单相谐振型零电压软开关逆变器研究

臧 越，杨 艳，李 森，丁 涛

（青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛266071）

单相谐振型零电压软开关逆变器研究

臧 越，杨 艳，李 森，丁 涛

（青岛大学 自动化与电气工程学院，山东 青岛266071）

针对变换器中多谐波和开关损耗以及输出不稳定问题，对一种直流谐振型有源辅助电路成的软开关逆变器进行研究，完成开关管的的零电压通断，降低通断损耗。控制模块中采用以电感电流反馈的内环，外环为电压瞬时反馈相结合的双闭环控制策略提高系统稳定和动态响应特性。通过对数据分析，实验结果验证了系统设计的可行性和有效性。

直流谐振；软开关；逆变器；双闭环控制

Abstract:For converter in a harmonic and switch loss， and output instability problem， so put a DC resonant active auxiliary circuit into the research of soft switch inverter，complete on-off switch tube of zero voltage，reduce the loss of on and off.Control module based on inductor current feedback in the inner ring and outer ring for voltage instantaneous feedback with the combination of double closed loop control strategy to improve system stability and dynamic response.By analyzing the data，the experimental results verify the feasibility and effectiveness of the system design.

Key words:DC resonant； soft-switching； inverter； double closed loop control

电子开关的高频化趋向的发展，电磁兼容问题日益突出。逆变器是UPS，感应电源和分布式发电系统中重要电力电子设备的核心部件，对输出波形质量，动态响应性，抗干扰性具有很高的要求。输出波形的严重失真[1]对电网的谐波污染以及在高频下的开关损耗成为了变流器发展的瓶颈。一般提出的逆变器设计固然实现了零电压的通断，可是增加了开关管的电压应力需要性能良好的开关管，对于文献[2]中设计的三相拓扑不但没有额外增加开关管电压应力，而且还实现了ZVS通断。文中在此拓扑结构的基础上对一种单相逆变器进行研究，为提高系统稳定性和动态响应，采用了双闭环控制[3-4]策略。基于PI调节器的电压瞬时反馈为外环，电感电流瞬时反馈为内环，同时引入负载扰动前馈补偿相结合的双闭环控制策略。外环控制用于保证稳态参考跟踪特性，提高动态性能和抗负载力；对于系统干扰，内环控制提供快速动态特性补偿以提高系统的稳定精度，使变流电路的机能大大提高。通过理论实验分析，对这种系统进行验证。

1 系统设计分析

1.1 逆变器拓扑结构

文中在拓扑结构[2]的基础上对单相逆变器进行研究，通过电容Cr和电感Lr以及一个开关管组成的直流侧辅组回路来实现ZVS。选取电感Lr值比较大可以抑制二极管反向恢复电流增加，电容Cr1—Cr4包含开关管的寄生电容，对电路有一定的缓冲作用。

1.2 动作原理分析

负载以电流源的形式替换对系统关键点工作阶段进行分析。

接上一阶段状态，S1和S2处于导通状态，D2续流，电容Cr对电感充磁Lr电感电流iLr增加，主开关侧母线电压为直流输入Udc。

图1 系统拓扑结构

图2 工作波形图

t2时，S5=0，在二极管D5作用下实现ZVS关断，Lr开始与 C3、C4、Cr5发生谐振反应，Cr3和 Cr4进入放电状态储存能量减小，Cr5增加。直到t3时刻，Ucr5=Udc，Uc3=Uc4=0 谐振结束。

t3时，S2=0，其二极管D2导通嵌位，实现ZVS关断。经过一定的死区时间。t4时，S4=1，其并联电容C4的电压为零，认为ZVS导通，D2与D4进入换流阶段。

因为谐振电感Lr的值比较大，iD2的反向电流被抑制，在t4时减小到零后不再反向增加。t5时，谐振电感 Lr与 C2，C3，Cr5发生谐振反应。

t5时处在谐振过程，Uc2和Uc3增加，Uc5减小。在t6时，Uc5减少到零，在二极管D5的导通嵌位下结束谐振过程，然后触发S5导通信号，可认为S5实现零电压的开通。

t6时，谐振过程结束，主开关S3的端电压Uc3=Udc。t7时，触发S4关断信号，在其并联电容C4的作用下实现零电压关断。Lr开始提供C4充电，C2放电条件。

t7时Lr与C2和C4开始谐振一直持续到t8时刻，t8时，C2放电状态结束，触发S2导通信号，实现零电压开通，谐振中的电流继续降低持续到下一周期个周期。

上述各模式阶段对应状态图如图3所示。

1.3 软开关条件

当电路处于稳态运行时，谐振回路要保证谐振磁链平衡，得出UCr=DUdc，D为辅组开关关断占空比，对谐振Mode2与Mode5充放电谐振状态进行状态回路等效分析可得：

1.4 控制模块分析

采用典型的电流内环电压外环双闭环控制，利用给定电压和反馈采样电压比较后经PID调节器作为电流内环给定值与反馈电流经过比例放大产生控制脉冲进行开关通断控制。

通过反馈电容的电流为内环实现有源阻尼效果，对电压变化趋势进行校正，改善系统动态特性。内环开环传递

内环闭环传递

外环开环传递

外环闭环传递

图3 主要阶段工作状态图

2 仿真实验研究

利用SIMULINK仿真环境进行仿真实验分析，辅助开关和主开关同频率，仿真基本参数：开关频率，Udc=350 V，fs=50 kHz，Cr1=Cr2=Cr3=Cr4=Cr5=1 nF，Cr=20 μF，Lr=16 μH

通过关键波形输出观察，辅助开关也可以ZVS导通，没有额外增加损耗，开关管的端电压在直流输入电压附近，输出波形基本也符合理论分析。

图5 电容Cr电压波形

图6 谐振Lr电流波形

图7 辅助S5电压波形

图8 主开关S1端电压波形

3 结 论

对单相软开关逆变器进行了分析，仅用一个辅助管就可以实现零电压通断，并没有额外的增加开关管电压应力和损耗，数据基本和理论分析相符，符合现代电力电子装置的设计趋势，具有较好的应用价值，值得研究与推广。

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Single-phase resonant type zero voltage soft switching inverter research

ZANG Yue，YANG Yan， LI Sen，DING Tao
（Institute of Automation and Electrical Engineering，Qingdao University，Qingdao266071，China）

TM46

A

1674-6236（2017）19-0103-04

2016-08-24稿件编号201608183

臧 越（1990—），男，山东济宁人，硕士研究生。研究方向：电力电子电能变换技术，新能源技术。