具有简单辅助电路的并联谐振直流环节软开关逆变器

王 强 刘岩松 陈祥雪 王天施 刘晓琴

（辽宁石油化工大学信息与控制工程学院 抚顺 113001）

1 引言

随着电力电子技术的发展和软开关技术在直流变换器领域的成功应用，人们对软开关技术在逆变器方面的应用表现出了浓厚的兴趣。在涉及传统硬开关逆变器所带来的诸多问题时都把解决办法投向了软开关，如低的开关频率、高开关损耗，开关瞬时严重的电流电压尖峰，对环境的电磁干扰和音频噪声[1]。

为了得到高效、高性能、高功率密度的逆变器，并联谐振直流环节软开关逆变器以其结构简单、控制方便而受到研究者的关注，是目前软开关逆变器拓扑研究发展的主流。研究人员已经提出了多种并联谐振直流环节软开关逆变器的拓扑结构[2-8]，推动了并联谐振直流环节软开关逆变器的发展，但是仍然需要进一步完善。文献[2,3]提出的拓扑结构中，用于形成电源中点的2个大电容增加了逆变器体积和重量，还导致逆变器的高频工作不可避免地造成中性点电位的变化，影响软开关的实现；文献[4]提出的拓扑结构中，辅助谐振电路使用了3个辅助开关器件，控制相对复杂；文献[5]提出了一种磁悬浮轴承并联谐振直流环节软开关三电平逆变器，只有2个辅助开关器件，但是其辅助谐振电路的无源器件除有2个耦合谐振电感外，还包含1个谐振电感，1个谐振电容和3个辅助二极管，辅助电路结构相对复杂；文献[6-8]提出的拓扑结构中，直流母线的零电压持续时间不能自由选择，其零电压持续时间取决于负载电流和谐振参数。

本文提出了一种新型并联谐振直流环节软开关逆变器的拓扑结构，弥补了上述提及的不足，且具有以下特点:①直流母线之间没有串联分压电容，无中性点电位的变化问题；②辅助谐振电路结构相对简单，只有2个辅助开关，2个耦合谐振电感和1个辅助二极管；③直流母线零电压持续时间不依赖于负载电流和谐振参数，其零电压持续时间可以根据需要任意选择。文中对其工作原理进行了分析，给出了软开关的实现条件和逆变器的控制方法。制作了一个功率140W 的实验样机，通过实验来验证本文提出的新型拓扑结构的有效性。

2 电路结构及工作原理

2.1 电路结构

新回路的拓扑结构如图1 所示，由直流电源、辅助谐振电路和PWM 逆变器电路组成。辅助谐振电路包括耦合谐振电感Lr1、Lr2，辅助开关器件Sa1、Sa2，及Sa1的反并联二极管VDa1和辅助二极管VDa2。PWM 逆变器桥臂上的各开关器件都并联缓冲电容Cs，辅助谐振电路为PWM 逆变器开关器件提供零电压开关条件。三相逆变桥的开关器件在直流母线零电压凹槽期间关断或开通，功率器件开关时无电压和电流的重叠，从而降低了开关损耗。为简化分析，做如下假设: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，负载电流方向保持不变，其数值取决于各相电流的瞬时值及逆变桥6个开关器件的开关状态；③逆变器的6个主开关器件等效为Sinv，主开关器件反并联的续流二极管等效为VDinv；④逆变器的6个缓冲电容Cs等效为Cr，取Cr=3Cs，这是因为逆变器各桥臂上下任意一方的开关器件接通时，都使与其并联的电容Cs短路，正常工作时3个桥臂上的电容相当于3个电容并联。新型的拓扑结构可等效为如图2 所示的电路。负载电流I0以图2 所示方向流过，各部分的电流电压都以图2 所示的方向为正。

