王 強，郭國先，王天施，劉曉琴

（1.遼寧石油化工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，遼寧撫順 113001；2.遼寧石油化工大學(xué)石油化工過程控制國家級實驗教學(xué)示范中心，遼寧撫順 113001）

1 引言

由于硬開關(guān)逆變器在開關(guān)切換期間會產(chǎn)生電壓和電流的交叉重疊現(xiàn)象，導(dǎo)致開關(guān)器件產(chǎn)生功率損耗，同時隨著開關(guān)頻率不斷增高，其開關(guān)損耗和器件發(fā)熱量逐漸增大.在現(xiàn)代電力電子技術(shù)中軟開關(guān)逆變器應(yīng)用越來越廣泛，軟開關(guān)逆變器可以實現(xiàn)高頻化，在開關(guān)切換期間可以實現(xiàn)軟切換，降低了開關(guān)損耗.

軟開關(guān)逆變器包含諧振極逆變器［1］和諧振直流環(huán)節(jié)逆變器［2～5］，諧振直流環(huán)節(jié)逆變器具有輔助電路結(jié)構(gòu)簡單，輔助器件較少，硬件成本低等優(yōu)點.因此，科研人員近些年已提出了多種諧振直流環(huán)節(jié)逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但是仍需改進.在輔助電路的控制方面，文獻(xiàn)［2～4］的輔助電路在控制輔助開關(guān)的切換時，需要實時監(jiān)測流過諧振電感的電流是否達(dá)到閾值，而且該閾值隨負(fù)載電流的變化而變化，導(dǎo)致輔助電路控制變復(fù)雜；在實現(xiàn)軟開關(guān)的類型方面，文獻(xiàn)［2～5］的逆變器橋臂上的主開關(guān)和直流母線上串聯(lián)的輔助開關(guān)都能實現(xiàn)零電壓軟開通和零電壓軟關(guān)斷，當(dāng)三相逆變器應(yīng)用在較大功率場合時，常以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）作為開關(guān)器件，IGBT在關(guān)斷時存在的拖尾電流會導(dǎo)致關(guān)斷損耗，所以實現(xiàn)零電流軟關(guān)斷對于以IGBT作為開關(guān)器件的逆變器更有意義，但是文獻(xiàn)［2～5］的逆變器主開關(guān)和直流母線上的輔助開關(guān)無法實現(xiàn)零電流軟關(guān)斷.

文中提出了新型三相低能耗諧振直流環(huán)節(jié)軟開關(guān)逆變器，其具有如下優(yōu)點：（1）輔助電路在控制過程中，并聯(lián)支路上的輔助開關(guān)開通后直接觸發(fā)諧振，控制輔助開關(guān)的切換時，不需要實時監(jiān)測諧振電流的變化；（2）逆變器主開關(guān)沒有并聯(lián)緩沖電容，主開關(guān)和串聯(lián)在直流母線上的輔助開關(guān)既能完成零電壓軟開通，又能完成零電流軟關(guān)斷，真正實現(xiàn)了開關(guān)損耗等于零.本文詳細(xì)分析了1個開關(guān)周期內(nèi)的電路工作狀態(tài)，最終在一臺2.5 kW的三相實驗樣機上驗證了該逆變器的有效性.

2 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作流程

2.1 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖1給出了本文提出的諧振直流環(huán)節(jié)逆變器主電路.主電路包含直流電源，位于直流環(huán)節(jié)的輔助諧振電路以及三相逆變電路.輔助開關(guān)器件Sr1和Sr2，輔助二極管Dr1和Dr2，耦合諧振電感Lr1和Lr2以及諧振電容Cr1和Cr2組成了輔助諧振電路.當(dāng)輔助電路發(fā)生諧振時，能使逆變器輸入端的直流母線電壓變化到零，三相逆變電路的主開關(guān)能完成零電壓軟開通和零電流軟關(guān)斷，使開關(guān)損耗降低.

圖1 新型三相低能耗諧振直流環(huán)節(jié)逆變器主電路

2.2 工作流程

為了簡化分析，可以假定：（1）各器件都為理想器件；（2）負(fù)載電感值可以認(rèn)為足夠大，逆變器輸出端電流Io為恒定值，逆變器輸出端負(fù)載可以看作是恒流源；（3）開關(guān)器件SIN和續(xù)流二極管DIN組成了三相逆變電路的等效電路.逆變器等效電路及物理量的參考正方向如圖2所示，10個工作流程被包含在主開關(guān)的每個開關(guān)周期內(nèi).圖3給出了電路的特征波形，圖4給出了各工作流程等效電路圖.

