（电力电子与电力传动专业论文）桥式逆变电路无源无损耗吸收技术研究.pdf

浙江大学博士学位论文 a b s t r a c t p a s s i v el o s s l e s ss n u b b e r t e c h n o l o g yp r e s e n t s o n eo ft h ed i r e c t i o n sf o rt h es o f t s w i t c h i n gp o w e rc o n v e r s i o n ，w h i c hp l a y sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ew i t ht h e i n c r e a s eo fc o n v e r s i o np o w e ra n d f r e q u e n c y i n c h a p t e r1 ，h i s t o r i e s a n ds t a t e o f - a r t sf o rs t u d i e si ns n u b b e rt y p e s o f t s w i t c h i n g t e c h n o l o g y a r eo v e r v i e w e d a l o n gw i t h c l a s s i f i c a t i o na n d c o m p a r i s o n ，w h e r et h e v a l u a t i o no f t h ew o r ko n p a s s i v e o n e si se m p h a s i z e d b o t hs i n g l et u r n - o n o f fa n du n i f i e dp a s s i v el o s s l e s ss n u b b e rc e l l sa r es y n t h e s i z e df o r s i n g l e e n dp o w e rc o n v e r t e ri nc h a p t e r2 t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o ni sc o n s t r u c t e di n p a s s i v el o s s l e s ss n u b b e rf o rv s i ( v o l t a g es o u r c ei n v e r t e r ) b r i d g el e g s ，w h i c hl o c a t e d t h e p o s s i b l et o p o l o g i c a lp o s i t i o n o fk e y c o m p o n e n t s a n db r a n c h e sw i t h i nt h e e x t r e m e l ys i m p l i f i e dm a i np a s s i v el o s s l e s ss n u b b e rc o n f i g u r a t i o nf r o mt h ep o i n to f v i e wo b t a i n e dh e r e ，a t t e n t i o ns h o u l db ef o c u s e do ns n u b b e re n e r g y r e c o v e r yo n c et h e b a s i cs n u b b e r t o p o l o g i e sa r es e t t l e d i nc h a p t e r3 ，ac h i n e s ep a t e n t e ds c h e m ef o rp a s s i v ei o s s l e s se n e r g yr e c o v e r yi nv s i b r i d g el e g s i su n d e r i n v e s t i g a t i o na n a l y s i s o n t o p o l o g i c a ln a t u r e ，o p e r a t i o n a l p r i n c i p l e ，c o m m u t a t i o np r o c e s sa n dp a r a m e t e rs e n s i t i v i t ya r eg i v e ni n d e t a i lw i t h e r i e c t i v e n e s sc o n f i r m a t i o no fm a t h e m a t i c a l e q u a t i o n s n u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t s a n d e x p e r i m e n t a lw a v e f o r m s w o r k sh a v e