一种新型无源软开关三电平逆变器

易灵芝，姜康宁，胡炎申,2

（1.湘潭大学多能协同控制技术湖南省工程研究中心，湘潭411105；2.深圳茂硕电气有限公司，深圳518000）

三电平逆变器由于具备功率密度高、 成本低、干扰小等优势，而广泛应用于中大功率的光伏发电领域[1-2]。 工程应用中，功率开关管需要工作在高开关频率状态，因此硬开关损耗尤为明显，限制其在高压领域的应用，而软开关技术是解决功率开关管高频化和低损耗之间矛盾的最佳选择[3-4]。

软开关技术是利用电感、电容本身特有的属性，即缓冲电感对于电流变化的抑制以及缓冲电容对电压变化的抑制， 避免功率开关管的电压和电流同时取得高值，实现功率开关管的零电流软开关ZCS（zero-current soft-switching）和零电压软开关ZVS（zerovoltage soft-switching）[5-7]。早期的软开关技术是通过附加RCD 缓冲电路[8-9]，试图将开关损耗的能量转移到缓冲电路，利用电阻和电容将能量以热量的形式消耗掉，也能达到降低开关管温度的作用。 但理论上能量的损耗依然存在，甚至新增了辅助电路的损耗，效率更低。

软开关技术广泛应用于DC/DC 变换器，后由李泽元、 阮新波等专家学者推广至多电平逆变器[10-11]。文献[12]介绍了一种常规型软开关拓扑，能够直接实现零电流软开关，但这种方案复制了两电平ZCT软开关控制方式，完全没有考虑到TNPC 三电平逆变器的拓扑特性，辅助器件繁多。文献[13]提出一种在非单位功率因数工况下仍能实现零电流开关的软开关调制技术， 并且研制25 kW 的三相逆变器样机验证了有效性。但该方案控制过程需要多模式切换，控制策略复杂，控制精度要求太高。 文献[14-15]将谐振极型零电流软开关技术推广到三电平逆变器，能够实现开关管的零电流软开关，不影响开关管应力，但每相引入辅助器件过多，且辅助开关管需要额外的ZCT 软开关控制策略。 文献[16]提出一种无源软开关三电平逆变器，无需更改控制且效率较高，但其输出波形较差，缺乏对关键参数选型的依据，其换流过程内管电压应力过大，且伴随高频振荡。

针对现有三电平逆变器软开关技术的不足，提出了一种低电压应力无源软开关逆变器，通过附加无源辅助谐振单元实现所有开关管的软开关，详述了其各模态的原理；在此基础上，列举了软开关实现的限制条件并给出了关键参数的设计； 最后，设计了一台1 kW 原理样机，通过与常规软开关逆变器以及传统硬开关逆变器试验结果的对比，验证了本文所提的新型无源软开关逆变器的有效性。

1 电路拓扑

图1 为新型无源软开关三电平逆变电路，在传统T 型三电平拓扑上加入了由缓冲电感Lr、缓冲电容Cr1、Cr2和4 个二极管Dr1～Dr4组成的缓冲单元，以及2 个对称的箝压单元Ci1、Di1和Ci2、Di2。 辅助电路的作用是通过缓冲电感和电容对于电流和电压变化速率的限制，提供实现零电压关断和零电流导通的条件，通过LC 谐振将能量反馈回负载端。主要工作波形如图2 所示，其中G1和G3对应开关管S1和S3的驱动，us1、us3和uCr2分别是开关管S1、S3和电容Cr2的 电 压，is1、is3和iLr分 别 是 流 过 开 关 管S1、S3和电感Lr的电压。

图1 新型无源软开关三电平逆变主电路拓扑Fig. 1 Main circuit topology of novel passive softswitching three-level inverter

图2 开关周期主要工作波形Fig. 2 Main working waveforms in switching cycle

2 工作原理

谐振发生在开关管关断瞬间，即0、1 电平换流时刻，二极管Dr1～Dr4、缓冲电容Cr1、Cr2以及箝位电容Ci1、Ci2分布和功能镜像对称，且Cr1=Cr2=Cr，故以下分析未涉及Dr1、Dr2、Cr1和Ci2。 等效电路见图3。

