换。从而解决高频开关状 态f 的开关损耗、开关应力和电磁干扰的问题，同时保证变换器的效率，并成 功地应用在了直直变换器上。到8 0 年中后期出现了软开关逆变器概念，将软开 关技术应用在逆变器上，来根本解决提高开关频率所带来的问题。几十年来， 软丌关逆变器一直是电力电子学界研究的热点，下面简述软开关逆变器的发展 概况。 1 2 软开关逆变器发展概况 从一：十鲢纪七、八十年代起，有学者开始提出软开关逆变器的概念来解决 逆变器j 1 ：关频率提高带来开关损耗、开关应力和电磁干扰( e m i ) 的问题。但软 r 关逆变器又带来了许多问题，如控制复杂，开关管应力大，辅助谐振回路的 损耗反而使逆变器效率下降。十多年来针对这些问题，各国学者在简化谐振网 络、减小应力、应用p w m 控制等方面做了大量工作，提出了许多拓扑，各有千 秋1 7 ”。2j 。下面对典型的软开关逆变器做一个简单的分类和描述。 自1 9 8 6 年美国威斯康星大学的d fm d i v a n 提出谐振直流环节型( r e s o n a n t d ci , i o k ) 逆变器和极谐振型( r e s o n a n t p o l e ) 逆变器后，近年来研究的比较集中 的软开关逆变器从谐振网络的位置上主要可分为谐振苴流环节型逆变器和极谐 振型逆变器，以及其它一些类型逆变器【1 3 1 4 j 。从谐振网络的结构上又可分为并联 型和串联型i “。 1 2 1 谐振直流环节型逆变器 谐振直流环节型逆变器- ( r e s o n a n td c l i n ki n v e r t e r ) e 1 6 1 ，出于其结构简单，控 制较简单，十多年来一直受到关注，在其基础上衍生了许多拓扑。并联谐振直 流环节变换器( p r d c l c ) 拓扑见图1 2 中a 图，b 图是其等效电路，c 图为帽 南京航空航天大学硕士学位论文 关的直流电压和输出电压波形示意图。、由图可见谐振网络将直流输入电压离散 化，成为一个个高频脉冲，为主功率管创造零电压开关( z e r o v o l t a g e s w i t c h i n g ) 条件。控制上也要采用离散脉冲调制( d p m ) ，如电压调制( a m ) 。 这种软开关工作方式中，谐振电感电流的预充非常关键，预充小了，直流 电压无法回零，无法实现软开关；预充大了，会加大电压应力。故需要通过对 控制策略调整，保证每个开关周期开始时，电路的初始状态基本相同，般通 过调整电容c o 电流来实现。 懒渤 图1 ，3 无源和有源箝位直流环节逆变器 3 逆变器软开关技术的研究 图1 3 中a 图为无源箝位直流环节( p a s s i v e l yc l a m p e d d c l i n k ) 逆变器可将直 流电压峰值筘位，且不超过2 v s 。有源籀位直流环节型逆变器，见图1 3 中b 图， 筘位效果更好，电压峰值不超过足v s ( k = i 2 1 4 ) ，控制仍为d p m ，但增加 了箝位电容预充的问题，及箝位电源损耗的问题【l ”。 b 直流环节准( 伪) 谐振 采用耦合电感箝位直流电压的逆变器，但其负载范围不大，且有最小脉冲 的要求，很难应用p w m 控制 1 8 1 。而图1 4 中所示准并联谐振直流环节软开关 p w m 逆变器，谐振网络采用了两个辅助开关管、一个耦合电感、两个谐振电感 和个谐振电容。该拓扑能应用p w m 控制，辅助开关管的控制电路简单。谐振 电感移出了主功率回路，减小了损耗。同时将逆变开关管的电压应力箝位在输 入电压值。但该方案电路复杂，采用了两个辅助开关管，一个还位于主功率回 路【1 9 j 。 图1 4 准并联谐振直流环节软开关p w m 逆变器 氛l 朔| i ；￥ l 暮” 口 盯 。