b e e nd o n ew i t ht h es a m e s i m p l i f i e d v s is n u b b e rc e l lf o r e n e r g y r e g e n e r a t i o ni nc h a p t e r4 i nt h i sc o n f i g u r a t i o n ，ac o u p l e di n d u c t a n c ec o m p o n e n ti s a d o p t e dt h a td e l i v e r st h es n u b b e re n e r g ys t o r e di n ar e l a t i v e l y l a r g ec a p a c i t o rv i a r e s o n a n tf o r w a r dc o n v e r s i o n p r i n c i p l e t h e c l o s e l yc o u p l e d t w i n w i n d i n g s i n s e c o n d a r ys i d ec l a m pt h ev o l t a g es t r e s s e su p o nt h ed i o d e si ns e r i e sw i t he a c h m u t u a l l ya t2t i m e sd c r a i ll e v e l c o n f i r m a t i o n sa r ea l s og i v e nf o rt h e t r y i n go f m a i n s w i t c ho v e r - v o l t a g es u p p r e s s i o na n dt r a n s f o r m e r r e l a t e dp r o b l e ms o l u t i o n s u m m a r i e sa r eg i v e ni nc h a p t e r5 ，a n dt h ec o n s e q u e n tr e s e a r c h a n t i c i p a t i o ni n c l u d e d t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni s s u p p o r t e db yt h e n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o no f c h i n a ( n n s f c ) k e y w o r d s ： s w i t c h i n gm o d e p o w e rc o n v e r s i o n ，s o f ts w i t c h i n gt e c h n o l o g y , p a s s i v el o s s l e s ss n u b b e r c i r c u i t ， r e s o n a n c e ，e n e r g yr e c o v e r y i i 浙江大学博士学位论文 第一童 第一章概论 本章对吸收式软开关电功率变换技术的发展历史和研究现状作概要性回顾 和阐述，在较系统地介绍本类技术特点和与其它软开关类型的比较之后，呈现出 本文研究的理论和实践意义。 1 软开关技术的基本背景和常识 电在现代生产和生活中的广泛利用对廉 价高效可靠的电能的变换提出了要求，作为相 对单一的电能供应形式( 工频交流电以及化学 电池，均为电压源类) 和多种多样的电源需求 ( 不同的电压电流幅值、频率、极性) 的中间 体，电力电子技术的研究对象是开关电功率变 换( s w i t c hm o d ee l e c t r i cp o w e rc o n v e r s i o n ) 的 理论、方法和手段。所谓开关功率变换，就是 通过储能元件( 电容、电感) 和工作在开关状 态的功率元件达到对电能在电源和负载 ( p o w e rs o u r c e & l o a d ) 之间流动的控制。从原 理而言，在仅仅通过开关连接方式而进行的电 源间能量传递方式中，电压源( v o l t a g es o u r c e ) 的并联、电流源( c u r r e n ts o u r c e ) 的串联是不允 许的( 在理论上会导致开关电流电压的无穷 大，在实际电路中则表现为功率开关的过流 过压损坏) ，电功率只能按“电压源电流 源电压源”、“电流源电压源电 流源”的单元或级联单元方式受控流动。无源 储能元件即发挥这样的作用：插入于变换器输 入和输出之间，通过功率开关从输入电源吸 纳、存储能量，向输出电源( 负载) 传递能量。 实际上，从电工基础理论的拓扑观点来看，它 们在开关网络状态切换瞬间模拟对偶电源，亦 即，以电感电流不能突变的性质等效电流源， 以电容电压不能突变的性质等效电压源，实现 功率传输。