諧振軟開關(guān)技術(shù)及其在逆變電源中的應(yīng)用

33諧振環(huán)節(jié)逆變器

　　在諧振環(huán)節(jié)逆變器的電路中，諧振環(huán)節(jié)位于直流總線上。根據(jù)該諧振環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)特性和開關(guān)模式，此種逆變器又分為以下兩種類型：

　　●諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTAC－LINKINVERTER—RACLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是交流的電壓或交流的電流，從而給逆變橋上的開關(guān)提供了ZCS或ZVS條件，同時(shí)也就要求逆變橋上的開關(guān)必須是雙向器件。

　　●諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(RESONANTDC－LINKINVERTER—RDCLI)

　　指的是諧振環(huán)節(jié)的輸出是直流脈沖，同樣可以為逆變橋上的開關(guān)提供ZCS或ZVS條件，這時(shí)逆變橋上的開關(guān)只要求是單向器件。

(1)RACLI電路

　　圖8示出了串聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(SRACLI)和并聯(lián)諧振交流環(huán)節(jié)逆變器(PRACLI)的電路。

　　在SRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個(gè)正弦波電流，而在PRACLI電路中，諧振環(huán)節(jié)輸出一個(gè)正弦波電壓。它們的固定頻率：

圖8RACLI電路

（a）SRACLI電路（b）PRACLI電路

圖9PRDCLI電路

在圖8(a)所示SRACLI電路中，一般情況下，為了獲得較高的諧振頻率，串聯(lián)諧振環(huán)節(jié)都選擇較小的電感，同時(shí)，由于諧振環(huán)節(jié)的輸出是交變的電流，所以逆變橋上的開關(guān)必須是雙向開關(guān)，也可以是大功率的器件，如TRIAC。另外逆變橋工作在循環(huán)換流模式，諧振電流每周期兩次通過自然零點(diǎn)，而逆變橋上的開關(guān)也僅在此時(shí)進(jìn)行換向觸發(fā)。

　　在圖8(b)所示PRACLI電路中，電感Lr和Cr并聯(lián)構(gòu)成一個(gè)諧振環(huán)節(jié)，放置在DC總線和逆變橋之間，為逆變橋提供一個(gè)交變的電壓，而逆變橋上的開關(guān)只在零電壓瞬間進(jìn)行切換。PRACLI電路中的開關(guān)同樣要求選用雙向開關(guān)器件以承擔(dān)交變電壓。

這種類型的逆變器基本的調(diào)制模式是DPM(DiscretePulseModulation)。這時(shí)候，開關(guān)控制信號(hào)使得主開關(guān)在半周期或全周期時(shí)刻觸發(fā)，把諧振環(huán)節(jié)的高頻脈沖傳送給輸出。輸出電壓中的脈沖數(shù)量取決于諧振環(huán)節(jié)的頻率，輸出基波幅值和期望輸出頻率。

(2)RDCLI電路

　　諧振直流環(huán)節(jié)逆變器也分為并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(PRDCLI)和串聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(SRDCLI)。此時(shí)，諧振直流環(huán)節(jié)的輸出是一系列的直流脈沖電壓或直流脈沖電流。

　　①PRDCLI電路

圖9示出了一個(gè)三相PRDCLI電路，由Lr和Cr組成的諧振環(huán)節(jié)把輸入直流電壓轉(zhuǎn)換為一系列的高頻脈沖直流電壓波Ud(t)供給逆變橋，該脈沖電壓Ud(t)在過零時(shí)就為逆變橋開關(guān)提供了一個(gè)ZVS條件。

　　在實(shí)際電路中，由于每個(gè)諧振周期初始條件的可能變化，使得過零失敗或總線電壓Ud(t)過壓沖擊都可能發(fā)生。為了使得每個(gè)開關(guān)周期的初始條件相同，就需要采用一些特殊的控制策略。關(guān)鍵是通過控制電容的初始電流I0來解決過零問題和電壓?jiǎn)栴}，I0應(yīng)該隨輸入電感初始電流IL0和逆變橋輸入電流Id的變化而變化。

　　這種類型逆變器基本的調(diào)制模式是DPM控制方式(比如δ調(diào)制)。DPM控制下的輸出頻率特性遠(yuǎn)比PWM波形要差，只有當(dāng)DPM逆變器的工作頻率高于PWM逆變器工作頻率幾倍時(shí)，兩者輸出波形品質(zhì)才基本相當(dāng)，而這一點(diǎn)對(duì)于RDCLI電路來說是不難做到的。

　　RDCLI電路也有不足之處，首先，由于在直流環(huán)節(jié)上進(jìn)行電壓諧振，使得Ud高達(dá)2～3倍的Us，這樣一來逆變開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力明顯增加，另外，由于諧振電感Lr處于主功率傳送通道上，其電阻將消耗很大一部分輸入功率，造成逆變器效率降低及Lr發(fā)熱。為了解決這些問題，各國(guó)學(xué)者先后推出許多改進(jìn)電路，其典型電路如下：

