第４９卷第４期 ２０１５年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｅｔｒｏｎｉｅｓ Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１５ 新型并联谐振直流环节零电压开关逆变器 王 强 （辽宁石油化工大学，信息与控制工程学院，辽宁抚顺１１３００１） 摘要：此处提出了一种新型的谐振直流环节软开关逆变器。通过在传统硬开关逆变器的直流环节添加辅助谐 振单元，实现了逆变桥开关器件的脉宽调制（ＰＷＭ）软开关动作，同时，辅助谐振单元的开关也为软开关操作， 逆变器中的续流二极管和辅助谐振单元中的二极管的反向恢复损耗也减小了，而且开关器件承受的电压都没 超过直流电源电压。该软开关逆变器控制简单且不依赖于负载条件，过渡过程所需时间可自由选择。对逆变器 工作原理进行了分析，制作了一个１０ ｋＷ的实验样机，实验结果验证了该软开关逆变器的有效性。 关键词：逆变器：谐振直流环节；脉宽调制 中图分类号：ＴＭ４６４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１５）０４—００３９—０３ Ｎｏｖｅｌ Ｐａｒａｌｌｅｌ Ｒｅｓｏｎａｎｔ ＤＣ Ｌｉｎｋ Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ＷＡＮＧ Ｑｉａｎｇ （Ｌｉａｏｎｉｎｇ Ｓｈｉｈｕａ Ｕｎｉｖｅｒｓ ，Ｆｕｓｈｕｎ １１３００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｎｏｖｅｌ ｒｅｓｏｎａｎｔ ＤＣ ｌｉｎｋ ｓｏＲ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ，ａｎｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｒｅｓｏｎａｎｔ ｕｎｉｔ ｉｓ ａｄｄｅｄ ｔｏ ＤＣ ｌｉｎｋ ｏｆ ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｓｏｆｔ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ａｌｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ ｉｎ ｉｎｖｅｒｔｅｒ．Ｒｅｖｅｒｓｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｌｏｓｓｅｓ ｏｆ ｍａｉｎ ｄｉｏｄｅｓ ａｎｄ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｄｉｏｄｅｓ ａｒｅ ｍｉｎｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ｖｏｌｔａｇｅ ａｃｒｏｓｓ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅ－ ｖｉｃｅｓ ｉｓ ｎｏ ｈｉｇｈｅｒ ｔｈａｎ ＤＣ－ｓｏｕｒｃｅ ｖｏｌｔａｇｅ．Ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｉｓ ｓｉｍｐｌｅ ａｎｄ ｌｅｓｓ ｄｅｐｅｎｄａｎｔ ｏｎ ｌｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｉｉｔｏｎ ｉｓ ｆｒｅｅｌｙ ｓｅｌｅｃｔｅｄ．ｈｅ ｗｏｒｋｉＴｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａ １０ ｋＷ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｏ－ ｔｙｐｅ ｉｓ ｂｕｉｈ ａｎｄ ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｌ ｒｅｓｕｌｔａｓ ａｒｅ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｔｏ ｃｏｎｆｉｒｍ ｖａｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｓｏｆｔ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｖｅｒｔｅｒ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｉｎｖｅｒｔｅｒ；ｒｅｓｏｎａｎｔ ｄｉｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｌｒｉｎｋ；ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｃｈｉｎａ Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒｌａ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ（Ｎｏ．２０１３Ｍ５３１３４９）；Ｊｉａｎｇｓｕ Ｐｌａｎｎｅｄ Ｐｒｏｊｅ－ ｃｔｓ ｆｏｒ Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒｌａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｆｕｎｄｓ（Ｎｏ．１３０１ １０５Ｃ） １ 引 言 为克服目前谐振直流环节软开关逆变器存在 的一些缺点。提出了一种新型的谐振直流环节软 开关逆变器，弥补了上述提及的不足，且具有以下 传统的开关器件工作在硬开关状态。在提高 开关频率的同时．开关损耗和电磁干扰也随之增 加。软开关技术是指通过辅助谐振电路使开关管 开通前电压先降为零，关断前电流先降为零。实现 零电压开关（ｚｖｓ）开通，零电流开关（ｚｃｓ）关断； 或通过辅助谐振电路降低开关管开通瞬间电流的 上升率和开关管关断瞬间电压的上升率。实现 特点：①谐振电容未直接跨接在直流母线之间。而 是将两个谐振电容串联后，一端接在直流母线的 正极。另一端接在用于形成直流电源中点的两个 电解电容之间，当直流母线电压从零开始回升时． 谐振电容承受的最大电压不会超过直流电源电 ＺＣＳ开通和ＺＶＳ关断。从而大大降低了开关功率 损耗，减少了噪声污染和电磁干扰『１］。 近些年．研究人员提出了许多改进的谐振直 流环节逆变器的拓扑结构。包括有源箝位谐振直 压；②拓扑结构中只有两个辅助开关器件。控制相 对简单，辅助开关器件可以实现ＺＣＳ关断，消除 了拖尾电流造成的关断损耗，而且辅助开关器件 承受的电压被在直流电源电压以下：③谐振 流环节逆变器【 －３］、并联谐振直流环节逆变器【 ， 但这些谐振直流环节逆变器仍需进一步完善。 基金项目：中国博士后科学基金（２０１３Ｍ５３１３４９）；江苏省 博士后科研资助计划项目（１３０１１０５Ｃ） 定稿日期：２０１４—０４—３０ 网络无谐振阈值；④谐振过程所用的时间较 短，消耗功率较小；⑤逆变桥的续流二极管和谐振 电路中的辅助二极管实现了软性关断。克服了反 向恢复问题。而且辅助二极管承受的电压不高于 作者简介：王 强（１９８１一），男，辽宁沈阳人，博士，副教 授，研究方向为软开关逆变器电路拓扑及控制。 直流电源电压；⑥可实现ＰＷＭ控制且方法简单； ⑦逆变器开关操作均为ＺＶＳ，谐振单元的辅助开 关器件操作为ＺＣＳ，克服了电磁干扰问题，提高了 运行效率。 ３９ 第４９卷第４期 ２０１５年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．４９．Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１５ ２新回路的拓扑结构及动作原理 ２．１拓扑结构 新回路的拓扑结构如图１所示，由直流电源、 辅助谐振电路和ＰＷＭ逆变器电路组成。辅助谐 振电路包括电解电容 和 、均压电阻尺 和 Ｒ 、谐振电容ｃｒ。和ｃｒ２、谐振电感 和 、辅助二 极管ＶＤ扒辅助开关器件Ｖ 和Ｖ 。及其反并联二 极管ＶＤ 和ＶＤ 。辅助谐振电路为ＰＷＭ逆变器 开关器件提供ＺＶＳ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。