图11 是电源间以开关网络传递能 量的基本模式示意，可以看到，“电压源( 电 1 浙江大学博士学位论文 第一童 容) 有源功率开关功率二极管( 无源功率开关) 电流源( 电感) ” 这一组合是开关功率变换的最基本单元。 在理想化前提下，无源储能元件没有能量损耗，功率开关元件在零电压承载 电流和零电流承受电压这两种零损耗状态间瞬间切换，也不消耗能量，所以有实 现高效率电功率变换的可能，这是传统线性电源不可比拟的优点；从电、磁储能 的角度考虑，在同等功率级别下，开关频率越高，电感电容的阻抗导纳越高， 模拟电流源电压源所要求的电感i 电容值越低，或者，每开关周期时间越短，电 能传递越快，无源储能元件所需存储的能量越小，其体积、重量越小，这使得变 换器的高功率密度和快速响应成为可能，这给出了开关功率变换的高频化要求。 然而正是元器件理想特性的不可达成，导致系列问题。传统的脉宽调制 ( p w m ) 开关变换器，研究最早，理论完备，控制简单，功率回路简洁，目前 在工程实际应用中居主流地位，但其工作于硬开关( h a r ds w i t c h i n g ) 状态，作如下 简单分析： 参照图l1 ( b ) 、( c ) 两图，假定线路寄生参数和二极管特性均为理想情况，以 主功率开关阻断为初始态，电流源电流通过二极管短路维持，开通控制信号给 出，开关s 电流开始上升，由于开关管的非理想特性，其开通电流上升时间不可 能达到无穷小，在此期间s 和d 各导通部分电流，而二极管在正向载流时是不 承受反向电压的，这意味着s 同时承受电压源电压e 和部分电流，直至其电流 上升到，二极管才由导通转向阻断；同样，当关断信号给出，由于s 的电压上 升时间不为零，二极管d 在其两端电压降至零之前不导通，s 又必需同时承受电 流，和部分电压，直到端电压上升为e 。这使得开关电压、电流波形如图12 所 示，在开关状态切换期内，主开关上有高电压大电流重叠以及相应的能量耗散。 坫 ：f l ” ， 舻i ：s 控制信号： l1 ( a ) 开关管的电压和电流波形( b ) 开关管的开关轨迹 图1 2不考虑寄生参数的p w m 变换器功率开关过程示意 浙江大学博士学位论文 第一章 一 ：s 控制信号： 厂 ( a ) 开关管的电压和电流波形( b ) 开关管的开关轨迹( v il o c i ) 图1 3考虑寄生参数和二极管反向恢复的p w m 变换器功率开关过程示意 而考虑线路寄生参数伊a r a s i t i cp a r a m e t e r ) 以及二极管的非理想反向恢复( r e v e r s e r e c o v e r y ) 特性，开关情况就更加恶劣，如图13 所示。 可见，硬开关p w m 功率变换不仅由于上述开通、关断瞬间的电流、电压重 叠导致正比于开关频率、电压和电流水平的开关损耗而减低了变换效率，还因为 z v s 关断z c s 开通z v s 和z c s 关断z v s 和z c s 开通z c s 关断z v s 开通 ( a ) 各种不同类软开关电压、电流波形示意 ( b ) 软开关的电压电流轨迹示意 图1 4 软开关电压、电流示意图 3 浙江大学博士学位论文 第一章 高的d i d i 、d u d t 以及线路寄生参数、二极管反向恢复产生大的电磁干扰 ( 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 【) 及额外电气应力( e l e c t r i cs t r e s s ) 而削弱了电磁 兼容性( e l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t y ，e m c ) 5 j i i 作可靠性( r e l i a b i l i t y ) 。 为克服硬开关带来的不利，电力电子学界就应对措施进行了长期的研究，其 成果被统称为软开关技术( s o t ：【s w i t c h i n gt e c h n o l o g y ) 。所谓软开关技术有着很多 的分类和界定，但按照其作用对象开关元件的开关方式，可以作简单划分， 即零电压开关( z e r ov o l t a g es w i t c h i n g ) 并l ：l 零电流开关( z e r oc u r r e n ts w i t c h i n g ) ，具 体含义为：z v s 是在开关状态切换期间开关电压为零、z c s 是在开关状态切换 期间电流为零，其电压、电流波形及肼轨迹如图14 示意。 2 有源与无源吸收网络 2 1 简介： 吸收电路( s n u b b e r ) ，又名缓冲电路、开关辅助电路网络( s w i t c h i n ga i d c i r c u i t s n e t ) ，是最早被用来改善功率开关元件元件瞬态工况的手段，如继电器的 阻容( r e s i s t o r c a p a c i t o r ) 、电阻电容二极管( r e s i s t o r c a p a c i t o r - d i o d e ) 灭弧 电路，晶闸管的开通和关断吸收电路等。传统的吸收电路作用主要是抑制高的 d i d t 和d u d t ，确保器件工作在安全工作区( s a f eo p e r a t i o na r e a ，s o a ) ，以及在一 定程度上降低器件瞬态功耗，缓解e m i 情况。