圖2 逆變器等效電路

圖3 諧振換流期間的理論工作波形

圖4 各工作流程的等效電路圖

（1）流程1（t～t0）：Sr1處于導(dǎo)通狀態(tài)，直流電源Ud向負(fù)載供電，電路處于穩(wěn)態(tài).

（2）流程2（t0～t1）：在t0時刻，開通Sr2，Lr2限制了Sr2發(fā)生開通動作時電流上升速度，因此Sr2在開通時實現(xiàn)了零電流軟開通.Sr2開通以后，Lr2和Cr2進入諧振狀態(tài)，Lr2被充電，Cr2放電，流過Lr2的電流iLr2從零開始正向增大，Cr2端電壓uCr2從U1開始正向減小.在t1時刻，當(dāng)iLr2正向增大到與負(fù)載電流Io相等，uCr2正向減小到U2時，流過Sr1的電流變化到零，流程2結(jié)束.

（3）流程3（t1～t2）：在t1時刻，關(guān)斷Sr1，因為Sr1發(fā)生關(guān)斷動作時，流過Sr1的電流已經(jīng)等于零，所以Sr1在關(guān)斷時實現(xiàn)了零電流軟關(guān)斷.Sr1關(guān)斷以后，Lr2和Cr2繼續(xù)處于諧振狀態(tài)，Cr2繼續(xù)放電，Lr2繼續(xù)被充電，uCr2從U2開始繼續(xù)正向減小，iLr2從I1開始繼續(xù)正向增大，電流開始流過Dr1.在t2時刻，uCr2減小到零，iLr2增大到I2時，流程3結(jié)束.

（4）流程4（t2～t3）：在t2時刻，uCr2減小到零，電流開始流過Dr2，諧振過程結(jié)束，電流開始同時流過Lr1和Lr2，iLr1從零快速增大到I2/2，iLr2從I2快速減小到I2/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，電路處于穩(wěn)定運行狀態(tài).

（5）流程5（t3～t4）：在t3時刻，關(guān)斷Sr2，因為Cr1和Cr2共同限制了Sr2發(fā)生關(guān)斷動作時電壓上升速度，所以Sr2在關(guān)斷時實現(xiàn)了零電壓軟關(guān)斷.同時在t3時刻，iLr1從I2/2快速增大到I2，iLr2從I2/2快速減小到零.在t3時刻開始，負(fù)載電流I0開始流過Cr1，同時Lr1和Cr2開始進入諧振狀態(tài)，Cr1和Cr2被充電，Lr1放電，uCr1從零開始正向線性增大，uCr2從零開始正向非線性增大，iLr1從I2開始減小.uCr1線性增大到Ud時，直流母線電壓upn線性減小到零.在t4時刻，uCr1等于Ud，uCr2增大到U3，iLr1減小到零時，諧振結(jié)束，流程5結(jié)束.

（6）流程6（t4～t5）：在該流程中，直流母線電壓upn等于零，直流電源不向負(fù)載供電，負(fù)載電流Io通過等效二極管DIN續(xù)流.在該流程中，逆變器的主開關(guān)能完成零電壓軟開通和零電流軟關(guān)斷.

（7）流程7（t5～t6）：在t5時刻，開通Sr2，因為Lr2限制了Sr2發(fā)生開通動作時電流上升速度，所以Sr2在開通時實現(xiàn)了零電流軟開通.Sr2開通以后，Lr2和Cr2進入諧振狀態(tài)，Cr2放電，Lr2被充電，uCr2從U3開始逐漸減小，iLr2從零開始逐漸增大.在t6時刻，uCr2減小到U4，iLr2增大到與Io相等時，流程7結(jié)束.

（8）流程8（t6～t7）：在t6時刻，等效二極管DIN自然關(guān)斷，Lr2，Cr1和Cr2進入諧振狀態(tài)，Cr1和Cr2放電，Lr2被充電，uCr1從Ud開始減小，uCr2從U5開始減小，iLr2從Io開始繼續(xù)增大.在t7時刻，uCr1和uCr2都減小到零，iLr2增大到I3時，流程8結(jié)束.

（9）流程9（t7～t8）：在t7時刻，開通Sr1，因為在Sr1開通前，Sr1的端電壓已經(jīng)等于零，所以Sr1在開通時處于零電壓軟開通狀態(tài).同時uCr2減小到零，電流開始流過Dr2，諧振過程結(jié)束，電流開始同時流過Lr1和Lr2，iLr1從零快速增大到I3/2，iLr2從I3快速減小到I3/2，然后iLr1和iLr2保持恒定，電路處于穩(wěn)定運行狀態(tài).

