新型谐振直流环节软开关逆变器

第３２卷第６期电力自动化设备

ＥｌｅｃｔｒｌｃＰｏｗｅｒＡｕｒｏｒａａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ

Ｖ０１．３２Ｎｏ．６

ｏ

２０１２年６月Ｊｕｎ．２０１２

新型谐振直流环节软开关逆变器

贺虎成

（西安科技大学电气与控制工程学院，陕西西安７１００５４）

摘要：为了提高开关变换器的效率和增强性能。提出了一种新的谐振直流环节软开关电压源逆变器，通过在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐振单元。使直流环节电压周期性出现零电压凹槽．实现逆变桥开关器件在零电压条件下的切换。减小了开关损耗和二极管的反向恢复损耗。同时，辅助谐振单元的开关也为零电流或零电压条件下的软开关操作。详细阐述了该软开关逆变器拓扑的工作原理和动作模式．并对软开关动作时序的瞬态过渡过程进行了数学分析。最后．对提出的新型软开关逆变器驱动三相Ｒ－Ｌ负载进行了仿真研究．仿真结果验证了电路结构和理论分析的正确性与可行性。关键词：谐振：逆变器：反向恢复：零电压开关：零电流开关中图分类号：ＴＭ

４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１００６—６０４７（２０１２）｝０６—００５６一０４

节软开关逆变器的缺点．但谐振电路中需要增加３个辅助开关及相应的３套驱动单元和驱动电源．增加了系统附加成本和控制的复杂程度。

本文提出了一种零电压开关并联谐振直流环节软开关逆变器，弥补了上述不足。系统主电路包括直流电源、谐振电路、三相电压源逆变器和负载。谐振电路为电压源逆变器开关提供零电压开关条件。三相逆变桥的开关器件在直流母线零电压凹槽期间关断或开通．功率器件开关时无电压和电流的重叠。从而降低了开关损耗。

０引言

为减小体积和增强性能．电力电子装置通常运行在高频状态。若简单地提高开关频率将导致开关损耗增加．系统整体效率下降．且过高的ｄｕ／ｄｔ和ｄｉ／ｄｔ将产生严重的电磁干扰（ＥＭＩ）．功率开关器件开通和关断瞬间的电压和电流尖峰可能使功率器件的运行轨迹超出安全工作区．导致功率开关器件损坏ｍ引。

软开关技术被认为是解决上述问题的有效方法

之一［¨］．２０世纪８０年代初提出的谐振开关——软性

开关的概念．成为了电力电子领域的研究热点。谐振直流环节软开关逆变器的研究出现了许多拓扑和控制方法【７．１２１。文献［８］提出的谐振直流环节逆变器（ＲＤＣＬｌ）的电路简单，但谐振电压峰值过高，谐振电感位于主回路，使电感体积和损耗增大．同时不能进行脉冲宽度调制（ＰＷＭ）且控制复杂。文献［９］提出的有源箝位谐振直流环节逆变器（ＡＣＲＤＣＬＩ）的电路只用一个辅助开关．但功率器件的电压应力大，谐振电感仍连接于主回路．同时进行脉冲密度调制（ＰＤＭ）将伴随谐波问题。文献［７，１０．１１］提出的并联谐振直流环节逆变器（ＰＲＤＣＬＩ）将电感移出主回路．但谐振时需要设置合适的电感电流阈值或进行电容预充电．增加了控制难度且影响可靠性。文献［１２．１５１提出的零电压转换ＰＷＭ并联谐振直流环节逆变器（ＺＶＴ．ＰＷＭ．ＰＲＤＣＬＩ）克服了上述直流环

收稿日期：２０１１一０４一１２；修回日期：２０１２—０４—２１

１工作原理解析

图１为ＰＲＤＣＬ电压源逆变器主电路。

围１

Ｆｉｇ．１

ＰＲＤＣＬ逆变器

ＰＲＤＣＬｉｎｖｅｒｔｅｒ

为了分析方便．假设：器件均为理想工作状态；负载电感远大于谐振电感．逆变桥开关状态过渡瞬间的负载电流可以认为是恒流源，ｏ；逆变桥开关状态过渡瞬问。续流二极管等效为Ｖ叭电路状态的变化按阶段模式分别描述．并将每一阶段的起始时刻都定义为该阶段的零时刻。