ii 蜥 筮 _一! d = ：=1 i 一 ：三扣一隰j 警翻 图15 准谐振直流环节p w m 逆变器 南京航空航天大学硕士学位论文 图i5 中a 图所示准谐振直流环节p w m 逆变器使用了一个辅助开关管，b 图为其喈振网络相应电压电流波形1 。该拓扑可采用任何p w m 方法控制，可在 全负载范围内实现软开关，逆变开关的电压应力被箝位在1 0 1 1 1 倍输入电压。 l i 比l ：犬很多，以保证偕振期间直流环节电流基本不变，c i 为主谐振电容，c 2 为使谐振电流反向的辅助电容。由于谐振电流比负载电流小很多，谐振网络损 耗小。 1 2 2 极谐振型逆变器 削1 6 饭营振，诅逆变器 图l6 为极谐振型逆变器( r p i ) ，又称准谐振零电压见：关( z v s ) 逆变器邮1 。 c l - - c 。为谐振电容、l l l 3 为滤波和谐振电感、c l i c 3 3 为滤波电容。逆变) t 关管丌关转换时，谐振网络谐振，为逆变开关管提供z v s 条件。谐振网络对直 流输入侧没有影响：每相独立谐振，互不干扰。开关管的电压应力被筘位在输 入电压，电流环调制应用于r p i 可得到准谐振电流模式逆变器( q r c m i ) 。 但这种拓扑的主要缺点是开关管的电流应力大，为实现开关管的z v s ，电 感电流要给谐振电容充放电，使电感电流很大，且在轻载时，电感电流过小， 小能实现z v s 。针对这些缺点，出现了许多改进拓扑： a 辅助檄谐振转换逆变器 图1 7 为辅助极谐振转换逆变器a r c p i 【2 1 2 2 j 。其主开关管s i 、s 2 工作在z v s 状态，辅助丌关管s 3 、s 4 ：作在z c s ( z e r o - c u r r e n t s w i t c h i n g ) 状态。谐振e 乜感 l ，不在主功率回路上，s 3 、s a 与l o 串联，控制谐振方向。在控制上傈汪，轻载 时辅助丁j 关管工作，满载时不工作，减少了导通损耗。辅助网络与功率传递无 关，故辅助丌关管功率定额比主开关管小很多。但反并二极管在谐振电感放电 时，需承受负载和谐振电流。转换过程中，电流零点检测对辅助门：关非常笑键。 罄。殳 f 毛爨；，一辇 蕊 罂 逆变器软开关技术的研究 图1 7 辅助极谐振转换逆变器 而电容耦合逆变器( c c i ：c a p a c i t i v ec o u p l e di n v e r t e r ) ，又称准谐振z c s ( z e r o c u r r e n t s w i t c h i n g ) 逆变器【2 3 j ，与准谐振z v s 逆变拓扑i 对偶，这里不再 详述。 b 软转换p w m 逆变器 为狱得技术已经很成熟的硬开关p w m 变换器的良好特性，美国弗吉尼亚电 力电子中心( v p e c ) 的专家对软转换( s o f t t r a n s i t i o n ) p w m 变换器做了很多有 益的研究【2 “。软转换p w m 逆变器的辅助谐振网络只在逆变开关管转换时工作， 为逆变j i + 关管提供软丌关条件，下面分别介绍零电压转换z v t ( z e r o v o l t a g e t i a n s i t i o n ) 和零电流转换z c t ( z e r o c u r r e m t r a n s i t i o n ) 逆变器。 幽1 8 为只采用一个辅助丌关管s ，的z v t 逆变器f 2 5 i 。在传统的p w m 拓扑 中加入了一个小功率级的二极管桥作为辅助转换电路。s ，在主开关管转换时：1 作，二极管d f b 将电感中多余的能量回馈直流源，所有二极管工作在z c s ，主丌 关管工作在z v s ，开关损耗小。