随着电力电子技术的发展，新的 开关拓扑( t o p 0 1 0 鳓理论，先进的检测手段、控制策略、驱动方式以及最新电、 磁元件得到广泛应用，使得无损耗( n o n d i s s i p a t i v e 、l o s s l e s s ) 或低损耗( l o wl o s s ) 无源( p a s s i v e ，或称被动式) 有源( a c t i v e ，或称主动式) 吸收技术受到越来越密切 的关注、研究和应用，其作用大大拓宽和深化，产生了从量变到质变的飞跃，作 为一类重要的软开关方式，成为高频大功率开关变换器的关键技术之一。 2 2 吸收电路的基本原理【1 】1 如前所述，现代电力电子装置因其开关工作方式而能够以较高效率进行能量 变换，同时也由于开关元件的非理想特性，在导通或关断瞬间电压电流不能突 变，而产生较高电压较大电流的短暂重叠( o v e r l a p ) ，这在开关变换器的普遍情 形，二极管续流感性负载( i n d u c t i v el o a d ) 情况时尤其严重，加之寄生参数等不可 避免的原因，更勿论快速工作下的功率二极管反向恢复特性影响，开关电压 电流轨迹很差，有可能超越s o a 范围。以3 3 0 0 v ，1 2 0 0 ai g b t ( i n s u l a t e dg a t e b i p o l a rt r a n s i s t o r ，绝缘门极双极型晶体管) 为例，按l p s 电流上升及下降时间和 l k h z 开关频率计，开关管峰值功率可达l v l w 数量级，开关损耗达数千瓦，这样 恶劣的工作状况是不能容忍的【2 】。功率开关器件的开关损耗( s w i t c h i n gl o s s ) 可分 为三种 3 ： 4 浙江大学博士学位论文第一章 1 开通( t u r n o n ) 损耗 2 关断( t u r n o n 5 损耗 3 寄生电容开通放电( p a r a s i t i cc a p a c j t o rt u r n - o nd i s c h a r g e ) 损耗 吸收电路的基本原理就是在主开关所在回路上以一容性支路与之并联，利用 电容两端电压不能突变特性在主管关断期间为其提供一条分流路径，避免它同时 承受高电压，在开关管电流下降期间维持其端电压在零附近，实现关断工况的软 化；与此相对偶，以一感性元件与主管串联，利用电感之中电流不能突变的特性 在开通期间为主管提供一个分压元件，缓升主管电流，避免同时承载大电流，在 ( a ) 关断吸收电路及波形( b ) 开通吸收电路及波形 图1 5吸收电路的基本结构和原理波形 浙江大学博士学位论文 第一章 管电压下降期间保持其负载电流在零附近，持实现开通工况的改善。图15 所示 为关断及开通吸收电路的基本结构和波形示意，为了避免储能元件的能量泄放回 路与主电路之间的不良相互作用，往往以个二极管将它们隔离，一般而言这个 二极管是与主开关相同电压耐量的快恢复类型，其瞬态特性对吸收电路工作影响 较大。 在分析吸收电路时普遍采用以下假设： 1 开关过程时间远远短于开关周期，其间负载电流可视为保持恒定，可以 电流源替代； 2 功率开关电流上升、下降时间为常数，与外部条件无关。 缓冲电感量和吸收电容值( l s 和c 。) 的选择取决于开关器件电压电流下降 速度、模式及对开关损耗的要求。除极少数有电压拖尾( v o l t a g et a i l ) 现象外 4 】， 一般器件开通电压变化以线性下降近似已很精确，缓冲电感量值、开通吸收强弱 及相应开通损耗的定性、定量估算均可采用与后述关断吸收电容相对偶的方法； 在工程实践中，视开通管电压突降至零的模型也相当普遍和有效，此时估算公式 为l ，= u d t v f l o ，其中为电源电压，。为最大负载电流，f 为主管电压下降时间。 缓冲电感在减轻开通功耗同时还有改善二极管反向恢复情况的重要作用，考虑到 这一点，实际取值往往大于估算值。开关器件的关断速度普遍慢于开通速度，关 断电流突降为零的模型在吸收电路定性分析中用到，在工程参数计算中较少采 用。m o s f e t ( m e t a l o x i d e - s e m i c o n d u c t o r f i d de f f e c tt r a n s i s t o r , 金属氧化物 半导体场效应管) 、b j t ( b i p o l a rj u n c t i o nt r a n s i s t o r ，双极型晶体管，也通称 g t r ，g i a n tt r a n s i s t o r ，电力晶体管) 关断电流变化模式近似线性下降，其间吸收 电容电流线性上升，两端电压则为其积分，呈抛物线形上升。按管端电压在管电 流下降为零之前、之后上升到电源电压，可将吸收电容分为弱型吸收和强型吸 收，二者的临界点称为中型吸收，其值为c s n = i o t i 2 u e ，其中“是电流下降时间。 中型吸收情况下主管关断损耗p 。f 7 = u a l o t j f f 1 2 ，其中厂是开关频率。