諧振軟開關技術及其在逆變電源中的應用

摘要：為了獲得更高的性能指標、更高的效率、更高的功率密度，軟開關技術已經在DC/AC逆變器中得到了廣泛的應用。然而，在這一領域中所做的大量工作并沒有得到廣泛的認識，撰寫本文的目的在于嘗試著對軟開關技術的DC/AC電路進行一個簡單的分類，并對其工作原理、性能、設計上的局限性及其優缺點進行扼要的分析。也重點討論了諧振軟開關技術在逆變電源中的應用。

關鍵詞：零電壓開關零電流開關諧振軟開關

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，脈寬調制(PWM)技術已經成為功率電子技術中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)、電機驅動、感應加熱等領域得到了廣泛的應用。然而，由于開關損耗和半導體器件額定電流的限制，使得逆變器中的開關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。當然，開關頻率的提高要受到以下因素的影響：

●在功率開關開通和關斷過渡期間的開關應力(很高的電壓和電流峰值)，將會導致器件的安全工作區(SOA)加大；

●開關損耗；

●嚴重的di/dt和dv/dt將會產生電磁干擾(EMI)。

　　與PWM硬開關電路相反，在諧振軟開關電路中，開關器件在零電壓或零電流條件下切換，理論上開關損耗為零。因此，與硬開關電路相比，在采用同一類型開關器件的條件下，諧振軟開關電路可以很輕松地在高出一個或幾個數量級的開關頻率下工作。高的開關頻率使諧振軟開關電路具有許多明顯的優點，如低噪音，低電磁干擾(EMI)，輸出波形的諧波成分少；另外，由于開關器件在零電壓或零電流條件下動作，開關器件的動態過程大為改觀，這使得緩沖電路成為多余，散熱器尺寸明顯減小，從而使設備尺寸及重量也隨之大量減小，開關器件可在高可靠性和高效率條件下工作。總而言之，人們過去在硬開關PWM電路設計中追求的許多目標，在軟開關條件下都很容易實現。

　　由于諧振軟開關逆變電路與常規硬開關逆變電路比較具有明顯的優點，因此，近十年來，國內外的許多研究人員每年都有大量的關于這個領域研究的論文發表，目前已提出多種不同拓撲結構的諧振軟開關逆變電路。

2軟開關逆變器拓撲結構分類

圖1軟開關技術逆變器分類

總的來說，逆變器根據其開關特性可分為硬開關技術與軟開關技術，所謂硬開關技術是指在開關切換瞬間，開關兩端有電壓或電流，所以不可避免的會產生開關損耗和EMI問題。同時，由于寄生電容和漏感的存在，在開關切換瞬間還會出現很高的電壓/電流峰值。而軟開關技術則是讓開關在兩端電壓或電流為零或極小的瞬間切換，從而避免了開關損耗和EMI問題。產生這個零電壓或零電流瞬間的方法則是在硬開關技術拓撲結構的基礎上增加由電感L、電容C或其它諸如二極管或輔助開關等元器件組成的諧振網絡，使主開關兩端的電壓或電流始終在零點附近振蕩或穿過零點，從而給開關的零電壓/零電流切換（即軟開關技術）提供了可能的條件。

　　諧振環節位置和結構的變化，開關波形的特性不同及諧振的形式(如并聯或串聯)，也使得軟開關技術DC/AC逆變器電路拓撲變得多種多樣。圖1給出了軟開關技術逆變器的一個分類圖。

●負載諧振(LoadResonance)

把LC諧振網絡以串聯或并聯的方式加在負載側，為逆變橋主功率開關器件創造一個ZVS或ZCS條件。而DC總線側的電壓或電流波形保持不變。

●諧振過渡(Resonanttransition)

　　把LC諧振網絡加在逆變橋上，開關上的寄生電容也成為諧振模式的一部分，為主功率開關器件創造一個ZVS或ZCS條件。而輸入端DC總線波形保持不變。

●諧振環節(ResonantLink)

　　把諧振網絡加在輸入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，為功率開關器件創造軟開關技術條件，所以，它和傳統意義上的PWM系統，有著較大的區別。

3軟開關逆變器拓撲結構的分類

31負載諧振逆變器

　　諧振網絡和負載相連，在整個開關周期內(Ts=1/fs)以頻率fr進行振蕩，這種負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造ZVS或ZCS條件，逆變橋可以是半橋或全橋結構。一般情況下，分為兩類：