m o s f i t 和i g b t 都适用该电路，因为其输出 电容可用于谐振网络。但该拓扑比传统p w m 逆变器需要更多的开关动作，丌芡 时间是应用p w m 的另一问题。 6 s ls 3s s_ 唔1 v s l 甑 b 图18z v q l 逆变器 1 11l i ! ：彳kl ii f i 如；卜币1 “i i if 州： i 。i ii ； lin 。一 南京航空航天大学硕士学位论文 在前面的基础上，出现了单开关单祸合电感( s 3 l ) z v t 拓扑，采用耦合电 感来减小辅助开关的电流。主开关管零电压开通，辅助开关管零电流关断【2 ”。 为减少谐振元件，三相逆变桥可共用一个谐振网络，但为防止三相问的相互干 扰，需要外加了一个由晶闸管组成的三相相锁( p l ) 电路，选通转换桥臂【2 7 1 。 这系列拓扑具有良好的输出特性，适用于大功率、大电压场合。但电路复杂， 控制较困难【2 8 j 。 + v s s ， i o l o 珞 k 岫 ， 弋：矿p i1i；i i 旷矿轴l f l 一i l ：“、呵节一1 飞l il 以一 i 怍= 廷吐 i l 一! 旷一。i 图1 9z c t 逆变器 在m e m u r r a y 逆变器的基础上改进得到的z c t - p w m 逆变器，如图1 9 所示， 由一个传统p w m 逆变器和由串联l 0 、c 。谐振元件的辅助桥组成1 2 9 1 。该拓扑减 小了逆变开关管和所有二极管的电压、电流定额。逆变开关管是零电流转换， 故可选择拖尾时间长的开关管，如i g b t 、g t o 、s c r 。但逆变桥的二极管和辅 助开关管并不是软关断，关断时承受的是负载电流，因此关断损耗仍是一个严 重的问题。 图1 1 0z c z v t 逆变器 在z c t 和z v t 逆变器的基础上又出现了z c z v t 拓扑，见图1 1 0 f 3 0 j 。该拓 扑实现了开关管的z c t 和z v t ，使开关管的选择有了很大的自由，在全负载范 围内所有功率器件都可实现软开关。转换电路在主电路之外，辅助开关管电压 7 逆变器软开关技术的研究 应力小，主二极管反向恢复损耗小。但该拓扑明显的缺点是电路复杂、元件多， 控制也复杂。 1 2 3 其它类型谐振逆变器 除了前述两大类的软开关逆变器外，还有负载谐振型( l o a dr e s o n a n t ) 逆 变器、谐振交流环节型( r e s o n a n t a cl i n k ) 逆变器和无源缓冲型( p a s s i v es u b b e r ) 逆变器等有意义的拓扑得到了研究人员的关注。 a 负载谐振型逆变器 负载侧谐振型逆变器出现得比较早，在逆变输出侧加串联、并联或混联谐 振网络。在整个开关周期内都谐振，不能应用p w m 控制。由于谐振回路连接在 主功率回路中，变换器中每个元件都承受了很大的电压、电流定额。这种负载 谐振方式更适合于恒定负载，应用范围窄强j 。 5 谐振交流环型逆交器 铂b - p_订譬 h 11 ：1 1 11 1 h | b + 淄 崩k ：阳 i 硼 图1 1 1 谐振交流环型逆变器 一氏勺勺勺勺埘 7 净专v o 黧b l o r l o 掣弭呼酽士 f 州- 。螂i u 睁k 融厂。v ； 图1 1 2 谐振交流环型逆变器谐振电压、电流波形 逆交器输入经过谐振网络，在逆变桥输入侧产生一个交变的电压或电流波 形，在这个交变波形过零处，逆变开关管转换，以实现软开关。交变波形每个 8 南京航空航天大学硕十学位论文 周期穿越零点两次，开关仅能在零点瞬时转换，实现软丌关。故控制基本模式 为离散脉冲调制d p m ，输出脉冲个数由谐振频率、输出基波分量的幅值和频率 决定 3 1 , 3 4 1 。 