新型零电压零电流软开关逆变器的仿真研究

辽宁石油化工大学信息与控制工程学院 张书杰 王 强

1.引言

现代电力电子装置越来越趋向于小型化和轻量化，开关频率要求越来越高。开关频率很高时，给电路造成严重的噪声污染和开关损耗，且产生严重的电磁干扰。软开关技术的出现解决了这一系列问题。软开关技术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，实现零电压开通，零电流关断；或者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，实现零电流开通和零电压关断，从而降低开关功率损耗，减少噪声污染和电磁干扰[1]。

本文提出一种新型的零电压零电流软开关逆变器的拓扑电路。文中对其工作原理进行了分析，给出了不同工作模式下的等效电路图，通过仿真验证了：1)主开关可以在零电压和零电流的条件下开通，在零电压和零电流的条件下关断，克服了开通时的容性开通损耗问题和关断时的拖尾电流问题。因此主开关使用各种类型的开关器件时，如电力MOSFET、IGBT等，都能有效地减小了开关损耗。2)辅助开关实现了零电流开关，开关损耗也被减小。

2.新回路的拓扑结构及基本动作原理

2.1 回路的拓扑结构

新回路的三相主电路如图1所示，单相等效电路如图2所示，E为直流电源，电解电容Cd1、Cd2把电源电压E二等分，给直流母线滤波，同时限制谐振电容和开关管的电压。为保证Cd1、Cd2承受电压的均衡，Cd1、Cd2分别并联均压电阻R1和R2。为减小均压电阻的功率损耗，实际中选取大阻值小功率的电阻。LR1和LR2为谐振电感，CR1和CR2为谐振电容，SA1和SA2是辅助开关，当主开关S1和S2需要切换时，给辅助开关触发信号，辅助电路开始工作，利用谐振电感和谐振电容之间的谐振使主开关在反并联二极管流过电流的时候完成开通或关断，即可实现主开关在零电压零电流的情况下完成开关动作。

图1 三相谐振极逆变器主电路

图2 逆变器的单相等效电路

2.2 基本动作原理

为简化分析，现在做以下假设：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i0。因为三相谐振电路是独立可控的，取电路的一相进行分析，其单相等效电路如图2所示，箭头指向为物理量的参考正向，作为初始条件，设电容CR1的电压uCR1等于 -E，电容CR2的电压uCR2等于0.5E，CR1和CR2比Cd1、Cd2的电容值小很多，负荷电流i0以图2所示方向流过。特征工作波形如图3所示；各工作模式的等效电路如图4所示。

图3 电路的特征工作波形

工作模式：

1)模式1(t0～t1)：初始状态，负载电流经过S2的反并联二极管D2续流，此时S2处于开通状态，S1处于关断状态，辅助电路不工作。

2)模式2(t1～t2)：在t1时刻，主开关S2关断，同时给辅助开关SA1触发信号，使其导通，回路状态如图4(b)所示。D2中流过电流，S2在零电压和零电流的条件下完成了关断。在谐振电感LR1的作用下，降低了流过辅助开关SA1的电流的上升率，SA1实现了零电流开通。SA1开通后，辅助电路开始工作，LR1、CR1和CR2发生谐振，谐振电流iLR1逐渐增大，同时流过D2的电流以相同的变化率逐渐减小，当减小到零时，模式2结束。

3)模式3(t2～t3)：负载电流i0通过LR1、CR1和CR2所在的支路续流，CR2放电，CR2的电压uCR2线性减小。LR1和CR1继续谐振。当CR2的电压uCR2线性减小到零时，二极管DA2导通，模式3结束。

4)模式4(t3～t4)：二极管DA2导通之后，LR1、LR2、CR1和CR2发生谐振，在谐振过程中，当CR1和CR2的电压uCR1与uCR2之和等于0.5E时，二极管D1开始导通，模式4结束。

5)模式5(t4～t5)：二极管D1导通的时候，开通主开关S1，此时S1是在零电压零电流的条件下完成了开通。当流过二极管D1的电流减小到零时，模式5结束。

6)模式6(t5～t6)：在t5时刻，流过S1的电流开始从零增大，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐振，当电流iLR1减小到零时，二极管DA1开始导通，电流iLR1开始反向增大，模式6结束。

7)模式7(t6～t7)：二极管DA1导通的时候，关断辅助开关SA1，此时SA1在零电压零电流的条件下完成了关断。二极管DA1导通之后，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐振。当电流iLR2减小到零时，二极管DA2自然关断，模式7结束。

