諧振軟開關(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有得到廣泛的認(rèn)識，撰寫本文的目的在于嘗試著對軟開關(guān)技術(shù)的DC/AC電路進(jìn)行一個簡單的分類，并對其工作原理、性能、設(shè)計上的局限性及其優(yōu)缺點進(jìn)行扼要的分析。也重點討論了諧振軟開關(guān)技術(shù)在逆變電源中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：零電壓開關(guān)零電流開關(guān)諧振軟開關(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，由于電路簡單和控制方便，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)已經(jīng)成為功率電子技術(shù)中DC/AC逆變器的一個重要的選擇。PWMDC/AC變換器在不間斷電源(UPS)、電機(jī)驅(qū)動、感應(yīng)加熱等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于開關(guān)損耗和半導(dǎo)體器件額定電流的限制，使得逆變器中的開關(guān)頻率只工作在大約幾個千赫茲，逆變器的功率也只有幾個千瓦。眾所周知，隨著開關(guān)頻率的提高，逆變器的功率密度和性能將會得到很大的改善。當(dāng)然，開關(guān)頻率的提高要受到以下因素的影響：

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

●開關(guān)損耗；

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

　　與PWM硬開關(guān)電路相反，在諧振軟開關(guān)電路中，開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下切換，理論上開關(guān)損耗為零。因此，與硬開關(guān)電路相比，在采用同一類型開關(guān)器件的條件下，諧振軟開關(guān)電路可以很輕松地在高出一個或幾個數(shù)量級的開關(guān)頻率下工作。高的開關(guān)頻率使諧振軟開關(guān)電路具有許多明顯的優(yōu)點，如低噪音，低電磁干擾(EMI)，輸出波形的諧波成分少；另外，由于開關(guān)器件在零電壓或零電流條件下動作，開關(guān)器件的動態(tài)過程大為改觀，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，開關(guān)器件可在高可靠性和高效率條件下工作?？偠灾?，人們過去在硬開關(guān)PWM電路設(shè)計中追求的許多目標(biāo)，在軟開關(guān)條件下都很容易實現(xiàn)。

　　由于諧振軟開關(guān)逆變電路與常規(guī)硬開關(guān)逆變電路比較具有明顯的優(yōu)點，因此，近十年來，國內(nèi)外的許多研究人員每年都有大量的關(guān)于這個領(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)的諧振軟開關(guān)逆變電路。

2軟開關(guān)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分類

圖1軟開關(guān)技術(shù)逆變器分類

總的來說，逆變器根據(jù)其開關(guān)特性可分為硬開關(guān)技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)，所謂硬開關(guān)技術(shù)是指在開關(guān)切換瞬間，開關(guān)兩端有電壓或電流，所以不可避免的會產(chǎn)生開關(guān)損耗和EMI問題。同時，由于寄生電容和漏感的存在，在開關(guān)切換瞬間還會出現(xiàn)很高的電壓/電流峰值。而軟開關(guān)技術(shù)則是讓開關(guān)在兩端電壓或電流為零或極小的瞬間切換，從而避免了開關(guān)損耗和EMI問題。產(chǎn)生這個零電壓或零電流瞬間的方法則是在硬開關(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關(guān)等元器件組成的諧振網(wǎng)絡(luò)，使主開關(guān)兩端的電壓或電流始終在零點附近振蕩或穿過零點，從而給開關(guān)的零電壓/零電流切換（即軟開關(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給出了軟開關(guān)技術(shù)逆變器的一個分類圖。

●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)，為逆變橋主功率開關(guān)器件創(chuàng)造一個ZVS或ZCS條件。而DC總線側(cè)的電壓或電流波形保持不變。

●諧振過渡(Resonanttransition)

　　把LC諧振網(wǎng)絡(luò)加在逆變橋上，開關(guān)上的寄生電容也成為諧振模式的一部分，為主功率開關(guān)器件創(chuàng)造一個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脈沖序列，為功率開關(guān)器件創(chuàng)造軟開關(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，在整個開關(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)換器的兩個實例和一些基本特點：

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

圖2示出了一個半橋的SPRLI電路。這種電路的特點是：

　　當(dāng)fr ， 輸 出 阻 抗 為 容 性 ， 主 開 關(guān) 和 二 極 管 在 ZCS條 件 下 開 通 或 關(guān) 斷 。 有 源 開 關(guān) 的 開 通 取 決 于 電 路 的 控 制 信 號 ， 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 際 應(yīng) 用 中 ， 為 了 限 制 功 率 開 關(guān) 中 的 短 暫 沖 擊 電 流 ， 應(yīng) 該 給 每 個 功 率 開 關(guān) 串 聯(lián) 一 個 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 合 。

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

圖2SRPLI電路

圖3PRSLI電路

且開關(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，它已廣泛應(yīng)用于高頻電源的設(shè)計中。

　　SRPLI電路的優(yōu)點是：輸出正弦波畸變較小，功率大效率高。

　　SRPLI電路的缺點是：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示出了一個典型的PRSLI結(jié)構(gòu)，該電路實際上是圖2電路的一個對稱電路，用了一個隔離變壓器來代替輸出電感，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 關(guān) 的 開 通 時 間 取 決 于 電 路 的 自 然 特 性 ， 而 開 關(guān) 的 關(guān) 斷 由 控 制 信 號 決 定 。 例 如 ， 只 有 當(dāng) 開 關(guān) S1兩 端 的 電 壓 回 到 零 時 ， 它 才 能 開 通 。 然 而 ， 開 關(guān) S1可 以 在 任 何 時 間 被 控 制 信 號 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 關(guān) 在 零 電 壓 (ZVS)條 件 下 開 通 和 關(guān) 斷 。 由 于 主 開 關(guān) 上 的 電 壓 是 交 變 的 ， 所 以 主 開 關(guān) 必 須 具 有 反 向 關(guān) 斷 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 開 關(guān) 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )時 ， 續(xù) 流 二 極 管 一 定 要 和 主 開 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 ， 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 問 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)生在整個開關(guān)周期。為了縮小輸出電壓畸變，通過對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，必須使諧振環(huán)節(jié)的能量儲存峰值增大，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，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。