图1 三相谐振直流环节逆变器主电路Fig.1 Proposed three phase resonant DC link inverter

图2 逆变器的等效电路Fig.2 Equivalent circuit of proposed inverter

2.2 工作原理

本电路在一个开关周期内可以分为7个工作模式，电路的特征工作波形如图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Fig.3 Characteristic waveforms of circuit

图4 各工作模式的等效电路Fig.4 Equivalent circuits under different operation modes

工作模式:

模式1（t～t0）:初始状态，电源通过辅助开关器件Sa1向负载传输电能，电路工作在稳态。

模式2（t0～t1）:在t0时刻，开通辅助开关Sa2，在谐振电感Lr1的作用下，降低了流过辅助开关Sa2的电流的上升率，所以Sa2实现了零电流开通。Sa2开通后，谐振电感Lr1承受的电压值为E，Lr1被充电，电流iLr1线性增大，在t1时刻，当iLr1线性增大到电流值Ib1时，模式2 结束。Sa2开通瞬间电流上升率为

本模式的持续的时间为

模式3（t1～t2）:在t1时刻，关断辅助开关Sa1，在电容Cr的作用下，降低了Sa1关断瞬间端电压的上升率，所以Sa1实现了零电压关断。Sa1关断以后，Lr1和Cr开始谐振，Lr1被充电，Cr放电。iLr1逐渐增大，uCr逐渐减小。在t2时刻，当uCr减小到零，iLr1增大到最大值I1时，模式3 结束。在本模式中，Cr除了向Lr1所在支路放电以外，还同时向负载放电，以维持负载电流不变。Sa1关断瞬间的电压变化率为

本模式中，iLr1和uCr的表达式分别为

本模式的持续时间为

谐振电流最大值I1为

模式4（t2～t3）:设N1和N2分别为耦合电感Lr1和Lr2的匝数，匝数比n=N2/N1，USa2,on和UVDa2,on分别为Sa2和VDa2的通态压降。在t2时刻，当uCr减小到零时，二极管VDa2导通。流过Lr1的电流iLr1从I1突变成ILr1，流过Lr2的电流iLr2从零突变成ILr2，然后iLr1和iLr2分别保持为恒值ILr1和ILr2。如果考虑到通态压降USa2,on和UVDa2,on，那么本模式中，直流母线电压uCr=(nUSa2,on-UVDa2,on)/(n+1)。因为匝数比n＞1，所以uCr＞0，等效二极管VDinv不导通，负载电流I0通过Lr2和VDa2所在的支路续流，如图4d所示。本模式中有下式成立

根据式（8）和式（9）可以得到

因为通态压降USa2,on和UVDa2,on远小于E，相比于E，USa2,on和UVDa2,on可以忽略不计，所以本模式中可以认为直流母线电压约等于零，即uCr=(nUSa2,on-UVDa2,on)/(n+1)≈0，逆变器的主开关在本模式中可以完成零电压切换，而且本模式中直流母线的零电压持续时间T4=t3-t2可以根据需要任意设定，不受电流值、谐振电感和谐振电容值的约束。

模式5（t3～t4）:在t3时刻，关断辅助开关Sa2，在电容Cr的作用下，降低了Sa2关断瞬间端电压的上升率，所以Sa2实现了零电压关断。在Sa2关断瞬间，流过Lr2的电流iLr2从ILr2突变成I1/n。Sa2关断以后，Lr2和Cr开始谐振，Lr2放电，Cr被充电，iLr2逐渐减小，uCr逐渐增大。Lr2还同时向负载放电，以维持负载电流不变。在t4时刻，当iLr2减小到I2，uCr增大到E时，模式5 结束。Sa2关断瞬间的电压变化率为

本模式中，iLr2和uCr的表达式分别为

本模式的持续时间为

模式6（t4～t5）:在t4时刻，Sa1的反并联二极管VDa1开始导通，此时开通辅助开关Sa1，Sa1实现了零电压开通。VDa1导通以后，Lr2承受的电压值为E，流过Lr2的电流iLr2从I2线性减小。在t5时刻，当iLr2线性减小到负载电流值I0时，二极管VDa1截止，模式6 结束。本模式中，iLr2的表达式为