强型吸收， 取k c = c s c s n ，主管关断损耗为p 研：只f j f ，2 k c 一，吸收电容充电至叻耗时 t = 位十1 ) t r f 2 。对于g t o ( g a t et u r n o f f t h y r i s t o r ，门极可关断晶闸管) 、i g b t 等因基区剩余少数载流子复合效应而存在明显关断尾部电流( c u r r e n tt a i l l 的器 件，不可以线性电流下降模型套用，而有相应较复杂的模型和计算方法，但定性 结论与电流线性下降器件是一致的，只是量值上归结为以更大c 。取值达到削减 开关器件关断损耗的目的 4 】，在此不作赘述。 从理论上讲，吸收电路不能影响器件开通时寄生电容自放电现象( 这种损耗 对大多数器件可以忽略，在此不作讨论) ，也不能完全消除器件开通和关断损耗， 但吸收电感、电容取值越大，主管开关损耗越小，开关轨迹越靠近坐标轴，越接 近理想的软开关情况，如图16 所示。吸收储能元件取值越大。存储能量越多， 6 浙江大学博士学位论文 第一章 而它们在下一个开关状态变换之前必须 “复位”( r e s e t ) ，即要求电感电容上的电 流电压回零，将存储在磁场或电场中的能 量释放，才可确保下一次开关的软化。传 统的耗能式吸收电路把这些正比于，、 工幽2 、g 驴的能量通过电阻泄放，主管开 关损耗的降低以上述额外吸收损耗的增 加为代价，存在很难调和的矛盾，为兼顾 主功率元件保护和总变换效率的维持，往 往将吸收参数选取为弱型( g t o 除外) ，可低至中型参数的四分之- 5 1 。如此 仅能够维持开关轨迹于s o a 之内而已，开关损耗、吸收附加损耗均仍相当可观， 不利于高频工作，不应将其归类为软开关技术。有源无源无损( 低损) 吸收技 术的基本思路和关键就在于处理吸收储能元件中的能量，将其回馈电源或和负 载( 能量回馈，e n e r g yr e c o v e r y r e g e n e r a t i o n ) ，从而消除( 削弱) 损耗问题， 可以大大增加吸收强度，使得开关工作轨迹贴近轴线，近似于在零电流下开通， 在零电压下关断，达到软开关目的。总的看来，吸收电感电容的取值在实际工程 应用中很大程度上受经验及厂家给定数据左右，尤其是吸收电容，在容值大到一 定程度后开关管的关断损耗便不再明显下降。应该看到，文献中提到的“吸收电 路”并不都是用于减轻开关电压电流重叠的，相当部分实际上是电压钳位 ( v o l t a g ec l a m p ) 电路，如逆变器直流母线电压过冲吸收电路，出于相似的工作机 理以及使用当中经常的密不可分性，论文工作在着力研究吸收电路同时，对钳位 电路不加排斥和严格区分。 不同的元件类型，在不同的工作条件下，对吸收电路的要求不同。在常用的 四种自关断器件中，g t o 由于关断时的电流约束效应和闪烁电压幅值抑制要 求，必须采用强的关断吸收，吸收回路安装要求( 主要指吸收电容支路分布电感 要求) 较高，其开通也需要吸收电感限制d i d hb j t 因为有二次击穿效应( s e c o n d b r e a k d o w n ) ，一般要求关断吸收保护。其它器件则没有特殊的吸收要求，一些器 件开关特性还会受吸收电路的不良影响，如i g b t 是因基区剩余少数载流子复合 ( m i n o r i t y c a r r i e r r e c o m b i n a t i o n ) 效应而存在明显关断尾部电流的器件，在强容性 吸收的低电压关断条件下，少子复合速度降低，电流拖尾时间延长，吸收效果不 如一般器件好，吸收强度增加对关断损耗的抑制作用削弱( 器件损耗仍是低于无 吸收、较弱吸收情况) 【6 】，一些学者因此有对i g b t 不采用关断吸收的意见【7 】： 至于功率m o s f e t ，由于其开关速度快，对吸收电路的要求低于电压过冲钳位。 无论如何，使用开通和关断吸收电路中的一种或两种，是有利于降低开关损耗， 有利于功率开关器件的足额、高频使用的。应当依具体装置、电路情况而定。 浙江大学博士学位论文 第一章 2 3 吸收电路的作用和评价标准 吸收电路的作用包括以下一项或多项 5 ： 降低开关损耗 降低变换器e m i 改善续流二极管反向恢复情况 降低续流二极管过压 提高变换效率 提供短路保护、过压抑制的可能手段 吸收电路性能评价的考虑因素【8 ： 附加元件数量( 成本) 附加损耗 额外检测与控制 所致主管附加稳态应力( 如电流、电压过冲等) 对主电路工作的不良影响 占空比限制要求，电路工作的速度和负载依赖性 2 4 吸收电路的分类1 按不同的分类方法，吸收电路可作如下划分： 按能耗：无损耗( 低损耗) 电路，耗能式电路； 按参数大小：强型、中型和弱型电路； 按具体作用：开通、关断和混合式； 按工作方式：无源式、有源式； 按电路极性：有极性( p o l a r i z e d ) 、无极性( u n p o l a r i z e d ) ； 按工作场合：单端变换器( s i n g l e e n d e dc o n v e r t e r ) p 吸收电路，桥臂( b r i d g e l e g ) 吸收电路； 按吸收元件：线。