谐振软开关技术及其在逆变电源中的应用
这类逆变器包括极谐振电路、谐振吸收电路、准谐振电路和软开关过渡技术的PWM转换(ZVT和ZCT)。
(1)极谐振逆变器(RPI)
极谐振技术的最早应用是在DC/DC变换器中,但后来在DC/AC逆变器中被证明也是一种较方便的方法。这一类逆变器的共同特点是:辅助谐振电路放置在逆变桥上。对于三相逆变器来说,辅助谐振电路由原来的一组变为三组,即每桥臂均配有一组,通过辅助谐振电路,使每一相极点(即每一桥臂上下开关器件连接点)电压产生谐振,从而为开关器件创造了零电压导通条件。
图4给出了一个单相极谐振逆变器(RPI)的原理图。
图4单相RPI电路
工作过程简述如下:
设主开关器件上的电压是Us,谐振电感不断地被极电压Us所充电和放电,且供给负载一个交变的电流,电感Lr和电容Cr的谐振只发生在极电压反向瞬间。
假设S2导通,S1处于关断状态,为了激活RPI工作过程,S2在ZVS处关断,并联谐振电感Lr在两个谐振电容Cr之间进行能量的交换。S1上的电压达到零点时由二极管D1导通,对负载电流进行续流。这时,谐振电感被直流电压充电至Us/2,且S1可在此刻实
图5ARCPI电路
现ZVS导通。事实上,由于谐振过程仅仅只发生在开关周期的极小一部分,这种拓扑结构也被称为准谐振ZVS。
极谐振逆变器发展的最大障碍是开关的冲击电流,这是由于为了给主开关器件创造一个ZVS的条件,必须使电感电流足够大以满足和谐振电容之间的能量交换,由此而引起开关上的电流峰值和有效值至少分别是负载电流的2倍和12倍。所以功率器件的感性损耗可能要比传统意义上的PWM逆变器高出很多,而且导致了过高的元器件成本和过低的开关利用率。
另一方面,对于那些较轻的负载,电感电流还不一定会有效地创造出ZVS条件,使得逆变器的带载能力范围受到了限制。还有,由于谐波电感和负载串联,所以这种结构的逆变器似乎也不适合于电动机的驱动。
(2)谐振吸收逆变器
谐振吸收逆变器也称为辅助谐振转换极逆变器(ARCPI),其基本结构如图5所示。
在该电路中,对应每一相,都有一个LC的谐振转换环节。谐振转换电路包括谐振电感Lr和并联在每个主开关上的谐振电容Crp/Crn,主开关为自关断器件。其工作原理也非常容易理解:假设负载电感L1远大于谐振电感Lr,那么在主开关换向瞬间,负载电流可以看成是一恒流源,初始状态io为图示方向,开关Sp处于关断,二极管Dn处于续流状态,即主电流io流过Dn。开通V1及Sn,谐振电流iL开始线性增加,当iL到达io时,流过Dn的电流变为零,iL-io的差值流过开关Sn,当iL-io升高室整定值时,关断Sn,谐振开始,在谐振期间,输出电压Uo从零增加,当Uo等于Us时,开关Sp就可以在零电压下开通,同时iL下降为零时,在零电流条件下关断V1。关于这种类型的逆变器的发展和应用请参阅参考文献1。
(3)软开关过渡PWM逆变器(ZVT-PWM、ZCT-PWM):
软开关过渡技术的概念最初的应用出现在AC/DC和DC/DC变换器中,后来才被扩展到DC/AC逆变器中。这种结构综合考虑了PWM技术和软开关技术的优点。在这种模式的逆变器电路结构中,直流总线上的电压/电流是固定不变的,而逆变桥则采用传统的PWM调制方式,增加了一个辅助的谐振电路。
辅助谐振电路只工作在逆变桥开关的切换瞬间,而开关周期的其余时间维持PWM调制的特点。辅助开关的工作过程一定要和PWM控制同步。
①ZVT-PWM逆变器
其三相电路如图6所示。
当主功率开关零电压/零电流过渡换向的时候,辅助开关Sr导通,经过二极管Dfb把多余的电感能量反馈回直流侧。所有的二极管均在零电流条件下导通或关断,而主功率开关在零电压条件下切换,这样开关损耗将会显著地降低。
ZVT-PWM拓扑结构主功率器件通常选用MOSFET或IGBT。它们的寄生电容将成为谐振网络的一部分。所以这种电路可以工作在很高的开关频率下,除了主功率开关切换过渡的瞬间,这种电路的工作过程和传统意义上的PWM电路完全类似。
显然,谐振电感Lo和逆变桥上电容(C1~C6)之
图6ZVT-PWM逆变器
图7ZCT-PWM逆变器
间的谐振是有源开关获得零电压切换的必备条件。由于所有的有源器件ZVT开关过程都处于PWM操作过程当中,所以相对于传统的PWM电路,这种拓扑电路中的开关顺序就显得比较复杂。
在这种电路结构中,由于负载电感不是逆变器零电压工作的一部分,所以该电路可以用于电动机驱动。
②ZCT-PWM逆变器
其三相电路如图7所示。
该逆变器电路实际上是一种在大功率晶闸管型逆变器中所使用的电流脉冲强迫换流电路的改进。电感Lo和电容Co之间的谐振给逆变桥上的有源开关在零电流条件下的关断提供了一个冲击电流。这就要求强迫给电路中开关上的电压变
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