　　第一串聯諧振拓撲結構：諧振網絡和逆變橋串聯，逆變橋給諧振網絡提供一個方波電壓。負載和諧振網絡之間的連接是多種多樣的，串聯/并聯/混合諧振結構(如串/并、并/串和多諧振)。

　　第二并聯諧振拓撲結構：諧振網絡和逆變橋并聯，逆變橋給諧振網絡提供一個方波電流，同樣，負載和諧振網絡之間也可以是串聯或并聯。

　　下面列出負載諧振轉換器的兩個實例和一些基本特點：

　　(1)串聯諧振/并聯負載逆變器(SRPLI)

圖2示出了一個半橋的SPRLI電路。這種電路的特點是：

　　當fr ， 輸 出 阻 抗 為 容 性 ， 主 開 關 和 二 極 管 在 ZCS條 件 下 開 通 或 關 斷 。 有 源 開 關 的 開 通 取 決 于 電 路 的 控 制 信 號 ， 而 它 的 關 斷 則 依 靠 功 率 電 路 的 自 然 換 流 。 由 于 負 載 和 諧 振 電 容 并 聯 ， 可 以 明 顯 縮 小 輸 出 電 壓 的 畸 變 。 在 實 際 應 用 中 ， 為 了 限 制 功 率 開 關 中 的 短 暫 沖 擊 電 流 ， 應 該 給 每 個 功 率 開 關 串 聯 一 個 電 感 。 這 種 電 路 廣 泛 地 應 用 于 感 應 加 熱 、 航 空 電 源 等 大 功 率 (20kHZ/10kVA左 右 )場 合 。

當fr>fs時，SRPLI工作在ZVS條件下，為了避免開關的關斷損耗，功率開關應該并聯一個吸收電容。這種情況下，如果構成全橋電路，其輸出可采用移相調制的方法來控制。該結構還有一些特征，即相對于開關周期來說，諧振只發生在一個很短的瞬間，而

圖2SRPLI電路

圖3PRSLI電路

且開關上的寄生電容和隔離變壓器上的漏感抗在逆變側成為諧振網絡的一部分。由于這種電路的這些特點，它已廣泛應用于高頻電源的設計中。

　　SRPLI電路的優點是：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的瞬態變化使得開關頻率漂移，從而不便調整輸出電壓。

(2)并聯諧振/串聯負載逆變器(PRSLI)

　　圖3示出了一個典型的PRSLI結構，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與負載串聯并向其提供調制電流。當fr ， 輸 出 阻 抗 為 感 性 ， 這 樣 ， 開 關 的 開 通 時 間 取 決 于 電 路 的 自 然 特 性 ， 而 開 關 的 關 斷 由 控 制 信 號 決 定 。 例 如 ， 只 有 當 開 關 S1兩 端 的 電 壓 回 到 零 時 ， 它 才 能 開 通 。 然 而 ， 開 關 S1可 以 在 任 何 時 間 被 控 制 信 號 關 斷 ， 并 且 由 諧 振 電 容 進 行 續 流 。 在 該 電 路 中 ， 由 于 諧 振 電 容 的 作 用 ， 開 關 在 零 電 壓 (ZVS)條 件 下 開 通 和 關 斷 。 由 于 主 開 關 上 的 電 壓 是 交 變 的 ， 所 以 主 開 關 必 須 具 有 反 向 關 斷 能 力 ， 如 果 使 用 快 速 開 關 型 的 主 功 率 器 件 (MOSFET和 IGBT等 )時 ， 續 流 二 極 管 一 定 要 和 主 開 關 器 件 串 聯 以 防 止 反 向 擊 穿 。 當 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 文 獻 已 給 出 了 這 個 問 題 的 詳 細 分 析 。

(3)負載諧振逆變器的一般特性

　　負載諧振逆變器主要適用于連續負載，諧振發生在整個開關周期。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，諧振網絡的品質因素Q必須盡可能地高。品質因素Q的定義如下：(1)

　　從式(1)中可以看出，當要求品質因素Q較高時，必須使諧振環節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，串聯諧振逆變器應用的最大功率就受到了一定的限制。但在諧振頻率附近，負載諧振逆變器能夠提供易于調節的輸出電壓，這時，負載上的功率因數接近于1，而且功率器件上的電壓和電流變化率較小。