諧振軟開關技術及其在逆變電源中的應用

32諧振過渡逆變器

　　在這種逆變器中，輸入總線電壓或電流是固定不變的，而軟開關條件的實現是通過逆變開關兩端的電壓和電流諧振而產生的。理想狀況下，諧振只發生在開關過渡的瞬間，而且應該使諧振電路在功率傳遞到負載的過程中吸收的能量達到最小值，當然諧振能量一定要足夠大(與負載的變化無關)，以滿足產生ZVS或ZCS的條件。

　　這類逆變器包括極諧振電路、諧振吸收電路、準諧振電路和軟開關過渡技術的PWM轉換(ZVT和ZCT)。

(1)極諧振逆變器(RPI)

　　極諧振技術的最早應用是在DC/DC變換器中，但后來在DC/AC逆變器中被證明也是一種較方便的方法。這一類逆變器的共同特點是：輔助諧振電路放置在逆變橋上。對于三相逆變器來說，輔助諧振電路由原來的一組變為三組，即每橋臂均配有一組，通過輔助諧振電路，使每一相極點(即每一橋臂上下開關器件連接點)電壓產生諧振，從而為開關器件創造了零電壓導通條件。

　　圖4給出了一個單相極諧振逆變器(RPI)的原理圖。

圖4單相RPI電路

工作過程簡述如下：

　　設主開關器件上的電壓是Us，諧振電感不斷地被極電壓Us所充電和放電，且供給負載一個交變的電流，電感Lr和電容Cr的諧振只發生在極電壓反向瞬間。

　　假設S2導通，S1處于關斷狀態，為了激活RPI工作過程，S2在ZVS處關斷，并聯諧振電感Lr在兩個諧振電容Cr之間進行能量的交換。S1上的電壓達到零點時由二極管D1導通，對負載電流進行續流。這時，諧振電感被直流電壓充電至Us/2，且S1可在此刻實

圖5ARCPI電路

現ZVS導通。事實上，由于諧振過程僅僅只發生在開關周期的極小一部分，這種拓撲結構也被稱為準諧振ZVS。

　　極諧振逆變器發展的最大障礙是開關的沖擊電流，這是由于為了給主開關器件創造一個ZVS的條件，必須使電感電流足夠大以滿足和諧振電容之間的能量交換，由此而引起開關上的電流峰值和有效值至少分別是負載電流的2倍和12倍。所以功率器件的感性損耗可能要比傳統意義上的PWM逆變器高出很多，而且導致了過高的元器件成本和過低的開關利用率。

　　另一方面，對于那些較輕的負載，電感電流還不一定會有效地創造出ZVS條件，使得逆變器的帶載能力范圍受到了限制。還有，由于諧波電感和負載串聯，所以這種結構的逆變器似乎也不適合于電動機的驅動。

　　(2)諧振吸收逆變器

　　諧振吸收逆變器也稱為輔助諧振轉換極逆變器(ARCPI)，其基本結構如圖5所示。

　　在該電路中，對應每一相，都有一個LC的諧振轉換環節。諧振轉換電路包括諧振電感Lr和并聯在每個主開關上的諧振電容Crp/Crn，主開關為自關斷器件。其工作原理也非常容易理解：假設負載電感L1遠大于諧振電感Lr，那么在主開關換向瞬間，負載電流可以看成是一恒流源，初始狀態io為圖示方向，開關Sp處于關斷，二極管Dn處于續流狀態，即主電流io流過Dn。開通V1及Sn，諧振電流iL開始線性增加，當iL到達io時，流過Dn的電流變為零，iL－io的差值流過開關Sn，當iL－io升高室整定值時，關斷Sn，諧振開始，在諧振期間，輸出電壓Uo從零增加，當Uo等于Us時，開關Sp就可以在零電壓下開通，同時iL下降為零時，在零電流條件下關斷V1。關于這種類型的逆變器的發展和應用請參閱參考文獻1。