8)模式8(t7～t8)：因为二极管DA2的反向阻断作用，电流iLR2不能反向增大，此时LR1、CR1和CR2继续谐振，当电流iLR1减小到零时，二极管DA1自然关断，因为二极管DA1的反向阻断作用，电流iLR1不能反向增大，谐振过程结束，模式8结束。

9)模式9(t8～t9)：负载电流流过主开关S1，此时电路工作在稳态，辅助电路不工作。

10)模式10(t9～t10)：在t9时刻，再一次给辅助开关SA1触发信号，使SA1导通，在谐振电感LR1的作用下，降低了流过辅助开关SA1的电流的上升率，所以SA1实现了零电流开通，SA1导通之后，LR1、CR1和CR2发生谐振，电流iLR1逐渐增大，流过S1的电流逐渐减小，当流过S1的电流减小到零时，模式10结束。

11)模式11(t10～t11)：LR1、CR1和CR2继续谐振，二极管D1导通，当电流流过二极管D1的时候，关断主开关S1，此时S1是在零电压零电流的条件下完成了关断。当流过二极管D1的电流减小到零时，模式11结束。

12)模式12(t11～t12)：负载电流i0通过LR1、CR1和CR2所在的支路续流，CR2放电，CR2的电压uCR2线性减小。LR1和CR1继续谐振，当CR2的电压uCR2线性减小到零时，二极管DA2导通，模式12结束。

13)模式13(t12～t13)：二极管DA2导通之后，LR1、LR2、CR1和CR2发生谐振，当电流iLR1减小到零时，二极管DA1开始导通，电流iLR1开始反向增大，模式13结束。

14)模式14(t13～t14)：二极管DA1导通的时候，关断辅助开关SA1，此时SA1在零电压零电流的条件下完成了关断。二极管DA1导通之后，LR1、LR2、CR1和CR2继续谐振，当电流iLR1再一次减小到零时，二极管DA1自然关断，模式14结束。

15)模式15(t14～t15)：因为二极管DA1的反向阻断作用，电流iLR1不能再次反向增大，此时负载电流通过CR1所在的支路续流，LR2和CR2继续谐振，CR2的电压uCR2开始增大，CR1被反向充电，其电压uCR1线性减小。当CR1和CR2的电压uCR1与uCR2之和等于-0.5E时，二极管D2开始导通，模式15结束。

16)模式16(t15～t16)：二极管D2导通之后，LR2、CR1和CR2开始谐振，当电流iLR2减小到零时，模式16结束。

此时电路又返回到模式1，开始下一个开关周期的工作。至此，一个完整的负载电流为正的PWM周期结束，负载电流为负的工作模式与此类似。负载电流为负的工作周期内，辅助开关SA1不动作，SA2动作。

3.仿真结果

为验证本文提出的零电压零电流软开关拓扑电路的有效性，根据图2搭建仿真模型，对逆变器进行了仿真研究，仿真参数如表1所示。

图4为软开关逆变器主开关S1的电流与两端电压的仿真波形。从图5可以看到，流过主开关S1的电流在其端电压开始增大之前，已经变化到零，实现了零电压零电流关断，不产生关断损耗。在开通过程中，S1两端的电压在电流开始流过S1之前，已经降到零，同样实现了零电压零电流开通，开通损耗也为零。图中电流为负值的时间内，电流从S1的反并联二极管内流过。

表1 仿真参数

图5所示为软开关逆变器辅助谐振电路中辅助开关SA1的电流与两端电压的仿真波形。可以看出，在开通过程中，电压先降为零，之后电流才上升，且电流在谐振电感的作用下缓慢增加，实现了零电流导通。在关断过程中，SA1中的电流先由正变负，换流到SA1的反并联二极管中，SA1中已没有电流流过，而后其两端电压才开始增大，实现了零电压零电流关断。

图4 软开关逆变器开关S1的电压电流仿真波形

图5 辅助开关SA1的电压电流仿真波形

4.结论

本文提出了一种新型的零电压零电流软开关逆变器，能使主开关在零电压和零电流的条件下完成开通，并在零电压和零电流的条件下完成关断，解决了主开关的容性开通损耗问题和关断时的拖尾电流问题，另外还能使辅助开关完成零电流开通，在零电流和零电压的条件下完成关断，有效地降低了开关损耗，同时逆变桥的续流二极管实现了软性关断，克服了反向恢复问题，且开关器件的耐压被限制在直流母线电压以下，所以该软开关逆变器能进行高频率开关，减小噪音，抑制电磁干扰。通过仿真，验证了该软开关逆变器的主开关可以同时实现零电压开通和零电流关断，辅助开关可以实现零电流开通和零电流关断。

[1]Bellar M D,Wu T S,Tchamdjou A,et al.A review of softswitched dc-ac converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34(4):847-860.