| 生( l i n e a r ) 电路，( n o n l i n e a r ) 非线性电路 3 吸收技术的主要类别和典型电路 基于上述分类，以下对各类吸收技术的发展、概况、特点和典型电路进行简 要介绍。 3 1 耗能式吸收电路 经过多年发展，耗能式( 即r - l c d ) 吸收技术的研究和应用已基本成熟， 其基本结构如图17 所示。因其固有局限性，本文不作重点阐述，仅就与后述内 浙江大学博士学位论文 第一章 容有关，具有代表意义的桥臂吸收电路 略加描述。 桥式电路可以视为两套斩波电路 ( c h o p p e r ) f 1 0 2 r 合，但是其中电源、开关 和负载之间特定的相互连接方式使得所 用吸收电路并不等同于二者的简单组 合，上下两套电路之间可产生改变基本 工作原理的相互作用( 主要是吸收及辅 ( a ) 关断吸收( b ) 开通吸收( c ) 混合吸收 图1 7基本耗能吸收单元 r c 助电容通过主管对管进行的冲放电) ，一些元件可以合并简化( 图18 是桥臂吸 收电路的简化示意【9 ) ，必须增加一些元件或改变原参数以适用于新的工作过 程，开关元件开通 时要承载对管关 断吸收电容的充 放电电流( 被称为 串通电流或跨越 电流“c r o s s c u r r e n t ”f 1 0 ) ， 开通吸收电感因 为兼备限制这一 过程所致附加电 流过冲的作用而 图1 8耗能式桥臂吸收电路的简化 不可缺省，取值较之于一般单端变换器情况为大。桥臂吸收电路的元件归并、结 构优化，使吸收附加元件数量最小化，拓扑相当简明，虽然仍有较大吸收损耗， 但己经可以比常规耗能式方案有较大幅度( 一半左右) 降低【5 】f 1 1 ，这是在大功 率场合应用上改进型桥臂耗能式吸收技术仍居统治地位的重要原因。 目前被广泛采用的几种桥臂耗能式吸收电路如图19 所示，较之于常规类 型，均能够以较少附 加元件和较低能耗实 现吸收，也各有不 足，其中( a ) 被称为三 角型电路，附加元件 数相对较多；( b ) 1 1 】 是m c m u r r a y 电路，要 求采用尽量靠近主开 关的无感功率电阻， 强銎 ( a ) 毒 j m f 1 圭l 1 1jl ij j i l ，那么副边二极管将承受k + 1 倍电 源电压) ，针对这一点的相应措施也同图给出，其代价是更加多的附加元件数； ( b ) 2 9 】实际上是用于桥式d c - d c 变换器的结构，可视为前面讲到过的两套单端 吸收电路 1 9 1 的组合，附加元件数同样很多，需要电压源中心抽头，而且，d c d c 变换用的桥式电路与逆变器用的桥式电路不同，可以认为桥式d c _ d c 的 一臂是由两套d c m 的单端变换器组合而成，而逆变桥臂是由两套c c m 的单端 变换器组成。这一电路在功率通道中以二极管隔离上下两管网络相互作用，通态 损耗增加，不符合大功率器件模块化的趋势( 如主开关与续流二极管做到起的 情况) ，且不适用于逆变器( 起不到开通缓冲的作用) ；( c ) 【2 4 】也是基于单端拓 扑相组合的思路，同样有功率回路插入二极管，附加网络庞大的毛病；d 【8 】是针 对i g b t 逆变器设计的开通吸收关断电压钳位电路。变压器在吸收电路中扮 演无源电压源的角色，同时因其非理想特性自感的非无穷大和漏感的非无穷 小，带来了钳位电压过冲和磁通复位副边二极管承受极高电压的问题，这个电路 对此给出了一般性的解决的方案。从上面的内容可以看到，桥臂无源无损吸收技 术难度很大，这一方向成为本领域的世界性难题，以往的研究成果都使用得不偿 失的复杂附加网络，缺乏工程可行性。( e ) 【3 0 】是有关桥式电路无源无损吸收结构 研究的较新水平，我们看到，它有效地利用了在单端变换器吸收技术中基础拓扑 理论研究的成果，充分地发挥了“基本无损吸收单元”这一概念附加元件最少化 优势，最大限度地归并元件，可以完全用l _ c d 网络实现无损吸收，从而避 免了互感元件带来的一系列问题，朝着工程适用化的方向跨进了一步。从一定程 度上讲，这种桥臂无源无损吸收技术已经带有某种有源方式的的意味了，它力图 利用主开关本身作为有源能量回馈的主体，当然这一融于主电路当中的“有源回 馈”变换器所遵循的工作模式是完全依从、受制于主电路的，独立性很低，从开 4 浙江大学博士学位论文 第一章 ( c ) 【哪( c ) 图1 1 5 几种无源无损耗桥臂吸收电路 关功率变换器的常规标准看，除效率外，工作性能很差，它不得不以大误差容限 和严格的设计要求为弥补，所以这个电路必然还存在问题，如主管关断冲击电压 和开通电流过冲相互制约，且根据负载在一个较大范围内波动，负载依赖性大， 工作适应范围小，设计、安装难度大，多相逆变桥应用困难等。总之，在逆变桥 电路上，至今仍无具备实用价值的无源无损耗吸收形式，逆变桥无源无损耗吸收 技术因其特殊结构和难度而仍处在进一步研究和发展中。 3 3 2 有源无损吸收技术 在叙述有源无损耗吸收技术的发展与概况之前，有必要简单讨论一下电力电 子软开关技术的共性和分类界定。