图1 1 1 为典型拓扑，图1 1 2 为相应的电压、电流谐振波形。图1 1 l 中左图 为串联谐振型，电流谐振，可实现z c s ：图1 1 1 右图为并联谐振型，电压谐振， 可实现z v s 。但需要检测谐振波形的过零点，同步转换，控制比较复杂。 c 再生无源软开关缓冲 图1 1 3 为在r c d 缓冲电路的基础上改进一种再生无源软开关缓冲逆变器拓 扑。每相桥臂都配备了一个无源软开关缓冲电路( p s s s ) ，三相共用一个能量回 馈电路。p s s s 只采用了二极管和电容，能量回馈电路使用了一个变压器。辅助 网络没有开关管，故无须另外控制，可以采用任意p w m 策略，也减小了成本， 提高了可靠性p “。 图i 1 3 再生无源软开关缓冲逆变器 通过几十年来的共同努力，软开关逆变器出现了许多各有特色的拓扑。直 流环节谐振型逆变器结构较简单，由于谐振影响了直流环节的波形，因而一相 丌关管转换时，会影响其他相的输出。而极谐振型逆变器每相单独谐振，不影 响直流环节，各相不会干扰，但每相都要配备谐振网络，相应的控制，使拓扑 和控制复杂。其它一些类型的软丌关逆变器特点非常突出，但适用场合受限制。 1 3 课题研究内容和意义 本文在对软丌关逆变器的研究情况做了一定的研究后，选取了两个具有“一 定代表性的典型拓扑一一准谐振直流环节型逆变器和零电流转换逆变器进行了 9 逆变器软开关技术的研究 分析研究，并根据零电流转换逆变器制作了实验验证样机。 本文的工作分为以下几部分： 第一一章为绪论，介绍了软开关逆变器的发展与现状； 第二章对一种谐振直流环节型逆变器一一准谐振直流环节( q r d c l ) 逆变 器进行了分析、仿真研究； 第三章对一种极谐振型逆变器一一零电流转换( z c t ) 逆变器进行了分析、 仿真研究； 第四章先介绍单相单极倍频s p w m 全桥逆交器的工作原理，然后设计了一 台9 0 0 w 单极倍频s p w m 单相全桥z c t 逆变器实验样机。之后给出了样机的实 验验证结果，并与硬开关条件下的样机进行了比较。 第五章对全文工作进行了总结，指出了目前方案的不足和可以改进、提高 的工作方向。 本文对软开关逆变器做了一个较全面的分析，对各类软开关逆变器的优缺 点都做了总结。同时对两类典型的软开关逆变器方案做了一定深入的研究，并 根据z c t 方案，设计了样机，给出了实验结果和与硬开关条件下的比较结论。探 索了软开关逆变器的发展和应用方向。 1 0 南京航空航天大学硕= ： = 学位论文 第二章准谐振直流环节型逆变器分析 本章对准谐振直流环节型逆变器( q r d c l i ) 进行了原理分析和仿真，研究 了谐振网络在谐振参数和负载电流变化情况下的工作情况，并给出在不同控制 方式下逆变器工作的仿真结果，以及电路参数变化对谐振参数和箝位损耗的影 响进行了仿真研究。 2 1 电路拓扑与工作原理 该准谐振直流环节型逆变器主电路拓扑见图21 ，谐振网络包括两个电感( l i 和l 2 ) 、两个电容( c i 和c 2 ) 、四个二极管( v d l 、v d 2 、v d 3 和v d 4 ) 和一个 辅助开关管v s 。 该拓扑软开关工作的基本思想为，在逆变开关管( g e l 、v s 2 、v s 3 和v s 4 ) 转换前，开通辅助开关管v s 。，启动谐振网络将直流母线电压谐振到零，创造逆 变开关管零电压转换条件。逆变开关管转换完成后，关断辅助开关管v s 。，谐振 网络将能量回馈直流输入，直流母线电压上升，由于有箝位电源u 。( u 。 i o l 2 ，为分析方便，可做如下假设：初始时刻t o 时，电感l i 上流过电流为滤 波电感电流i 。，电感电流与电容电压的参考方向如图2 2 所示。