　　●有源箝位諧振直流環(huán)節(jié)逆變器(ACRDCLI)

　　其三相電路如釁10所示。

在并聯(lián)諧振直流環(huán)節(jié)電路中增加一個(gè)輔助開關(guān)SC和一個(gè)電壓吸收箝位電容(電解電容)，箝位電容上的電壓為(K－1)Us(K稱為箝位系數(shù)，K=12～14)，這種電路能取得較好的箝位電效果。但是，箝位電容的預(yù)充電問題和DPM調(diào)制方式使它的應(yīng)用受到了限制。

　　●準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)

　　準(zhǔn)諧振直流環(huán)節(jié)逆變器的基本思路是在RDCLI電路中增加一個(gè)輔助開關(guān)，以達(dá)到控制諧振過程的目的，讓諧振只發(fā)生在逆變橋開關(guān)換向的瞬間，其余的時(shí)間仍然可以采用PWM調(diào)制方式。通過控制諧振發(fā)生和終止時(shí)刻，總線上的輔助諧振網(wǎng)絡(luò)僅僅當(dāng)逆變橋需要換向的時(shí)候被觸發(fā)，為逆變橋提供一個(gè)“電壓凹槽”(一個(gè)很短的零電壓間隔)，在這個(gè)“電壓凹槽”間隔中，逆變橋開關(guān)就可以在零電壓條件下?lián)Q向，可達(dá)到限制Ud和降低Lr損耗的目的，以改善逆變器的特性。準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變電路存在的最大問題是準(zhǔn)諧振只發(fā)生在一個(gè)很小的脈沖范圍內(nèi)，而不一定

圖10ACRDCLI電路

圖11SRDCLI電路

能有效地與發(fā)生在極短時(shí)間間隔內(nèi)的PWM控制狀態(tài)相匹配。而近年來對(duì)空間矢量PWM調(diào)制方式的研究為這一問題的解決提供了一個(gè)熱點(diǎn)話題。

　　關(guān)于這一部分的詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱參考文獻(xiàn)4。

圖12SQRPWMDCLI電路

　?、赟RDCLI電路

圖11給出了一個(gè)三相負(fù)載的SRDCLI電路。它實(shí)際上是PRDCLI電路的對(duì)偶電路，在這種電路中，一個(gè)很大的電感Ls給直流母線提供了偏置電流is，一個(gè)高頻的諧振環(huán)節(jié)LrCr串入主功率傳送通道，它們將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有ZCS特征的直流母線電流id。這樣，在該電路中就可以使用大功率的晶閘管器件，也就是說這種電路可以應(yīng)用到較大的功率水平。

　　在這種電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，也存在著諸如過高的環(huán)節(jié)電流峰值和控制的復(fù)雜性等問題。以及與圖9中PRDCLC電路中存在問題的對(duì)偶問題。同時(shí)也出現(xiàn)了許多改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路。圖12串聯(lián)準(zhǔn)諧振PWM直流環(huán)節(jié)逆變器(SQRPWMDCLI)電路即是其中的有代表性的一個(gè)。

由于在SRDCLI電路中諧振電流的峰值有可能達(dá)到負(fù)載電流的6～7倍，所以在SQRPWMDCLI電路中使用了飽和磁芯的變壓器對(duì)該峰值進(jìn)行無源箝位，同時(shí)在諧振回路中增加了一個(gè)輔助開關(guān)Sr和二極管Dr，以控制諧振的發(fā)生和結(jié)束，從而使該電路能夠?qū)崿F(xiàn)PWM調(diào)制技術(shù)。

　　SRDCLⅠ電路的負(fù)載一定是容性的，如果負(fù)載為感性，則需要在輸出端增加電容。另外，由于在SRDCLⅠ電路中的功率開關(guān)在ZCS條件下開通和關(guān)斷，所以它有可能在較高的開關(guān)頻率下使用諸如晶閘管大功率器件，從而使該電路在大功率／高性能的應(yīng)用場(chǎng)合，如電機(jī)驅(qū)動(dòng)方面極具吸引力。

4結(jié)語

本文系統(tǒng)地回顧和簡(jiǎn)要地分析了軟開關(guān)技術(shù)的發(fā)展和一般原理。給出了每種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基本工作原理和一些主要的應(yīng)用。軟開關(guān)技術(shù)雖然在減小開關(guān)損耗，提高功率密度方面有很強(qiáng)的優(yōu)越性，但也存在著許多諸如開關(guān)應(yīng)力和控制復(fù)雜等缺點(diǎn)。這也使它的實(shí)際應(yīng)用還不非常廣泛。無論如何，各種各樣拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會(huì)在一定程度上解決許多方面的問題并克服許多缺點(diǎn)。還有許多方面的課題有待去探索和解決，并在不久的將來會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用。