（10）流程10（t8～t9）：在t8時刻，關(guān)斷Sr2，因為Cr2限制了開關(guān)Sr2發(fā)生關(guān)斷動作時電壓上升速度，所以Sr2在關(guān)斷時實現(xiàn)了零電壓軟關(guān)斷.同時在t8時刻，iLr1從I3/2快速增大到I3，iLr2從I3/2快速減小到零.從t8時刻開始，直流電源通過開通的Sr1向負(fù)載供電，同時Lr1和Cr2進入諧振狀態(tài)，Lr1放電，Cr2被充電，iLr1從I3開始正向減小，uCr2從零開始正向增大.在t9時刻，iLr1正向減小到零，uCr2正向增大到U1時，流程10結(jié)束.

至此，電路在1個開關(guān)周期內(nèi)的工作流程分析完畢，然后電路重新返回流程1，進入下1個開關(guān)周期的工作.

3 實驗結(jié)果

按照圖1所示主電路，完成了三相實驗樣機的研制，本文采用空間電壓矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation，SVPWM）方法作為控制策略.樣機參數(shù)如下：額定輸出功率P0=2.5 kW，直流電源電壓Ud=250 V，負(fù)載電感LA=LB=LC=1 mH，負(fù)載電阻RA=RB=RC=7.5 Ω，最大負(fù)載電流為Iomax=15 A，最小負(fù)載電流Iomin=2 A，輸出相電壓有效值U1=80 V，輔助開關(guān)Sr2的觸發(fā)脈沖占空比ρSr2為0.155，諧振電感Lr1=Lr2=7 μH，諧振電容Cr1=39 nF，Cr2=0.22 μF，開關(guān)頻率fc=20 kHz.

相關(guān)的實驗波形如圖5所示，實驗波形中的電壓和電流取的正方向與圖2中的標(biāo)注一致.輔助開關(guān)Sr1發(fā)生切換動作時電壓uSr1和電流iSr1的實驗波形如圖5（a）所示，由波形圖得出Sr1發(fā)生開通動作時，在電流iSr1增大前，電壓uSr1已經(jīng)變化到零，開關(guān)Sr1開通時處于零電壓軟開通狀態(tài)；同時可以得出Sr1發(fā)生關(guān)斷動作時，在電壓uSr1增大前，電流iSr1已經(jīng)變化到零，開關(guān)Sr1關(guān)斷時處于零電流軟關(guān)斷狀態(tài).輔助開關(guān)Sr2發(fā)生切換動作時電壓uSr2和電流iSr2的實驗波形如圖5（b）所示，由波形圖得出Sr2發(fā)生開通動作時，電流iSr2的變化率較低，開關(guān)Sr2開通時處于零電流軟開通狀態(tài)；同時可以得出Sr2發(fā)生關(guān)斷動作時，電壓uSr2的變化率較低，開關(guān)Sr2關(guān)斷時處于零電壓軟關(guān)斷狀態(tài).圖5（c）和圖5（d）分別給出了在滿載和輕載時的主開關(guān)S1動作時承受的電壓uS1和電流iS1的實驗波形，由圖5（c）和圖5（d）波形圖得出主開關(guān)S1發(fā)生開通動作時，電流iS1增大前，電壓uS1已經(jīng)變化到零，主開關(guān)S1開通時處于零電壓軟開通狀態(tài)；由圖5（c）和圖5（d）同時可以得出主開關(guān)S1發(fā)生關(guān)斷動作時，在電壓uS1增大前，電流iS1已經(jīng)變化到零，主開關(guān)S1關(guān)斷時處于零電流軟關(guān)斷狀態(tài).

圖5 實驗波形

4 結(jié)論

與同類型的三相諧振直流環(huán)節(jié)逆變器相比較，本文設(shè)計的逆變器的突出優(yōu)點是主開關(guān)和串接在直流母線上的輔助開關(guān)既能實現(xiàn)零電壓軟開通動作，又能實現(xiàn)零電流軟關(guān)斷動作.經(jīng)實驗驗證得到的結(jié)論如下：逆變器主開關(guān)和輔助開關(guān)都可以完成軟切換動作.當(dāng)該三相逆變器應(yīng)用在較大功率場合時，有利于IGBT作為逆變器的開關(guān)器件.