模态1（0-t0）：保持1 电平稳态如图3（a）所示，S1、S2开通，S3、S4关断，电流经S1到负载，桥臂电压uOM=0.5udc。

模态2（t0-t1）：进入换流前段（S1到S2、D3），S1关断，S3开通， 形成谐振回路和负载回路两条导通回路且有所重叠， 此时通过S1的电流迅速减小，S1两端电压为udc与uCr2之和。因为Cr2的箝位作用，S1两端电压uds1缓慢上升，S1能实现零电压关断。由于缓冲电感Lr限制了di/dt，S3实现了零电流开通。

根据图3（b）所示，换流阶段微分方程为

进而可知

根据uCr2的表达式可以推导出本阶段持续时间为

模态3（t1-t2）：进入换流后段如图3（c）所示，Cr2放电完毕，D4开始导通， 同时通过Dr4的电流降为0，由于udc/2 的恒定电压加在Lr两端，使其电流线性增大，D4电流线性下降。 t3时刻通过D4的电流降至0，负载电流达到最大值。 本阶段持续时间为IoLr/（0.5udc）。

图3 6 个模态的等效电路Fig. 3 Equivalent circuits in six modes

模态4（t2-t3）：保持0 电平稳态如图3（d）所示，S2、S3保持开通， 只有一条回路即D3、S2到负载，电感电流等于负载电流，缓冲电容电压为0，桥臂电压uOM=0。

模态5（t3-t4）：进入换流前段（S2、D3到S1）如图3（e）所示，S1开通，S3关断，正母线电压给Lr施加的udc/2 的反向电压，但Lr上电流不能突变，S1实现零电流开通。同时，因为电流只经过D3，S3两端电压上升速度受限，S3能实现零电流零电压关断。 本阶段持续时间为IoLr/（0.5udc）。

模态6（t4-t5）：进入换流后段如图3（f）所示，BUS+-S1-Cr2-Dr3-Lr构成谐振回路给Cr2充电， 当内管S3电压应力超过udc/2， 箝位二极管Di1导通，箝位电容Ci1将电压稳定在udc/2 附近直到谐振结束。Lr电流线性下降，相应地流过S1的电流线性上升。直至Lr电流降到0，电路回到如图3（a）所示的1 电平稳态。 开关管S3电压应力为

其中

本阶段换流时间为

3 软开关实现条件及参数设计

根据以上模态分析可以得到软开关实现的基本条件。

（1）为确保开关管实现零电流开通，主要器件流过的峰值电流应小于其允许通过的最大电流，取开关管允许通过最大电流为ISA，缓冲二极管允许通过最大电流IDA，考虑安全裕度系数为0.8，则

（2）为确保换流不干扰逆变器正常工作，要求换流时间小于tr，tr取0.1To，To为开关周期，则

关于软开关组件的参数选型，根据模态6 可以推导出流经开关管电流的最大裕值ism以及谐振电流峰值ip为

式中：I 为最大负载电流；Cr为电容Cr1和Cr2的容值。 ip为负载电流的1/3，可得

由模态分析可知，流经Dr1和Dr4最大电流为开关管的最大电流，ism=14.1 A，Dr2和Dr3的最大电流为谐振电流ip=3.5 A， 辅助二极管的最大耐压均为母线电压udc=300 V。 流过试验开关频率为18 kHz，谐振不能干扰逆变器正常工作，因此谐振周期不能超过开关周期的1/10，即

综合式（11）和式（12）可以得到谐振参数Lr=32 μH，Cr=22 μF。

4 实验结果

为验证理论分析的正确性，参考第3 节关键参数选型，在实验室搭建了1 kW 新型无源软开关三电平逆变器样机，如图4 所示，具体参数为：直流输入电压300 V；主控芯片TMS320F28335；开关频率为18 kHz；输出100 V/50 Hz；额定输出电流10 A；滤波器电感1 mH， 滤波电容25 μF； 功率开关管S1～S4使用英飞凌公司的IGBT，型号为K40H1203；使用STMicroelectronics 公司的型号STTH3012W二极管； 缓冲电感Lr=32 μH； 缓冲电容Cr1=Cr2=22 nF，型号为MMKP82。