本模式的持续时间为

模式7（t5～t6）:在t5时刻，Sa1开始导通，流过Lr2的电流iLr2从I0继续线性减小。在t6时刻，当iLr2线性减小到零时，模式7 结束。本模式中，iLr2的表达式为

本模式的持续时间为

然后电路返回模式1，开始下一个开关周期的工作。以上分析的是负载电流方向为正时的电路工作模式，当负载电流方向为负时，电路的工作模式与上述的工作模式类似，这里不再详述。

2.3 软开关的实现条件

（1）为限制Sa1和Sa2关断瞬间的电压上升率，实现零电压关断，根据式（3）和式（12），谐振电感值Lr1、谐振电容值Cr和电流设定值Ib1的选取应保证关断瞬间电压上升率不大于允许值。

（2）为使逆变器桥臂上的主开关实现零电压开关，直流母线电压必须要减小到零，根据式（5），谐振电感值Lr1、谐振电容值Cr和电流设定值Ib1的选取应满足

此外，每个开关周期内直流母线零电压的持续时间应不小于逆变器的死区时间Δ，所以模式4 的时间T4应满足T4≥Δ。

（3）为使Sa1实现零电压开通，直流母线电压在谐振过程中必须能回升到电源电压E，根据式（7）和式（14），谐振电感值Lr1、谐振电容值Cr、匝数比n和电流设定值Ib1的选取应满足

所以为在全负荷范围内都实现软开关，在负载电流取最大值时，参数值的选取应使条件（1）、条件（2）和条件（3）都成立。

3 控制方法

3.1 辅助谐振电路的逻辑控制

如图3 所示，逆变器主开关需要改变开关状态时，主开关的切换滞后一定的时间T2+T3，以便在直流母线零电压凹槽内动作。在主开关原动作时刻t0，先开通辅助开关Sa2，经过时间T2之后，关断辅助开关Sa1，同时检测直流母线电压。当检测到母线电压下降到零时，主开关开始动作。直流母线电压下降到零之后，经过时间T4，关断辅助开关Sa2，同时检测直流母线电压。当检测到母线电压上升到电源电压时，开通辅助开关Sa1。根据式（2）和式（6），可以计算出以上的控制时间。

3.2 三相逆变器的控制

因为本文提出的电路中三相逆变器的每个主开关都并联了电容，其关断可以认为是软关断，所以只需要考虑如何实现主开关的零电压开通。本文采用新型空间矢量脉宽调制（Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM）方法[9]，其目的是把1个开关周期内，3个桥臂上需要零电压开通的3个开关器件同时开通，如果零电压凹槽出现在每个开关周期的初始部分，那么需要零电压开通的3个开关器件就可以在零电压凹槽内同时完成开通，有利于减少辅助谐振电路开关动作次数，具体方法见文献[9]。

4 实验结果

为验证本文提出的并联谐振直流环节软开关逆变器的有效性，根据图1 制作了功率为140W 的实验样机，输出端接三相阻感性负载。实验电路的参数见下表。将参数值代入式（20）和式（21）中，可以验证参数值满足设计要求。

