一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關DC/AC逆變器的設計

作者：時間：2011-03-20 來源：網(wǎng)絡

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摘要：提出了一種單極倍頻電壓型SPWM軟開關 DC/AC變換器，分析了其主要工作原理并給出了主要參數(shù)設計方法，實驗結(jié)果證明了該電路確能實現(xiàn)軟開關，并且具有輸出濾波參數(shù)小，電壓波形質(zhì)量高的優(yōu)點。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/179391.htm

關鍵詞：單極倍頻；正弦波脈寬調(diào)制；軟開關；逆變器

1 引言

目前，PWM功率變換技術得到了廣泛的應用。對于工作在硬開關狀態(tài)下的PWM逆變器，由于其開關損耗大，并且產(chǎn)生嚴重EMI，難以滿足開關電源高頻化、綠色化的要求。為克服硬開關的不足，軟開關技術得到迅速的發(fā)展，特別是DC/DC變換器移相軟開關技術已趨于成熟。但對于DC/AC變換器，由于考慮其輸出波形質(zhì)量等因素，目前，還沒有真正意義上的軟開關產(chǎn)品出現(xiàn)。雖然也出現(xiàn)過一些DC/AC變換器拓撲和軟開關控制技術[1][2][3]，但這些方法還不能真正走向?qū)嵱谩?

文獻[4]介紹了用諧振電路實現(xiàn)軟開關，是一種比較好的方法，然而這一技術需要跟蹤電路中的電壓和電流，在電壓和電流過零處實現(xiàn)軟開關，這必然使電路變得復雜。為較好地解決這一難題，文獻[5]介紹了利用電感換流的非諧振軟開關PWM技術，然而這一技術只適用于雙極性電壓控制的DC/AC變換器電路。在分析文獻[5]的基礎上，本文設計出了一種適用單極倍頻SPWM[6]軟開關DC/AC變換器電路。

2 單極倍頻SPWM軟開關DC/AC變換器主電路

2.1 主電路結(jié)構

圖1所示為新型單極倍頻SPWM軟開關DC/AC逆變器主電路原理圖。圖2為其主要工作波形。該電路在硬開關SPWMDC/AC逆變器的基礎上添加了電容C₁，C₂，C₃，C₄，C_r1，C_r2，C_E1，C_E2電感L_r1，L_r2，其中電容C₁=C₂=C₃=C₄，C_r1=C_r2，電感L_r1=L_r2，大容量電解電容C_E1=C_E2視為恒壓源。這些元件為電路中的4只功率管實現(xiàn)零電壓開關(ZVS)創(chuàng)造了條件。

圖1 主電路結(jié)構

圖2 主電路主要工作波形

2.2 軟開關的實現(xiàn)原理

單極倍頻SPWM軟開關DC/AC變換器主電路輸出電壓，在正半周只有正脈沖電壓，在負半周只有負脈沖電壓。當S₁及S₄同時開通時主電路輸出正電壓脈沖；，當S₂及S₃同時開通時主電路輸出負電壓脈沖。本文以輸出電壓的正半周的一個開關周期為例進行說明。

以下公式中的電壓、電流方向以圖1中的參考方向為準。并假設負載電流i_o連續(xù)。

1）工作模式1（t₀－t₁時間段）

在這一時間段中S₁及S₃導通，S₂及S₄關閉，i_L_r1從電源E_D的正極經(jīng)過S₁，C_r1，L_r1，C_E2，到E_D的負極并逐漸增大；同時電容C_E1經(jīng)過S₃，C_r2，L_r2繼續(xù)放電，放電電流i_L_r2繼續(xù)上升，在t₁時刻i_L_r2達到最大，即

i_L_r2(ωt₁)=αI_omsinωt₁－(1－α²sin²ωt₁)（1）

式中：α為調(diào)制比；

I_om為負載電流最大值，I_om=E_D/R_L；

ω=2πf_c，f_c為載波頻率。

對應的等效電路拓撲見圖3（a）。

2）工作模式2（t₁－t₂時間段）

在此時間段，功率管S₁繼續(xù)導通，i_L_r1繼續(xù)增大。t₁時刻S₃關斷，集電極電流i₃從開關管S₃轉(zhuǎn)換到緩沖電容C₃，為C₃充電，C₃上的電壓從零開始上升，S₃實現(xiàn)零電壓關斷；同時，存儲在C₄上的能量通過C_r2，L_r2,C_E2回路放電，其等效電路拓撲如圖3(b)。從圖可看出，C₃充電回路與C₄放電回路參數(shù)相同。因此，在t=t₂時刻，v_C₃=E_D，v_C₄=0。充放電時間t₂₁為