图2 3 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 4 。 图2 2q r d c l 逆变器等效电路 a ) 模态1 ( t o 1 ) 等效电路见图2 , 4 a ，在t o 时刻开通辅助开关管v s 。，l t 和l 2 与c 】谐振t 到 t 1 时刻将直流母线e g - 压, 谐振到零。可知： 螂) = 彘( l 2 + l ic o s c o t t t 。尘l 1 l 2 生c i 。 为保证逆变开关管零电压丌关，辅助开关管v s 。应至少提前逆变开关管开关转 换( h - t o ) 时间导通，故应有1 一。= 7 r - a r c c o s ( l 2 l 1 ) ， 此时谐振电感l 2 电流为：i l 2 ( t 1 ) 5 三等苌 ，l _ 。+ 面s i n 叻一1 _ r 0 ) 卜 b ) 模态2 ( h t 2 ) 等效电路见图2 4 b ，t l 时刻直流母线电压谐振到零后，负载电流经二极管 v d i 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l 2 两端的电压为零，故有：i l ，( t 2 ) = f 岛( t 1 ) 。 1 2 南京航空航天大学硕士学位论文 c ) 模态3 ( t 2 t 3 1 等效电路见图2 4 c ，在t 2 时刻辅助开关管v s 。关断，l 2 上的电流经c 2 和 v d 3 续流。l t 与c 1 谐振，l 2 与c 2 谐振，宜流母线电压上升。到t 3 时刻，l 2 电 流为零，v d 3 自然截止。并在该模态中有： i t 2 ( t ) = i l ，( 2 ) c o n ( 0 2 t ，“c ，( f ) = 一，幻( t ) c 0 2l 2 s i n c 0 2 t ； u c , ( f ) = 叻上i 。【，l ( ，2 ) 一i o s i n c a 3 r 一。( 1 一c o s 0 3 t ) t i l l ( f ) = 1 0 ( 1 一c o s t ”3 ，) 十。厶0 2 ) c o s ( 0 3 r + = j 等一s i n ( c a 3 ，) ， 舯啦2 彘一，。坛。 在3 ：a r c c o s ( i t ( t 2 ) ) + 。2 时刻l 2 电流为零，此时电容c 2 上的电压为其最大 值。 d ) 模态4 ( t 3 t 4 ) 等效电路见图2 4 d ，在t 3 时刻之后v d 2 导通，l i 、l 2 、c 1 、c 2 谐振，直流 母线电压迅速上升，这段时间内： u q ( t ) - 等p + 矗咖圳一坐篆攀”c o s 圳+ 州= 等等”圳- c 1 u c i q ( t 3 扎) - u ：c 2 ( t 3 ) ( 1 - c o s 0 ) 4 1 ) + 哪3 ) ， 乜= 群( 1 - - c o s 0 ) 4 t ，+ 掣s n c 圳， 其中珊4 = 熊。e t 4 时刻( = u m + u c ，箝位二极管v 。】导通，直 流母线电压被筘位在( u ，。+ u 。) 。 e ) 模态5 ( t 4 一t 5 ) 等效电路见图2 4 e ，在t 4 时刻后，l 2 与c 2 继续谐振，籀位二极管将直流母 线电压箔位在( u 。+ u 。) 。到t 5 时刻电容c 2 电压为零，二极管v d 2 截止。k 上 的电流经辅助开关v s 。的反并二极管v 耽续流。并可知： j 如( 5 ) 2 ，e 2 ( 4 ) c o s ( ) 2 。( 5 7 4 ) + c 2 0 ) 2 ，q ( 4 ) u l m u c s i n a 2 ( t 5 一t 4 ) ， 逆变器软开关技术的研究 1 。u i 。