串并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器輔助電路的優(yōu)化

引言
     將軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用在電力電子技術(shù)中，對于電機(jī)驅(qū)動 來說，不僅改善逆變器的效率和性能，更能提高功率密度， 降低電磁干擾。近些年，研究人員提出了多種諧振直流環(huán)節(jié) 逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仍存在很多不足，文獻(xiàn) 提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在直流母線之間串聯(lián)了2個大電容，形成 電源中點，使逆變器在高開關(guān)頻率工作時中性點電位變化， 不利于實現(xiàn)軟開關(guān)； 文獻(xiàn)[3]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，解決了中性 點電位的平衡問題，但是輔助電路中的開關(guān)器件不能實現(xiàn)軟 關(guān)斷，增加了開關(guān)損耗；文獻(xiàn)[4-5]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輔助 諧振電路里有3個輔助開關(guān)，控制相對復(fù)雜，而且硬件成本 高；文獻(xiàn)[6]提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，直流母線間的電壓恢復(fù)到直 流電源電壓值的兩倍，使開關(guān)器件和二極管承受更高的電壓 應(yīng)力。本文提出了一種串并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器輔助電路結(jié) 構(gòu)的基礎(chǔ)上，對其進(jìn)行改進(jìn)，減少了開關(guān)器件，節(jié)省了損 耗。本文提出的新型并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器，具有以下特 點: (1) 只有2個輔助開關(guān)器件，使其小型化、輕量化、節(jié)約

圖1 串并聯(lián)諧振軟開關(guān)三相逆變器主電路  

圖2  改進(jìn)后的串并聯(lián)諧振軟開關(guān)三相逆變器主電路
化和控制簡單化。(2) 電感不用被預(yù)充電流。(3) 輔助開關(guān)都
可以實現(xiàn)零電流或零電壓開關(guān)。(4)沒有串聯(lián)分壓電容，無 中性點電位的變化問題。(5)不使用橋臂短路的控制方法完 成零電壓切換。在直流母線零電壓凹槽內(nèi)，主開關(guān)實現(xiàn)零電 壓開關(guān)，安全可靠。

1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理
已提出的電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。改進(jìn)后的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。逆變器電路逆變器的等效電路如圖3所示。
1.1   電路結(jié)構(gòu) 在提出電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之前先作如下假設(shè)。 (1)電路中的所有元器件均是理想的。 (2)諧振電感遠(yuǎn)小于負(fù)載電感。帶有三相感性負(fù)載的逆變器從直流母線側(cè)來看可等效為一恒定的I0電流源。 (3)直流電源電壓為一理想電壓源E。 (4)每個橋臂開關(guān)管兩端并聯(lián)的電容Cs可等效為一個直接連在直流母線上的電容Cr=3Cs。D1-D6完全相同，等效為

圖3 逆變器的等效電路  

圖4 電路的特征工作波形
1.2  工作原理
本電路在一個開關(guān)周期內(nèi)可以分為6個工作模式。電路的特征波形如圖4所示，各個工作模式如
圖5所示。

圖5  各工作模式的等效電路
模式1(0-t1) 初始狀態(tài)，S1導(dǎo)通，電源通過S1向負(fù)載供 電，同時通過VD3和S1，在Lr內(nèi)有穩(wěn)定的電流-Ia流過。電路工 作在穩(wěn)態(tài)。
模式2(t1-t2) 在t1時刻，關(guān)斷S1，由于Cr上的電壓為E，S1 為零電壓關(guān)斷。Lr和Cr諧振，Cr放電，Lr放電，Cr不僅放電 而且給負(fù)載提供電流。電壓不斷減小，直到t2時刻Cr電壓為 零。Lr電流減小到-Ib，本模式結(jié)束。電感Lr和電容Cr的表達(dá)式

模式3(t2- t3) 在t2時刻，直流母線的電壓為零，VD2和VDs零電壓導(dǎo)通。負(fù)載電流通過VDs續(xù)流。通過VD2和VD3，向電源回饋能量。 L r 電流繼續(xù)減小， 直到t 3 時刻,L r 電流為零，本模式結(jié)束。電感Lr的表達(dá)式