我们知道，功率开关的软开关可以是z v s 、z c s 或两者兼备，考虑仅作用于开关状态变换附近时间区域的软开关技术( 即顾及实 用性，除开己被证明不实用的谐振式变换技术) ，零电流开通可以通过与主管串 联电感元件无源地( 近似) 实现，而零电压开通只能通过与主管并联的有源支路 先将管电压放掉亦即只能以有源方式来实现；与之相对偶，零电压关断可以 以并电容无源( 近似) 实现，零电流关断只能有源实现，这是吸收技术与所谓软 浙江大学博士学位论文 第一章 开关p w m ( s o i ls w i t c h i n gp w m ) 技术( 或 称并联支路换流技术，p a r a l l e l c o m m u t a t i o n ) 之间存在的明确分野：按 照如何直接作用于功率器件而实现软开 关区分，前者应当讲本质上是无源的，而 且理论上不能完全消除开关损耗，后者不 存在无源实现的可能性，且理论上能够完 图1 1 6以无源无损耗吸收技术实现辅助 管软开关的z 、，rb o o s t 电路 全除去开关损耗。从严格意义上讲，吸收式的软开关只能是串电感和或并电容 型的，所谓有源吸收，作用对象是吸收储能电感和或电容，仅指以有源方式处 理、回馈吸收元件存储能量，并不应该涉及主开关工作。 但是查阅文献可以看到，尤其是近年来，国际上对软开关技术的名称归类并 没有严格区分，一些软开关p w m 技术被作者自我晃定为a c t i v es n u b b e r 3 1 3 2 】， 而大多数学者对其成果不作归类，笼统以s o t ts w i t c h i n g 冠名。这种做法虽然概念 不很清晰明确，但也是有理由的。 1 见于文献的并联支路换流技术通常是单边的，即只产生软开通或软关断 之中的一个方面，以零电压转移( z e r ov o l t a g et r a n s i t i o n ，z v t ) 技术 3 3 】为例， 零电压开通借以实现的，有源支路的作用对象，是主开关电压的实际载体：管端 电容( 寄生或外接) ，原文献对于对偶的开关过程关断过程的软化并未加着 意考虑，z v t 支路对关断过程不起作用。实际上，这个电容正处于关断并联吸收 电容的位置，如果取值足够大，那么主管可以实现容性吸收下的z v s 关断，可见， 用于换流的并联支路为了使管电压回零先于主管开通而天然地具备了有源复位 对偶开关过程所需吸收元件的作用，从这一角度，它完全可被视为有源吸收技 术，这样，并联支路换流技术能够轻易结合吸收技术( 以很小的附加代价) 达到 完整的软开关效果。 2 在软开关p w m 变换器中，对辅助管( a u x i l i a r ys w i t c h ) 往往也要求软开 关，而这些辅助开关的工作情况一般类似于d c m 单端变换器，易于实旖无损吸 收，实现软开关也主要依赖无损缓冲技术，例如图11 6 1 3 4 等涉及的全软开关变 换技术。所以说，有源吸收与其他软开关技术之间 并无明确界限，吸收的机理几乎无所不至地存在于 软开关p w m 技术的所有领域，这是两类技术相互融 合，难以区分的重要原因。 出于这样的考虑，有源吸收技术的涉及就十分 繁杂了，我们仅选一些有代表性的例子介绍，其中 包括了许多不纯粹是吸收技术，但对本领域发展不 无裨益的内容。 1 6 j 图1 1 7 采用s m p s 的基本能 量回馈吸收单元之一 浙江大学博士学位论文第一童 图1 1 8s m p s 在逆变桥吸收电路上的实现和使用 有源吸收技术基本上是以有源( 受控) 谐振的方式回馈吸收能量，它又分为 几种，一种以输入端稳压的辅助开关电源( s w i t c h i n gm o d e p o w e rs u p p l y ，s m p s ) 提供隔离或不隔离的稳定电压电流源，能够灵活放置，可以构造如图11 7 所示 例的简明基本吸收单元，以回馈吸收能量( 至电源) ，此类电路完全可以在耗能 式吸收的基础上以s m p s 替代电阻，拓扑不作改动或略作改动即可【9 】【3 5 【3 6 。 这类技术思想简单，结构简明，工作过程所涉及谐振的部分很少，在具备有源技 术的一般特点同时，具有无源方式不改变主电路工作模式、有主管附加应力等 优、缺点。实际上，这是构造专门变换器以处理吸收能量，所以一般用于大功率、 无源方式难于实现的场合，如机车牵引逆变器。典型的例子如图l1 8 ，( a ) 9 】以 简单的非隔离b u c k 变换器替代u n d e l a n d 电路中的功率电阻，和( b ) 【3 7 】更将主回 路吸收电感与有源回馈续流电感合并，结构更加简单，( c ) 【3 8 】以同样思路构造于 m c m u r r a y 电路基础上。此类技术还有一些分支，例如仍以耗能式吸收电路拓扑 为基础，用变压器或电感替代电阻，辅以有源开关，实现无损磁通复位或回馈转 移到电感上的吸收能量，实际上，在许多此类电路中s n i p s 的位置上并不强求构 造稳定电源，只需要提供一条能量回馈途径即可，即s m p s 的输入端稳定度要求 相当低，只要在开关状态变化后足够短的时间内把吸收能量转移，并且保持主管 附加应力不超出设计要求即可，使得s m p s 有可能变性为一种控制要求低( 可以 无检测和反馈) ，仅以与主开关控制信号有简单联系的逻辑加以驱动甚至自驱动 的有源能量转移通道 3 9 4 0 4 1 4 2 ，这样，有源的能量回馈方式带上了无源的 特性，这是无损吸收技术中结合无源和有源方式优点的又一个研究方向。 