詳解高頻脈寬調(diào)制技術(shù)在逆變器中的實(shí)例應(yīng)用

由于對(duì)逆變器高頻化的追求，硬開(kāi)關(guān)所固有的缺陷變得不可容忍：開(kāi)通和關(guān)斷損耗大;容性開(kāi)通問(wèn)題;二極管反向恢復(fù)問(wèn)題;感性關(guān)斷問(wèn)題;硬開(kāi)關(guān)電路的 EMI問(wèn)題。因此，有必要尋求較好的解決方案盡量減少或消除硬開(kāi)關(guān)帶來(lái)的各種問(wèn)題。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)是克服以上缺陷的有效辦法。最理想的軟開(kāi)通過(guò)程是：電壓先下降到零后，電流再緩慢上升到通態(tài)值，開(kāi)通損耗近似為零。因功率管開(kāi)通前電壓已下降到零，其結(jié)電容上的電壓即為零，故解決了容性開(kāi)通問(wèn)題，同時(shí)也意味著二極管已經(jīng)截止，其反向恢復(fù)過(guò)程結(jié)束，因此二極管的反向恢復(fù)問(wèn)題亦不復(fù)存在。最理想的軟關(guān)斷過(guò)程為：電流先下降到零，電壓再緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于功率管關(guān)斷前電流已下降到零，即線路電感中電流亦為零，所以感性關(guān)斷問(wèn)題得以解決。

基于此，本文探討性地提出了一種用于全橋逆變器的，HPWM控制方式的ZVS軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，如圖1所示。其出發(fā)點(diǎn)是在盡量不改變硬開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即盡量不增加或少增加輔助元器件的前提下，有效利用現(xiàn)有電路元器件及功率管的寄生參數(shù)，為逆變橋主功率管創(chuàng)造ZVS軟開(kāi)關(guān)條件，最大限度地實(shí)現(xiàn)ZVS，從而達(dá)到減少損耗，降低EMI，提高可靠性的目的。

圖1 HPWM控制方式

HPWM控制方式下實(shí)現(xiàn)ZVS的工作原理

考慮到MOS管輸出結(jié)電容值的離散性及非線性，每只MOS管并聯(lián)一小電容，吸收其結(jié)電容在內(nèi)等效為C1-C4，且 C1=C2=C3=C4=Ceff;D1-D4為MOS管的體二極管，則HPWM軟開(kāi)關(guān)方式在整個(gè)輸出電壓的一個(gè)周期內(nèi)共有12種開(kāi)關(guān)狀態(tài)?；谡?fù)半周兩個(gè)橋臂工作的對(duì)稱性，以輸出電壓正半周為例，其等效電路模式如圖2所示。圖3給出了輸出電壓正半周的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的電路的主要波形，此時(shí)S4常通，S2關(guān)斷。由于載波頻率遠(yuǎn)大于輸出電壓基波頻率，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)近似認(rèn)為輸出電壓Uo保持不變，電感電流的相鄰開(kāi)關(guān)周期的瞬時(shí)極值不變。

圖2 HPWM軟開(kāi)關(guān)方式工作狀態(tài)及電路模式

圖3 ZVS方式主要波形

1)模式A[t0，t1] S1和S4導(dǎo)通，電路為+1態(tài)輸出模式，濾波電感電流線性增加，直到t1時(shí)刻S1關(guān)斷為止。電感電流：

2)模式A1[t1，t2] 在t1時(shí)刻，S1關(guān)斷，電感電流從S1中轉(zhuǎn)移到C1和C3支路，給C1充電，同時(shí)C3放電。由于C1、C3的存在，S1為零電壓關(guān)斷。在此很短的時(shí)間內(nèi)，可以認(rèn)為電感電流近似不變，為一恒流源，則C1兩端電壓線性上升，C3兩端電壓線性下降。t2時(shí)刻，C3電壓下降到零，S3的體二極管D3自然導(dǎo)通，結(jié)束電路模式A1。