模式4 (t 3 - t 4 ) t 3 時刻， 給S 2 驅(qū)動信號，由于Lr的作用，Lr為零電流開通。 Lr和Cr1諧振，Lr和Cr1被充電，開通S2給 Lr足夠的能量
使Cr的電壓恢復(fù)到E，在t4 時刻，當(dāng)Cr1上電壓達(dá)到Ua后關(guān)斷S2。Lr 電流為Ic，本模式結(jié)束。

模式5(t4-t5) 在t4時刻，關(guān)斷S2后Cr的電壓仍為零，S2為 零電壓關(guān)斷。在直流母線電壓 為零的這段時間內(nèi)，逆變器上 的主開關(guān)可以完成一次零電壓 的開通。Lr、Cr 、Cr1諧振，被 充電， Cr  、 Cr1電壓和增加到 E ， L r 的 電 流 最 大 ， 然 后 L r 的 電流開始減小，Cr電壓繼續(xù)增 加，Cr1電壓繼續(xù)增加，當(dāng)t5時 刻 ， Cr 1 電 壓 變 為 U b ， C r 電 壓 變?yōu)镋，直流母線的電壓變?yōu)?E，Lr的電流為Id，VD1導(dǎo)通，
Cr電壓不再變化。本模式結(jié)束。

模式6(t5-t6) t5時刻，Lr、Cr1繼續(xù)諧振，Lr電流減為0，然后反向增大，Cr1電壓增大到最大，本模式結(jié)束。模式7(t6-t7) 在t6時刻，導(dǎo)通S1，由于直流母線的電壓 變?yōu)镋，S1零電壓導(dǎo)通，Cr1電壓減為零，Lr電流增加到反向 最大，同時VD3導(dǎo)通，Lr電流不再變化。t7時刻，Lr電流變 為-Ia，本模式結(jié)束。

2 仿真結(jié)果

圖6  Ucr1、iLr、Cr1的電壓及電流

圖7 開關(guān)S2的電壓    

圖8  開關(guān)S1的電壓

電源電壓。因此每一個周期內(nèi)，在直流母線電壓降為零的時刻，開通逆變器橋臂上主開關(guān)都可以實現(xiàn)零電壓開關(guān)。直流 母線零電壓凹槽形成，直流母線的電壓降為零，為逆變器的 主開關(guān)實現(xiàn)提供條件，驗證了逆變器工作原理的正確性。直 流母線、Lr、Cr1和S1的電壓電流波形如圖6、圖7、圖8所示。
3 結(jié)論
與已提出的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，存在以下優(yōu)點：(1)輔助電 路開關(guān)器件少，減少一個開關(guān)器件和續(xù)流管，損耗相應(yīng)減 少。(2)逆變器橋臂上的所有開關(guān)器件實現(xiàn)零電壓開通與關(guān) 斷周期工作模式減少，變得簡單。(3)直流母線零電壓凹槽 形成的時間不受負(fù)載電流的影響。(4)實現(xiàn)續(xù)流管零電流關(guān) 斷。針對不同的控制策略、不同的諧振參數(shù)對負(fù)載輸出波形 的影響程度，將做進(jìn)一步的研究。
參考文獻(xiàn)：
[1]CHANG Jie, HU Jun. Modular  design  of soft-switching circuits for two- level and three-level inverter [J]. IEEE Transactions on Power  Electronics,
2006, 21(1): 131-139
[2]王強, 王天施, 孫海軍, 等．新型高效率并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器[J].電工技
術(shù)學(xué)報,2013, 28(5): 219-226
[3]BEHERA S，DAS S P，DORADLA S R．Quasi-resonant soft-switching
inverter for low and high power factor
loads[J]．IEE Proceedings: Electric Power  Applications,2004,151(4):451-
459．
[4]王軍,  徐龍祥.  軟開關(guān)技術(shù)在磁懸浮軸承功率放大器中的應(yīng)用[J].  電工技術(shù)學(xué)報,
2009, 24(6): 85-90
[5]Hui S Y R，Gogani E S， Zhang  Jian． Analysis of a quasiresonant  circuit
for soft-switched inverter[J]． IEEE Trans.on Power  Electronics， 1996，
11(1)： 106-114．
[6]楊迎化,謝順依,鐘祺,等.一種新型直流環(huán)節(jié)并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器[J].中國電機(jī)工程
學(xué)報,2008,28(12):50-54
[7]王強.無中性點電位變化的并聯(lián)諧振軟開關(guān)逆變器[J].  中國電機(jī)工程學(xué)報,  2012,
32, (3):36-42