为简化分析，假设：①器件均为理想工作状 态；②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厶；③逆 变桥开关状态过渡瞬间。续流二极管等效为 ＶＤ ，所以新型的拓扑结构可等效为图２所示的 电路。作为初始条件设Ｇ。的电压ＵＣｒＩ＝一Ｅ／２，Ｃｒ２的 电压Ｍ ＝Ｅ， ，Ｃｒ２比ｃｎ， 小很多。为使ｃｎ， 承受的电压相等，尺 和 为大阻值小功率的电 阻。，ｎ以图２所示方向流过，各部分的电流电压都 ０ Ｅ ０ ０Ｅ ０ ０ ．． 以图１所示的方向为正。 辅助谐振电路ＰＷＭ逆变器 一一 一一一一一一一’一’一 一一：：’一 ’一’ ’ 一一 ’ 一一’一 二 二 图１ 三相谐振直流环节逆变器主电路 Ｆｉｇ．１ Ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ・ｐｈａｓｅ ｒｅｓｏｎａｎｔ ＤＣ Ｌｉｎｋ ｉｎｖｅ￣ｅｒ ＰＷＭ逆变器等效电路 ■ 一一 一 ｒ－－－－’＝ ：： ：－＝ ＝ ＝－＝－＝－＝－＝ ｉＬ．嚣臂．．一露：．． ’。’。 Ｉ ｉ ：。＝。＝。＝ 。＝。＝。＝。＝。＝’＝。 ｖ。 厶（｛）．‘ｊ 图２逆变器的等效电路 Ｆｉｇ．２ Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ２．２ 动作原理 电路在一个开关周期内可分为１２个工作模 式，其特征工作波形如图３所示。各工作模式如下。 模式１（ｔｏ￣ｔ ） 初始状态，负载电流，０经过 Ｖ ，此时Ｖ 处于开通状态，电路工作在稳态。 模式２（ｔ。～ｔ ）ｔ。时刻，给Ｖ 触发信号，使其 导通，在 的作用下降低了流过Ｖ 电流的上升 率，所以Ｖ 。实现了ＺＣＳ开通。Ｖ 开通后， 和 开始谐振，谐振电流 厶。开始增大，流过Ｖ。 的电流逐渐减小到零，然后ＶＤ 导通，电流开始反 ４０ 向增大。在电流流过ＶＤ 时，关断Ｖ。，所以Ｖ。是在 零电压零电流的条件下完成了关断。当流过ＶＤ 的电流减小到零时，模式２结束。 图３ 电路的特征工作波形 Ｆｉｇ．３ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｗｏｒｋｉｎｇ ｗａｖ（￣ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｃｉｒｃｕｉｔ 模式３（ｔ２￣ｔ ） ／ｏ通过￡ｒ１， 和ｃｒ２所在的支 路续流， 放电，／／，Ｃｒ２线性减小。 。和 。继续谐 振。当ａｃｔ２线性减小到零时，ＶＤ以导通，模式３结束。 模式４（ｔ３～ ４） ＶＤａ２导通后， ｒｌ’ ， 和ｃｒ２ 开始谐振，流过Ｖ 的电流减小到零以后，ＶＤ 。开 始导通，在电流流过ＶＤ ，时，关断Ｖ ，所以Ｖ 。是 在零电压零电流的条件下完成了关断。当流过 ＶＤ 的电流减小到零时，模式４结束。 模式５（ｔ４～ｔ５） 厶通过 ，Ｃ。和 所在的支 路续流，ｃｒ１被反向充电， 。反向线性增大， 和 ｃｒ２继续谐振，ＵＣｒ２逐渐减小。当ＵＣｒｌ＋／／，Ｃｒ２＝一０．５Ｅ时， ＶＤｉ 开始导通，模式５结束。 模式６（如一ｔ６）Ｌ ，Ｃｒｌ和 继续谐振，当 减小到零时，ＶＤ以自然关断，因为ＶＤ吐的反向阻 断作用， 不能反向增大，谐振过程结束，模式６ 结束。此模式中， Ｄ。与ＵＣｒ２之和始终等于一０．５Ｅ 时，ｖＤ．刑保持导通。 模式７（ｔ ～ｔ７）ＶＤ．哪和，０构成回路，与传统的 逆变器工作状态相同，直流环节电压为零，ＶＤ．唧 导通，逆变桥功率器件可完成一次零电压零电流 开关过程，且此段时间可控，等开关过程结束后， 进行母线电压回升。 模式８（ｔ７－ｔ。）ｔ 时刻，给Ｖ 触发信号，使其 导通，在厶。的作用下，降低了流过Ｖ 的电流上升 率，所以Ｖ 实现了ＺＣＳ开通。Ｖ 开通后， ｒｌ＇ 和 开始谐振， 开始增大，流过ＶＤ 的电流逐渐 减小，当减小到零时，ＶＤ 自然关断，模式８结束。 模式９（ｔｓ￣ｔ９） ，０通过 ｒ１，Ｇ１和ｃｒ２所在的支 路续流， 放电，ａｃｔ２线性减小。 。和Ｃｒ。继续谐 振。当／／＇Ｃｒ２线性减小到零时，ＶＤ止导通，模式９结束。 模式１０（ｔ９～ｔ１ｏ）在ＶＤａ２导通后， ， ，ｃｒ１和
