諧振軟開關技術及其在逆變電源中的應用

33諧振環節逆變器

　　在諧振環節逆變器的電路中，諧振環節位于直流總線上。根據該諧振環節的結構特性和開關模式，此種逆變器又分為以下兩種類型：

　　●諧振交流環節逆變器(RESONANTAC－LINKINVERTER—RACLI)

　　指的是諧振環節的輸出是交流的電壓或交流的電流，從而給逆變橋上的開關提供了ZCS或ZVS條件，同時也就要求逆變橋上的開關必須是雙向器件。

　　●諧振直流環節逆變器(RESONANTDC－LINKINVERTER—RDCLI)

　　指的是諧振環節的輸出是直流脈沖，同樣可以為逆變橋上的開關提供ZCS或ZVS條件，這時逆變橋上的開關只要求是單向器件。

(1)RACLI電路

　　圖8示出了串聯諧振交流環節逆變器(SRACLI)和并聯諧振交流環節逆變器(PRACLI)的電路。

　　在SRACLI電路中，諧振環節輸出一個正弦波電流，而在PRACLI電路中，諧振環節輸出一個正弦波電壓。它們的固定頻率：

圖8RACLI電路

（a）SRACLI電路（b）PRACLI電路

圖9PRDCLI電路

在圖8(a)所示SRACLI電路中，一般情況下，為了獲得較高的諧振頻率，串聯諧振環節都選擇較小的電感，同時，由于諧振環節的輸出是交變的電流，所以逆變橋上的開關必須是雙向開關，也可以是大功率的器件，如TRIAC。另外逆變橋工作在循環換流模式，諧振電流每周期兩次通過自然零點，而逆變橋上的開關也僅在此時進行換向觸發。

　　在圖8(b)所示PRACLI電路中，電感Lr和Cr并聯構成一個諧振環節，放置在DC總線和逆變橋之間，為逆變橋提供一個交變的電壓，而逆變橋上的開關只在零電壓瞬間進行切換。PRACLI電路中的開關同樣要求選用雙向開關器件以承擔交變電壓。

這種類型的逆變器基本的調制模式是DPM(DiscretePulseModulation)。這時候，開關控制信號使得主開關在半周期或全周期時刻觸發，把諧振環節的高頻脈沖傳送給輸出。輸出電壓中的脈沖數量取決于諧振環節的頻率，輸出基波幅值和期望輸出頻率。

(2)RDCLI電路

　　諧振直流環節逆變器也分為并聯諧振直流環節逆變器(PRDCLI)和串聯諧振直流環節逆變器(SRDCLI)。此時，諧振直流環節的輸出是一系列的直流脈沖電壓或直流脈沖電流。

　　①PRDCLI電路

圖9示出了一個三相PRDCLI電路，由Lr和Cr組成的諧振環節把輸入直流電壓轉換為一系列的高頻脈沖直流電壓波Ud(t)供給逆變橋，該脈沖電壓Ud(t)在過零時就為逆變橋開關提供了一個ZVS條件。

　　在實際電路中，由于每個諧振周期初始條件的可能變化，使得過零失敗或總線電壓Ud(t)過壓沖擊都可能發生。為了使得每個開關周期的初始條件相同，就需要采用一些特殊的控制策略。關鍵是通過控制電容的初始電流I0來解決過零問題和電壓問題，I0應該隨輸入電感初始電流IL0和逆變橋輸入電流Id的變化而變化。

　　這種類型逆變器基本的調制模式是DPM控制方式(比如δ調制)。DPM控制下的輸出頻率特性遠比PWM波形要差，只有當DPM逆變器的工作頻率高于PWM逆變器工作頻率幾倍時，兩者輸出波形品質才基本相當，而這一點對于RDCLI電路來說是不難做到的。