+ u u g ( t 4 ) 瓦“。喀i 丽“4 。 f ) 模态6 ( t 5 t 6 ) 等效电路见图2 4 f ，到t 6 时刻，l 2 上的电流为零，自然v d 。截止，应有： 铲l ：器鹄。 g ) 模态7 ( t 6 t 7 ) 等效电路见图2 4 9 ，到t 7 时刻，v d t 自然截止，电感l l 上流过电流为滤波 电感电流i 。且有：r 7 = 厶屯( ，4 ) u c + t 4 。 此时电路回到初始状态。 1 4 “c 1 u 。 0 uc 2 0 - l l 1 。 vd j vd2 vd3 vd vd 睦卫圈i 二二! 互! 互二= 1 二互 图2 3 谐振元件波形 一 焉 南京航空航天大学硕士学位论文 a 模态l ( t o t 1 ) c 模态3 ( t 2 t 3 ) e 模态5 ( t 4 t 5 ) b 模态2 ( t 1 吨) d 模态4 t 4 ) f 模态6 ( t 6 ) g 模态7 ( t n ) 图2 4 各模态等效电路 从前面模态分析可见，该逆变器的谐振网络工作简单，可在逆变开关管转 换前，将直流输入环节的电压谐振到零，提供逆变开关管的零电压转换条件， 1 5 逆变器软开关技术的研究 且可以采用p w m 控制。直流环节的电压被箝位在u ，。+ u 。，故逆变开关管的电 压应力也被筘位在u 。+ u 。由于u 。 i o l 2 ，可知五= 2 t r 、l 2 c 1 。 表2 1 中保持厶c 不变，即直流母线电压下降的谐振周期不变，故直流母 线电压下降时间不变。与箝位电流相关的筘位电压u 。保持为1 0 、，因而箝位电 流变化也不大。 谐振电感l 2 大，可明显减小了谐振电流峰峰值，但实际电路中谐振电容c ， 包含逆变开关管的结电容，故c - 存在一最小值，l 2 也不能无限取大。 2 ) 谐振电容c 2 变化 表2 2 为不同谐振电容c 2 大小对谐振电流、筘位电流、电容c 2 电压峰值“n 、 直流母线电压上升时间t 。和下降时间t r a i l 的影响。 表2 , 2 谐振电容cj 对谐振参数的影响 c z ( n f )a i a ( a )i v q ( a )( v )k 。( n s )t m ( n s ) 1 o8 4 7 60 1 3 74 4 82 6 7 03 0 0 0 2 o8 1 0 3o 1 8 13 2 03 2 8 13 2 6 4 3 07 6 0 20 2 0 62 5 83 6 6 93 2 2 5 谐振电容c 2 变大，则谐振电流略有减小，箱位电流变大，电容c 2 电压峰值 减小，直流母线电压上升时间变大，直流母线电压下降时间变化不大。 厂了_ 由2 f 2 节知，i , - c 2 变大，影响了3 = 、揣，模态4 中的谐振 时间变长，使得直流母线电压上升时间变大。而直流母线电压下降过程的谐振 周期正：2 1 r 1 ：2 茚1 ，lr l 。2r c t ，与谐振电容c 2 无关，故c 2 变化，直流母线电 v厶lt l 2 压下降时间变化不大。 由模态3 和模态4 知，谐振电容c 2 变大，l 2 与c 2 的谐振过程变长，谐振电 感l 2 电流峰峰值和谐振电容c 2 电压峰值都减小，箝位电流变大，即箝位电源能 量消耗变大。 故谐振电容c 2 应要在兼顾谐振电感电流峰峰值和谐振电容电压峰值不能过 大的基础上，尽量取小，以减小筘位电流和直流母线电压上升时间。 逆变器软开关技术的研究 3 ) 箝位电压u 。变化 表2 3 为不同箝位电压对谐振电流、箝位电流、直流母线电压下降时间及箝 位电源能量消耗p c 的影响。 表2 3 箝位电压对谐擐参数的影响 u c ( v )& i g ( a )f m ( a )h ( n s ) p 。