　　(3)軟開關過渡PWM逆變器(ZVT－PWM、ZCT－PWM)：

　　軟開關過渡技術的概念最初的應用出現在AC/DC和DC/DC變換器中，后來才被擴展到DC/AC逆變器中。這種結構綜合考慮了PWM技術和軟開關技術的優點。在這種模式的逆變器電路結構中，直流總線上的電壓/電流是固定不變的，而逆變橋則采用傳統的PWM調制方式，增加了一個輔助的諧振電路。

　　輔助諧振電路只工作在逆變橋開關的切換瞬間，而開關周期的其余時間維持PWM調制的特點。輔助開關的工作過程一定要和PWM控制同步。

①ZVT－PWM逆變器

其三相電路如圖6所示。

當主功率開關零電壓/零電流過渡換向的時候，輔助開關Sr導通，經過二極管Dfb把多余的電感能量反饋回直流側。所有的二極管均在零電流條件下導通或關斷，而主功率開關在零電壓條件下切換，這樣開關損耗將會顯著地降低。

　　ZVT－PWM拓撲結構主功率器件通常選用MOSFET或IGBT。它們的寄生電容將成為諧振網絡的一部分。所以這種電路可以工作在很高的開關頻率下，除了主功率開關切換過渡的瞬間，這種電路的工作過程和傳統意義上的PWM電路完全類似。

　　顯然，諧振電感Lo和逆變橋上電容（C1～C6）之

圖6ZVT－PWM逆變器

圖7ZCT－PWM逆變器

間的諧振是有源開關獲得零電壓切換的必備條件。由于所有的有源器件ZVT開關過程都處于PWM操作過程當中，所以相對于傳統的PWM電路，這種拓撲電路中的開關順序就顯得比較復雜。

　　在這種電路結構中，由于負載電感不是逆變器零電壓工作的一部分，所以該電路可以用于電動機驅動。

②ZCT－PWM逆變器

　　其三相電路如圖7所示。

該逆變器電路實際上是一種在大功率晶閘管型逆變器中所使用的電流脈沖強迫換流電路的改進。電感Lo和電容Co之間的諧振給逆變橋上的有源開關在零電流條件下的關斷提供了一個沖擊電流。這就要求強迫給電路中開關上的電壓變化峰值要比DC總線上的電壓高出很多。為了在ZCS下換向，逆變橋中每個橋臂都需要兩個輔助開關，兩個續流二極管和一個電阻Rd。當然，這種器件數量的增加無疑使得電路的工作過程變得復雜起來。

　　ZCT－PWM逆變器優點是：由于所有的有源開關都是在ZCS條件下開通或關斷，顯著減小了有源開關和所有二極管上的電壓/電流變化峰值。另外和電流脈沖強迫換流電路相比，輔助電路諧振中的循環能量將隨負載電流的變化而被調整，但并不損耗，所以電流峰值大約只有負載電流的11倍，而且輔助電路中的電感損耗也明顯地減少。然而，ZCT－PWM逆變電路也存在著不足之處：逆變橋上的二極管和輔助開關都不是軟關斷，而是在一定的負載電流下關斷，所以關斷損耗對該電路來說是一個需要解決的問題。

③一般特性：

　　對于ZVT－PWM逆變電路，當輔助網絡工作時，無論是從直流側還是從負載側來看都是一個并聯諧振網絡，而對于ZCT－PWM逆變電路，卻是一個串聯諧振網絡。這兩種電路中逆變橋上的開關都各自獨立地在ZVS或ZCS條件下開通或關斷。然而在ZVT－PWM逆變電路中，輔助開關和所有的二極管只能在ZCS條件下開通或關斷，而在ZCT－PWM逆變電路中，輔助開關和逆變橋上的二極管卻都是在一定的負載電流下進行硬關斷。另外，在這兩種電路中，諧振網絡開關的位置和諧振吸收電路的拓撲結構很相似。近年來，對這種逆變器不斷探索改進的主要目標是使這種電路的工作特性更接近于傳統的PWM電路。