諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)及其在逆變電源中的應(yīng)用

摘要：為了獲得更高的性能指標(biāo)、更高的效率、更高的功率密度，軟開(kāi)關(guān)技術(shù)已經(jīng)在DC/AC逆變器中得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在這一領(lǐng)域中所做的大量工作并沒(méi)有得到廣泛的認(rèn)識(shí)，撰寫本文的目的在于嘗試著對(duì)軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的DC/AC電路進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的分類，并對(duì)其工作原理、性能、設(shè)計(jì)上的局限性及其優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行扼要的分析。也重點(diǎn)討論了諧振軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：零電壓開(kāi)關(guān)零電流開(kāi)關(guān)諧振軟開(kāi)關(guān)

The Application of Resonant Soft switching Techniques in Invert Power Supply

Abstract: In order to achieve better performance,higher effciency,higher power density,soft switching techniques have recently been applied in the design of DC/AC inverter.However,the amount of work that has been done in this field is not widely known,this paper is an attempt to classify the soft switched DC/AC circuits in a simple and generic way,and operating principles,performance,and design limitations are discussed.Some possible industrial applications of soft switched inverter are addressed.

Keywords:Zero voltage switching,Zero current switching,Resonant soft switching

1引言

近十幾年來(lái)，由于電路簡(jiǎn)單和控制方便，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已經(jīng)成為功率電子技術(shù)中DC/AC逆變器的一個(gè)重要的選擇。PWMDC/AC變換器在不間斷電源(UPS)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于開(kāi)關(guān)損耗和半導(dǎo)體器件額定電流的限制，使得逆變器中的開(kāi)關(guān)頻率只工作在大約幾個(gè)千赫茲，逆變器的功率也只有幾個(gè)千瓦。眾所周知，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，逆變器的功率密度和性能將會(huì)得到很大的改善。當(dāng)然，開(kāi)關(guān)頻率的提高要受到以下因素的影響：

●在功率開(kāi)關(guān)開(kāi)通和關(guān)斷過(guò)渡期間的開(kāi)關(guān)應(yīng)力(很高的電壓和電流峰值)，將會(huì)導(dǎo)致器件的安全工作區(qū)(SOA)加大；

●開(kāi)關(guān)損耗；

●嚴(yán)重的di/dt和dv/dt將會(huì)產(chǎn)生電磁干擾(EMI)。

　　與PWM硬開(kāi)關(guān)電路相反，在諧振軟開(kāi)關(guān)電路中，開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下切換，理論上開(kāi)關(guān)損耗為零。因此，與硬開(kāi)關(guān)電路相比，在采用同一類型開(kāi)關(guān)器件的條件下，諧振軟開(kāi)關(guān)電路可以很輕松地在高出一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級(jí)的開(kāi)關(guān)頻率下工作。高的開(kāi)關(guān)頻率使諧振軟開(kāi)關(guān)電路具有許多明顯的優(yōu)點(diǎn)，如低噪音，低電磁干擾(EMI)，輸出波形的諧波成分少；另外，由于開(kāi)關(guān)器件在零電壓或零電流條件下動(dòng)作，開(kāi)關(guān)器件的動(dòng)態(tài)過(guò)程大為改觀，這使得緩沖電路成為多余，散熱器尺寸明顯減小，從而使設(shè)備尺寸及重量也隨之大量減小，開(kāi)關(guān)器件可在高可靠性和高效率條件下工作?？偠灾?，人們過(guò)去在硬開(kāi)關(guān)PWM電路設(shè)計(jì)中追求的許多目標(biāo)，在軟開(kāi)關(guān)條件下都很容易實(shí)現(xiàn)。

　　由于諧振軟開(kāi)關(guān)逆變電路與常規(guī)硬開(kāi)關(guān)逆變電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，因此，近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的許多研究人員每年都有大量的關(guān)于這個(gè)領(lǐng)域研究的論文發(fā)表，目前已提出多種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的諧振軟開(kāi)關(guān)逆變電路。

2軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

圖1軟開(kāi)關(guān)技術(shù)逆變器分類

總的來(lái)說(shuō)，逆變器根據(jù)其開(kāi)關(guān)特性可分為硬開(kāi)關(guān)技術(shù)與軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，所謂硬開(kāi)關(guān)技術(shù)是指在開(kāi)關(guān)切換瞬間，開(kāi)關(guān)兩端有電壓或電流，所以不可避免的會(huì)產(chǎn)生開(kāi)關(guān)損耗和EMI問(wèn)題。同時(shí)，由于寄生電容和漏感的存在，在開(kāi)關(guān)切換瞬間還會(huì)出現(xiàn)很高的電壓/電流峰值。而軟開(kāi)關(guān)技術(shù)則是讓開(kāi)關(guān)在兩端電壓或電流為零或極小的瞬間切換，從而避免了開(kāi)關(guān)損耗和EMI問(wèn)題。產(chǎn)生這個(gè)零電壓或零電流瞬間的方法則是在硬開(kāi)關(guān)技術(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上增加由電感L、電容C或其它諸如二極管或輔助開(kāi)關(guān)等元器件組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，使主開(kāi)關(guān)兩端的電壓或電流始終在零點(diǎn)附近振蕩或穿過(guò)零點(diǎn)，從而給開(kāi)關(guān)的零電壓/零電流切換（即軟開(kāi)關(guān)技術(shù)）提供了可能的條件。

　　諧振環(huán)節(jié)位置和結(jié)構(gòu)的變化，開(kāi)關(guān)波形的特性不同及諧振的形式(如并聯(lián)或串聯(lián))，也使得軟開(kāi)關(guān)技術(shù)DC/AC逆變器電路拓?fù)渥兊枚喾N多樣。圖1給出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)逆變器的一個(gè)分類圖。

●負(fù)載諧振(LoadResonance)

把LC諧振網(wǎng)絡(luò)以串聯(lián)或并聯(lián)的方式加在負(fù)載側(cè)，為逆變橋主功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造一個(gè)ZVS或ZCS條件。而DC總線側(cè)的電壓或電流波形保持不變。

●諧振過(guò)渡(Resonanttransition)

　　把LC諧振網(wǎng)絡(luò)加在逆變橋上，開(kāi)關(guān)上的寄生電容也成為諧振模式的一部分，為主功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造一個(gè)ZVS或ZCS條件。而輸入端DC總線波形保持不變。

●諧振環(huán)節(jié)(ResonantLink)

　　把諧振網(wǎng)絡(luò)加在輸入DC源和逆變橋之間，這樣輸入總線上的電壓就成為一個(gè)脈沖序列，為功率開(kāi)關(guān)器件創(chuàng)造軟開(kāi)關(guān)技術(shù)條件，所以，它和傳統(tǒng)意義上的PWM系統(tǒng)，有著較大的區(qū)別。

3軟開(kāi)關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類

31負(fù)載諧振逆變器

　　諧振網(wǎng)絡(luò)和負(fù)載相連，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)(Ts=1/fs)以頻率fr進(jìn)行振蕩，這種負(fù)載上振蕩的電壓和電流就可以為逆變橋中的主功率器件創(chuàng)造ZVS或ZCS條件，逆變橋可以是半橋或全橋結(jié)構(gòu)。一般情況下，分為兩類：

　　第一串聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋串聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)方波電壓。負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間的連接是多種多樣的，串聯(lián)/并聯(lián)/混合諧振結(jié)構(gòu)(如串/并、并/串和多諧振)。

　　第二并聯(lián)諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：諧振網(wǎng)絡(luò)和逆變橋并聯(lián)，逆變橋給諧振網(wǎng)絡(luò)提供一個(gè)方波電流，同樣，負(fù)載和諧振網(wǎng)絡(luò)之間也可以是串聯(lián)或并聯(lián)。

　　下面列出負(fù)載諧振轉(zhuǎn)換器的兩個(gè)實(shí)例和一些基本特點(diǎn)：

　　(1)串聯(lián)諧振/并聯(lián)負(fù)載逆變器(SRPLI)

圖2示出了一個(gè)半橋的SPRLI電路。這種電路的特點(diǎn)是：

　　當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 容 性 ， 主 開(kāi) 關(guān) 和 二 極 管 在 ZCS條 件 下 開(kāi) 通 或 關(guān) 斷 。 有 源 開(kāi) 關(guān) 的 開(kāi) 通 取 決 于 電 路 的 控 制 信 號(hào) ， 而 它 的 關(guān) 斷 則 依 靠 功 率 電 路 的 自 然 換 流 。 由 于 負(fù) 載 和 諧 振 電 容 并 聯(lián) ， 可 以 明 顯 縮 小 輸 出 電 壓 的 畸 變 。 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 ， 為 了 限 制 功 率 開(kāi) 關(guān) 中 的 短 暫 沖 擊 電 流 ， 應(yīng) 該 給 每 個(gè) 功 率 開(kāi) 關(guān) 串 聯(lián) 一 個(gè) 電 感 。 這 種 電 路 廣 泛 地 應(yīng) 用 于 感 應(yīng) 加 熱 、 航 空 電 源 等 大 功 率 (20kHZ/10kVA左 右 )場(chǎng) 合 。