( w ) 3 01 0 1 1 61 7 9 5 2 9 0 05 3 9 5 o8 3 8 4 0 4 4 42 7 5 52 2 2 1 0 08 1 0 30 1 8 l 3 2 6 41 8 l 1 5 o7 9 3 1 0 1 0 93 5 8 41 6 5 从上表可见，提高箝位电压u 。， 得直流母线电压谐振到零时间变长； 变小，减小了箝位电源能量的消耗。 也即增大了直流母线电压的变化范围，使 同时箝位回路的导通时间减短，箝位电流 故箝位电压选在保证开关管耐压和谐振下降时间的前提下，可适当取大。 4 ) 辅助开关管开关频率变化 表2 4 为不同辅助开关管v s 。开关频率工变化对谐振电流、箝位电流、直流 母线电压下降时间的影响。 表2 4 辅助开关管开关频率对谐振参数的影响 z ( k i q z ) t ( a )畅( a ) t 叫( n s ) 8 08 2 6 10 2 5 63 2 1 0 5 08 1 0 3o 1 8 l3 2 6 4 2 58 0 5 30 0 8 73 2 3 4 减小辅助开关管开关频率只是减少了单位时间内的谐振次数，而对谐振本 身没有影响，故谐振电流和直流母线电压下降时间变化都不大。但谐振次数增 加使得箝位回路导通也增加，使得箝位电流变大，箝位电源能量的消耗也变大。 故若需要减小筘位电流可以适当降低辅助开关管开关频率。 2 3 1 2 不同负载电流对谐振影响 逆变器工作状态从能量传递的角度可分为：输出和回馈状态，在单极性控 制方式下还有续流状态，各工作状态的示意图见图2 5 。输出状态下，电流从直 流输入侧流向交流输出侧，逆变器向负载输出能量，见a 图；回馈状态下，电流 1 8 南京航空航天大学硕士学位论文 从交流输出侧流向直流输入侧，负载能量回馈逆变器，见b 图：续流状态下， 逆变桥臂的上管或下管导通，输入电流为零，输出电压为零，逆变器既无能量 输出，又无能量回馈，见c 图和d 图。 a 输出状态 c 续流状态1 d 续流状态2 图2 5 逆变器三种l 作状态示意图 对应逆变器的输出、回馈和续流状态，在直流母线一侧的负载就有输出、 输入和零三种状态。下面对其进行了仿真分析。 仿真条件：输入u m = 1 8 0 v 、筘位电压u 。= 1 0 v ，开关频率为工= 5 0 k h z ， 电感l i = 2 0 0 “h 、l 2 = 1 0 u h ，电容c 】= 6 n f 、c 2 = 2 n f ，辅助开关管的导通时间 为i v s = o 5 ps 。恒定负载下的谐振电感电流、电容电压仿真波形见图2 6 。其中 a 图、b 图和c 图分别为负载为4 a 恒流源、负载为零和- 4 a 恒流源时，谐振电感 电流、电容电压仿真波形。 由图2 6 知，谐振电感电流、电容电压与前面模态分析一致，可以顺利实现 直流环节的电压零点。即使恒流源负载变化，谐振仍能完成，且谐振的时间和 峰值，差别不大。故即使负载电流不同，直流环节的谐振仍能保证产生零点， 即谐振网络可以在全负载范围内工作。 1 9 逆变器软开关技术的研究 2 0 1 i l o r m 1 月0 c - i r s 熏巨三三三玉三三三三三三三| ? 量 a4 a 恒流源负载 f o t m i o b 负载为零 o r 口c t m mt f 鼎r _ _ _ _ _ _ _ _ 。：二_ _ _ 1 “c z 4 0 0 0 ，二1 1 i 二l 一j f s l 譬毒j i 可_ _ 羚- 二：善善善刊z ： “l _ 2 = = = = = 斗= + 。_ = = = 二。 2 。划j i ：仁二二二二二聿二立二二二二二三。一i v o s ：鞋匪霾薹薹耋蚕茎蚕耋嚣习u c i c ，4 a 恒流源负载 圈2 6 恒定负载下谐振电感电流、电容电压仿真波形 岛b埘q已 “m；“m“ d 、q 2 m jk 南京肮空航天大学硕七学位论文 表2 5 为不同负载电流下的谐振电流、箝位电流及直流母线电压下降时间。 