HPWM技术在逆变器中的应用
时间：03-07
来源：互联网
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1、引言
由于对逆变器高频化的追求，硬开关所固有的缺陷变得不可容忍：开通和关断损耗大;容性开通问题;二极管反向恢复问题;感性关断问题;硬开关电路的EMI问题。因此，有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开关带来的各种问题。软开关技术是克服以上缺陷的有效办法。最理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近零。因功率管开通前电压已下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。
基于此，本文探讨性的提出了一种用于全桥逆变桥HPWM控制方式的ZVS软开关技术如图1所示，其出发点是在尽量不改变硬开关拓扑结构即尽量不增加或少增加辅助元件的前提下，有效利用现有电路元件及功率管的寄生参数，为逆变桥主功率管创造ZVS软开关条件，最大限度的实现ZVS，从而达到减少损耗，降低EMI，提高可靠性的目的。
2、HPWM控制方式下实现ZVS的工作原理
考虑到MOS管输出结电容值的离散性及非线性，每只MOS管并联一小电容，吸收其结电容在内等效为 ，且 ； 为MOS管的体二极管，则HPWM软开关方式在整个输出电压的一个周期内共有12种开关状态，基于正负半周两个桥臂工作的对称性，以输出电压正半周为例，其等效电路模式如图2所示，图3给出了输出电压正半周的一个开关周期内的电路的主要波形，此时S4常通，S2关断。由于载波频率远大于输出电压基波频率，在一个开关周期 内近似认为输出电压 保持不变，电感电流的相邻开关周期的瞬时极值不变。
图2 HPWM软开关方式工作状态及电路模式
A.
B.
C.
图3 ZVS方式主要波形
D.
E.
t5时刻，C1的电压降到零，其体二极管D1自然导通，进入下一电路模式。
F.
3、ZVS实现的条件及范围
由以上的工作模式可知，由于电容C1C3的存在，S1S3容易实现ZVS关断；要实现功率管的零电压开通，必须保证有足够的能量在其开通之前抽去等效并联电容上所储存的电荷，即
在上面的分析中，下管总是容易实现ZVS开通，因为其开通时刻总是在电感电流的瞬时最大值的时刻，即使轻载时电感储存的能量也可以保证其实现零电压开通；对于上管来说，则必须在零态续流模式中电感电流瞬时值由正变负，达到一定负向值，才能保证在下管关断时该电流可以使上管等效并联电容放电，从而实现其零电压开通。此种情况实际为输出半个周期中电感电流与输出电压同向，即Uo>0,iL>0的情况；当二者反向即iL0时，则上下管的情况正好互换，上管容易实现ZVS开通，而下管实现ZVS的条件则同样在零态续流模式中要保证电感电流瞬时值反向。对输出电压负半周，上下管实现ZVS的情况与正半周相同。
滤波电感的取值直接影响ZVS实现的范围，也影响到电路的效率。考虑到输出电压半个周期内电路可以等效为一BUCK变换器，由此得滤波电感的最大值需
由于对逆变器高频化的追求，硬开关所固有的缺陷变得不可容忍：开通和关断损耗大;容性开通问题;二极管反向恢复问题;感性关断问题;硬开关电路的EMI问题。因此，有必要寻求较好的解决方案尽量减少或消除硬开关带来的各种问题。软开关技术是克服以上缺陷的有效办法。最理想的软开通过程是：电压先下降到零后，电流再缓慢上升到通态值，开通损耗近零。因功率管开通前电压已下降到零，其结电容上的电压即为零，故解决了容性开通问题，同时也意味着二极管已经截止，其反向恢复过程结束，因此二极管的反向恢复问题亦不复存在。最理想的软关断过程为：电流先下降到零，电压再缓慢上升到断态值，所以关断损耗近似为零。由于功率管关断前电流已下降到零，即线路电感中电流亦为零，所以感性关断问题得以解决。
基于此，本文探讨性的提出了一种用于全桥逆变桥HPWM控制方式的ZVS软开关技术如图1所示，其出发点是在尽量不改变硬开关拓扑结构即尽量不增加或少增加辅助元件的前提下，有效利用现有电路元件及功率管的寄生参数，为逆变桥主功率管创造ZVS软开关条件，最大限度的实现ZVS，从而达到减少损耗，降低EMI，提高可靠性的目的。
2、HPWM控制方式下实现ZVS的工作原理
考虑到MOS管输出结电容值的离散性及非线性，每只MOS管并联一小电容，吸收其结电容在内等效为 ，且 ； 为MOS管的体二极管，则HPWM软开关方式在整个输出电压的一个周期内共有12种开关状态，基于正负半周两个桥臂工作的对称性，以输出电压正半周为例，其等效电路模式如图2所示，图3给出了输出电压正半周的一个开关周期内的电路的主要波形，此时S4常通，S2关断。由于载波频率远大于输出电压基波频率，在一个开关周期 内近似认为输出电压 保持不变，电感电流的相邻开关周期的瞬时极值不变。
A.
B.
C.
D.
E.
t5时刻，C1的电压降到零，其体二极管D1自然导通，进入下一电路模式。
F.
3、ZVS实现的条件及范围
由以上的工作模式可知，由于电容C1C3的存在，S1S3容易实现ZVS关断；要实现功率管的零电压开通，必须保证有足够的能量在其开通之前抽去等效并联电容上所储存的电荷，即
在上面的分析中，下管总是容易实现ZVS开通，因为其开通时刻总是在电感电流的瞬时最大值的时刻，即使轻载时电感储存的能量也可以保证其实现零电压开通；对于上管来说，则必须在零态续流模式中电感电流瞬时值由正变负，达到一定负向值，才能保证在下管关断时该电流可以使上管等效并联电容放电，从而实现其零电压开通。此种情况实际为输出半个周期中电感电流与输出电压同向，即Uo>0,iL>0的情况；当二者反向即iL0时，则上下管的情况正好互换，上管容易实现ZVS开通，而下管实现ZVS的条件则同样在零态续流模式中要保证电感电流瞬时值反向。对输出电压负半周，上下管实现ZVS的情况与正半周相同。
滤波电感的取值直接影响ZVS实现的范围，也影响到电路的效率。考虑到输出电压半个周期内电路可以等效为一BUCK变换器，由此得滤波电感的最大值需
。电感值大，电感电流瞬时值变化范围小，ZVS实现的范围减小，也就是
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