ＰＲＤＣＬ电压源逆变器过渡状态的等效电路如图２所示．电压和电流的参考方向如图中箭头方向所示。ＰＲＤＣＬ电压源逆变器在一个开关周期内可以分

基金项目：陵西省自然科学基础研究计划资助项目（２００９ＪＱ７０１２）；

陕西省教育厅科研计划项目ｆ１１ＪＫ０８８６）

ＰｒｏｊｅｃｔｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙｔｈｅＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＢａｓｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｌａｎｉｎＳｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｅｏｆＣｈｉｎａ（２００９ＪＱ７０１２）ａｎｄＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒａｍＦｕｎｄｅｄｂｙ￥ｈａａｎｘｉＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＥｄｕｅａｔｉｏｎＤｅｐａｍｎｅｎｔ（１ＩＪＫ０８８６）

一

万方数据

第６期

贺虎成：新型谐振直流环节软开关逆变器

团

为６个工作模式，它们的工作波形如图３所示。图３时，Ｌ，承受的外加电压为零，屯停止增大，即达到负的最大值。随着ｃｒ的放电，ｕ。（ｔ）逐步下降，当“凸（￡）＜

中ｄ。和如分别为辅助开关Ｖ和Ｖ，的驱动信号，ｕｃｒ

为电容ｃｆ两端的电压，即直流环节或直流母线电压，ｉ厶为谐振电感￡，的电流。

争时，￡，承受的外加电压反方向，故Ｌ，上反电势变换

Ｚ

｝－随扣叫

图２逆变器等效电路

Ｆｉｇ．２

Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ

ｃｉｒｃｕｉｔｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ

ｊ；ｉ：！

方向，０逐渐减小。电感电流负的最大值为：

ｋ＝，０一｝、／（丁Ｅ）２＋（ｘ，／ｏ）２ｒ…’

，Ｌ

（４）

１．３模式ｃ（ｔ２一ｔ３）

ｔ＝ｔ２时，直流母线电压下降至零，即ｕ凸（ｔ）＝０，负载电流，ｏ流过续流二极管Ｖ巧，同时，电感电流也下。降到零，此时关断Ｖ，，则Ｖ，为ＺＣＳ软关断。在ｔ２ｔ，

阶段，逆变桥续流二极管和负载电流构成回路，和传统的逆变器工作状态相同；直流母线电压为零．逆变桥功率开关可以完成ＺＶＳ过程．且此段时间可以控制。等开关过程结束后．可进行母线电压回升。１．４模式ｄ（ｔ３．ｖｔ４）

当ｔ＝ｔ３时，ＺＣＳ下开通Ｖ。则电感电流线性增加，并通过逆变桥开关向负载供电，使流过续流二极管Ｖ“的电流线性减小。当ｔ＝ｔ４时。电感电流和负载电流相等，使Ｖ“软关断。则有：

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（５）

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图３逆变器动作波形

Ｆｉｇ．３

Ｏｐｅｒａｔｉｎｇｗａｖｅｆｏｒｎｕｏｆｉｎｖｅｒｔｅｒ

１．５模式ｅ（ｔ４一ｔ５）

ｔ＝ｔ４时。电感电流和负载电流相等且继续增加．电感电流一部分和负载电流保持平衡．另一部分使得电感和电容ｃｒ发生自然谐振。电容Ｃ电压上升。ｔ＝ｔ，时，电感电流达到最大值。在谐振过程中，直流母线电压上升至电源电压Ｅ。回路方程可表示为：

１．１模式ａ｛ｔｏ～ｔ１）

假定这是电路的初始状态，Ｖ，断开．Ｖ导通。电源Ｅ经Ｖ向逆变器提供电流，则有ｉｔ，（ｔ）＝０和ｕｃ，（ｔ）＝Ｅ。１．２模式ｂ（ｔ】—ｔ２）

ｔ＝ｔ。时，关断开关Ｖ，由于电容Ｃ的电压不能突变，所以为零电压开关（ｚｖｓ）；同时开通Ｖ。由于电感电流不能突变，所以为零电流开关（ＺＣＳ）。回路方

程为：

厶掣札：∽，－亍∞）－，ｏ＋ｃｒ掣

线方程可表示为：

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