表2 5 负载电流变化 i 。( a )a l l 2 ( a ) i v d ，( a ) t 日l ( n s ) 一4 08 1 1 0o 1 7 83 2 4 4 o o8 0 0 30 1 4 42 8 2 7 4 o8 1 0 3o 1 8 13 2 6 4 8 07 8 l oo 1 8 23 2 7 6 从该表可见，不同负载电流下，谐振电流、箝位电流及直流母线电压下降 时间变化不大。故负载电流大小对谐振影响不大。同样有谐振网络可以在全负 载范围内工作的结论。 2 3 2 带逆变负载条件 仿真针对一台1 8 0 v 直流输入，1 1 5 v 4 0 0 h z 3 0 0 w 输出单相全桥逆变器设 计了谐振参数，并进行了阻性负载的仿真。输出滤波器为垆0 8 m h ，c 一5 uf ， 筘位电压u 。= 1 0 v 。 2 3 2 1 不同p w m 控制方式仿真 逆变器有许多成熟的控制方式如滞环、s p w m 【3 ”。本文对采用双极性正弦 脉冲宽度调制( b i p o l a rs p w m ) 、单极性正弦脉冲宽度调制( u n i p o l a r s p w m ) 、 单极倍频正弦脉宽调制( b i p o l a rd o u b l ef r e q u e n c ys p w m ) 以及两态电流滞环调 制( t w o l e v e lc u r r e n th y s t e r e s i sc o n t r 0 1 ) 等不同的p w m 控制方式的单相全桥 逆变器进行了仿真比较。 图27 烈极性止弦脉宽调制下的q r d c l i 控制电路 2 逆变器软开关技术的研究 图2 7 为双极性正弦脉宽调制下，q r d c l i 的逆变开关管和辅助开关管仿真 控制电路图。其它控制方式下的控制电路类似。 下面分别给出了在前述各种控制方式下，准谐振直流环节逆变器的输出电 压、谐振电压、谐振电流和箝位电流的仿真波形，并分析了谐振时间，箝位能 量的不同。各种s p w m 控制方式的仿真条件为开关频率为f , = 2 0 k h z ，调制比 为m = 0 8 8 ，谐振参数为l i = 1 8 0 uh 、l 2 = 1 0 1 1h 、c 1 = 3 n f 、c 2 = 2 n f 。 r 1f 矾而百匝冗丽而五正丽了：i ：= 石1 t 订五百面而五而1 丽而百矿而了f 广i t 丁n 可丁丌s 1 出础黜拙心眦h 址m 灿拙盟h 黜攒出土出蹦s s z 雪垂垂垂垂垂籀a ! ”f 卜巾刊刊刊州甘卅_ h | 叶叶寸叶专阿什卜h 州州卅刊_ h 州吐z s 二j 巨三至罩霉三习车至薹三1 ? 怎 s 二i 圆皿圆圆茹呵嘞哑皿圃硼皿( ：f 曾 川m 聊l l = 粕k l ! t l ：l l l ：1 1 l ：! t 1 l ：l t ：1 1 1 ：1 l l ：川 s s 2 1 0 晶 f p 。l _ f l2 i q q “a 6 b 负载电流较大时谐振波形 南京航空航天人学硕士学位论文 s s2 i s 。 ! ； e 三三二三三三戛三三三互= 习咖】 。d6 l “一。一j 一_ j t 【q 2 娄 e 兰兰兰兰兰兰兰兰兰兰兰毒兰三兰 * 6 i【，一一!，-，_j e 。z r _ 一_ _ l _ _ 鼍一：。：1 “口6 c 负载电流较小时谐振波形 图2 8 双极性正弦脉宽调制仿真波形 图2 8 中为双极性正弦脉宽调制下的仿真波形，a 图为逆变输出和谐振仿真 波形，b 图和c 图为负载电流较大和较小的情况下，谐振仿真波形。 该控制方法简单，但其回馈能量过程多。回馈状态下(