　　RDCLI電路也有不足之處，首先，由于在直流環節上進行電壓諧振，使得Ud高達2～3倍的Us，這樣一來逆變開關器件所承受的電壓應力明顯增加，另外，由于諧振電感Lr處于主功率傳送通道上，其電阻將消耗很大一部分輸入功率，造成逆變器效率降低及Lr發熱。為了解決這些問題，各國學者先后推出許多改進電路，其典型電路如下：

　　●有源箝位諧振直流環節逆變器(ACRDCLI)

　　其三相電路如釁10所示。

在并聯諧振直流環節電路中增加一個輔助開關SC和一個電壓吸收箝位電容(電解電容)，箝位電容上的電壓為(K－1)Us(K稱為箝位系數，K=12～14)，這種電路能取得較好的箝位電效果。但是，箝位電容的預充電問題和DPM調制方式使它的應用受到了限制。

　　●準諧振PWM直流環節

　　準諧振直流環節逆變器的基本思路是在RDCLI電路中增加一個輔助開關，以達到控制諧振過程的目的，讓諧振只發生在逆變橋開關換向的瞬間，其余的時間仍然可以采用PWM調制方式。通過控制諧振發生和終止時刻，總線上的輔助諧振網絡僅僅當逆變橋需要換向的時候被觸發，為逆變橋提供一個“電壓凹槽”(一個很短的零電壓間隔)，在這個“電壓凹槽”間隔中，逆變橋開關就可以在零電壓條件下換向，可達到限制Ud和降低Lr損耗的目的，以改善逆變器的特性。準諧振PWM直流環節逆變電路存在的最大問題是準諧振只發生在一個很小的脈沖范圍內，而不一定

圖10ACRDCLI電路

圖11SRDCLI電路

能有效地與發生在極短時間間隔內的PWM控制狀態相匹配。而近年來對空間矢量PWM調制方式的研究為這一問題的解決提供了一個熱點話題。

　　關于這一部分的詳細內容請參閱參考文獻4。

圖12SQRPWMDCLI電路

　　②SRDCLI電路

圖11給出了一個三相負載的SRDCLI電路。它實際上是PRDCLI電路的對偶電路，在這種電路中，一個很大的電感Ls給直流母線提供了偏置電流is，一個高頻的諧振環節LrCr串入主功率傳送通道，它們將會產生一個具有ZCS特征的直流母線電流id。這樣，在該電路中就可以使用大功率的晶閘管器件，也就是說這種電路可以應用到較大的功率水平。

　　在這種電路拓撲結構中，也存在著諸如過高的環節電流峰值和控制的復雜性等問題。以及與圖9中PRDCLC電路中存在問題的對偶問題。同時也出現了許多改進的拓撲結構電路。圖12串聯準諧振PWM直流環節逆變器(SQRPWMDCLI)電路即是其中的有代表性的一個。

由于在SRDCLI電路中諧振電流的峰值有可能達到負載電流的6～7倍，所以在SQRPWMDCLI電路中使用了飽和磁芯的變壓器對該峰值進行無源箝位，同時在諧振回路中增加了一個輔助開關Sr和二極管Dr，以控制諧振的發生和結束，從而使該電路能夠實現PWM調制技術。

　　SRDCLⅠ電路的負載一定是容性的，如果負載為感性，則需要在輸出端增加電容。另外，由于在SRDCLⅠ電路中的功率開關在ZCS條件下開通和關斷，所以它有可能在較高的開關頻率下使用諸如晶閘管大功率器件，從而使該電路在大功率／高性能的應用場合，如電機驅動方面極具吸引力。

4結語

本文系統地回顧和簡要地分析了軟開關技術的發展和一般原理。給出了每種拓撲結構的基本工作原理和一些主要的應用。軟開關技術雖然在減小開關損耗，提高功率密度方面有很強的優越性，但也存在著許多諸如開關應力和控制復雜等缺點。這也使它的實際應用還不非常廣泛。無論如何，各種各樣拓撲結構的出現會在一定程度上解決許多方面的問題并克服許多缺點。還有許多方面的課題有待去探索和解決，并在不久的將來會得到更廣泛的應用。