图5（a）可见，is1和us1不会同时取高值，因此外管S1可以实现零电压关断和零电流开通， 开关损耗明显减少。图5（b）中uCr2波形存在斜率缓和的零电压凹槽，表明开关管具备零电压切换的条件。 需要说明的是，无法实现全范围软开关过。 因为零点附近存在开关周期占空比不到10%的情况， 由式（12）结合实验波形可计算出，占到整个工频周期的7%。 但过零点附近电流、电压都为低值，因此零点附近无法实现全范围软开关影响并不大。

图4 实验样机Fig. 4 Experimental prototype

图5 新型软开关逆变器实验波形Fig. 5 Experimental waveforms of novel soft-switching inverter

为对比分析本方案在电压应力、振荡抑制以及输出波形THD 等方面的优势， 对比测试了同等工况下的常规型软开关拓扑方案，常规型软开关试验条件及组件参数与本文新型软开关均保持一致，即开关频率仍为18 kHz；输出100 V/50 Hz；所有开关管型号为K40H1203， 无需加入二极管。 图6 为S3电压、电流对比波形，由图6（a）可见，最大电压应力达到了输入电压300 V，而图6（b）中电压应力仅为190 V，且电流变化更为平缓，而工程应用中T 型三电平拓扑功率管组合绝大多数采用4 合1 模块，其规格固定内管耐压是外管耐压的一半，本文提出的软开关拓扑因具有电压应力的优势，仍然能应用于模块化三电平逆变器。 另外，本文软开关通过并联箝压单元抑制了结电容与谐振电感的高频谐振，逆变器更快进入稳态，所以本文提出的软开关逆变器稳定性更好。

图6 S3 的电压电流波形对比Fig. 6 Comparison of voltage and current waveforms of S3

由于应用背景是中点箝位型NPC（neutral point clamped）三电平逆变器，中点电压不平衡是所有NPC逆变器所固有的问题。 减小中点电位波动是该领域的研究重点和难点。 加入了中点电压波动的测试试验，由图7 可见，由于软开关方案优化了开关管电压应力冲击和振荡，逆变器输出电压几乎稳定在3 个标准电平段（0，±udc/2），分压电容的谐波振荡较小。

图8 为输出电流波形的对比，改善的输出电压波形可确保负载电流连续性，波形质量较高。 且所测常规软开关THDi 为4.62%，本文软开关THDi 仅2.75%。

图7 输出电压及中点电位波形对比Fig. 7 Comparison of output voltage and neutral-point potential waveforms

图8 输出电流波形对比Fig. 8 Comparison of output current waveform

图9 同等工况下本文的新型软开关逆变器分别与常规软开关和传统硬开关逆变器的效率对比，轻载时功率和电流很小，没有满足全范围的软开关的条件， 而非理想条件下辅助电路本身会带来损耗，因此轻载段软开关效率略低，但不可否认的是，随着负载电流等软开关条件的满足，两种软开关效率均领先于传统硬开关。而由于新型软开关逆变器优化了管电压、管电流冲击与振荡，电压、电流利用率高，因此加载段新型软开关逆变器全面领先于常规软开关逆变拓扑。而工程应用中逆变器大多工作在高负载或满载工况下，因此本文的新型软开关逆变拓扑效率更优。

图9 效率曲线对比Fig. 9 Comparison of efficiency curve

5 结语

新型无源软开关三电平逆变器无需改变原有调制方式即可实现所有开关管的软开关动作，能明显减少开关损耗；正常工作效率高于传统硬开关和常规软开关逆变器；开关管在换流过程不会出现大幅电压冲击和振荡，中点电压波动更小，确保了逆变器的稳定性；输出电流纹波小，波形质量高，能够满足并网标准。