另一类有源无损耗吸收技术不是以构造开关恒定电源，而是以某种检测控制 手段加上开关无源网络在下一个相同开关状态重复之前的某段较短时区内 以某种方式( 如谐振) 复位吸收储能元件，可以说使用稳定的s m p s 的吸收能量 回馈是通过主开关在开关状态变化时开始复位上一开关动作所积蓄的吸收能 量，即开通后回馈关断吸收能量、在关断后回馈开通吸收能量，主管必然承受复 位所致附加应力，这也是所有无源吸收技术的共同规律；而第二类无损吸收能量 通过辅助开关回馈( 至负载或电源) ，附加开关的控制与主开关密切相关而又相 浙江大学博士学位论文 第一童 对独立，检测、逻辑要 求较高，有复位迅速， 无外部依赖性。可能无 主管附加应力等良好特 性。 由于大部分开关功 率变换器是电压源供 电，出于拓扑上的原 因，按照“电容电 陌【刁 ( a )( b ) 图1 1 9 两种单端变换器有源关断吸收电路 感电压源”的能量传递模式，非s m p s 型有源关断吸收复位电路相对容易实 现，受到较多研究。图l1 9 给出两种用于单端变换器关断吸收的有源吸收电路， ( a ) 4 3 】和( b ) 4 4 】实际ti e 血i 4 4 所述，属于同一拓扑在升压, ( b o o s t ) 署u 降压( b u c k ) 变换结构上的不同表现形式，对应于所有六种基本的和四种隔离的单端变换器都 存在这一电路的变形，它可以说是真正的有源吸收，因为辅助管仅用于吸收电容 的无损耗复位。这一方案让辅助开关在主管导通期间将吸收电容上储能转移到电 感，在主开关关断后再将其送至负载，辅助管工作于软开关状态，但电感长时间 续流决定了辅助管电流容量不可能取得小，整体变换效率也受到损失。对于电压 源开关功率变换器通用有源无损关断吸收的研究也取得了一系列成果，如图1 2 0 所示，( a ) 【4 5 】被称为有源非谐振式( n o n r e s o n a n t ) 复位，可以看出它与某些并联支 路换流技术的相似之处，辅助开关是z c s 开通和硬关断的：( b ) 【6 】辅助管工作于 零电流开通和关断，使用半控器件即可，是典型的谐振式有源吸收。尽管引入第 三电平可能是不希望，不方便的，但从二阶谐振电路的电流电压正负换向特性出 发看来，这是谐振技术当中至关重要的手段方法，很多软开关技术的实现正是借 助于此，这在前面提到过的无源桥臂吸收 2 8 以及很多有源软开关电路中都得到 体现；( c ) 4 6 贝j j 是宣称可以解决所有p w m 电路无损关断吸收问题的通用方案， 它通过谐振正激变换的原理，利用变压器的漏感实现电容能量回馈、辅助管零电 流开通和零电流( 低电流) 关断。理论上讲只要系统中存在恒压源，那么主开关 ( a )( b )( c ) 图1 2 0 种通用的单端变换器有源关断吸收能量回馈电路 浙江大学博士学位论文第一章 _ ，j一 ： 俺簸j。-l ： ( a )( b ) 图1 2 l两种典型的桥臂有源无损耗软开关( 吸收) 电路 的关断吸收能量就可以通过与之共用控制信号、驱动电路的辅助管得以回馈，而 且速度快，不依赖负载，当然，存在辅助管数量多，需要多绕组高隔离电压的变 压器，磁通复位、二极管耐压等问题，使得其实用性值得商榷。 有源无损桥臂吸收电路基本上都是与并联支路换流技术相结合的，具体而 言，电压型逆变器桥臂所使用的有源吸收多采用吸收电容辅助零电压关断结合有 源并联支路换流零电压开通，图l2 1 是两种典型结构，( a ) 【4 7 】的提出较早，最初 叫做r e s o n a n ts n u b b e r s w i t h a u x i l i a r ys w i t c h e s ，即“带辅助开关的谐振缓冲器”， 后来随着软开关逆变方法中谐振直流环节( r e s o n a n td cl i n k ) $ 口谐振极( r e s o n a n t p o l e ) 概念的提出，又有了“辅助谐振换流极”( a u x i l i a r y r e s o n a n t c o m m u t a t e d p o l e ， a r c p ) 的名称 4 8 】，得到广泛关注，并且有大功率实际应用的报导 4 9 】。这一方 法具有附加网络简明，主管无任何附加应力，辅助开关可以采用半控器件，元件 额定值小，附加损耗较小，几乎不影响主电路工作模式等显著优点，是较为成功 的逆变器软开关技术。在这一拓扑背景下，大功率逆变器桥臂吸收用附加无源元 件、有源开关、驱动电路( 检测、控制可以通过特别的驱动电路实现，后面还会 提到) 能够很紧凑地附着于功率桥臂模块之上，有可能由厂家根据功率器件容量 定制、集成于功率模块之中，很好地顺应了电力电子技术模块化、集成化的潮流， 这也是无损吸收技术的一种发展方向。它的缺点是辅助开关数量较多，需要第三 电平，工作稳定性可能受电容 中心抽头电压漂移影响等。 ( b 5 0 】是种较新，较优越的 方案，显而易见，它可以每臂 使用一只辅助管，无需第三电 平，附加网络更加简单。这一 方案是针对驱动电机的逆变 器而设计的，在多相逆变器中 效