當(dāng)fr>fs時(shí)，SRPLI工作在ZVS條件下，為了避免開(kāi)關(guān)的關(guān)斷損耗，功率開(kāi)關(guān)應(yīng)該并聯(lián)一個(gè)吸收電容。這種情況下，如果構(gòu)成全橋電路，其輸出可采用移相調(diào)制的方法來(lái)控制。該結(jié)構(gòu)還有一些特征，即相對(duì)于開(kāi)關(guān)周期來(lái)說(shuō)，諧振只發(fā)生在一個(gè)很短的瞬間，而

圖2SRPLI電路

圖3PRSLI電路

且開(kāi)關(guān)上的寄生電容和隔離變壓器上的漏感抗在逆變側(cè)成為諧振網(wǎng)絡(luò)的一部分。由于這種電路的這些特點(diǎn)，它已廣泛應(yīng)用于高頻電源的設(shè)計(jì)中。

　　SRPLI電路的優(yōu)點(diǎn)是：輸出正弦波畸變較小，功率大效率高。

　　SRPLI電路的缺點(diǎn)是：變頻控制方法受到限制，且有一定的輸出畸變。另外由于制造的原因或參數(shù)的瞬態(tài)變化使得開(kāi)關(guān)頻率漂移，從而不便調(diào)整輸出電壓。

(2)并聯(lián)諧振/串聯(lián)負(fù)載逆變器(PRSLI)

　　圖3示出了一個(gè)典型的PRSLI結(jié)構(gòu)，該電路實(shí)際上是圖2電路的一個(gè)對(duì)稱電路，用了一個(gè)隔離變壓器來(lái)代替輸出電感，諧振電感Lr與負(fù)載串聯(lián)并向其提供調(diào)制電流。當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 感 性 ， 這 樣 ， 開(kāi) 關(guān) 的 開(kāi) 通 時(shí) 間 取 決 于 電 路 的 自 然 特 性 ， 而 開(kāi) 關(guān) 的 關(guān) 斷 由 控 制 信 號(hào) 決 定 。 例 如 ， 只 有 當(dāng) 開(kāi) 關(guān) S1兩 端 的 電 壓 回 到 零 時(shí) ， 它 才 能 開(kāi) 通 。 然 而 ， 開(kāi) 關(guān) S1可 以 在 任 何 時(shí) 間 被 控 制 信 號(hào) 關(guān) 斷 ， 并 且 由 諧 振 電 容 進(jìn) 行 續(xù) 流 。 在 該 電 路 中 ， 由 于 諧 振 電 容 的 作 用 ， 開(kāi) 關(guān) 在 零 電 壓 (ZVS)條 件 下 開(kāi) 通 和 關(guān) 斷 。 由 于 主 開(kāi) 關(guān) 上 的 電 壓 是 交 變 的 ， 所 以 主 開(kāi) 關(guān) 必 須 具 有 反 向 關(guān) 斷 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 開(kāi) 關(guān) 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )時(shí) ， 續(xù) 流 二 極 管 一 定 要 和 主 開(kāi) 關(guān) 器 件 串 聯(lián) 以 防 止 反 向 擊 穿 。 當(dāng) 使 用 晶 閘 管 逆 變 橋 時(shí) ， 還 要 求 諧 振 電 路 一 定 要 早 于 逆 變 橋 之 前 工 作 ， 有 關(guān) 文 獻(xiàn) 已 給 出 了 這 個(gè) 問(wèn) 題 的 詳 細(xì) 分 析 。

(3)負(fù)載諧振逆變器的一般特性

　　負(fù)載諧振逆變器主要適用于連續(xù)負(fù)載，諧振發(fā)生在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期。為了縮小輸出電壓畸變，通過(guò)對(duì)fs的微小變化而獲得較寬的輸出電壓范圍，諧振網(wǎng)絡(luò)的品質(zhì)因素Q必須盡可能地高。品質(zhì)因素Q的定義如下：(1)

　　從式(1)中可以看出，當(dāng)要求品質(zhì)因素Q較高時(shí)，必須使諧振環(huán)節(jié)的能量?jī)?chǔ)存峰值增大，即諧振元件容量加大。由于諧振元件放置在主功率傳輸通道上，所以該類型逆變器中的各個(gè)元器件都要承受較高的電壓和較大的電流。因此，串聯(lián)諧振逆變器應(yīng)用的最大功率就受到了一定的限制。但在諧振頻率附近，負(fù)載諧振逆變器能夠提供易于調(diào)節(jié)的輸出電壓，這時(shí)，負(fù)載上的功率因數(shù)接近于1，而且功率器件上的電壓和電流變化率較小。