表 实验电路参数Tab. The parameters of the circuit

直流母线电压ubus的实验波形和输出电流方向为负的那一相的下桥臂的主开关器件的触发脉冲Ulower的实验波形如图5a 所示，可以看出直流母线电压ubus从24V 下降到零，而后又重新上升到24V，出现了零电压凹槽，零电压持续时间约为5μs，大于逆变器的死区时间，因此逆变器的主开关器件在母线电压为零时，可以完成零电压开关。因为本电路采用新型SVPWM 方法，所以输出电流方向为负的那一相的下桥臂的主开关应该在直流母线零电压凹槽内完成开通。如图5a 所示，下桥臂的主开关的门极触发脉冲在直流母线电压的零电压凹槽内变化为高电平，表明下桥臂的需要零电压开通的主开关在直流母线电压为零时完成了开通。辅助开关Sa1开通和关断时的电压uSa1和电流iSa1的实验波形如图5b 所示，从图5b 可以看出Sa1开通前，端电压uSa1已经降到零，Sa1实现了零电压开通；从图5b还可以看出Sa1关断时，其端电压uSa1以相对较低的变化率上升，Sa1实现了零电压关断。辅助开关Sa2开通和关断时的电压uSa2和电流iSa2的实验波形如图5c 所示，从图5c 可以看出Sa2开通时，电流iSa2以较低的上升率上升，Sa2实现了零电流开通；从图5c 还可以看出Sa2关断时，其端电压uSa2以相对较低的变化率上升，Sa2实现了零电压关断，而且因为耦合谐振电感的匝数比n等于2，所以关断时的端电压uSa2峰值达到3E/2=36V。软开关逆变器的主开关S1开通和关断时的端电压uS1和电流iS1实验波形如图5d 所示，可以看出S1开通和关断时电压电流波形无重叠，是在零电压的条件下完成了切换，降低了开关损耗。该软开关逆变器在输出频率为50Hz时的输出线电压uab和三相的相电流的实验波形分别如图5e 和图5f 所示，可以看出该软开关逆变器输出的线电压和相电流的波形平滑，畸变很小。此外，对软开关逆变器和和硬开关逆变器进行了效率测试[10]，在输出功率140W 时，软开关逆变器的实测效率达到98.1%，相比于硬开关逆变器，效率提高2.3%。

在试验点气候条件下的桑树物候期为2月上旬芽开始萌动，2月下旬芽明显松动，3月下旬至4月上旬开花，4月下旬桑果开始着色，5月上中旬桑果成熟，新梢一直生长到停止，其中头年夏伐条经过冬季短梢抽发新梢伸长生长从3月下旬开始，在采春蚕叶期间继续生长，即一般情况下在5月至6月上旬为春蚕采叶期，直至10月中下旬停止生长；而当年夏伐条抽新梢伸长生长从6月下旬开始，直至11月下旬才停止生长。且新梢的生长发育对桑叶产量有重要影响。由此，调查4月至6月上旬新梢生长发育情况对估计桑叶产量有一定指导意义。

图5 实验波形Fig.5 Experimental waveforms

在以上实验中，输出端接的是三相阻感性负载，在接三相电机负载时，以上实验结果会有一定差别。因此在以后的工作中将以三相电机作为负载，进一步完善该实验。

5 结论

本文提出了一种新型并联谐振直流环节软开关逆变器的拓扑结构，相比于相关文献提出的拓扑结构，其显著特点是辅助谐振电路相对简单，无源辅助器件较少，而且直流母线间无分压电容，所以没有中性点电位的变化问题；直流母线零电压持续时间可以自由选择，不受谐振电流设定值和谐振元件参数的限制。通过实验研究得出如下结论:

（1）逆变器的主开关器件在母线电压为零时完成切换，实现了零电压开关，而且辅助开关也都实现了软开关。

（2）三相逆变器输出的线电压和相电流被很好地控制，电流波形为光滑的正弦波。

（3）在输出功率 140W 的原理样机上得到了98.1%的实测效率，相比于硬开关逆变器，效率有明显提高。

但是该软开关逆变器还是存在以下问题:辅助谐振电路中有耦合谐振电感，使位于直流母线之间的辅助开关承受的电压峰值高于电源电压，可以通过选取适当的耦合电感匝数比来降低该辅助开关承受电压峰值。

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[10]王强.无中性点电位变化的辅助谐振变换极逆变器[J].中国电机工程学报,2011,31(18):27-32.Wang Qiang.Auxiliary resonant commutated pole inverter without change of neutral point potential[J].Proceedings of the CSEE,2011,31(18):27-32.