高頻輸出不對稱半橋逆變器

1 引言

近年來提出了一種新的高頻輸配電系統(tǒng)HFPDS[1-3]（High frequency power distribution system），與傳統(tǒng)的直流配電系統(tǒng)不同的是，HFPDS采用高頻交流配電系統(tǒng)。它具有以下優(yōu)點：（1）系統(tǒng)簡單；（2）效率高；（3）可靠性高；（4）成本低。由于輸出頻率比較高，無法采用SPWM等控制方法，所以目前的高頻輸出逆變器多為方波或準方波輸出，然后通過諧振濾波網(wǎng)絡得到高頻正弦波。文獻[1]和[2]中提出全橋變換器加四階諧振濾波網(wǎng)絡的結構。其優(yōu)點是能實現(xiàn)所有開關管ZVS，結構簡單，效率高，適合大功率場合。本文結合實際課題，采用了不對稱半橋逆變器和諧振式濾波網(wǎng)絡，不僅可獲得較好的輸出波形，同時能夠在典型負載為阻性時，從空載到滿載范圍內(nèi)實現(xiàn)零電壓開關。本文分析了變換器的工作原理，軟開關實現(xiàn)條件和諧振濾波電路的設計。

2 工作原理

圖1 高頻輸出不對稱半橋逆變器

圖1為高頻輸出不對稱半橋逆變器拓撲，由不對稱半橋變換器、四階諧振濾波網(wǎng)絡和高頻變壓器構成。圖2 為高頻輸出不對稱半橋逆變器的關鍵波形。不對稱半橋逆變器在一個開關周期中可以分成6個不同的工作時段。當不對稱半橋逆變器帶阻性負載時，諧振濾波器設計為感性，使輸出電壓超前串聯(lián)諧振支路的電流，實現(xiàn)所有開關管軟開關。為了分析方便，在不影響分析結果的前提下，做如下假設：①所有開關管、電感、電容、變壓器均為理想器件；②諧振濾波器濾波能力足夠，輸出電壓的頻率與開關管頻率相同。各開關狀態(tài)的工作情況描述如下：

（1）工作模態(tài)1[t0---t1]

t0時刻，開關管Q2關斷。因為負電流is的存在，C1放電，C2充電， 一旦C1端的電壓為零時，負諧振電流is使得D1導通。在死區(qū)時間內(nèi)必須有足夠的能量將C1中能量抽走。

（2）工作模態(tài)2[t1---t2]

在t1時刻開通Q1，則開關管Q1為零電壓開通。此時D1和Q1同時導通。

（3）工作模態(tài)3[t2---t3]

到t2時刻，電流為零。此時以后輸入電壓加在諧振濾波器的輸入端，使電流is正向流動，給負載供電。

（4）工作模態(tài)4[t3---t4]

在t3時刻，開關管Q1關斷，因為寄生電容的存在，開關管Q1相當于軟關斷。由于電流為正，此時C1充電，C2放電。一旦C2端的電壓為零時，正諧振電流is使得D2導通。此段時間內(nèi)亦必須有足夠的能量抽走C2中的能量。

（5）工作模態(tài)5[t4---t5]

t4時刻，開通Q2，則開關管Q2為零電壓開通。此時D2和Q2同時導通。

（6）工作模態(tài)6[t5---t6]

到t5時刻，電流為零。此時以后諧振濾波器開始釋放能量，使電流is負向流動，給負載供電。

圖2 不對稱半橋逆變器的關鍵波形

3軟開關實現(xiàn)條件

不對稱半橋逆變器在死區(qū)時間內(nèi)要有足夠的能量來抽走將要開通的開關管結電容或者外并電容上的電荷，并給另一個剛剛關斷的開關管結電容或者外并電容充電，則諧振濾波器必須設計為感性，即輸出電壓超前于串聯(lián)諧振支路的電流。這是實現(xiàn)功率開關管ZVS的必要條件。如果不滿足式（1），那么就無法實現(xiàn)ZVS。開關管Q1和Q2之間的死區(qū)時間必須足夠長，才能使開關管結電容或者外并電容完全進行充放電。

（1）

式中，Lr為諧振濾波器的等效電感，I1為死區(qū)時間內(nèi)的平均電流，Ci（

）為開關管的結電容或者外接電容。